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Nov 30, 2023

今日のエンジンのターボラグはどうなったのでしょうか?

Quando si pensa ai motori turbo la prima cosa che viene in mente è:

ターボエンジンについて考えるとき、最初に思い浮かぶのはターボラグです。 ターボラグとは、スロットルペダルが踏み込まれてからターボチャージャーがスプールアップしてブースト圧を生成するまでにかかる時間です。 ほんの 10 ～ 20 年前を振り返ってみると、ターボラグはもっと一般的で、より深刻だったようです。 ペダルを踏み込み、5つ数え、時計を確認すると、ようやくブーストが効いているのを感じることができるように思えました。

さて、ここで疑問が生じます。今日、ターボチャージャー付きエンジンがはるかに一般的になったら、ターボラグはどうなるのでしょうか? この問題は、長年にわたる開発とちょっとした賢いエンジニアリングのおかげで解決されました。

自動車メーカーが排出ガスと燃費基準を満たすために創造性を発揮する必要があることは周知の事実です。 これらの規格は自動車メーカーにとって大きな課題となっており、「既成概念にとらわれずに考える」ことを強いられています。 歴史を振り返ってみると、私たちは挑戦を躊躇しませんでした。 第二次世界大戦における原子爆弾、宇宙開発競争を終わらせるための月面着陸など、挙げればきりがありません。

しかし、ターボラグの解決の場合、ある特定の進歩がレースを一気に終わらせたとは言えません。 むしろ、多くのプレイヤーが参加し、全員が変化を生み出し、最終的な解決策に向かって進んでいる長い道のりでした。 自動車メーカーが最新のエンジンのターボラグを解決した方法をいくつか見てみましょう。

より小型のエンジン、よりスマートなブースト

どこを見てもエンジンの排気量が小さくなったように見えます。 フォードは EcoBoost 4 気筒 V6 エンジンを搭載し、日産/インフィニティは 3.0L VR エンジンを搭載し、シボレーは最近シルバラードに 2.7L ターボを提供し始めました。 これらのより小さな排気量のエンジンは、置き換えるエンジンよりも燃費が良いですが、ターボチャージャーがなければ同じ種類のパワーを提供することはできません。

ここで、よりスマートなブーストが活躍します。 排気量が小さいエンジンは、パワーバンドのギャップを埋めるために小型のターボを使用できます。 小型のターボはより速くスプールアップできるため、応答性が向上し、より予測可能な出力が得られます。 最新のターボも、これまで以上にエンジンの近くに取り付けられています。 これは、排気ガスが燃焼室を出た後、それほど遠くまで移動する必要がなく、ターボがより速くスプールアップできることを意味します。

VWとアウディが現在製造している1.8Tと2.0Tエンジンを見てみましょう。 これらのエンジンは、排気マニホールドが組み込まれたシリンダー ヘッド設計を採用しています。 これは、排気マニホールドがシリンダーヘッド鋳物の一部であり、冷却ジャケットで囲まれていることを意味します。 この設計には主に 2 つの利点があります。

• エンジンが冷えているときは、高温の排気ガスがエンジン冷却液を温めます。 これは、HVAC システムが車室内の暖房をより早く開始でき、エンジンがより早く動作温度に到達し、有害な排出物を削減できることを意味します。

• エンジンが動作温度にある場合、エンジン冷却液は排気ガス温度を下げることができます。 これは、エンジン コントロール ユニット (ECU) がよりリーンな空燃比で動作し、触媒の温度と性能を最大化できることを意味します。

統合型エキゾーストマニホールド設計を選択した自動車メーカーがフォルク​​スワーゲンとアウディだけではないことは注目に値します。 フォードは、1.0L 3 気筒 EcoBoost エンジンと、一部の 4 気筒および V6 ターボ エンジンに統合エキゾースト マニホールドを使用しています。 ホンダはこのデザインをシビック タイプ R に使用し、トヨタ (正確には BMW) は新型スープラ エンジンに使用しました。リストは数え切れないほどあります。 一体型マニホールドを使用することには、重量の軽減、スペースの節約など、他の利点もあります。

よりスマートなブースト制御

古いウエストゲートとバイパス バルブは真空制御されており、ドライバーの入力や運転条件の変化に対する反応がかなり鈍かったです。 最新のユニットは電子制御されており、より正確な調整が可能です。 真空制御ソレノイドとダイアフラムを高速動作の電子アクチュエーターに置き換えることは、ECU が事後対応ではなく、積極的にブースト制御を実行できることを意味します。 ECU はこれら 2 つのバルブを操作して遅れを軽減し、ターボのスプールアップを維持し、より安定してパワーを供給します。

可変バルブタイミング (VVT) を使用してターボ動作を最適化できます。 最新の VVT システムは、これまで以上に正確な制御を提供し、さまざまな運転条件でターボを最大限に制御できるようになります。 排気口の開口部は、ターボを巻き上げた状態に維持したり、シリンダー内から排気ガスを掃気したりするために使用できます。 バルブオーバーラップを調整することにより、ECU はエンジンのポンピングロスを低減することもできます。

ツインスクロールターボチャージャー

自動車メーカーは、ターボのパフォーマンスとレスポンスを最大化するために革新的なテクノロジーに注目してきました。 その例の 1 つがツイン スクロール デザインです (図1 ）。 ツイン スクロール ターボとエキゾースト マニホールドには、内部に 2 つの独立したエア チャネルが含まれています。 空気の流れが分離されているため、2 つのシリンダーはタービンに到達するまで単一の排気ガスの流れを生成できます。

これらの空気チャネルを分離しておくと、個々のシリンダーが互いに干渉してタービンが意図せず減速するのを防ぐことができます。 しかし、ツインスクロールターボの最大の利点は低速トルクの増大です。 これは、エア チャネルが分離されていることと、排気ガスがタービン ブレード全体に均一に分散されていることも原因の 1 つです。

Hot-V ターボチャージャー

自動車メーカーがターボラグを解決するために使用した最後の方法、「ホット V」でリストを締めくくりましょう。 このタイプのエンジンセットアップでは、吸気マニホールドはシリンダーヘッドの外側 (排気マニホールドがあると思われる場所) に取り付けられ、排気マニホールドとターボはエンジンの「V」字の内側に配置されます。 (図2）。

この一見小さな変化は、エンジンのパフォーマンスに大きな影響を与えます。 ターボはシリンダーヘッドの非常に近くに取り付けられているため、排気ランナーは非常に短いです。 これにより、ターボレスポンスが最大化され、ラグが軽減されます。 これにより、過度の排気速度損失やマニホールドによる熱損失も防止されます。 専用の冷却回路、熱シールド、エアディフレクターなどを含むいくつかの賢い冷却ソリューションを使用して、温度を抑えることができます。

BMW、アウディ、メルセデスベンツはすべて、このエンジン設計を自社のラインナップの一部に取り入れています。 アウディは、各タービンを反対方向に回転させることで、V 内のスペースを最大化する方法を見つけました (図3）。

EV が登場し、化石燃料からの移行を考える必要があることはわかっていますが、自動車分野における過去 10 ～ 20 年にわたるエンジニアリングには驚かずにはいられません。 パフォーマンスの頂点に達したように見えるたびに、内燃機関からはあと 1 オンスもパフォーマンスを絞り出すことができないように、誰かが方法を見つけます。 この創造的な意欲、革新の精神は、種として私たちに深く根付いていると私は信じています。

電動化の波が押し寄せていることを嘆いている人もいるかもしれませんが、私はこう言いたいです。EV 技術の開発に同じ努力を注いだとしたら、EV で何が達成できるか考えてみてください。 私としては、角を曲がったところに何が起こるのかを楽しみにしています。