スーパーチャージャー

スーパーチャージャー

スーパーチャージャーとは?

スーパーチャージャー(Super Charger)は、強力な容積式ポンプを指します。ターボチャージャー(Turbo Charger)と同様に、空気を圧縮して、吸気管内の空気圧と密度を高め、より多くの空気をエンジンに送り込むことで、1サイクルあたりの燃料消費量を増やして、エンジンの出力と平均効率を向上させて、自動車の動力性、燃費および排出ガスを改善する事が出来ます。

社会の生産力と技術力の継続的な向上に伴い、人々の交通需要は絶えず向上していますが、小排気量エンジンが大排気量エンジンの出力を、どのように爆発させるのでしょうか。過給技術は最も効果的な方法の一つです。私たちが現在乗用車のエンジンに使用している吸気過給技術は、元々は航空機の性能を発達する為に開発していた技術装置であり「過給機」とも呼ばれ、一般的に、シリンダーピストンを使用して真空を形成し、空気を吸い込むことで吸気プロセスを達成する事です。これは、いわゆる「自然吸気エンジン」です。自然吸気方式では「受動的」に吸気作用を発揮する為、上空では空気が希薄になるので、吸気効率が低くなって、エンジンの機能に大きく影響します。エンジンの吸気効率を向上させる為に、過給技術が発明されました。現在、過給機は船舶、鉄道車両、自動車といった輸送機械のエンジンだけでなく、農業機械、建設機械、発電機などの産業用エンジンにも広く採用されています。

エンジンDownsizingは現在の傾向です。一般的な自動車ディーラーは、ハイブリッドシステム(2つ以上の動力源を持つとのこと)Hybridを導入し、排気量を減らす予定です。ヨーロッパ系のブランドが最もよくある事が、ターボチャージャーを直接加えて、燃費を上げるだけでなく、より優れた動力表現を作る事が出来ます。

シボレー・カマロ

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スーパーチャージャーとターボチャージャーの違い

ターボチャージャーとは?

ターボチャージャーは、内燃機関の運転によって発生する排気ガスを、ステータとロータとからなる構造体によって駆動する空気圧縮機です。 過給機の機能と同様に、どちらも内燃機関またはボイラーへの空気の流れを増加させ、それによって機械効率を向上させます。 自動車のエンジンで一般的に使用されているターボチャージャーは、排ガスの熱と流れを利用して内燃機関の出力を増加させる事が出来ます。 エンジンは(自然吸気エンジンと比較して)エンジン出力性能を犠牲にすることなく、燃費と環境保護を向上させる為に、より小さなシリンダ容量のエンジンと適合しています。

駆動方式の違い

スーパーチャージャーとターボチャージャーは進気増圧の2つの異なる方式であり、主な違いは過給器の駆動方式です。
スーパーチャージャーは、エンジンの排気量を増やすことなくパワーホイールの出力を上げる方法です。エンジン出力は直接過給機を駆動するために使用され、次に高密度空気がエンジンの出力を増加させる為にシリンダーへ送られます。
ターボチャージャーでは、エンジンの排気ガスを使ってコンプレッサを駆動します。

過給原理の違い

スーパーチャージャーは、エンジン自体のパワーを使ってコンプレッサーを駆動し、加圧します。 過給機はエンジンの動力を消費し、回転数はエンジン回転数に応じて変化し、圧力ヒステリシスはありませんが、エンジンは低速では非常にうまく機能しますが、エンジンの回転数によって制限されます。 圧力が不十分です。
ターボチャージャーは、エンジンの動力を消費することなく間接的な過給を実行するために吸気管内のターボファン回転を駆動するために排気管内のターボファンを押すためにエンジンによって生成された排気ガスを使用する事です。ターボチャージャーは非常に速く、圧力はスーパーチャージャーより数倍高いです。 しかし、ターボファンの慣性により、中間軸受もかなりの抵抗を持ち、排気ガスが急上昇してもターボファンの回転速度は上がりません、それがターボラグです。

歴史と名前の違い

最初の過給機はすべて機械過給機です。発明された時は全て、スーパーチャージャーと呼ばれていました。ですが、ターボチャージャーが発明された後、二つを区別するために、最初はターボチャージャーはターボスーパーチャージャーと呼ばれ、スーパーチャージャーはメカニカルスーパーチャージャーと呼ばれていました。時間の経過とともに、この2つはそれぞれターボチャージャーとスーパーチャージャーに簡略化されました。ドイツ人はドイツ語の関係でスーパーチャージャーをKompressorと呼んでいます、それがメルセデス・ベンツ1.8Lスーパーチャージャーエンジンが200Kと呼ばれる理由です。また、Kompressorというドイツ語の語彙は他の機械過給器が入ったドイツ車にも印紙されています。

スーパーチャージャー仕組みと構造と原理

過給機は、過給機本体(エアコンプレッサ)、入力軸シフト機構(歯車変速機、液体変速機など)、伝動機構(プーリ+ベルト、チェーンホイール+チェーンなど)からなる。必要に応じて、圧縮空気を冷却するためのセントラルクーラーが取り付けられます。

運転中、エンジンのクランクシャフトはチェーンまたはベルトを通して過給機本体に空気を送り込み、圧縮された後、エンジンの燃焼室に入り、燃料と混ざり合い、点火して功を送ります。コンプレッサーの動力はエンジンのクランクシャフトから供給される為、エンジンの動力はある程度の損失を被りますが、過給機を搭載したエンジンには、ターボ過給エンジンによく見られるターボラグがありません。
これに加えて、過給機回転子の速度がクランクシャフトと同期しているので、圧力安全弁もまた必須の項目ではありません。入力軸シフト機構としては、歯車式変速機が例示され、この変速機は、プーリ/チェーンホイール、駆動ギヤ、コンプレッサギヤおよびケーシングからなり、一般に過給機本体と一体化されている。駆動用の駆動ベルト/駆動チェーンはプーリ/チェーンホイールに巻き付けられており、プーリ/チェーンホイールは駆動ギヤに取り付けられている。駆動ギアはコンプレッサギアを回転させます。

コンプレッサーのローターはさまざまな方法で設計できますが、その仕事は空気を吸い込み、空気をより小さな空間に押し込み、それを吸気マニホールドに注入することです。過給機のブースト値が高く、吸気マニホールドだけでは圧縮空気の熱を逃がすのに十分ではない場合、圧縮空気を冷却するために中央冷却器を吸気ポートに取り付ける必要があります。一般に、スーパーチャージャーは平均で馬力を46%、トルクを平均31%増加させることができますが、より強い技術力を持つ製造業者は馬力とトルクを50%-100%増加させることができます。

過給機用コンプレッサの駆動力はエンジンのクランクシャフトから得られ、一般的にクランクシャフトプーリはベルトで連結され、クランクシャフトのトルクはターボチャージャによって間接的に駆動されて過給の目的を達成します。構造によっては、遠心式、スライディングベーン(英:sliding vane)式、リショルム(英:Lysholm)式、スクロール(英:scroll)式、レシプロ式、Roots(ルーツ)など、さまざまな種類のスーパーチャージャーがあり、最初はピストンの動きがスーパーチャージャーと見なされていました。6つのデザインすべてが後押し効果を生み出しますが、効率には大きな違いがあります。
それでは、六つの中に、普及している3つの構造式を選び、それらの違いについて話しましょう。

①ルーツ(英:Roots)式

ルーツスーパーチャージャーは最初のデザインでした。 1860年に、PhilanderとFrancis Rootsは、鉱山水路が内燃機関ブースターではなく機械を換気するのを助けるために溶鉱炉の送風機の設計特許を発明し、申請しました(当時は内燃機関は発明されていませんでした)。内燃機関の発明の後、1900年に、ゴットリープ・ダイムラー(ダイムラーの創設者で、初期のMercedes-BenzとDaimler-Benzを合併)は、自動車エンジンに初めて「ルーツ型」過給機を取り付けました。

ルーツターボチャージャーは、繭型や三つ葉型のローターで利用でき、現在は繭型(まゆがた)のローターでより一般的になっています。ローターの断面形状にはサイクロイド型、エンベロープ型ならびにインボリュート型があり、羽の数は2枚(2葉)から4枚(4葉)、の物が使われています。一方のローターの回転軸と被駆動プーリとの間は直結ではなく、ヘリカルギヤで連結されており、ローター軸のプーリには電磁クラッチが装着されています。過給時にクラッチを放して過給を停止し、クラッチはコンピュータの制御によって燃料節約を達成します。現在、ルーツスーパーチャージャーが最も広く使われています、そしてそれは改装車ファンの大ヒットです。
そのような過給機は一般にかさばり、そしてしばしばエンジンの上部に取り付けられる。 一般的に大型車に使用されます。 それはまた大きく改装されたアメリカのマッスルカーにも愛されています。

②リショルム(英:Lysholm)式

ルーツスーパーチャージャーと同様に、リショルムスーパーチャージャー/ルーツは、1組のタービンドライブと同様に2つの噛合いフランジローターを通して空気を吹き込み、軸方向に送りながら圧縮して他端へ送り出す方式である。スーパーチャージャー内の空気もローターフランジを通過します。しかし違いは、リショルムスーパーチャージャーがローターハウジング内の空気も圧縮することです。その理由は、これらのローターにはテーパーが付いているためです。つまり、ブースターの吸気口から排気口に空気が流れるにつれて、空気の通路が狭くなります。気道が収縮すると、空気はより小さな空間に押し込まれ、空気が連続的に圧縮されることを可能にし、過給機の効率も高め、その結果、過給機をそれほど大きくする必要が無くなります。

しかしながら、ローターフランジの形状のために、製造工程中に精密な機械加工が必要とされ、それは過給機の製造コストを増加させます。ルーツスーパーチャージャーのように、リショルムスーパーチャージャーもエンジンの上にも、エンジンの片側にも置く事が出来ます。原理とルーツスーパーチャージャーの類似性のため、排気口から吐出される圧縮空気はルーツスーパーチャージャーと同じ、大きいノイズが聞こえます。それで、これらの音を除去するには騒音低減技術を使用する必要があります。

③遠心式

遠心過給機は、高速の空気を小型の圧縮機ケーシングに供給する為に、インペラ、ローターのような装置を使用します。 インペラーはターボチャージャーのコンプレッサーのローターに似ていて、その速度は50,000~60,000 rpmに達することができる入力シャフト・トランスミッションによって増幅されます。 空気がインペラハブに引き込まれるので、遠心力が空気を外側に広げます。 この空気はインペラを高速低圧状態にします。 ディフューザはインペラを囲む固定ベーンのセットで、高速低圧の空気を低速高圧の空気に変換します。 空気分子がこれらの羽根に衝突すると、空気分子は減速し、気流が減少して圧力が増加します。
つまり、回転する羽根車(インペラ)によって吸入した空気を圧縮する方式です。主に航空機用のレシプロエンジンに使用された方式で、自動車用としても使用されることがあります。この種の過給効率は、3種類の過給機の中で最も高く、一般に最初の2種類よりも過給値が高いため、圧縮空気の温度を下げるためにセントラルクーラーを設置する必要があることが多いです。
そのような過給機とターボチャージャーとの間の高い類似性のために、多くの人々は、これがターボチャージャーと呼ばれます。常に、一種のターボチャージャーであると誤って信じています。しかし厳密に言えば、中のコンプレッサーを駆動する方法が違うから、これは一種のスーパーチャージャーです。

スーパーチャージャーのメリットとデメリット

メリット

一般的に言って、タービンエンジンが作動している時は(新世代のタービンエンジンは改良されていますが)ラフな動作を感じるでしょうが、スーパーチャージャーはまだスムーズに動作します。 自然吸気エンジンの反対側では、過給出力が非常に線形であり、タービンが関与しているときにターボエンジンの突然の感覚がなく(ターボスローがない)、快適性が非常に高い事です。つまり、冷却する必要はなく、加速力のアップに優れている。また、寿命も長い為、単に、表から見るとターボチャージャーよりも魅力的です。

低速で過給を得る事に加えて、過給出力はクランクシャフト速度にも比例し、スムーズです。つまり、過給エンジンのスロットル応答は回転速度の増加とともに増加します。したがって、過給エンジンの作動感覚は自然吸気に非常に似ていますが、大きな馬力とトルクを持つ可能性があります。

デメリット

1点目はコストです。コスト面から分析してみると、ターボチャージよりもスーパーチャージの方がコストが高い事です。ターボチャージよりもスーパーチャージの製造精度がはるかに高いことが主な理由です。それで、タービンエンジンを搭載した小型車の台数が増えています。もしターボチャージをスーパーチャージに変えると、車の価格は必ず上がるということです。

2点目は効率です。タービンエンジンはエンジンの排気ガスで推進されますが、スーパーチャージャーはそれと違い、エンジンによって駆動されているのではない、クーラーのコンプレッサーのように、エンジンの動力を引っ張ることができて、エンジンのパワーを引き下げます。また、エンジン自体の出力が常に失われ、高速では効率が高くない事です。
さらに、年々に燃費が悪化するので、昔のモデルだとアイドリングでもガソリンを使用します。

まとめ

スーパーチャージャーは内燃機関用の強制吸気装置です。スーパーチャージャー車はシンプルで、エンジンが作動している限り、原則としてスーパーチャージャーが自然に発生します。エンジン回転数が高ければ高いほど、圧力も高くなり、ターボチャージャーによるヒステリシスが生じないという利点があります。 それはかなり直線的で、自然に吸い込まれるエンジンとほとんど違いがありません。しかしながら、不利な点は、過給機がベルトによって駆動され、駆動力が依然としてエンジンであり、それが燃料消費性能に寄与しない事です。この現象を改善する為に、デポは必要に応じて増圧チャンネルを機能させることができ、電磁弁とクラッチを追加し、過給機が一定速度以上になるとクラッチを接続させて過給機を引きずります。 その結果、ターボチャージャーに若干の遅れがある事になっています。
精密な製造工芸を求めているため、価格は非常に高価になり、そのためターボチャージャーのように広く使われていないです。

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