車の心臓部！スーパーチャージャー徹底解説

車の心臓部！スーパーチャージャー徹底解説

いろいろな種類がある過給機

車の心臓部であるエンジンには、より多くの空気を送り込み、出力を高めるための装置があります。それが過給機です。過給機には大きく分けて二つの種類があります。排気ガスのエネルギーを利用する「排気駆動過給機」と、エンジンの回転力を利用する「機械駆動過給機」です。この「機械駆動過給機」こそ、一般的に「スーパーチャージャー」と呼ばれるものです。

スーパーチャージャーは、エンジンの回転軸であるクランク軸からベルトやギアを介して直接動力を得て、空気を圧縮します。アクセルを踏むと、エンジンの回転数が上がるのと同時に過給機の回転数も上がり、空気が圧縮されてエンジンへ送り込まれます。まるで自然吸気エンジンのように、アクセル操作と加速がリニアに連動するため、ドライバーは思い通りの運転を楽しむことができます。これが、排気ガスを利用するターボチャージャーとは異なる、スーパーチャージャーの大きな特徴です。ターボチャージャーの場合、排気ガスの勢いが強くなるまでタイムラグが生じるため、加速に若干の遅れが生じることがあります。

スーパーチャージャーは、ターボチャージャーに比べて構造が単純です。そのため、部品点数が少なく、小型軽量である点もメリットです。また、ターボチャージャーのように高温の排気ガスを利用しないため、耐久性が高い傾向にあります。

これらの特徴から、スーパーチャージャーは、素早い反応速度と力強い加速を求められるスポーツカーや、スムーズで静かな加速が求められる高級車などに多く採用されています。アクセルを踏んだ瞬間に力強く、そして滑らかに加速する感覚は、スーパーチャージャーならではの魅力と言えるでしょう。

空気を押し込む仕組み

車は走るために空気と燃料を混ぜて燃やし、その力で動いています。空気はたくさんエンジンに送り込めば送り込むほど、大きな力を出すことができます。そこで、より多くの空気をエンジンへ送り込むための装置として、過給機というものがあります。過給機は大きく分けて、容積式と遠心式の二種類があります。この文章では容積式について詳しく説明します。

容積式過給機は、機械仕掛けで空気を押し込む仕組みです。自転車の空気入れをイメージすると分かりやすいでしょう。空気入れの持ち手を押し下げると、中の空気が圧縮されて勢いよく出ていきます。これと同じように、容積式過給機も内部で空気を押し込み、エンジンへ送り込んでいます。

容積式過給機にはいくつかの種類があり、代表的なものとして、回転羽根車が噛み合って空気を送るルーツ式と、ねじのような形をした羽根で空気を圧縮するスクリュー式があります。ルーツ式は構造が簡単で、エンジン回転数が低いときから空気をたくさん送り込むことができます。しかし、エンジン回転数が高くなると、送り込む空気の量が減ってしまうという弱点があります。一方、スクリュー式は高いエンジン回転数まで効率よく空気を送り込めます。しかし、構造が複雑なため、製造に費用がかかってしまいます。

このように、それぞれの方式には得意なエンジン回転数の領域があり、車種や目的に合わせて最適な方式が選ばれます。ルーツ式は、街乗りなどでよく使う低い回転数領域で力を発揮するため、日常使いの車に向いています。スクリュー式は、高い回転数を使うスポーツカーなどで、より大きな力を出すために用いられます。どの方式を採用しているかは、エンジンの出力特性や燃費に影響を与えるため、車を選ぶ際の重要なポイントとなるでしょう。

内部圧縮と非内部圧縮

車の心臓部とも言えるエンジンに、より多くの空気を送り込み、出力を高める装置、それが過給機です。その中でも容積式と呼ばれる種類の過給機は、回転する羽根を使って空気を押し込む仕組みで、大きく分けて内部圧縮型と非内部圧縮型の二つの種類があります。

内部圧縮型は、過給機内部で空気を圧縮してからエンジンに送り込む方式です。まるで風船の中で空気を押し縮めるように、過給機の中で空気が圧縮され、高圧の空気がエンジンへと送り込まれます。この方式の代表格が、渦巻き状の羽根が空気を圧縮するスクロール式や、ねじ状の羽根が空気を圧縮するスクリュー式です。これらの方式は高い圧縮比を実現できるため、より多くの燃料を燃焼させることができ、結果として大きな出力を得ることができます。高性能車や競技車両など、高い出力が求められる場面で活躍しています。

一方、非内部圧縮型は、過給機自体は空気を圧縮せず、エンジンに空気を送り込み、エンジン側で圧縮する方式です。代表的なのはルーツ式で、二つのクローバー型の羽根が回転し、空気をエンジンへと送り込みます。この方式では、過給機内部での圧縮は行われないため、内部圧縮型に比べて圧縮比は低くなりますが、構造が単純であるという利点があります。部品点数が少なく、製造コストを抑えることができるため、幅広い車種に搭載されています。また、エンジン回転数が低い状態からでも過給効果を発揮できるため、街乗りなど日常的な運転 conditions でもスムーズな加速感を味わうことができます。

このように、内部圧縮型と非内部圧縮型では、圧縮の仕組みや特性が大きく異なります。それぞれの長所と短所を理解することで、車種ごとの特性や、運転の仕方に合わせた最適な過給機の選択が可能になります。

ルーツ式スーパーチャージャーの特徴

ルーツ式スーパーチャージャーは、空気を押し込む方式に特徴があります。

この方式では、内部で空気を圧縮するのではなく、二つの「羽根車」が歯車のように噛み合って回転し、空気をそのままエンジンへ送り込みます。まるで扇風機で風を送るように、空気を「送風」していると考えていただくと分かりやすいでしょう。この仕組みのため「非内部圧縮型」と呼ばれています。

ルーツ式は構造が単純です。複雑な部品が少ないため、製造にかかる費用を抑えることができます。また、組み立ても比較的容易なため、修理や点検もしやすいという利点があります。さらに、小型で軽いことも大きな特徴です。そのため、限られたエンジンルームの空間にも容易に設置できます。

エンジン回転数が低い状態からでも、空気を多く送り込む効果（過給効果）を発揮します。アクセルペダルを踏み込んだ瞬間から力強い加速が得られるため、街乗りなど日常的な走行で快適な運転を楽しめます。

一方で、エンジン回転数が高くなると、効率が下がるという弱点も持っています。高速走行時など、エンジンを高回転で回しても思ったほどの加速が得られないことがあります。また、独特の「ウィーン」という甲高い音が発生しやすいのも欠点です。静粛性を重視する車にはあまり向きません。

これらの特徴を踏まえると、ルーツ式スーパーチャージャーは、低い回転数から中程度の回転数までの間の力強さを重視する車に適していると言えるでしょう。例えば、発進や加速が多い街乗り中心の車や、力強い走り出しが求められるトラックなどに最適です。

他の方式のスーパーチャージャー

空気の力をもっと強くして、車の走る力を高めるための装置には、色々な種類があります。よく知られている羽根車式以外にも、いくつか面白い仕組みのものがあります。

まずは、ねじ式です。ねじ式は、二つの螺旋状の部品が組み合わさって回転することで空気をぎゅっと縮めて、エンジンに送り込みます。羽根車式のように空気を押し込むのではなく、中で空気を縮めるので、内部圧縮式と呼ばれます。この方式は、エンジンが速く回っても効率よく空気を送り続けられるのが特徴です。それに、羽根車式に比べて静かというのも良い点です。高性能な車や、静かさを求める車に使われることが多いです。

次に、渦巻式です。渦巻式は、渦巻き状の部品を回転させて空気を圧縮します。この方式は、とても小さく作れる上に軽く、しかも効率よく空気を送り込めます。音も静かなので、色々な車に使われています。特に、小さなエンジンで大きな力を出したい場合に有効です。

その他にも、色々な方式が考えられ、研究開発が続けられています。それぞれに得意な点、不得意な点があるので、車の種類や、どのような走りを求めるかによって、一番良い方式を選ぶ必要があります。例えば、力強さを求めるのか、静かさを求めるのか、燃費を良くしたいのかなど、色々な条件を考え合わせて最適な方式が選ばれます。どの方式にも、良い点と悪い点があるので、車を作る人がよく考えて選んでいるのです。

これからの過給機技術

自動車の環境性能を高める取り組みが、世界中で活発に行われています。その中で、エンジンの出力向上に役立つ過給機も、時代の要請に合わせて進化を続けています。代表的な過給機である過給器は、大きく分けて排気エネルギーを利用する「排気タービン過給器」と、エンジン動力で駆動する「機械式過給器」の二種類があります。

機械式過給器の中でも、電動機で羽根車を回す電動式過給器は、エンジンの回転数に関係なく過給圧を調整できるため、燃費向上と加速性能の両立に貢献します。従来の機械式過給器はエンジン回転数と連動して過給圧が変化するため、低回転域での過給が弱く、高回転域では過給圧が高くなりすぎてしまう傾向がありました。電動式過給器であれば、必要な時に必要なだけ空気を送り込むことができるため、エンジンの効率を最大限に引き出すことが可能です。

また、羽根車の大きさを変化させることで過給圧を調整する可変容量型過給器も注目されています。エンジンの運転状態に合わせて過給圧を最適化することで、低回転域から高回転域まで、幅広い回転域で高い効率を実現できます。これにより、燃費の向上だけでなく、排出ガス低減にも効果を発揮します。

さらに、排気タービン過給器と電動式過給器、あるいは可変容量型過給器を組み合わせたシステムも開発が進んでいます。それぞれの長所を組み合わせることで、より緻密な過給制御が可能となり、環境性能と動力性能をさらに高めることが期待されています。これらの技術革新は、より環境に優しく、力強い走りを両立する未来の自動車を実現するための重要な要素となるでしょう。