ターボチャージャーのコンポーネントとは何ですか?

ターボチャージャーのコンポーネントには、タービン セクション、コンプレッサー セクション、ベアリング システム（CHRA）という 3 つのコア要素に加え、ターボチャージャーが吸入空気を圧縮してエンジン出力を向上させるためのウエストゲート、ブローオフ バルブ、ハウジングなどのサポート部品が含まれます。{0}

3 つの主要なターボチャージャー セクション

すべてのターボチャージャー システムは 3 つの基本アセンブリに分かれています。タービンセクションは排気エネルギーを捕捉し、コンプレッサーセクションは吸気を加圧し、センターハウジング回転アセンブリは精密シャフトとベアリングシステムを介してそれらを接続します。

タービンセクションのアーキテクチャ

タービンアセンブリは、排気ガスからエネルギーを取り出すために連携して動作するタービンホイールとタービンハウジングで構成されています。タービン ホイールは排気圧と熱を回転力に変換し、高性能アプリケーションでは 250,000 RPM を超える速度で回転します。-このホイールはターボチャージャー シャフトの一端に取り付けられ、反対側のコンプレッサー ホイールに直接接続されます。

タービンハウジングの設計は、性能特性に大きな影響を与えます。ハウジングは、スパイラルボリュートチャンバーを通って排気ガスをタービンホイールに導きます。このボリュートの形状は、A/R 比 (面積を半径で割ったもの) として測定され、ターボの応答速度と高 RPM でサポートできるパワーを決定します。 0.82:1 などの小さい A/R は応答が速くなりますが、トップエンドの流れが制限されます。一方、1.32:1 などの大きい A/R は高速時の背圧を軽減しますが、遅延が増加します。-

可変ジオメトリ ターボチャージャーは、ボリュートとタービン ホイールの間に調整可能なベーンを導入します。これらのベーンは有効 A/R 比を動的に変更し、ターボが RPM 範囲全体にわたってパフォーマンスを最適化できるようにします。ベーンは高度な金属射出成形 (MIM) 製造プロセスを使用して製造されており、約 800 度の連続温度に耐えながら、±0.015 mm という厳しい公差で複雑な形状を製造できます。

コンプレッサーセクションのコンポーネント

コンプレッサー アセンブリは、周囲の空気がエンジンに入る前に圧縮します。心臓部にはコンプレッサーホイールがあり、回転質量を低く抑えるために通常はアルミニウム合金から機械加工されています。このホイールは、コンプレッサーの入口から空気を引き込み、半径方向に加速します。-気流をブレードの表面に沿って 90 度回転させてから、コンプレッサーのハウジングに押し込みます。

コンプレッサーホイールのサイズはエアフロー容量を直接決定します。インデューサーの直径 (空気が入るブレードの先端で測定) は、用途に応じて通常 45 mm から 100 mm 以上の範囲にあります。メーカーはターボをこの測定値で参照することがよくあります。-「88mm ターボ」には 88mm のコンプレッサー インデューサーが搭載されています。大きなホイールはより多くの空気を移動させますが、回転するにはより多くの排気エネルギーが必要となるため、レスポンスと最大パワーの間に根本的なトレードオフが生じます。-

コンプレッサー ハウジングは、ホイールから出た加圧空気を収集し、エンジン吸気口に送ります。ハウジング内のディフューザー セクションは高速空気を減速させ、-運動エネルギーを静圧に変換します。-これが測定されるブーストです。コンプレッサーのハウジングには、コンプレッサーの効率とサージ特性に影響を与える独自の A/R 比も備えています。

センターハウジング回転アセンブリ (CHRA)

CHRA は、あらゆるターボチャージャーの機械的コアを形成します。このアセンブリには、センター ハウジング自体、両方の車輪を接続するタービン シャフト、およびシャフトを支持するベアリング システムが含まれています。センターハウジングは通常、オイルと冷却剤の流れのための統合された通路を備えた鋳鉄またはアルミニウム構造を使用します。

CHRA 内のベアリング システムは、極端な動作条件を管理します。シャフトは 230,000 RPM に達する速度で回転し、冷間始動中はタービン側で 800 度に近い温度、コンプレッサー側で氷点下の温度で動作します。-これらのベアリングは、半径方向と軸方向の両方でシャフトの動きを正確に制御しながら、摩擦を最小限に抑える必要があります。

2 つのベアリング技術が現代のターボチャージャーを支配しています。ジャーナル ベアリングは、流体力学的な油膜を使用して、金属同士が接触することなくシャフトを吊り下げます。{1}}-。シャフトは文字通り、ベアリングのクリアランス内の加圧されたエンジンオイルの上に浮いています。このフル フローティング設計は優れたダンピングを提供しますが、より多くのオイル流量が必要となり、より多くの摩擦が発生します。ボール ベアリング システムは、ジャーナル ベアリングをアンギュラ コンタクト ボール ベアリングに置き換え、ジャーナル ベアリングと比較して摩擦を約 50% 低減します。この減少により、ボールベアリングターボのスプールアップが 15% 速くなり、ターボラグが大幅に減少します。

CHRA には重要なシールコンポーネントも含まれています。センター ハウジングの両端にあるピストン リング-タイプのシールは、吸気と排気ガスがオイルで満たされたベアリング キャビティに入るのを防ぎます-。これらのシールは、シャフトの動きに対応し、超高速回転での過剰な摩擦を回避しながら、過給圧下のガスに対して効果的にシールする必要があるという難しい課題に直面しています。-

必須のサポートコンポーネント

3 つの主要セクションを超えて、いくつかの補助コンポーネントがターボチャージャーの動作を制御し、極端な条件下での損傷を防ぎます。

ウェストゲート システム

ウエストゲートは、タービンホイールの周りの排気ガスをバイパスすることで最大ブースト圧を制御します。この制御がなければ、ブースト圧が安全なエンジン限界を超えるか、何かが致命的な故障を起こすまで、ターボは加速を続けます。

内部ウエストゲートはタービン ハウジングに直接統合されています。 「フラッパー」バルブに接続された空気圧アクチュエータは、ブースト圧力が目標レベルに達するとバイパス通路を開き、排気の流れをタービンホイールからそらします。この構成により、システムがコンパクトに保たれ、配管の複雑さが軽減されます。工場出荷時にターボチャージャーが装備された車両の 70% 以上が、パッケージングの利点と費用対効果の理由から、内部ウエストゲートを使用しています。-

外部ウエストゲートは、排気マニホールドまたはヘッダーに個別に取り付けられます。これらのユニットは、特に車輪馬力 600 を超える高馬力用途において、優れた流量と性能を提供します。-バイパスされた排気は、タービンの下流の排気システムに戻すことも、レース用途では直接大気に排出することもできます。外部ウエストゲートはより正確なブースト制御を提供しますが、設置の複雑さとコストが増加します。

コンプレッサーバイパスバルブ

コンプレッサー バイパス バルブ-一般にブローオフ バルブまたは再循環バルブと呼ばれます--は、スロットルが突然閉じたときのコンプレッサーのサージを防止します。高ブースト動作中、スロットル ブレードが閉じると圧力スパイクが発生し、圧縮空気がコンプレッサー ホイールを通って後方に押し出されます。この逆流により、コンプレッサーが失速してサージが発生し、独特のバタつき音が発生し、スラストベアリングに破壊的な負荷がかかります。

バイパスバルブはコンプレッサー出口とスロットルボディの間に取り付けられます。スプリング力と圧力信号の組み合わせを使用してスロットルの閉鎖を検出し、スロットルを開いて閉じ込められたブースト圧を排出または再循環します。大気ブローオフ バルブは、特徴的な「シュー」という音とともに大気へ排出されますが、再循環バルブは空気をコンプレッサーの入口に戻して、マス エアフロー センサーを備えた車両の適切な空燃比を維持します。-

インタークーラーの統合

空気を圧縮すると、圧力と温度の熱力学的関係により熱が発生します。 20 psi のブーストごとに、圧縮空気の温度はエンジンに入る前に 300 度を超えることがあります。この熱風により密度が低下し、爆発が促進され、出力と信頼性が制限されます。

インタークーラー (より正確には給気クーラーと呼ばれます) は、圧縮空気が吸気マニホールドに入る前に冷却することでこの問題を解決します。空気-から-へのインタークーラーは周囲の空気の流れを使用しますが、空気-から-への設計では熱交換器を通して冷却水を循環させます。効果的なインタークーラーにより、吸気温度が 150 ～ 200 度 F 低下し、空気密度が 15 ～ 25% 増加し、出力とエンジンの安全性が大幅に向上します。

ターボチャージャー生産における先進的な製造

最新のターボチャージャーのコンポーネントには、極めて高い精度と珍しい素材が求められます。可変形状ベーンは、800 度の腐食性排気ガスにさらされている間、翼形プロファイルを ±0.015 mm 以内に維持する必要があります。従来の機械加工および鋳造方法では、年間 100,000 個を超える生産量でこれらの要件を経済的に満たすのが困難です。

金属射出成形は、ターボチャージャーのコンポーネント製造に革命をもたらしました。 MIM は、粉末冶金とプラスチック射出成形技術を組み合わせて、5 軸加工が必要な、または従来のダイカストでは不可能な複雑な金属部品を製造します。-このプロセスでは、微細な金属粉末と熱可塑性バインダーを混合し、その混合物を精密金型に注入し、脱脂によってバインダーを除去し、その後部品を高温で焼結して最終特性を実現します。

ターボチャージャー用途の場合、MIM を使用すると、優れた高温強度と耐酸化性を備えたインコネル 713 や 718 などの超合金からコンポーネントを製造できます。-年間 1 億 8,000 万個以上のターボチャージャー ベーンが、ミム製造メーカーは精密鋳造と比較して 20% のコスト削減を報告しています。この技術は、統合されたブレード形状を備えたタービンホイール、複雑な曲面を備えたコンプレッサーインペラ、以前は製造が不可能であった精密なシール面を備えたウエストゲートコンポーネントも製造します。

コンポーネント全体にわたる材料の選択

コンポーネントの材質は、各部品が耐えなければならない過酷な動作環境を反映しています。タービン ホイールには通常、700 度以上の強度を維持するインコネル合金またはその他のニッケルベースの超合金が使用されます。-一部の高性能アプリケーションでは、セラミック タービン ホイールを採用しています。セラミック タービン ホイールは、密度を低くすることで回転慣性を 30% 低減し、より高速なスプールアップを可能にします。ただし、セラミック ホイールには金属代替品のような耐衝撃性がありません。{6}}

コンプレッサー ホイールにはアルミニウム合金、特に 2000 または 6000- シリーズが好まれており、比較的低温のコンプレッサー環境でも優れた強度対重量比を実現します。--。高性能アプリケーションでは、鋳造ホイールではなくビレット加工されたコンプレッサーホイールを使用することが増えています。ビレットホイールは優れたブレードの空気力学と強度を提供しますが、膨大な CNC 加工時間が必要です。

センターハウジングは、温度スペクトルの両側に耐える必要があります。鋳鉄は、その熱安定性、低コスト、十分な強度により依然として人気があります。水冷アプリケーションでは、優れた熱伝導特性を備えたアルミニウムがよく使用されますが、アルミニウムは鋳鉄の強度に匹敵するためにより厚い壁セクションを必要とします。

ベアリングの材質は、ジャーナル ベアリング用の青銅-ベースの合金と、ボール ベアリング用のセラミックまたはスチールに分かれます。高性能ボール ベアリング カートリッジでは、スチールよりも 60% 軽量でありながら、高温耐性と優れた耐摩耗性を備えたセラミック ボール (通常は窒化ケイ素) の使用が増えています。

油および水の配管システム

ターボチャージャーは、ベアリングの潤滑と熱の除去をエンジン オイルに依存しています。オイルはセンターハウジングのオイル入口から入り、ベアリングキャビティを通ってベアリングを潤滑および冷却し、その後オイルリターンラインを通ってオイルパンに戻ります。このシステムは独特の課題に直面しています。-ターボが回転し始めると、起動後数秒以内にオイルがベアリングに到達する必要がありますが、高負荷運転が続くとベアリング キャビティ内のオイルの温度が 300 度を超える可能性があります。-

ボール ベアリング ターボでは、ジャーナル ベアリング設計よりも必要なオイル流量が大幅に少なくなり、{0}}通常は 50% 少なくなります。この減少した流量要件により、エンジン油圧が 60 psi を超える場合、過度の圧力によるベアリングの損傷を防ぐためにオイル入口リストリクターが必要になります。オイルドレンラインは、排水を妨げてベアリングキャビティの浸水を引き起こす可能性のある水平方向の走行や上り坂セクションを設けずに重力供給を維持する必要があります。

水冷は、エンジン停止後にタービン ハウジングからの熱がセンター ハウジングに移動する現象であるヒート ソークバックに対処します。{0}クーラントを循環させないと、ベアリング内の残留オイルがコークス化温度（華氏 400 度以上）に達し、ベアリングの摩耗を促進する硬い炭素の堆積物が残る可能性があります。水冷センター ハウジングは、エンジン冷却水を熱質量として使用し、シャットダウン後も熱サイフォン効果によって熱を吸収し続け、ベアリング キャビティの温度をオイル コーキングしきい値未満に維持します。

一般的なパフォーマンス構成

ターボチャージャーの選択には、コンプレッサーとタービンのサイズをエンジン排気量、目的の RPM 範囲、目標出力レベルに適合させることが含まれます。 400 馬力を目標とする 2.0L 4 気筒には、1,000 馬力を目指す 5.0L V8 とは大きく異なるターボ サイズが必要です。

基本原理は変わりません。エンジン出力は空気と燃料の流量に比例します。自然吸気エンジンは、大気圧 (海抜約 14.7 psi) で周囲の空気を吸い込みます。 20 psi の過給圧 (絶対圧 34.7 psi) のターボチャージャー付きエンジンは、同じ排気量に 2 倍以上の空気質量を流し、比例してより多くの燃料燃焼と出力を可能にします。

ツイン-ターボ構成では、単一の大型ターボを使用するのではなく、排気流を 2 つの小型ターボに分割します。単一のターボ ハウジング内のツイン スクロール設計により、ペアのシリンダーからの排気パルスが分離され、干渉が最小限に抑えられ、タービン効率が向上します。シーケンシャル ツイン-システムは、低 RPM 応答に小型ターボを使用し、最大パワーを得るために高 RPM では大型ターボを追加します。-各構成には、応答、ピーク電力、パッケージングの複雑さ、コストの間のトレードオフがあります。-

メンテナンスと一般的な故障モード

ターボチャージャーの寿命は主にオイルの品質と清浄度によって決まります。汚染されたオイルまたはオイルの枯渇により、動作速度で数秒以内にベアリングが損傷します。推奨メンテナンス間隔では、100,000 ～ 150,000 マイルで CHRA を再構築または交換することをお勧めしますが、適切なケアを行うと耐用年数を大幅に延ばすことができます。

重要なメンテナンス方法には、オイルがベアリングに確実に到達するように運転前に 30{2}}60 秒間のアイドリングを許可すること、温度を安定させるためにハードな運転の後にシャットダウンする前に 1-2 分間アイドリングを行うこと、メーカーが指定したオイル交換間隔を使用することが含まれます。エアフィルターの状態は、コンプレッサーホイールの寿命に直接影響します。コンプレッサーに破片が入ると、ブレードの腐食やアンバランスが発生します。

CHRA バランス調整は、ターボ再構築の最も重要な側面を表します。 200,000 RPM を超える回転速度では、微細な不均衡でも破壊的な振動が発生します。適切なバランスには特殊な機器と手順が必要であり、バランスの仕様は 100 分の 1 オンスインチに保たれています。-}バランスが不適切な CHRA は、油膜を破壊する過剰な振動によって引き起こされるベアリングの損傷により、急速に{6}}場合によっては数日以内に故障します-。

よくある質問

ターボチャージャーの CHRA とは何ですか?

CHRA (センター ハウジング回転アセンブリ) は、センター ハウジング、シャフト、両方のホイール (タービンとコンプレッサー)、およびベアリング システムを含むコア アセンブリです。ターボチャージャーの回転中心部を形成し、極端な回転速度で確実に動作するには正確なバランスが必要です。

ターボチャージャーのコンポーネントはどれくらい熱くなりますか?

タービン-側のコンポーネントは動作中、定期的に 800{7}}1000 度（1470-1830 度 F）に達します。圧縮空気の温度は通常、中間冷却前に 150 度 (300 度 F) を超えますが、コンプレッサー側はかなり低温で動作します。センターハウジングの温度は、冷間始動時の氷点下から、高負荷運転が続いた後の 400 度以上まで変化します。

ターボラグの原因は何ですか?

ターボラグは、排気ガスの流れがターボチャージャーの回転アセンブリをブースト圧力が発生する速度まで加速するのに必要な時間によって発生します。回転慣性が大きい大型のターボでは、遅れが大きくなります。ボール ベアリング システム、小型のタービン ホイール、ツイン スクロール設計により、従来の構成と比較して遅延が軽減されます。-

ターボコンポーネントを個別に交換できますか?

主要なハウジングとホイールは個別に交換できますが、完全な CHRA は通常、交換またはバランスのとれたアセンブリとしての再構築が必要です。異なるメーカーのコンポーネントを混合したり、磨耗したベアリングを再利用しようとすると、バランスの問題や早期故障が発生することがよくあります。

ターボチャージャー技術の進化

ターボチャージャーの開発では、材料、製造プロセス、制御システムが進歩し続けています。電動ターボチャージャにはモーター駆動のコンプレッサーが追加されており、遅延を完全に排除しますが、コストと複雑さのため、現在はハイエンド アプリケーションへの採用が制限されています。-可変ジオメトリ システムは、かつてはディーゼル用途に限定されていましたが、材料と制御アルゴリズムの改良により、現在ではガソリン エンジンにも採用されています。

積層造形は、従来の方法では不可能だった最適化されたタービンとコンプレッサーの形状を製造できる可能性を示しています。この技術により、トポロジーを最適化した設計が可能になり、強度を維持しながら重量を削減できますが、大量市場の用途には依然として製造コストが高すぎます。{2}

パワートレインの電動化への移行により、乗用車のターボチャージャーの需要が減少する一方で、水素燃焼や燃料電池用途の機会が拡大します。 -大型商用車、船舶用エンジン、産業用発電では引き続きターボチャージャー付き内燃エンジンが必要とされており、特殊な用途にわたってターボチャージャー コンポーネントに対する持続的な需要が確保されています。