ターボエンジンとは? 空気をより多く取り入れて燃焼効率を上げる装置

ターボエンジンは、現在珍しくないものとなりました。かつてはハイパワーエンジンと同義でもあり、ポルシェターボなどはその代名詞でした。もちろんその魅力はハイパワー。しかし、ターボを装着するとパワーアップするのはなぜでしょうか? またエコロジーが優先される現代で見直されているのはなぜでしょうか? ちょっと解説してみましょう。

エンジンはターボチャージャーによってより多くの空気を取り入れることができる

小排気量のまま、大排気量エンジン並のパワーを出すことが可能。

ターボエンジンとは、正確にいうと「ターボチャージャー装着エンジン」、かっこよくいうと? 「ターボチャージドエンジン」ということになります。どんなエンジンでもターボを付ければターボエンジンとなります。基本的にエンジンは基本的に排気量が大きいほどパワーを出すことができます。しかし、排気量を増すことになると、エンジン本体の設計変更が必要になり、大掛かりなことになります。ターボはそのへんを解決するひとつの方法です。

ターボを装着すると、エンジンはそのままでも実質的な排気量が大きくなる効果を得ることができます。なぜ排気量が大きくなるかというと、より多くの空気をシリンダー内に入れることができるからです。これは空気の薄いところを飛ぶ飛行機に適しているということでもあり、自動車よりも先に普及しました。自動車メーカーも比較的手軽にパワーアップすることができるため、どんどんハイパワーをうたったターボ車が登場しました。

ブーストアップや大きなタービンはよりエンジン出力をあげられる可能性がある。

ターボの基本的な構造を説明します。ターボは排気側のタービンとそれに同軸上に設けられた吸気側のコンプレッサーによって構成されています。エンジンが排気するときの排気エネルギーを利用してタービンを回転させると、吸気側のコンプレッサーも回転して空気を強制的にエンジンのシリンダーの中に送り込みます。大きなターボほど、より多くの空気をエンジンに入れられます。また、ブーストアップという過給圧を上げる方法によって、同じターボで多くの空気を入れる方法もあります(限界はありますが)。

吸入空気量を増やすとともに、それに応じた燃料噴射が必要となる

パワーを上げるためには、ちょっと濃い目のガソリンが必要。

エンジンがいちばんパワーを発揮できる空気とガソリンの割合は、空気12から13に対してガソリン1です。これをガソリンがやや濃い「リッチ」の状態と呼び、ガソリンと空気が完全燃焼する14.7:1よりも少しガソリンが多くなります。ここを狙ってターボによって増やされた空気の量に応じた割合の燃料を噴射し、混合気をつくってやることによってパワーアップも可能になるのです。

ただし、小さなエンジンのシリンダーに強制的に混合気を送り込むということは、それだけエンジンに負担がかかりますし、実質的な圧縮比が高くなってしまうということでもあります。圧縮比とはちょっと難しい言葉ですが、シリンダー容積と燃焼室の割合のことで、簡単に言うと燃焼室が小さいほうが圧縮比が高くなりパワーが出る方向になります。ですが、圧縮比が高すぎるとスパークプラグが点火する前に、ピストンの周辺で異常燃焼(ノッキング)という現象が起きる可能性もあり、最悪の場合はエンジンが破損します。

パワーを狙ったターボでは圧縮比を低くしないとエンジンブローの可能性もある……。

そのために、ターボを装着する場合、エンジン本体の圧縮比を下げてやり、ターボの過給に対応するなのどの対策がとられます。こうなるとターボが効いている高回転ではハイパワーとなりますが、ターボが効かない低回転では圧縮比の低いパワーのないエンジンとなってしまいます。これでも高速道路などではいいのですが、街中の普段乗りで乗りやすいエンジンとはいえません。アクセルを踏み込んでワンテンポ後れてターボが効くターボラグの問題もここから発生しますし、それ以前にターボエンジンにする必要性が薄くなります。

また、空気は圧縮すると熱を持つという問題もあります。熱を持つということは、それだけ空気の密度が低くなってしまうということで、せっかくターボで過給をしても効率的にはイマイチです。そこで過給して高温になった空気を冷却するためにインタークーラーを装着しているクルマが多くなっています。インタークーラーは走行風や冷却水で冷やすことにより空気の密度を高めて、よりターボの効率を高めてやる役割をします。

パワーはあるが、燃費を含めて問題も多かったかつてのターボエンジン

かつての「ドッカンターボ」などと呼ばれるものがありました。ターボの過給圧を高くして、エンジン本体の圧縮比を低くしたために、とろとろ加速しはじめて、ターボが効く3,000回転以上から突然に急激な加速を行なうエンジンとなります。こうしたエンジンでもパワーは大きくなりますからは常に高回転域を使う自動車レースなどでは(乗りやすさは別として……)有効ですが、一般的な使用をしていると多くのガソリンを使うことから燃費も悪くなってしまいます。

現在はCO2排出削減に有効なエンジンのダウンサイジング化に適したものとなった

現在はエコロジーを考え、もとのエンジンの補助として燃費向上を狙ったものが多い。

こうしたターボの使いかたは過去のものになってきました。CO2(二酸化炭素)排出の削減が厳しくなるにつれて、燃費の向上に自動車メーカーが力を入れることになってきました。そのため、ターボエンジンは避けられていた時代もありましたが、技術の進歩もあり現在は見直されています。小排気量のエンジンに、低回転から過給できる小さなターボを取り付ける方法です。

この場合、もともとのエンジンの性能を生かすために圧縮比を高めにしてやり低回転域の使いやすさを維持し、低排気量でパワーの足りない分をターボで補うという考え方です。ダウンサイジングターボなどと言われるのもこうしたターボエンジンです。スバル・レヴォーグやホンダ・ステップワゴンなどもこうしたエンジンを搭載しています。

新型 ステップワゴンのすべて (モーターファン別冊 ニューモデル速報 513弾)

¥540

販売サイトへ

ちなみにスーパーチャージャーエンジンと呼ばれるものがありますが、これも基本的にはターボエンジンと同じくエンジンのシリンダーに多くの空気を送り込むということでは考え方は同じです。ただし、ターボエンジンは排気エネルギーを利用してコンプレッサーを回すのに対して、スーパーチャージャーではエンジンのクランクシャフトの回転力を利用して空気をシリンダー内に入れるという違いがあります。

ターボエンジンは排気エネルギーを利用しますから、より多くの排気が多くなる高回転で過給が大きくなりますが、クランクシャフトの回転を利用すると、低回転から加給されるメリットがあります。ただし、高回転での過給はターボに劣ることになります。そのため、かつては低回転域はスーパーチャージャーを高回転ではターボチャージャーを効かせるツインチャージャーエンジンを搭載したものもありました。海外ではランチア・デルタS4などのラリーマシンがありました。マーチスーパーターボやマーチRなどがその例で、モータースポーツで活躍をしました。

WIT'S 1/43 MARCH SUPER TURBO クリスタルホワイト

販売サイトへ

まとめ

ターボエンジンというと高性能でパワーのあるエンジンというイメージがあります。ただし現在の地球温暖化などの問題を考えると、パワーだけを追い求める時代は終わりました。自動車メーカーの考え方もターボを賢く利用してCO2の削減を求めた方向に変わってきています。とはいうものの、昔からのクルマ好きにはレーシングサーキットなどでターボが効いたときの、背中がシートバックに押し付けられるような加速感は魅力的なのは事実ですね。