自然吸気とは？ターボとは？

【自然吸気とは】

●エンジン内は負圧

右図の｢スロットルバルブ｣とは、アクセルの開度に応じて開いたり閉じたりする｢空気弁｣である。アクセルを踏んでいない時は弁が図のように閉じていて、アクセルの踏み量に連動してバルブが徐々に垂直から水平に回転し、空気が通るようになる。

注)上図は概念図であり、実際のレイアウトは全く異なるものである。

エンジンを始動してアイドリング状態の時、スロットルバルブは閉じていて、エンジン側の空気は最も薄い状態となる。空気が大気より薄い状態では、当然気圧も低くなる。例えば大気圧が1.0kg/cm2に対して、エンジン側は0.3kg/cm2といった感じである。この、大気圧よりも低い状態を｢負圧｣という。

アクセルを踏むと、スロットルバルブが開き、外気側の空気がエンジン内に流れ込む。｢風｣が吹くような感じではなく、エンジン側が｢掃除機｣のように空気を吸い込んでいるイメージである。気圧の低いエンジン側が、気圧の高い外気側の空気を吸い込んでいる訳である。これがエンジンの｢吸気｣である、と私は思っている。←(赤字部分はkazu-Tの素人的解釈です)

アクセルを全開にしても、空気の流れは最大になるがエンジン側が正圧になることはない。エンジンが常に燃焼し続けて空気をガソリンと共に燃やし、排気し続けるので、常に空気が薄い｢負圧｣の状態となっている。従ってエンジン側は、どのような状態でも常に負圧となっており外気を吸い続ける。これが｢自然吸気｣の基本である。

なお、エンジン停止時のみは、当然ながらエンジン側も大気圧となっている。

●適当に理解している事項の疑問

・燃料噴射量は、アクセル開度やエンジン回転数と連動している訳では無く、あくまで｢吸気量｣に連動しているらしい。基本的にはアクセル開度とエンジン回転数と吸気量は比例している時が多いが、例えば高速エンブレの時などはエンジンは高回転であるがアクセルは踏んでおらずスロットルバルブも閉じている状態である。こういう場合はエンジンは高回転で回っていても、燃料噴射量は少ないのだろうか・・・？

・NAチューンはエアクリーナーのフィルター交換や、インテークマニホールドの最適化など、空気の取り込み部分を改善すればトルクアップにつながると言うが、それが本当なら吸気とは負圧による吸気の他に、外気側の｢風｣的な空気の流れも吸気効率と関係することになる。恐らく関係するのは間違いないのだろうが、負圧による吸気と外気側の風の流れの流体力学的な所は、さっぱり理解出来ない。

・アイドリング時にスロットルバルブが閉じていれば、エンジン側の空気が無くなってエンジンが止まるはずであるが、止まらない。なぜなんだろう？しかしこの疑問は上の二つと違い、調べたらすぐに分かることなんだと思う。しかし｢原理的｣な疑問ではなく調べる意欲がわかないので、調べていない。←まさに素人うんちく！

【ターボとは】

●難し過ぎる・・・

右図の下の注記に書いている通り、ターボに関しては、実はほとんど理解できていない。

実は、実際のターボシステムのレイアウト図を見たことがあるが、それを参照して図を書くことは、あえてしなかった。

右図は、あくまで以前から私が｢素人｣として簡単に理解するための｢概念図｣である。

注1)上図は概念図であり、実際のレイアウトは全く異なるものである。
注2)特に、吸気部、排気部、タービン、給気部の位置関係はデタラメであり、特に給気がスロットルバルブより外側に入っているのか、エンジン側に入っているのかは、意味も含めて全く理解できていません。(下の｢いくつか疑問・・・｣を参照して下さい)
注3)図中の｢給気(0.5kg/cm2)｣とは一例であり、エンジンの種類や回転数により、常に変化する値です。

●簡単に理解すれば・・・

07.01.30追記)　以下は｢加給｣と書いてますが、正式には｢過給｣だと思われます。ただし私自身、｢加給｣と｢過給｣の差が理解できていないこと、ならびに私の現在の理解の仕方では、明らかに｢加給｣のほうが適しているので、｢加給｣と記しています。

概念的に、単純に簡単に理解すれば、ものすごく簡単なのである。

・上の｢自然吸気｣で述べたように、吸気は基本的にエンジン側の負圧により吸気する。

・従って、吸気量の限界は排気量(いわゆる1500ccとか2000ccとか呼んでいるもの)、すなわちエンジンのシリンダー容量で決まる。すなわち、シリンダー内の負圧による吸気量以上は吸いたくても吸えない訳である。

・従って、燃料をシリンダー内に過度に多く噴射しても、空気量が間に合わないので力は出ない。エンジンには適度な空気と燃料の混合比(いわゆる空燃比)があるからである。

・以上から、自然吸気の場合は、排気量を大きくしないことには、吸気量は増やせない。従って自然吸気の場合、ハイパワー車ほど排気量が大きいのが基本である。

・ここからがターボの話である。簡単に言えば、シリンダー内の負圧による吸気にプラスして、外からの力で空気を｢加給｣する訳である。このシステムを｢加給器｣という。

・ターボとは加給器のうち、エンジン排気流のエネルギーを利用して加給を行うものである。上の簡易図の通り、排気流によって風車を回し、その風車と軸でつながっている吸気側の風車を回して空気を取り込み加給する。この二つの風車が軸でつながった部品が｢タービン｣である。

・このように加給すると、同じシリンダー容量の自然吸気エンジンよりも、多く空気を取り込める。従って燃料も比例して多く噴射することができ、自然吸気より大きな力が得られる訳である。

以上がターボを単純に簡単に理解した内容であり、素人的には十分であると思っている。

●いくつか疑問・・・

(1)最大の疑問というか分からないのは、加給をスロットルバルブよりエンジン側に加えるのか、外気側に加えるのかが分からないのである。(実際の構造的な話でなく、力学的な概念として・・・)

基本的には外気側に加給し、例えば図のように0.5kg/cm2加給すれば、通常なら1.0kg/cm2の外気圧が、1.5kg/cm2の気圧の状態となり、エンジン内の負圧(例えば0.3kg/cm2)との差が大きくなる分、空気が多く取り込める、と今までは考えていた。

しかし圧力計などの記事を読むと、ターボ車の場合、｢正圧｣となる場合があると言う。圧力計はスロットルバルブよりエンジン側に取り付けると思うので、エンジン側の気圧が外気より高くなると言うことだ。しかし私の考えは上の通りで｢エンジン側は常に負圧｣と思っていたので、つじつまが合わず、理解出来ない点である。

(2)そもそもタービンとは、｢圧縮空気｣を送り込む装置であるという。私が上で述べた認識では、あくまで｢送風｣の域を出ていない。圧縮空気であれば、大気よりも空気密度を高めた状態である。この｢圧縮｣という過程の工学的な理屈が、全く理解出来ていない。

(3)上の(1)と(2)を総合した話であるが、そもそも｢加給圧｣という概念が、タービンによる加給分のみを指すのか、タービンの効果を含めた｢吸気｣全体の圧力を指すのかも理解出来ていない。加給圧が1.0kg/cm2を超えるという話を耳にするが、そもそも(1)が理解出来ていないので、エンジン側に加給しているのか、大気側に加給しているのか、そして加給圧とは何を指すのか、さっぱり理解出来ていない訳である・・・。

●ターボのまとめ

以上のような感じで、まさに｢だいたいのことは知っているが、細かく突っ込まれると答えられない｣という程度の知識である。

現段階では疑問点を解決しようとは考えていないが、非常に興味を引かれる事項であることは間違いがないので、今後、機会があれば勉強してみたいと考えている。