内燃工学

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内燃工学

大きなタービンにすると同じ過給圧でも高出力化出来るのは何故？

【問】　大きなタービンにすると同じ過給圧でも高出力化出来るのは何故？
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【答】　まず、エンジンを過給することで出力が向上する仕組みについて考えてみましょう。
　過給器を使わないでクルマの出力を向上させる場合、一番手っ取り早く、かつ効果的なのは排気量アップです。
　排気量をアップすると何故出力が上がるのでしょうか？
　それは沢山の空気（酸素）で沢山の燃料を燃焼させることにより、沢山の膨張ガスが得られるからです。
　沢山の膨張ガスは、膨張行程においてピストンを力強く押し下げるので、高出力が得られるのですね。
　じつは過給器という物は、小排気量のエンジンのシリンダーに大排気量と同じだけの空気を押し込んで、燃料を燃やさせる装置なのです。
　要はシリンダーに沢山の空気を無理矢理押し込んで沢山の燃料を燃やし、膨張行程のピストンを強く押し下げようってハラなのです。

　では、排気量２千ｃｃのエンジンに、４千ｃｃのエンジンと同体積の空気量を押し込めば同程度の出力が期待できるのでしょうか？
　熱効率の問題がありますので、等しい出力に成りませんが、概ね近い出力が得られる勘定になります。
　では、排気量２千ｃｃのエンジンにターボチャージャーで１キロの過給圧を掛ければ同程度の出力が期待できるのでしょうか？
　これはかなり低い出力になってしまいます。
　何故なら、４千ｃｃの自然吸気エンジンに比べて排気の邪魔物があるからです。
　そうです、ターボチャージャーが排気抵抗となって排気を滞らせるのです。
　ターボチャージャーが排気を滞らせると、エンジンが排気行程を終了してもシリンダー内に排気ガスが残ります（これを残留ガスと言います）。
　シリンダー内に残留ガスがあると見かけ上の容積が減りますので、１キロの過給圧を掛けても４千ｃｃの空気が入りません。
　もし、３千ｃｃの空気しか入らないのであれば、当然の事乍ら、３千ｃｃの排気量のエンジンと同程度の出力しか得られないのです。

　さて、タービンが排気抵抗になって出力向上を阻害することは理解できました。
　ではここで大きなタービンと小さなタービンを比較してみましょう。
　排気側ハウジングのサイズが違うことが判ります。
　ハウジングのサイズが大きいと、排気ガスが通る通路の面積が広くなります。
　そうです、排気側ハウジングのサイズが大きいタービンの方が、排気ガスの抜通抵抗が小さいのです。
　つまり、大きなタービンの方が排気抵抗が少ない分、排気の滞る量が少なくなって残留ガスが減ります。
　残留ガスが減ればその分新しい空気がシリンダーに入ります。
　上述の例で言えば、小さなタービンなら３千ｃｃの空気しか入らないところに、大きなタービンだと３千５百ｃｃ入ったりするのです。
　この差が出力差となるのですね。

　余談ではありますが、上述の理屈は排気側ハウジングのサイズが違う場合にのみ適合します。
　排気側タービンのサイズを変えず、コンプレッサー側タービンだけを大きくして風量を増やしたタービンの場合、同じ過給圧なら同じ出力しか得られません。
　見落とし易いので注意して下さい。

★追伸（というか平易ばーじょん）★
　本家Ｑ＆Ａに書いたレスが自画自賛ながら分かり易かったので、ココにコピペします。

　<<前略>>

　　空気を仁丹やＢＢ弾のような粒玉だと思ってください。
　ターボが高出力を搾り出す仕組みとは、自然吸気では１行程に百粒しかシリンダーへ入らない空気の粒を、無理矢理百五十とか二百個詰め込むだけに過ぎません。
　したがって、タービンが変わっても、シリンダーに送り込まれる空気の粒の数が同じなら、出力は変わりません。

　ところが、ターボはタービンが排気抵抗になるため、排気行程でシリンダーから排出し切れない「排気ガスの粒」が沢山あります。
　圧縮行程でシリンダーにある粒が二百個でも、それが全て新鮮な空気の粒だとは限らないのです。
　小さなタービンほど排気抵抗が大きく、シリンダーに残る排気ガスの粒の割合が多くなります。

　ノーマルタービンで「新鮮な空気の粒：150個」＆「排気ガスの粒：50個」だったものが、
大きなタービンで「新鮮な空気の粒：180個」＆「排気ガスの粒：20個」になれば、
圧縮行程でシリンダーにある粒が同じ二百個でも、新鮮な空気の量は２割も増える勘定になるワケです。

　だから、タービンを大きくすると『圧力（ブースト）と体積（パイピングやＩＣ）吸入温度（ＩＣは交換しない）と回転数が変わらなくても』出力が向上するのです。
　勿論、レスポンスは悪化しますけどね。

・・・てゆーので、一通り説明は終わったんですけど・・・
　なんてゆーか、本家Q&Aでこのページを紹介しても、イマイチ反応が良くなんですよね。
　分かってる人にとっては、説明されるまでもない既知って感じだし、分かっていない人には、説明してもチンプンカンプンって感じ。

　どうやら、少々遡って説明する必要がありそうです。

　まず、過給圧という現象を正しく捉えるところからやり直しましょう。

　過給圧とは何でしょう。
　それは、吸気行程でシリンダーに入り切れなかった空気が [ コンプレッサー～吸気バルブの間 ] に溜まって、正圧となる現象に過ぎません。

　では、思考して貰いましょう。　　思考し易くするため、ここでも“空気粒”という概念を用います。
　そして、定回転で稼動し続ける過給器を仮想します。　　この過給器が環境の影響を受けず、常に単位時間あたり100個の空気粒を送っていると仮定します。　そして、 [ コンプレッサー～吸気バルブの間 ] は、大気圧（＝絶対圧１キロ）で1000個の空気粒が入る容積だと仮定します。　　また、スロットルバルブの存在は無視します。

　エンジンが単位時間に使用する空気粒が50個であった場合、１単位時間が経過する毎に、 [ コンプレッサー～吸気バルブの間 ] に50個ずつ空気粒が残こる勘定になります。　　単純計算で20単位時間後には、コンプレッサーの後方 ( [ コンプレッサー～吸気バルブの間 ] ) に2000個の空気粒が存在することになります。　　この状態が１キロの過給圧（＝絶対圧２キロ）です。
　そして、空気は弾性であるため、大気圧の時に空気粒が1000個しか入れない空間へ、2000個の空気粒を押し込めば密度が上がります。　　このため、自然給気に比べ、過給されているシリンダーの方が圧倒的に多い空気粒を吸い込みます。　　この多数の空気粒に見合った燃料を与えて燃焼させれば、自然給気とは段違いの燃焼圧力を得ることが出来ます。　　これが過給器付きエンジンが高出力を生むカラクリです。

　そして、過給器が送る単位時間あたりの空気粒の数と、圧搾されてシリンダーに吸い込まれる空気粒の数が釣り合った状態が、我々がターボメーター等で確認する「安定した過給圧」なのです。

　ここで気付いて欲しいのは、過給に因ってシリンダー内に吸入される空気は、 [ コンプレッサー～吸気バルブの間 ] にある圧搾された空気だということです。　　 [ コンプレッサー～吸気バルブの間 ] にある空気の絶対圧が同じであれば、コンプレッサーがデカかろうがチイさかろうが、シリンダーに吸入される空気粒の数に違いはありません。　
　前述の説明の繰り返しになりますが、同じ過給圧なのにシリンダーに吸い込まれる空気粒の数が違うのは、前回以前の行程に於いて排気し切れずに残った排気ガスが邪魔をするからです。　　変な喩えですが、10人乗りのエレベーターへ20人押し込むシチュエーションを思い浮かべてください。　　空のエレベーターならギュウギュウ詰めで20人押し込めても、予め何人か乗っていたら、更に20人を押し込むことは出来ないでショ。　　それと同じコトです。
　つまり、シリンダー内に残った残留ガスが新しい空気の流入を邪魔するために、同じ過給圧でも燃料と混ざって混合気となる空気（酸素）の量は異なるため、タービンが変われば同じ過給圧でも出力が異なるワケです。

　以上の説明からご理解頂けたと思う通り、排気抵抗の違うタービンに変えれば、同じ過給圧でも出力が異なるワケです。

　では、この質問の回答として最も多い「タービンの風量が違うから」とは、一体どういう意味なのでしょうか？

　ズバリ答えを言ってしまう前に意地悪（？）な質問をしてみましょう。
　同じコンプレッサーを使い、エキゾースト側のハウジングを大きく（A/R比を大きく）するなどして、排気タービンの通気抵抗を小さくしたらどうなるでしょうか？
　この場合、同じ過給圧にすることが出来るのであれば、排気抵抗が小さくなって残留ガスが減る分、吸入される新しい空気が増えてパワーアップします。　　この点は、これまでの説明の通りです。　　しかし、排気抵抗が小さくなるということは、排気ガスがタービンに干渉する度合いが下がるということでもあります。　　したがって、タービン軸を加速する力が弱くなって過給の立ち上がりが遅れるようになります（＝レスポンス悪化）。　　場合によっては、幾らタービン軸が勢い良く回っても羽の回りに乱流が起ってしまい、エンジンが高回転の時に過給しなくなったり、排気抵抗が大きくなったりして過給が上がらなくなる現象が起ります。
　これを避けるためには、排気タービンもコンプレッサーもある程度大きくし、適切なA/Rに於いて十分な容積のハウジングが必要になります。
　この大きなターボチャージャーが、適切なタービン軸回転数の時に吐出するコンプレッサー側の風量を「タービンの風量」と称すのです。
　つまり、タービンの風量がデカイということは、エンジンが高回転でも過給がタレない、あるいは高過給に耐えられるという意味でしかありません。
　逆に言えば、質問のように、ノーマルタービンと同じ過給圧が発生している状況で、風量の大小の比較は、意味がありません。　　もちろん、風量の大きいタービンは、概して同じ排ガス量に対して排気抵抗が小さいのですから、まんざら「大ハズレ」でもありません。　　しかし、「大きなタービンにすると同じ過給圧でも高出力化出来るのは何故？」という問いに対して「タービンの風量が違うから」とだけ答えるのは、的外れです。　　少なくとも「排気抵抗が違うから、同じ過給圧でも送られる風量が異なる」と答えなければ、回答と呼ぶに値しません。　　なぜなら、「タービンの風量が違うから」と言われて排気抵抗や、それに因って生じるシリンダー内の残留ガスに思考が及ぶ人なら、端から「大きなタービンにすると同じ過給圧でも高出力化出来るのは何故？」なんて質問はしませんからね。

　さて、ここまでの説明をお読みになって、同じ過給圧なら排気抵抗は低い方が高出力化になる道理が御理解頂けたことと思います。
　では、排気タービンを通る排気ガスの抜通抵抗は低ければ低いほど良いと言えるのでしょうか？
　こたえは、「条件付きで正解」です。
　条件とは、「排気ガスの運動エネルギーが十分に排気タービンへ干渉し、タービンの軸を高回転に駆動できていること」です。
　排気タービンおよびそのハウジングを大きく、またブレード枚数を減らしたり形状を変えれば排気ガスが排気タービンを通る際の抵抗を小さくすることができます。　　しかし、あたりまえのことですが、そのような「排気ガスが排気タービンに干渉し難い構造」は、同じ排気ガス量でもターボチャージャーの軸を強く駆動することができません。
　もちろん、新しい空気を多く強制給気するためには、ターボチャージャーの軸が強く高回転で駆動されていなければなりません。　　ですから、いたずらにターボの排気抵抗を小さくすると皆目過給圧の上がらない駄目タービンになってしまうのです。
　同じ過給圧1.0キロなら、排気タービンを通る排気ガスの抵抗は小さい方が新しい空気の量（モル数）が増えて高出力化します。　　したがって、排気タービンを通る排気ガスの抵抗が大きいエンジンでの過給圧1.0キロと、排気タービンを通る排気ガスの抵抗が小さいエンジンの過給圧0.9キロが同程度の出力になる可能性はあります。　　そう言う意味でなら、低い排気抵抗に因ってタービン軸の回転数が少し落ちても問題はありません。　　しかし、十分な量の新しい空気を送り込むだけの圧送力は必要です。　　そのためのタービン軸回転数（回転力）を排気ガスから得られないのであれば、排気タービンの抵抗が低くなるメリットはありません。
　また、排気ガスがタービンブレードに干渉し難い（＝排気抵抗が低い）とタービン軸は加速し難くなります。　　このため過給の立ち上がりも遅く（＝鈍く）なります。
　つまり、フン詰まりも駄目ですが、ヌケ過ぎも駄目なのです。