機械式過給機とターボチャージャーの時間応答の違い

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2021.10.29

*記事微修正：2021/11/13

　ターボラグについての記事にてターボチャージャーを搭載したピストンエンジンでは、スロット操作に対する時間応答が自然吸気のものより遅れるということをシミュレーションで再現し、何が起きているかを観た。今回は、そのターボチャージャーと、別種の過給機である機械式過給機（メカニカルスーパーチャージャー）の時間応答の違いを観てゆく。

記事を通して言いたいこと（結論）

　例によって、冒頭で述べておく。

  • ターボチャージャーはピストンエンジンのスロットルに対する時間応答を悪くするが、機械式過給機（メカニカルスーパーチャージャー）はエンジンの時間応答に殆ど悪影響を与えない。そのことを1Dシミュレーションにより確かめた。


モデル化対象（とその周辺について）

    機械式過給機（メカニカルスーパーチャージャー）

    　スーパーチャージャーの機能は、ターボラグの記事で述べた、ターボチャージャーのそれと同じだ。ピストンに入る前の吸気を圧縮し、吸気密度（質量流量）と吸気圧力を上げる事で、熱サイクル１回あたりの発生仕事を大きくする。詳しくは省略する。

    　機械式過給機がターボチャージャーと異なる点は何かというと、圧縮機を駆動するパワーをどのように得るかだ。ターボチャージャでは排気に残るエネルギをタービンという回転機械で回収していたのに対し、機械式過給機は、エンジン本体の出力軸から得る。燃料ポンプやオルターネータなどと同様に、クランクシャフト直下、または出力伝達機械系統の途中に動力を取り出す軸か回転ベルトを設けて圧縮機に繋げる。他の解説サイトの引用だが、下図がその構成を端的に示しており解りやすい。

    　＊ターボラグの記事でターボチャージャーの概念図を観た時同様、圧縮機下流にintercoolerが配置されているが、今は考えなくても良い。


    *図は外部サイト How a mechanical centrifugal supercharger works へのリンク

    　この機械式過給機、仕組みの思想が、エンジン自身の生んだ仕事の一部を、自身をよりパワー向上させるために割り振ると言うもの。そのため、排気に無駄に捨てられていたエネルギーを有効活用する思想のターボチャージャーと異なり、燃費を良くするという効果は期待できない。（サイズあたりの出力が上昇して小型化に繋がったり、出力増加により種々のロスが占める割合が小さくなって２次的に燃費改善に寄与できる可能性は有る。）

    　では、搭載目的はというと、エンジンの出力上昇または、出力低下の防止だ。ターボチャージャーの進化と一般パーツとしての浸透により、現在の自動車用エンジンに搭載される事は少なく、著名な利用は第2次世界大戦期の航空レシプロエンジン。ターボラグの記事でも触れたが、高高度では大気圧力が小さくなるために、エンジンが吸気する空気の密度・圧力が減り、上昇と共にエンジン出力が低下してしまう。それを補い、高高度に登る能力、高高度を巡行する能力を得る為の手段として、この機械式過給機は枢軸・連合両陣営の多くのエンジンに搭載された。単純にエンジン出力が上がるというだけでも、高高度性能を追及していない機体・エンジンにも有用だ。航空機に限らず乗り物全般で、搭載物を小さく・軽く済ませられるということは必ずメリットとなる。

    　余談だが、機械式過給機を搭載した軍用機は多々有るが、ターボチャージャーを搭載したものは少ない。排気を有効活用するターボチャージャーを搭載できればその方が良いのだろうが、戦時中、ターボチャージャーをまともに量産品として実戦投入まで漕ぎ着けられたのはアメリカだけ。イギリス軍の名機スパーマリン・スピットファイアの発動機”マーリン”も機械式過給だし、枢軸側はターボチャージャーを実用化していない。

    ターボチャージャー、ターボラグ

    　省略する。ターボラグの記事を参照されたい。

シミュレーションモデル

    Diagram

    1. 自然吸気型〇360

      2. 　解説を省略する。ターボラグの記事で登場している。


      ●シミュレーションモデル公開情報


    2. ターボチャージャー搭載型〇360

      3. 　解説を省略する。ターボラグの記事で登場している。


      ●シミュレーションモデル公開情報


    3. 機械式過給機搭載型〇360

      4. 　スロットルバルブの手前に圧縮機が配置されるのはターボチャージャーと同じ。排気経路と、圧縮機のfrange(Modelicaの回転機械系のconnector)が接続される先が異なる。

      　既出だが、機械式過給機では、圧縮機は機械的にエンジンのクランクシャフトと接続される。圧縮機とクランクシャフトとの間にはギアコンポーネントを挟み、圧縮機がエンジンクランクシャフトよりも高い回転数で作動するようにする。回転慣性のコンポーネントは、圧縮機側に持たせておく。

      　明白だが、排気経路には何も設置しない。この構成により、エンジンを通過する空気流れは、エンジン本体の作動、スロットルバルブの流路抵抗、圧縮機の”流路抵抗”（ほぼ圧縮機の大きさと回転状態で決まる）によって決定される。質量流量を決定付ける要素がターボチャージャーより１つ少ない。


      ●シミュレーションモデル公開情報

    　＊３つ総ての型で、クランクシャフトに機械回転数に比例する負荷を取り付けている（調速機の無いプロペラを回しているイメージ）。従って、エンジンのトルク-回転数カーブを取得するような、powerを固定して回転数を変化させるような操作でない事に注意されたい。

    Parameter

    1. 圧縮機

      2. 　前回適当な設定を与えたが、ターボチャージャーと機械式過給機の比較として妥当なものとなるよう、圧縮機のparameterは完全にターボチャージャーの圧縮機と同じにしている。

    2. 圧縮機の回転慣性

      3. 　前回の1/20。

      　前回はターボラグを意図的に誇張するために大きな値を設定したが、今回は総て現実的な程度の遅れとしたいので、ターボチャージャー、機械式過給機共に小さく設定する。シミュレーションを繰り返し実行して、現実的だが違いが読み取れるような値を探索した。

      　＊ターボチャージャーは圧縮機だけでなく、タービンの回転慣性も持つので、本来なら機械式過給機の圧縮機の方を小さい値としなければ機械式過給機に不利な設定なのだが、それでも次章で示すように機械式過給機の方が時間応答遅れが遥かに小さいことは確認できるので追及しない。

    3. 増速ギア

      4. 　7:1

      　特別根拠を持って設定したものではなく、シミュレーションを繰り返し、エンジンクランクシャフトがターボチャージャー搭載型と概ね同じような範囲の回転数となるように決めた値。圧縮機の機械回転がエンジン本体の回転作動で一義的に決まるので、実際の設計では増速比の設定は過給機に所望する性能を発揮させられるかを決める重要な設計parameterだ。

シミュレーション実行

    Input

    1. スロットルバルブ開度：throttle.u_kArea

      2. 　前回と同様に時刻50[s]でスロットルバルブをステップ状に開き急加速する。


    Variables

    1. エンジン機械回転数：to_rpm_crankshaft.y

      2. 　自然吸気型に比べると時間応答遅れは有りはするが、ターボチャージャに比べると圧倒的に少ない。ターボチャージャー搭載型が立ち上がりに3-4[s]程度要するのに対して、機械式過給機搭載型は2[s]要するかどうかという程度の遅れだ。

      　これは、機械式過給機は機械回転作動がエンジンのそれに拘束され独立した回転機械でないため。エンジン本体の加減速=圧縮機の加減速であり、多少回転慣性が有っても、エンジン本体の回転動作が支配的であれば影響は殆ど受けない。また、下流にタービンという、回転と作動流体の通過流量が相互に作用する機械が繋がっていないことも、時間応答が遅れないことに繋がっている。エンジン本体と圧縮機の機械回転は、エンジンが生むトルクと、出力軸に接続された抵抗と回転慣性によって決まる。


    2. エンジン軸出力：powerSensor1.power

      3. 　機械回転数と同様に、時間遅れはターボチャージャー搭載型の半分程度。


    3. エンジン軸トルク：powerSensor1.flange_a.tau

      4. 　機械回転数、軸出力とほぼ同じなのだが、少し違う。加速直後がほぼ遅れなく立ち上がり、そのあと静定値に至るまでに遅れが生じている（グラフが加速直後だけほぼ真上向きに登る。）。これはスロットル開きに応じて流入空気が強制的に瞬間的に増え、併せて熱サイクル1回あたりの生成仕事が増えるためと考えられる。ターボチャージャーの場合は、スロットル開きによって流路抵抗が減っても、タービンが回転上昇して排気流路の流路抵抗が減らないとエンジンへの流入空気が直ぐには増えない。


    4. エンジン軸トルク vs. エンジン機械回転数：powerSensor1.flange_a.tau vs. to_rpm_crankshaft.y

      5. 　ターボチャージャー搭載型も機械式過給機搭載型も似た挙動。しかし、ターボチャージャ搭載型の方が圧倒的にトルク変動が抑えられている。

      　＊自動車エンジンの性能曲線のような動き、機械回転が上がるにつれてトルクが下がるような動きなどといったものにはならない。エンジンクランクシャフトには比例定数一定の比例負荷が接続しており、出力・機械回転・トルクのいずれかを任意の値に固定するような操作は行っていない。


    5. ターボチャージャー機械回転数：Cmp.Nmech

      6. 　エンジンクランクシャフト機械回転数とよく似た違いが観て取れる。ターボチャージャー搭載型の方が2倍位応答が遅れる。


    6. ピストン＆シリンダインテイクマニフォールド圧力（スロットルバルブ出口圧力）

      7. 　ターボチャージャー搭載型と異なり、加速直後の瞬間的な圧力低下が見えない。（ターボラグの記事を参照）

      　ターボチャージャーで見られた作動点あ開き側に移動することによる圧縮機圧力比の一時的な低下が起きないのかと言えばそうではない。同じ現象は発生するが、インテイクマニフォールドの手前にあるスロットルバルブの圧力損失によって見えなくなってしまっているだけだ。後述するが、圧縮機の直下流にあるスロットルバルブ入口の圧力はターボチャージャーと同じく瞬間的に加速前よりも低くなる。


    7. スロットルバルブ入口圧力

      8. 　前述の通り、機械式過給機の圧縮機でも瞬間的な出口圧力の低下が発生していることが確認できる。下流を急激に開くことで圧縮機の作動点が開き側に移動するのは機械式過給機でも発生する。


    8. 加速開始直後の圧縮機圧力比低下挙動

      9. 　発生現象と文書記述はターボラグの記事で説明したものと同じになるので文章記述は省略する。ターボチャージャーと機械式過給機両方の時系列データを併記しておくので見比べしておいて頂きたい。

      ●圧縮機圧力比


      ●吸気質量流量


      ●圧縮機作動点の軌跡 圧力比 vs. 入口修正流量


      ●圧縮機回転翼の迎角に相当するvariable： Cmp.Rline


後書き・まとめ

　毎度同様、ほぼ冒頭で述べたことの繰り返しとなるが、

  • ターボチャージャーがピストンエンジンのスロットルに対する時間応答を悪くする一方で、機械式過給機（メカニカルスーパーチャージャー）はエンジンの時間応答に殆ど悪影響を与えない。そのことを1Dモデルでシミュレートした。

以上

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