内燃エンジンの出力を高めるために、特別なユニットであるターボチャージャーが広く使用されています。この記事では、ターボチャージャーとは何か、これらのユニットの種類、配置方法、動作原理、およびメンテナンスと修理について説明します。
ターボチャージャーとは何ですか?
ターボチャージャーは、内燃エンジンの総加圧システムの主要コンポーネントであり、排気ガスのエネルギーによってエンジンの吸気管内の圧力を高めるためのユニットです。
ターボチャージャーは、設計に根本的な干渉を与えることなく内燃エンジンの出力を高めるために使用されます。このユニットは、エンジンの吸気管内の圧力を高め、燃焼室に供給される燃料と空気の混合気の量を増加させます。この場合、燃焼はより高い温度で発生し、より多くのガスが生成され、ピストンにかかる圧力が増加し、その結果、トルクとエンジン出力特性が増加します。
ターボチャージャーを使用すると、コストの増加を最小限に抑えながら、エンジン出力を 20 ～ 50% 向上させることができます (さらに大幅な変更を加えれば、出力増加は 100 ～ 120% に達する可能性があります)。ターボチャージャーベースの加圧システムは、そのシンプルさ、信頼性、効率性により、あらゆるタイプの内燃機関車両で広く使用されています。
ターボチャージャーの種類と特徴
現在、多種多様なターボチャージャーがありますが、目的と適用性、使用されるタービンの種類、追加機能に応じてグループに分類できます。
目的に応じて、ターボチャージャーはいくつかのタイプに分類できます。
• 単段加圧システムの場合 - エンジンごとに 1 つのターボチャージャー、または複数のシリンダーで動作する 2 つ以上のユニット。
•直列および直並列膨張システム (ツインターボのさまざまなバリエーション) - 2 つの同一または異なるユニットが共通のシリンダーグループで動作します。
• 2 段階加圧システムの場合、特性の異なる 2 つのターボチャージャーがあり、1 つのシリンダー グループに対してペアで (順番に) 動作します。
最も広く使用されているのは、単一のターボチャージャーに基づいて構築された単段加圧システムです。ただし、そのようなシステムには 2 つまたは 4 つの同一のユニットが含まれる場合があります。たとえば、V 字型エンジンでは、シリンダーの各列に個別のターボチャージャーが使用され、多気筒エンジン (8 つ以上) では、それぞれ 4 つのターボチャージャーが使用できます。 2、4、またはそれ以上のシリンダーで動作します。あまり一般的ではありませんが、2 段階加圧システムやツイン ターボのさまざまなバリエーションは、ペアでのみ動作する異なる特性を持つ 2 つのターボチャージャーを使用します。
適用性に応じて、ターボチャージャーはいくつかのグループに分類できます。
• エンジンタイプ別 - ガソリン、ディーゼル、ガスパワーユニット用。
• エンジンの容積と出力の点で - 小、中、高出力のパワーユニット向け。高速エンジンなどに。
ターボチャージャーには、次の 2 種類のタービンのいずれかを装備できます。
• ラジアル (ラジアル-アキシャル、求心) - 排気ガスの流れはタービン インペラの周囲に供給され、その中心に移動して軸方向に排出されます。
• 軸方向 - 排気ガスの流れはタービン インペラの軸に沿って (中心に) 供給され、その周囲から排出されます。
現在では両方の方式が使用されていますが、小型エンジンではラジアル - アキシャル タービンを備えたターボチャージャーがよく見られ、強力なパワー ユニットではアキシャル タービンが好まれます (ただし、これは規則ではありません)。タービンの種類に関係なく、すべてのターボチャージャーには遠心圧縮機が装備されており、空気はインペラの中心に供給され、その周囲から除去されます。
最新のターボチャージャーにはさまざまな機能が備わっています。
• ダブルインレット - タービンには 2 つの入力があり、それぞれが 1 つのシリンダーグループからの排気ガスを受け取ります。このソリューションはシステム内の圧力降下を軽減し、ブーストの安定性を向上させます。
• 可変ジオメトリ - タービンには可動ブレードまたはスライディング リングがあり、インペラへの排気ガスの流れを変更できます。これにより、エンジンの動作モードに応じてターボチャージャーの特性を変更できます。
最後に、ターボチャージャーは基本的な性能特性と機能が異なります。これらのユニットの主な特徴を強調する必要があります。
• 圧力上昇の程度 - コンプレッサーの入口の空気圧に対する出口の空気圧の比は 1.5 ～ 3 の範囲にあります。
• コンプレッサー供給 (コンプレッサーを通過する空気流) - 単位時間 (秒) あたりにコンプレッサーを通過する空気の質量は 0.5 ～ 2 kg/s の範囲にあります。
• 動作速度範囲は、1 秒あたり数百回転 (強力なディーゼル機関車、産業用およびその他のディーゼル エンジンの場合) から数万回転 (最新の強制エンジンの場合) です。最高速度は、タービンとコンプレッサー インペラの強度によって制限されます。遠心力により回転速度が高すぎると、ホイールが崩壊する可能性があります。最新のターボチャージャーでは、ホイールの周辺点が500〜600 m / s以上、つまり音速の1.5〜2倍の速度で回転する可能性があり、これによりタービンの特徴的な笛が発生します。
• タービン入口における排気ガスの動作温度/最高温度は 650 ～ 700 °C の範囲にあり、場合によっては 1000 °C に達します。
• タービン/コンプレッサーの効率は通常 0.7 ～ 0.8 で、1 つのユニットではタービンの効率は通常コンプレッサーの効率よりも低くなります。
また、ユニットのサイズ、設置の種類、補助コンポーネントの使用の必要性などが異なります。
ターボチャージャーの設計
一般に、ターボチャージャーは 3 つの主要コンポーネントで構成されます。
1.タービン;
2.コンプレッサー;
3.ベアリングハウジング（セントラルハウジング）。
内燃機関集合空気加圧システムの模式図
タービンは、排気ガスの運動エネルギーを機械エネルギー (ホイールのトルク) に変換し、コンプレッサーの動作を確保するユニットです。コンプレッサーは空気を送り出す装置です。ベアリング ハウジングは両方のユニットを単一の構造に接続し、その中に配置されたローター シャフトがタービン ホイールからコンプレッサー ホイールへのトルクの伝達を保証します。
ターボチャージャー部
タービンとコンプレッサーは同様の設計です。これらの各ユニットの基礎は蝸牛本体であり、その周辺部と中央部には加圧システムに接続するためのパイプがあります。コンプレッサーでは、吸気管は常に中心にあり、排気（吐出）は周囲にあります。軸流タービンのパイプの配置は同じですが、ラジアル-アキシャル タービンの場合、パイプの位置は逆になります（周縁部 - 吸気、中央 - 排気）。
ケース内部には特殊な形状のブレードを備えたホイールが内蔵されています。タービンとコンプレッサーの両方のホイールは、ベアリング ハウジングを通過する共通のシャフトによって保持されています。ホイールは中実鋳造または複合材で、タービン ホイール ブレードの形状は排気ガス エネルギーの最も効率的な使用を保証し、コンプレッサー ホイール ブレードの形状は最大の遠心効果を提供します。最新のハイエンドタービンでは、軽量で性能が優れたセラミックブレードを備えた複合ホイールを使用できます。自動車エンジンのターボチャージャーのホイールのサイズは 50 ～ 180 mm、強力な機関車、産業用およびその他のディーゼル エンジンは 220 ～ 500 mm 以上です。
両方のハウジングはシールを介してボルトでベアリングハウジングに取り付けられます。すべり軸受 (特殊な設計の転がり軸受が使用されることはあまりありません) と O リングがここにあります。また、中央ハウジングには、ベアリングとシャフトを潤滑するためのオイル チャネルがあり、一部のターボチャージャーと水冷ジャケットのキャビティにもあります。設置中、ユニットはエンジンの潤滑および冷却システムに接続されます。
ターボチャージャーの設計には、排気ガス再循環システムの部品、オイルバルブ、部品の潤滑とその冷却を改善するための要素、制御バルブなど、さまざまな補助コンポーネントも提供できます。
ターボチャージャー部品には特殊鋼材を使用し、タービンホイールには耐熱鋼を使用しています。材料は熱膨張係数に応じて慎重に選択され、さまざまな動作モードにおける設計の信頼性が保証されます。
ターボチャージャーは、吸気マニホールドと排気マニホールドも含む空気加圧システムに含まれており、インタークーラー (給気冷却ラジエーター)、さまざまなバルブ、センサー、ダンパー、パイプラインなどのより複雑なシステムにも含まれています。
ターボチャージャーの動作原理
ターボチャージャーの機能は単純な原理に基づいています。ユニットのタービンはエンジンの排気システム、コンプレッサー、吸気管に導入されます。エンジンの動作中、排気ガスがタービンに入り、ホイールブレードに衝突し、その運動エネルギーの一部をタービンに与えて回転させます。タービンからのトルクはシャフトを介してコンプレッサーホイールに直接伝達されます。コンプレッサーホイールが回転すると、空気が周囲に排出され、圧力が増加します。この空気は吸気マニホールドに供給されます。
シングルターボチャージャーには多くの欠点があり、その主な欠点はターボ遅延またはターボピットです。ユニットの車輪には質量と慣性があるため、パワーユニットの速度が上昇してもすぐに回転することはできません。したがって、アクセルペダルを急激に踏んでも、ターボエンジンはすぐには加速しません。短い一時停止と停電が発生します。この問題の解決策は、特別なタービン制御システム、可変形状のターボチャージャー、直並列および 2 段階加圧システムなどです。
ターボチャージャーの動作原理
ターボチャージャーのメンテナンスと修理の問題
ターボチャージャーには最小限のメンテナンスが必要です。主なことは、エンジンオイルとオイルフィルターを適時に交換することです。エンジンが古いオイルでしばらく動作し続けると、ターボチャージャーにとって致命的なものになる可能性があります。高負荷時の潤滑油の品質のわずかな劣化でも、詰まりやユニットの破壊につながる可能性があります。また、タービン部品の炭素堆積物を定期的に洗浄することも推奨されます。これには分解が必要ですが、この作業は特別な工具や装置を使用してのみ実行する必要があります。
故障したターボチャージャーは、ほとんどの場合、修理するよりも交換する方が簡単です。交換の際は、以前にエンジンに取り付けられていたものと同じタイプおよび型式のユニットを使用する必要があります。他の特性のターボチャージャーを取り付けると、パワーユニットの動作に支障をきたす可能性があります。ユニットの選択、設置、調整は専門家に任せるほうが良いでしょう。これにより、作業の正しい実行とエンジンの正常な動作が保証されます。ターボチャージャーを正しく交換すると、エンジンは高出力を取り戻し、最も困難なタスクを解決できるようになります。
投稿日時: 2023 年 8 月 21 日