車のターボについて質問です。最近、よく聞く直噴ターボとは、これまでのターボとどういう風に違うんですか？

Answer 1

＞最近、よく聞く直噴ターボとは

直噴ターボの「ターボチャージャー」には
大きな変化が少ないですが
ターボエンジンの場合、燃焼温度が高熱になります

下のように
ガソリンを吸気バルブから入れるか
ガソリンを直接燃焼室に噴射するかの違い

ポート噴射は
吸気バルブからガソリンの混合器を
入れると、圧縮して爆発いたしますので
燃焼室の燃焼温度が高いです

直噴は
ピストンが圧縮状態に近い状態で（温度が高い）
ガソリンを高圧で、直接燃焼室に噴射するので
燃焼室の燃焼温度が、ポート噴射より低くなり
そのため、トルク、馬力、燃費が良くなります


エンジンの点火（拡大スロー）
http://www.youtube.com/watch?v=sEf8va1S7Sw
右が吸気バルブ（ガソリン混合気）
左が排気バルブ（排気ガス）

メリットがある限り、デメリットもあります

質問者からのお礼コメント

ありがとうございました。他の方々も大変参考になりました。ありがとうございました。

Answer 2

●ターボ・チャージャとは？
排ガスの運動エネルギを利用して，吸入空気を押し込む装置です。無理矢理空気を押し込むことを「過給」といいます。英語では，Super Chargingです。この過給のため，空気を加圧・圧送する装置がターボ・チャージャです

●加圧して起きること
空気を圧縮すると，下記のようになります

例1）ここでは，圧力はbarの絶対値を「キロ」と表示します

・元の圧力＝1キロ， 温度＝20℃， 密度＝1.19kg/m3
↓
・加圧後＝2.4キロ， 温度＝105℃ ～ 実際は漏れ空気や摺動摩擦熱が入るので，150℃くらいになります。この時の密度＝1.98kg/m3

つまり加圧すると，空気の圧力が高くなるだけではなく，密度が思ったようにあがらないのです

圧力＝2.4倍に上昇
密度＝1.66倍に上昇

～ つまり温度が高くなって，密度が薄くなったことが原因なのです

●どうするか？
インタクーラという熱交換器で，加圧した空気を冷却します

・冷却後圧力＝2.2キロ， 温度＝60℃， 密度＝2.30kg/m3

やっと高い密度が得られたわけです。

●燃焼室に入ると？
さて密度2.3kg/m3の加圧空気を燃焼室に入れると，燃焼室内の酸素量が多いので，その分，多くの燃料を入れることができます。つまり従来より，2倍くらいの燃料をつかって，2倍くらい高い燃焼圧力を得ることができます。

（トルク）＝（正味平均有効圧力）×（排気量）×（爆発回数）／（2π）

（馬力：出力というべきですが）＝2π×（回転数）×（トルク）

ここで，「爆発回数」とは，4ストロークサイクルエンジンでは，「0.5」です。また「π」は円周率です。

これから圧力が2倍になれば，トルクも2倍になります。また出力も2倍になります。

●しかしそうはならない？
ガソリンエンジンでは，ノッキングという異常燃焼があります。これは点火プラグで点火し，その火炎が燃焼室内を広がっていくのですが，この時，火炎が燃焼室の隅の方に届く前に，混合気が勝手に燃焼を始める現象（自着火）です。この燃焼は非常に短時間におこなわれるため，急な圧力上昇により，カンカンとかキンキンという金属音がします。また衝撃波がおきるため，壁面周囲の温度境界層が破壊され，高温（2000K以上）のガスが燃焼室壁を溶融します。つまりエンジンが破損します。
この「自着火」は周囲の温度や圧力が高いほど起きやすくなります。このためターボ・チャージャを使って高圧の空気をいれると，よりノッキングが起きやすくなるのです。

●今までどうしていたか？
古いエンジンでは，圧縮比を下げて，圧縮行程後の温度や圧力を下げていました。たとえば下記のようになります。

圧縮比＝10，圧縮行程後の温度＝480℃
圧縮比＝8，圧縮行程後の温度＝414℃ ～ 65℃低下

●圧縮比低減で良いのか？
ところが，圧縮比を下げると，街乗りのような負荷の低いときが問題になりました。つまり街乗りのような負荷が低い条件では，エンジン回転数が低く，排ガス流量も小さいです。このため過給が十分かかりません。つまり過給がほとんど無いのに，圧縮比だけ低いエンジンになるのです。たとえば下記のようになります。

圧縮比＝10，理論熱効率＝61%
圧縮比＝8，理論熱効率＝57% ～ 圧縮比10を基準にすると，6%低下

つまり過給機をつけると，最高出力は増えますが，街乗りの時は，パワーも燃費も最悪になるのです。

●直噴は？
日本で発達した直噴（筒内噴射：89年）ですが，当初，リーンバーン（希薄燃焼）と組み合わせていました。ところが理論空燃比をはずれると三元触媒だけではダメになり，高価なNOx（窒素酸化物）触媒が必要になります。このため日本では，リーンバーン直噴はすたれてました。
この動きを見ていたのが，ドイツ勢です。彼らは直噴をストイキオメトリック（＝理論空燃比）で使うという発想で直噴をつかってきました（2000年）。直噴には，下記4つの目的があります。

(1) 正確な燃料噴射量 … ポート噴射では，バルブ付着量などがあり不正確
(2) 濃い燃料の塊 … リーンバーンでは，点火プラグ周囲だけは燃料を濃くする必要があります（層状吸気）
(3) 燃料増量 … 最初に混合気ではなく，空気だけを吸い込むので，7%くらい燃料を増やせます
(4) 燃焼温度低下 … 筒内で燃料が気化するとき，周囲の熱を奪うので，40～50℃燃焼温度が低下します

このうちストイキ直噴でのメリットは，(1)，(3)，(4)です。そしてターボ・チャージャでおきやすいノッキングに有効なのが，(4)です。

●ストイキ直噴から再びリーンバーン直噴へ
すでにBMWやダイムラーが投入していますが，ディーゼル用のNOx触媒が開発できたので，これを使うことでリーンバーンができます。まだ少ないのですが，いずれ下記になります。

直噴 ＋ ターボ・チャージャ ＋ リーンバーン ＋ NOx触媒（三元触媒もつかう）

●誤解
直噴時の燃料噴射圧力はディーゼル用コモンレールの1/10～1/15くらいです。

簡単ですが，ご参考になれば幸いです。

Answer 3

これまでのターボってひとつ「重大な欠点」がありました。

すなわち、「圧縮比を低くしなくちゃならない」という欠点。
なにしろ、ＮＡよりもたくさんの混合気をシリンダー内に「ぶち込む」わけです。
そんな状態でＮＡのように圧縮すると、異常発熱を起こします。（圧力が高くなると、発熱する）
異常発熱を起こすとどうなるか・・・・。
何と、圧縮の途中で「勝手に自然発火しちゃう」のです。
これは非常にマズい。
なぜなら、勝手に爆発すれば、タイミングが狂います。すべてのシリンダーのタイミングがずれてしまい、エンジンのノッキングが発生、最悪エンジンが止まり、壊れます。

これを防止する策として、「過給時に『ちょうどよい』圧縮比」まで比率を下げました。
これにて、自然発火は起こらなくなり、万事解決・・・となったのですが、次の問題が発生します。

「過給してない時は、圧縮比の低い、スッカスカなパワーのエンジン」になるという点。
ターボは、ある程度エンジンが回らなきゃ過給しない装置です。
つまり、低回転域では「パワーのない、スッカスカ」な領域が出来上がってしまいました。
そして、ひとたび過給が始まると、いきなりパワーが炸裂。
これが、かの有名な「ドッカンターボ」です。

この「ドッカンターボ」現象を軽減させるため、いろいろな策が練られました。
例えば、「2ステージシングルターボ」
かつてのレガシィに搭載されたターボで、低圧タービンと高圧タービンを組み合わせた機構。
低回転時は、低圧ターボで過給。回転が上がれば、高圧側に「バトンタッチ」するわけです。これで、低回転域での「スッカスカ」はなくなりました。
しかし、「バトンタッチする領域」に明らかなトルクの谷（スッカスカな部分）があり、「加速中に、一旦加速が鈍る」という気味の悪いターボになっちまいました。

一方、三菱は「直噴ターボ」を開発、販売します。
まず、シリンダー内に過給された「空気」だけをぶち込みます。そして圧縮。
空気だけなので、圧縮しても高温にはなりますが、爆発はしないです。
ここで、ガソリンをシリンダー内に噴射。
え？その瞬間爆発するんじゃないのか、って？
・・・・しません。
なぜなら、ガソリンの常温が低いため、噴射した瞬間、「ちょこっと温度が下がる」からです。
この「ちょこっと」が「自然発火しないギリギリの温度」な訳。
だから、ＮＡのような高い圧縮比でターボ化出来ました。
過給していない時でも圧縮比は高いので、「スッカスカ」にはならず、これでようやく解決・・・・。

には、ならなかった！！！ｗｗｗｗｗ

というのも、「シリンダー内にガソリンを直接噴射した」ものだから、「ちゃんと混ざっていない混合気」になっちゃった。ガソリンの「濃い部分」と「薄い部分」が出来てしまった。これにより、「不完全燃焼」が発生。理論上の数値よりもパワーが低くなっただけでなく、排気ガスも有害になっちましました。

直噴ターボは、それ以降、一旦姿を消します。

その後、欧州で生まれた「直噴ターボ」は、いわば「第二世代」
こいつは、ディーゼルに使われていたコモンレール式高圧噴射装置をガソリンエンジンにも流用した代物。
超高圧で噴射するため、一気に、均等に混ざります。
中には、1/1000秒の間に「奥へ届くよう、一回」「ドーナツ状に１回」「プラグの付近に１回」という合計３回、場所を変えて噴射するという「凝った仕掛け」も登場。
これにより、「理想の混合状態」に混合気を作り出すことに成功（理想は、均等に混ざってるのではなく、プラグ付近だけちょこっとガソリン比率が濃い状態。直噴だからこそ出来る芸当です）
圧縮比も高く、それでいて、排気ガスもクリーン。
トルクの谷が事実上「なし」で、過給してなくても「そのまんまＮＡのように」イケる。
デメリットほとんどなし、メリットだけ享受。
これが今の「直噴」ターボ。


と、いうわけで今の「直噴ターボ」は、「現時点での『理想のターボ』」なわけでございます。

Answer 4

ガソリンの供給を、キャブや通常のインジェクションのごとく「ガソリンと空気の混合気としてシリンダに吸い込む」のではなく、「圧縮状態・点火直前の燃焼室内にガソリンを直接吹き込む」んです。乱暴な言い方をするとディーゼルエンジンに近い。

ターボエンジンが一番避けたいのがノッキング（デトネーション）で、このために効率悪化を承知で圧縮比を下げ、インタークーラーを取り付けているわけで。
吸い込んだ混合気を無理に圧縮すると、高温となって点火以前に燃え出す・・・デトネーションです。直噴にして空気だけ圧縮するようにし点火直前にガソリンを吹き込むならば、デトネーション発生を限りなくゼロに近づけられる。だから圧縮比があげられる。
直噴化することの最大のメリットは、この「圧縮比をあげられる」ってことです。（それでもNAよりは低いが）
圧縮比を上げることで効率が良くなるからトルク向上・馬力向上、ひいては燃費改善も図れるわけです。

Answer 5

ターボ自体は変わりません。

直噴とはサージタンクからエンジンまでの間に燃料を吹かず直接シリンダーに燃料を噴射するエンジンの事です。

昔は直噴エンジンも完全燃焼が難しくブローバイガスを吹きまくりデロンデロンだったのですが、今は技術の進歩で燃費もパワーも出せる様になりました。

その直噴エンジンにターボを組み合わせてるのが直噴ターボです。

少ない排気量でもターボのトルクで加速を良くしたのが多いですよね。