※本記事は2chのまとめではありません。


しょぼーんみなさん こんにちわ。ぶ速報管理人のぶ~ちゃんです。
 

先日、以下のようなメールを頂いたぶ~

ターボラグについて、何となく理解はできますが、いまいちよくわかりません。よかったらターボラグについてぶ~ちゃんの理解を教えてください
(>ω<)


そこで、
ぶ~ちゃんがターボラグについて解説するぶ~




それではいつものように、ターボラグについて理解するために必要な基本事項を確認するぶ~ 

物事には背景となる考えがあり、わからないときの大半はその背景となる考えを理解していないことが原因になっている場合が多いぶ~

だから、ぶ~速ではその背景となる考えから丁寧に説明するために基本事項から説明するぶ~

ターボラグについて理解するために必要な基本事項は以下の4つになるぶ~

①ターボチャージャー(ターボ式スーパーチャージャー)の仕組み
②角速度と角加速度
③慣性モーメント
④オイラーの運動方程式

それでは、はじめるぶ~


①ターボチャージャー(ターボ式スーパーチャージャー)の仕組み

ターボチャージャーはタービンとコンプレッサをもっていて、排気経路にタービンを、吸気経路にコンプレッサが配置されるぶ~(下図参照)

ターボチャージャー


排気によりタービンが回され、タービンに連動してコンプレッサがまわり、コンプレッサが空気を勢いよく吸い込むぶ~

上記をわかりやすく示した動画がYoutubeにあったので以下に示すぶ~


タービンが回ることで一緒にコンプレッサもまわるぶ~
すなわち(ギアを挟まない限り)タービンの回転数=コンプレッサの回転数という関係式が成立しているぶ~


②角速度と角加速度

今、タービンが下図のように回転しているとするぶ~
このタービンの角速度、角加速度は以下のように定義されるぶ~


角速度


角加速度


物理学的には、角速度の時間微分が角加速度になっているぶ~(下図参照)

角速度と書く加速度


③慣性モーメント

慣性モーメントとは一言で言うと、物体の回転のしにくさを表す物理量と言えるぶ~

慣性モーメント1

 そして慣性モーメントは回転軸の方向により値が変わってくるぶ~(下図参照)

慣性モーメント


[補足]ちなみに慣性モーメントを求める式は、以下のようになっているぶ~
※慣性モーメントは大学1、2年程度で習う基本的な力学です

慣性モーメント式
 
④オイラーの運動方程式

オイラーの運動方程式

オイラーの運動方程式によると、タービンをより速く回転させる(タービンの角加速度を大きくする)には、タービンの慣性モーメントを小さくするか、排気の圧力を大きくしてタービンに与えるトルクを大きくする必要があることを示すぶ~

タービンの慣性モーメントを小さくする方法としては以下が考えられるぶ~

慣性モーメントwo


しょぼーん

基本事項は以上でおしまいぶ~

上記内容は大学の低学年で習うような物理の基本的な内容なので、何をいまさらと思う方もいると思われますが・・・ご了承くださいぶ・・・

では、本題であるターボラグの話に入るぶ~









ターボラグとは、アクセルを踏んで、実際にターボの過給効果によりトルクが上昇するまでのタイムラグのことだぶ~(下図参照)

ターボラグ

それでは、なぜターボラグが発生するかを、上記基本事項をもとに説明するぶ~

まず車のトルクは、過給圧と相関があるぶ~
過給圧が高ければ、それだけ燃焼室に空気をたくさん送ることができ、そのたくさんの吸入空気に基づき、燃料噴射量を増やしてやることで、燃焼する混合気が増え、トルクがでるぶ~

そしてその過給圧はコンプレッサの回転数と相関があり、コンプレッサの回転数はタービンの回転数と一致しているぶ~(下図イメージ)

タービンの回転数

車のトルクとタービンの回転数に相関があるので、タービンの回転数を縦軸、時間を横軸ととったときに、上記車のトルクと時間の関係のグラフと同じような形になるぶ~(下図参照)

 タービンの回転数2

理想的なタービンと、実際のタービンの回転数の推移の違いは、アクセルを踏んだ後のタービンの回転数、の変化具合、すなわち角加速度の大きさが違うことによるぶ~


タービンの回転数3

ではなぜこの様なことがおきるかというと・・・

それは上記基本事項で説明した慣性モーメントとオイラーの運動方程式が関係しているぶ~

理想的なタービンとは具体的には慣性モーメントが限りなく0に近いものだぶ~

今、理想的なタービンと、実際のタービンに同じ排気圧がかかり、トルクNが与えられたとするぶ~
(下図参照)


比較


そしてそれぞれの場合でオイラーの運動方程式をたてるぶ~(下図参照)


角加速度の比較
 

上記により、以下のように、タービンの回転数がすぐに上がらず、ターボラグが発生するぶ~


タービンの回転数3



しょぼーん

以上がターボラグについてのぶ~ちゃんの理解だぶ~
 
続いて、質問にはないですが、このターボラグを解消するためにどんな技術があるかを紹介したいと思うぶ~

まずターボラグを解決する方法として、有名なのが、VGT(バリアブルジオメトリーターボチャージャー)だぶ~
VGTについては次のリンク先(⇒こちら)でまとめておいたので、気になる方は見てみてぶ~

そしてもう1つがツインターボだぶ~ 
今回はこのツインターボについて少し詳しく紹介するぶ~



なぜツインターボについて詳しく紹介するかというと・・・・

先日名古屋オートトレンドに行った時の記事を書いたぶ~
(⇒こちら

そこでマツダの新型CX-3スカイアクティブ-D(ディーゼルエンジン)のカットモデルが置いてあったぶ~(下写真)
(※写真の左側に写っている人はぶ~ちゃんではありません)
DSC_3162

DSC_3163

DSC_3164



DSC_3157


マツダの解説員さんに、今回のエンジンの特徴はなんですか?と質問したぶ~ 

そしたら解説員さんは「2ターボと低圧縮です」と答えてくれたぶ~

そうマツダの新型CX-3には2ターボが搭載されているぶ~

そこでせっかくなので、ターボラグの説明の中で2ターボの説明をしようと思ったぶ~ ぶ~ちゃんは単純だぶ~

それでは2ターボの説明に入るぶ~

2ターボはその名の通り、2つのターボをのことだぶ~

そしてその2つのターボは大きさが違うぶ~

大きさが違うということは、慣性モーメントが異なるぶ~

上記で説明したように慣性モーメントが大きくなるほどターボラグが大きくなるぶ~ 一方で慣性モーメントが大きいということはターボが大きいので最大過給圧が大きくなるぶ~

反対に、
慣性モーメントが小さいとターボラグは小さいけど、最大過給圧も小さいぶ~

これを図に表すと以下のようになるぶ~



2ターボ


それぞれのメリットを整理すると以下のようになるぶ~

2ターボ3

排気流量が少ないとき、例えばエンジン始動時はターボラグが小さい方がいいぶ~

一方排気流量がある程度大きいとき、車が十分加速した状態では、大きい出力がほしいぶ~

上記図と照らし合わせると、排気流量が少ないときは慣性モーメントが小さい、すなわちちっちゃなタービンを用いて、排気流量がある程度大きいときは慣性モーメントが大きい、すなわちでっかいタービンを用いるのが相性がいいぶ~(下図)

2ターボ2
 
これが2ターボの原理だぶ~
すなわち、
排気流量が少ないときは小さいターボを使い、
排気流量が大きいときは大き
いターボを使うぶ~

具体的にどうやって排気流路をつくり、どうやって切り替えるかについては省略するぶ~ 
気になる人はググってみてほしいぶ~

しょぼーん

以上が、2ターボの説明だぶ~

※上記内容はぶ~ちゃんが独学で、理解した内容なので、間違っているかもしれないぶ~
もし間違いを発見した場合はぶ~ちゃんの勉強のためにも教えてほしいぶ~

参考文献
青山元男著「車のメカニズム」
畑村耕一著「自動車エンジン技術がわかる本」
御堀 直嗣著「クルマはなぜ走るのか」

岩波書店「力学Ⅰ・Ⅱ」

岩波書店「熱・統計力学」