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内燃機関超基礎講座 | VGターボをディーゼルエンジンで使う理由と仕組み。VGとはなにか?

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(PHOTO:瀬谷正弘)

現代のディーゼルエンジンで多く用いられるVGターボ。その採用の理由と仕組みを考える。
TEXT:牧野茂雄(MAKINO Shigeo)

 ターボチャージャーの欠点は、エンジン回転数が低い領域では排ガス流量が少なく、アクセルペダルを踏み込んでから過給圧が上昇するまでの時間差、いわゆるターボラグ(過給遅れ)が発生することである。そこで、過給遅れをなくすためにタービンホイールを小さくして慣性モーメントを減らす(体積×密度半径2=長さの5乗だから慣性モーメントは径の5乗で効く)という手段が使われるが、径を小さくしてしまうとエンジン回転数が高く排気エネルギーが大きい領域で排気圧が高くなりすぎる。径の大きなターボを使うと、高回転側は良いが低回転域で過給遅れが目立ってしまう。この二律背反を解消するため、VG=バリアブル・ジオメトリー方式のターボチャージャーが開発された。

低回転域での効果を狙ってVGターボを設計すると、このようにトルクがアップするのに燃料消費は減るという一石二鳥になる。1000~2000rpmでのトルクが劇的に上昇しているということは、このような低回転域で高い過給圧を得ている証拠である。

 タービンホイールに排気を導くためのベーンが可動式になっていて、エンジン回転数が低いときにはベーンの角度を浅く(ベーンとベーンの間のスキ間を狭く)し、燃焼ガスの流速を高めて(燃焼ガスの圧力を速度に変換する)タービンの回転上昇を助ける。エンジン回転数が高いときにはベーンの角度を深く(ベーン間のスキ間を大きく)し、燃焼ガスの流速を落とす。運転状態に応じて排気エネルギーを制御し、つねに最適な過給圧を得る仕組みだ。

左は排ガス流量大時のベーン。流量が少ないときは右のように角度を変え、タービンホイールへの流入路を絞る。ホースの先を潰して水を遠くに飛ばすイメージである。(FIGURE:VOLVO)
ベーンは台座に開けられた穴に取り付けられ、裏側でこのようにリンク機構と結ばれている。外側のリング(リンクの丸穴部分が取り付けられている)は一定角度だけ回転し、その回転によってベーンの向きを変える。ベーンはタービンホイールの周囲を取り囲んでいるため高温の燃焼ガスにさらされる。高温下でも溶けたり焼き付きを起こしたりしない素材が必須であり、リンク機構は動かすためのスキ間(クリアランス)設計が肝だ。(PHOTO:瀬谷正弘)

 ベーンの角度を変える仕組みはリンク機構である。ベーンの根元は台座に開けられた穴に入っている。そこからウデ(リンク)を伸ばし、台座を囲む外側のリングに取り付けられたベーンと同数のピンとを結ぶ。外側のリングをまわすと、そのウデの長さが追従できる範囲で外側リング上のピンとベーン根元との相対位置が変わり、それがベーン角度を回転させる動きになる。簡単なリンク機構である。

 通常、VGターボはウェイストゲートを備えていない。エンジンの最高回転域でベーン開度を全開(ベーン間のスキ間をもっとも大きく)にしたときにタービンホイールが回収できるエネルギーを最大値に設計するためだ。しかし、低速域での過給遅れをさらに追求しタービンホイール径を小さくし、同時にエンジンを高回転まで回すとなれば、VGでもウェイストゲートが必要になる。このあたりの設計要件は、通常のターボチャージャーとなんら変わらない。

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