ターボチャージャーにおいて膨張比とは何に聞いてくるパラメータなのでしょうか？そもそも膨張比とは何なのでしょうか？詳しく書いてあるサイトなどありましたら教えて頂きたいです、

Answer 1

aki********さんへ

散々っぱら「膨張比」なる用語を回答で使って来た身として、ご質問に反応して出て参りました。f(^^;)

>ターボチャージャーにおいて膨張比とは
>何に聞いてくるパラメータなのでしょうか？
う〜ん。。。
排気タービン側の膨張比って事でしょうか?
これは外的要因が大き過ぎて、定量化出来るのかなぁ。。。? と思います。
Turboで過給するエンジンの膨張比だったら、高膨張比であればある程排気温が低下するので、燃料冷却を使って内側から冷やす必要が減って来る。つまり過給 = 燃費激悪、と根付いてしまった定評を覆す事が出来る様に成る、、、のですが。d(^_^;)

>そもそも
>膨張比とは何なのでしょうか？
私が回答で乱発(w)しているのは、レシプロエンジンにおける圧縮比と膨張比です。
新気を吸い込んで圧縮し、点火着火させて燃焼で得た高圧ガスを膨張させる。
ここで、幾ら圧縮し、幾ら膨張させるか、の話なのです。
熱効率向上、燃費低減の社会的要請に応える為に、
圧縮比 = 膨張比のオットーサイクルから、
圧縮比よりも膨張比を高く設定する、ミラーシステムによるアトキンソンサイクルへの転換が徐々に広まって来ている、と言う事を回答してたりするのでした。

>詳しく書いてあるサイトなどありましたら
こちらじゃ専門的過ぎますかねぇ? d(^^;)
http://www.geocities.jp/bequemereise

この中で、膨張を大きく取ると、こう成るヨ、という項が
http://www.geocities.jp/bequemereise/uniflow_diesel.html

に成りましょうか。
Proの方々は、ピストン行程位置、つまりクランク軸角度と、燃焼室内圧力でグラフを描いて、そこに描かれる図形の面積が広く大きく成る様に頑張る訳ですが、高膨張比にするとこんな図形に成るよ、という「指圧線図」が一番下のグラフです。右の方へ長〜く伸びている。。。

こちらも紹介しておきますね d(^^;)
https://www.sit.ac.jp/user/konishi/JPN/Lecture/Engine/Engine_2ndAll.pdf

* * *

エンジンは、燃焼で得た高圧を膨張させて仕事に変換し、取り出す物である。
という定義はよろしいですか?

膨張させてトルクに変換するのだから、大きく膨張させればさせる程良い。と言うのは飽く迄も机上の空論・理想に過ぎない話であって、実際にエンジンをデザインするとどうしてもロングストローク型に成って来る為に、ピストンとシリンダーの擦動面積が嵩んで来る。(表計算softで、排気量を一定にして計算してみて下さいな)
し、小ボア径に成ると言う事は吸排気弁径も小さく成って、流れる抵抗も増える。
温度も圧もどんどん下がって行く一方で、摩擦損は嵩んで来るので、両者は拮抗して効率のピークを描き、それを越えたら寧ろ、低下して行く一方。
さて、幾ら位膨張させたら良いのか?
と言う事を考えなきゃいけないのです。d(^^;)

昔から識者が目算を付け、近年では計算もされる様に成った結果が14。マツダがSkyactivコンセプトで提唱して来た、ディーゼル・ガソリンの別無く、膨張比14が一つの理想なのでした。
勿論、摩擦が新技術等で減らせたら、バランス点はもっと高い方へ動くでしょう。
車載出来る高速回転型エンジンでは無い、地球上で最高の熱効率を長年誇る
http://www.khi.co.jp/knews/backnumber/bn_2006/pdf/news141_02.pdf

では、その特長と成っている超ロングストローク型だからか、高速機関では持たないクロスヘッドを持つ構造だからか、圧縮比11〜12の間に落ち着いて来ているのでした。

膨張比としては14が最高に成る。しかし、圧縮比が14だと
・圧縮上死点温度が高過ぎて、自己不正着火で壊れてしまうガソリン
・圧縮上死点温度が低過ぎて、冷間始動性を満足に得られなかったり
https://www.youtube.com/watch?v=Nlk0AjvT6yY

低回転低負荷域では綺麗な燃焼が得られないディーゼル
https://www.youtube.com/watch?v=zMcp8HDn47E

と、どちらもが中々実用化出来ない日々が続いた。
そんな中から、圧縮比 = 膨張比のオットーサイクルから、圧縮比だけ下げたアトキンソンサイクル化する事で、ガソリンが一早く抜け出し始めます。

今をさる事136年前に、ジェームズ・アトキンソンがアトキンソンンサイクルエンジンを開発します。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A2%E3%83%88%E3%82%AD%E3%83%B3%E3%82%BD%E3%83%B3%E3%82%B5%E3%82%A4%E3%82%AF%E3%83%AB

最近に成ってリバイバルさせたのだとコレ
https://www.honda.co.jp/tech/power/exlink

何故こんな面倒臭い構造を考えたのか? それはその当時、燃焼室の構造が未だ
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B5%E3%82%A4%E3%83%89%E3%83%90%E3%83%AB%E3%83%96#/media/File:Single-cylinder_T-head_engine_(Autocar_Handbook,_13th_ed,_1935).jpg

だったので、居残ってしまう多量の排ガスが自己EGRに成って、燃焼速度が大きく下がる。

>圧縮比を十分に上げることができない。
>燃焼室の表面積が大きく、あまりにも熱損失が大きい
>デトネーションやバックファイアなどの発生率が高い

>ターンフローの吸排気レイアウトを持つ事と相まって、
>吸排気の流れが非常に悪く、火炎伝播にかかる時間が長いため、
>エンジンの許容回転数も4,000rpm程度か、
>それ以下に制限されてしまうなど、制約上ともすれば
>最高出力がディーゼルエンジンより低くなってしまう
>というのが最大の弱点である。
>排気の弁およびポートがシリンダーに接する形で配置されるため、
>排気弁を中心としてシリンダーが極めて高温となると言う傾向があり、
>圧縮比の低さと共に高出力化へ足枷となっていた。
>吸気ポートも排気ポートに接する形となる事から
>吸気も高温となる。これは燃料の気化に寄与する面もあるが
>効率的には好ましくはない。
という性質を招きます。
そこで

>これらの欠点を解消すべく、レシプロエンジンの構造は
>OHV、更にはOHC（オーバーヘッドカムシャフト、SOHC→DOHC）へと進
>化していくこととなった
のですが、弁を頭上に上げるのは駆動が難しい。そのトライが数々行なわれ、効率が改善されて行く前段階として、少しでも排ガスを追い出そうという目論見でアトキンソンが実用化され、燃焼室周りが改善されて行く内に、クランクが複雑で高くつく正調アトキンソンは廃れて行ってしまった・・・のでした。(高回転化で高出力小型軽量化へ、追い付いて行けなかった)
65年後、天然ガスエンジンで発電機を作る、北米のノルドバーグの技術者だったミラーさんが、負荷急変時に(電気なので)、スロットルバルブ以外で対応する手法として、吸気弁閉じ時期を変える手法を考案します。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9F%E3%83%A9%E3%83%BC%E3%82%B5%E3%82%A4%E3%82%AF%E3%83%AB

これが結果的に、圧縮比＜膨張比というサイクルを、オットーサイクルエンジンの簡便な構造で実現出来る様に成った、と理解された。(カムを変えるだけ)

レギュラーガソリンでは10程度、ハイオクタンを使っても12程度が限界とされるガソリンエンジン。
サイドバルブ構造の時代には圧縮比が5〜6しか無く、スキッシュエリアを考案して、そこからの噴流で掻き混ぜてもやっと7。
(でもこの功績で発案者はサーの称号を得て、リカード研究所にその名が残る)

今は、それに比べたら非常に発展したと言える訳ですが、それでも理想の14は未だ遠い。ので、圧縮比14のエンジンを作っておいて、吸気弁閉じ時期を、充填効率が最高に成るタイミングからズラす。
下死点後72°とかの「遅閉じ」なら、一度吸い込んだ新気をポートに吐き戻し、「早閉じ」なら、早く閉じた分は吸気行程長その物を短くした事に成る。
こうやって実質的な圧縮比を下げて、自己不正着火の限界(天井)をクリアすると同時に、圧縮(膨張)比を高く設定して熱効率を改善する、と言うのが、最近に成って明らかに成って来た技術動向なのです。

で、、、以前に多数発売された過給エンジン群は、過給すれば出力Upすれど、自己不正着火から逃げる為の圧縮比低下と同時に、大事な膨張比も下げてしまった。(燃焼室容積を大きく取る)
結果、膨張不足で高温なままの排気がポートを流れる為に加熱される。
それを内側から冷やす為に、過濃混合気を使う事に成った。のみならず、もっとジャボジャボ注ぎ込んで、気化潜熱さえ使った。
これじゃあ、過給で燃費が良く成る筈が無い。燃料冷却せずに高過給圧を使えなきゃ。。。
と言う事で、以前の、高くても8〜9という圧縮比が、スバルのDITで10、BMWの2L直4で12と、以前では考えられない位高い値を標榜する様に成った理由・背景なのです。

理想の(高)膨張比にしたい。けど、ノッキングという天井で頭を抑えられてしまっている。。。
じゃあ、圧縮比は低く設定して、膨張だけ大きくしよう、高価な構造にせずに。。。
というのがミラーシステムに拠るアトキンソンサイクル、及び近年明らかに成っている高膨張比サイクル化の流れ、なのでした。

長文にお付き合い下さって、お疲れ様でした。f(^^;) 何か有りましたら補足なさって下さいな。