ガソリンエンジンのターボチャージャーってどういう仕組みなんでしょうか？ ディーゼルにターボチャージャーをつける理由は理解できます。単純にものすごく相性がいいですよね。

Question

でも、ガソリンエンジンにはノッキングという問題があるわけじゃないですか。
現在のターボガソリンエンジンは全部燃料直噴式だからあんまし関係ないんでしょうけど、昔のターボエンジンはガソリンと混ざった混合気を直接加圧して突っ込んでいたわけですよね。

その辺がよく理解できないんです。シリンダーに加圧された混合気を突っ込んで、ピストンで無理やり圧縮なんてしたらノッキングが起こって動作が不安定になるような気がします。
構造上、エンジンのストロークは決まっていて「ノッキングしそうな時は圧縮を弱める」なんてことはできず、上死点まで行ってしまうわけですから。
そうならないためにインタークーラーで冷却したりするのでしょうが、それにしたってどれだけ冷却できるかは不安定ですよね。季節によっても左右されるはずですし。

それとも、ノッキングが起こらないように過給圧とインテーク前の混合気温度を測定して、随時過給圧を調整する仕組みなんかがあるんでしょうか？
コンピュータ制御ならできそうですが、ターボはWW2の時代に空気が薄い高高度を飛行する軍用機から生まれた技術だと聞いています。その頃はどうやっていたんでしょう・・・？

詳しい人、解説いただければ幸いです。

Answer 1

ノッキングというのは自然着火現象の一種ですね。本来の穏やかな燃焼ではなく衝撃波を伴う爆発的な燃焼となるため、動作が不安定になるなんて生易しいものではなくエンジンが破壊されます。

解決方法は…
1.自然着火しにくいガソリン＝オクタン価の高いガソリンを使う。
WW2末期のごく一部のレシプロ航空機やターボ時代のF1など、べらぼうに高いブースト圧をかけたエンジンは極端にオクタン価の高いガソリンを使っていました。

2.インタークーラー等で混合気を冷却する。
シリンダに導入する混合気の温度を下げれば自然着火しにくくなります。これがインタークーラーを使う理由のひとつ。水噴射(凍結防止剤のメタノールを加えることが多いので水メタノール噴射とも呼ばれる)もこれを狙ったものです(ドイツ軍戦闘機のMW50とか)。NOSの副次的効果にも同様のものがあります(ドイツ軍戦闘機のGM-1とか)。

3.圧縮比を下げる。
効率は下がりますがパワーを上げるにはトータルでの吸気量さえ増やせばいいのです。

4.筒内噴射
混合気でなく空気のみを圧縮すれば自然着火は起きません。ただしディーゼル同様に層状燃焼になるので最大パワーは下がります。その対策としてポート噴射と使い分けるのが一般的です。またディーゼル同様にPMの問題も生じます。

あと一時凌ぎの解決策として点火時期を遅らせて圧力のピークを下げることでノッキングを防ぐというのもあります。ノックセンサーのお仕事はノッキングの発生を監視してノッキング発生時に一時的に点火時期を遅らせること。当然ながらパワーは下がります。

ちなみにキャブレターや燃料噴射装置はインタークーラーの後に置かれるのが一般的ですが、コンプレッサの前に置かれることもあります。レスポンスは悪くなりますが一般的なキャブレターをそのまま使えるので、モンキー(バイク)とかのターボ化でよくみられます。市販車だとミラージュがこれだったかと。

WW2期のレシプロ航空機のエンジン制御はスロットルレバーで目標マニホルド圧を設定し、テコなどの組み合わせによる機械式コンピューターが目標マニホルド圧になるようスロットルバルブを制御するタイプが殆どだったようです(今の汎用エンジンのアクセルレバーが目標回転数を設定するもので直接スロットルにはつながっていないのと似たようなものです)。
以下はP-47のブースト圧制御システムですが、スロットルバルブ手前に圧力センサーがあり、手元のコントローラーで目標ブースト圧を設定するとウェストゲートを自動制御して目標ブースト圧になるような制御をしていたようです。
https://uploads.mudspike.com/original/3X/a/4/a4b34e2050375e5045c2a590d2d20619b3267cfc.jpeg
この時期のプロペラ機は練習機等を除いて恒速プロペラを使っていたのでエンジンは巡航時を除いてほぼ最高回転数で回っていたので、このような簡単な制御でも間に合ったのでしょう(当時ですと手動のエンジン操作項目はスロットル・混合気濃度の調整・恒速プロペラの目標回転数設定(自動車での変速機みたいなもの。巡航時以外は最高回転数に設定)・スーパーチャージャーの変速機操作(多くは2速で高度によって切り替える)といったものでした)。
一方で長距離飛行を行うB-29などでは燃費を稼ぐために簡単な制御では間に合わなかったため、機関士というエンジンマネジメントを専門に行う役職を新設して乗務させることになりました。

Answer 2

abc********さんへ

逐一書いて行きますね(^^)

>ガソリンエンジンのターボチャージャーってどういう仕組みなんでしょうか？
ガソリンに限らず、圧縮して濃くした空気を吸わせる、のが今の技術レベルです。
例えばの話ですが、重力が地球の2倍在る星にエンジンを持って行って回したとする。と、大気圧も2倍なので充填効率も2倍に成って出力も2倍に成る。
これを地球上でもやりたい。から、過給する。

>ディーゼルにターボチャージャー
>ものすごく相性がいいですよね。
物凄くって程でも無いんですけどねぇ。(苦笑)
ガソリンエンジンの大多数に装着されているスロットルバルブ、での吸入の絞り・制限が無い。から排ガスの量が常に多いので、Turboでも使い易い、と言う事です。

>ガソリンエンジンにはノッキングという問題がある
ガソリンに限らず、予混合燃焼を行うエンジン全部に言える問題ですね、自己不正着火での限界は。

>現在のターボガソリンエンジンは全部燃料直噴式だからあんまし関係ないんでしょうけど
いえいえ、何も状況は変わっていません。ガソリンで東内直噴をやると、吸気を気化潜熱で冷却するのが良い方向に働く、と言う位の事です。

>混合気
>無理やり圧縮なんてしたら
>ノッキングが起こって動作が不安定
と言うより、燃焼室壁の表面が溶けて吹き飛ばされる様にして壊れちゃう。
だから圧縮上死点温度が上がり過ぎない様に注意しなければいけません。

>構造上、エンジンのストロークは決まっていて
>「ノッキングしそうな時は圧縮を弱める」なんてことはできず、
>上死点まで行ってしまうわけですから。
それが、吸気弁閉じ時期を可変する事で制御出来る様に成りました。
充填効率が最高に成る、下死点後55°とかから、72°程度へ遅める。と、一度吸い込んだ新気を吐き戻す事に成る。
充填効率が下がる、のが実質的な圧縮比減に相当するので、4弁式燃焼室で限界かと見られていた圧縮比12以上のエンジンが普及し始める様に成ったのです。が、理想の高膨張比は14。
なので、過給して且つ膨張比14を両立させる事が、現段階の目標なのでした。
これはヨタ話ではありません。特許が成立し公報されているので、世界で認められた技術、なのです。
発案者はこのお方(-人-)
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%BC%E5%9D%82%E5%BC%98

吸気弁閉じ時期を遅めて充填効率を下げる。のは「遅閉じ式」と称されます。が、余り圧縮比と膨張比の差を大きくすると、吐き戻す新気の量を多く設定し過ぎると、吸って吐いてを繰り返す事で新気が温度上昇をしてしまうので、余り大きい落差は取れない。
一方、閉じ時期を早める。例えば下死点前に閉じてしまう。という様なやり方は「早閉じ式」と呼ばれます。
今後、過給と吸気弁閉じ時期連続可変機構でのミラーシステムによってアトキンソンサイクル化が進んで行くなら、早閉じ式の方が主流に成って行くであろう、と見られています。

>その頃はどうやっていたんでしょう・・・？
Turbo装着・装備は一度廃れていますよね。未だ弁駆動の可変機構が普及していなかった。ので、燃焼室容積を大きくする事で圧縮比を下げるしか無かった。
けどこれは大事な膨張比も下げてしまう事に成ります。
膨張不足で高温なままの排気がポートを流れる。から、過濃混合気を使って内側から冷やさざるを得なかった。
つまり、過給が効いた = 燃費激悪、という悪評が根付いてしまった訳です。
高過給圧でも燃料冷却せずに運転出来なきゃ。。。
今は未だ発展途上、夜明け前と言っても良い位に未開なのです。d(^^;)
吸気弁閉じ時期連続可変機構を発展させてスロットルバルブ廃止迄持って行ければ、実用走行域においてディーゼルに負ける主因とされているスロットル損を無くす事が出来る。
そこ頃に成れば、チンケなTurboじゃ満足出来ない。もっと本格的な過給機が使いたく成る、という事に成るでしょう。(Turbo"も"併用するHybrid過給が好ましいが)


という所で終わりにしようかと思ったのですが、詳しい所というのをもうちょっと書いてみますね。
ノッキングが始まった。のを検知出来たら、混合比を濃くすると同時に点火も遅角させます。と燃焼室内圧のピークが出現するタイミングが遅れて、上死点を過ぎてピストンが下降し出してからに成る。
最高圧が抑えられるから温度的にも楽に成る。
可能混合比へ、はレスポンス的に遅れて始まる。
で、過給圧制御も行うエンジンならば、過給圧を抑える。
と言った感じです。
圧縮比だけ、高膨張比を維持したまま下げて行けるなら、過給圧が上がる事は嬉しい事に成るのです。d(^^)

Answer 3

ノッキングが起きてる状態で点火時期を遅らせても無意味。
という考え方は誤りです。
ガソリンエンジンのノッキングはディーゼルエンジンのディーゼルノックとは全く違う現象です。
ガソリンエンジンのノッキングは点火してから生じているからです。
ガソリンエンジンは点火してすぐに燃焼圧が最大圧になっているわけではなくやや遅れて最大圧になっているのです。
ですからノッキングしているときに混合気が有っても点火を切ればすぐにエンジンは止まります。
ガソリンエンジンのノッキングは点火してから最大圧までの時間が短くなりすぎて発生しているということ。
ターボガソリンエンジンのノッキングは圧縮圧で発火燃焼しているのではない。
まあ例外的に、カーボンの過度の堆積で圧縮比があがりすぎてディーゼルノック状態というケースもありますがこれは故障ですから別の話。
なので通常のノッキングは点火時期を遅らせれば回避できるのです。
それでも適正な点火時期から遅らせた状態で長く運転すればオーバーヒートなどの別の不具合を招来しますが。

Answer 4

「キャブレター式エンジンの話をしていたつもりですが」

質問文にはその様な内容はありませんよ。
世間的にはターボと言えば電子制御の燃料噴射システム採用です。キャブのターボも存在しましたが、ごく一部の後付けターボです。

既に回答あるとおり、圧縮比を下げる、燃調を濃い目にしてノッキングを防いでいますね。

Answer 5

ガソリンエンジンのターボ車は、最初から圧縮比を低めにしておくんです。
なので、ブーストが掛かってもノッキングしない程度に設定してあります。

ブーストが掛かったときだけ圧縮比を落とすってのは可変ストロークエンジンが必要で、それをやっているのが日産のVCエンジンですね。
https://www.nissan-global.com/JP/INNOVATION/TECHNOLOGY/ARCHIVE/VC_TURBO_ENGINE/

まあ、これはごく最近の技術なので、一般的なものは上で書いた通り、圧縮比を落として対応しているだけです。

なので、ターボ車（特にハイパワーターボ車）はブーストがかかるまではスカスカで、ブーストが掛かるとドッカンとパワーが出る感じになるわけですね。

あと、ノッキングを起こさないために燃料を濃くして気化熱で冷却するとか言うこともやっていたりします。
昔のハイパワーターボ車の燃費がすごく悪かったのは、ここにも理由があります。（冷却のためだけに燃料を濃くするので当然無駄に燃料を消費するわけです）

昔のレシプロ戦闘機やレース車両なんかは、燃料を濃くするのではなく水・エタノール噴射装置なんかをつけて吸気を冷却したりといったこともしていました。

Answer 6

ターボの仕組みは同じ。

聞きたいのは、ターボ付のガソリンエンジンの仕組みですね。
これも主な仕組みはNAエンジンと同じです。
細かいセッティングの違いだけです。

例えばエンジンの圧縮比。ターボエンジンのほうが圧縮比の設定が小さくなってます。それによってノックの発生を減らしています。
それでもノックが起こる場合、つまりノックセンサーでノッキングを検知した場合は点火時期を遅らせて燃料噴射量を増やします。そうすることで燃焼圧力を下げます。