ピストンエンジンではターボチャージャーとスーパーチャージャーはどのように機能しますか?

Mar 09, 2024

多くの人がこの用語を聞いたことがあるでしょう。 今日はそれらを詳しく説明します。

エンジンは空気と燃料を燃焼させることで動力を生み出します。 空気と燃料を合わせたものは混合物として知られ、チャージと呼ばれることもあります。 ピストン エンジンでは、エンジンの出力は、エンジン内のシリンダーが受け入れることができるチャージの量または重量によって決まります。

ピストンによってシリンダー内に吸い込まれる混合気の重量は、その温度と圧力に大きく依存します。 航空機が上昇すると、空気密度の低下により気圧が低下し、最終的にシリンダーに入る酸素が少なくなります。 このため、自然吸気エンジンは高度が上がるにつれて出力が低下します。

ピストン エンジンの出力を増強するには、ターボチャージャーまたはスーパーチャージャーを使用します。

ターボチャージャーはタービンとコンプレッサーアセンブリで構成されます。 タービンとコンプレッサーは同じシャフトに取り付けられています。 したがって、タービンが回転すると、コンプレッサーも回転します。

ターボチャージャーのコンプレッサーはシリンダーの吸気系に直接接続され、タービンは排気系に接続されます。 コンプレッサーもエンジンの吸気口に露出しています。

ターボチャージャーは離陸時のエンジン出力を増加させ、航空機がより高い高度まで上昇できるようにします。 自然吸気エンジンは、水銀柱 29.92 インチの海面圧力しか生成できません。 上昇すると、空気密度が減少するため、圧力が低下します。 ターボチャージャーを使用すると、エンジンはさらに多くのパワーを生成できます。 たとえば、これまでに製造された中で最も強力なピストン エンジンの 1 つであるプラット アンド ホイットニー R-4360 は、スーパーチャージャーが搭載されており、離陸時に水銀柱 60 インチ (通常の大気圧の 2 倍をわずかに上回る) のマニホールド圧力を生成できます。

エンジンにターボチャージャーが付いているかどうかに関係なく、航空機が上昇するにつれて出力が失われます。 ただし、ターボチャージャー付きまたはスーパーチャージャー付きのエンジンでは、エンジンの出力損失率ははるかに低くなります。 これにより、高度を上げたり、より高速に到達したりすることが容易になります。

ターボチャージャーが回転すると、コンプレッサーに空気が流入し、空気圧が上昇します。 ターボチャージャーで使用されるコンプレッサーはほとんどが遠心式で、インペラとディフューザーという 2 つの主要部品で構成されています。 空気がインペラに当たると加速され、インペラの外側に飛ばされます。 かなりの運動エネルギーを得た空気は、インペラからディフューザーに送られます。 ディフューザーは、分岐通路を形成する羽根で構成されています。 空気流がこれらの通路を通過すると、面積の増加により空気の速度が低下し、圧力が増加します。 これは、運動エネルギー (速度) を位置エネルギー (圧力) に単純に変換することです。

ターボチャージャーのタービンアセンブリは、コンプレッサーを駆動するものです。 このため、エンジンの排気からの排気ガスがタービンに向けられ、タービンが回転します。 タービンに流入する排気ガスの量はウエストゲートと呼ばれるものによって制御されます。

ターボチャージャーの速度や回転を制御する最も重要な部分です。 ウエストゲートは本質的に、ターボチャージャーのタービンに流入する排気の量を制御するバルブ機構です。 ウエストゲートが完全に閉じられると、エンジンからのほぼすべての排気ガスがタービンに送られます。 これにより、タービンおよびターボチャージャの回転速度が上昇する。

ウエストゲートは、事故を防ぐために適切に制御する必要があります。オーバーブースト状況。 オーバーブーストとは、エンジンが過大な圧力を受け、重大な損傷を引き起こす状態です。 ウェストゲートを制御するには 2 つの方法があります。 1 つはウェストゲートの制御をパイロットに与える方法で、もう 1 つは (これが最も望ましい方法です) 制御する自動メカニズムを持つ方法です。

絶対圧コントローラー (APC) はウエストゲートを自動的に制御し、オーバーブーストを防ぎます。 APC には、ターボチャージャーのコンプレッサー出口の圧力を感知できるアネロイド カプセルが含まれています。 エンジン潤滑時の油圧を利用して、スプリング機構を備えたウエストゲートアクチュエーターを制御します。 コンプレッサー出口で過大な圧力が検出されると、APC がウエストゲート アクチュエーターからオイルを排出し、スプリング機構がウエストゲートを開き、排気ガスの一部が大気中に逃げます。 エンジンが動力を必要とするとき、APC の指令に応じてオイルがウェストゲート アクチュエータに送られ、ウェストゲート アクチュエータが閉じて排気がタービンに向けられます。