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ウェイストゲート(Waste Gate )は何をする? ターボチャージャーの運転状態を制御 | 内燃機関超基礎講座

  • 2020/05/12
  • Motor Fan illustrated編集部
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写真中央で開いているのが今回のテーマ「ウェイストゲートバルブ」

欧州が震源地となって電動フィーバーが自動車業界を席巻する昨今だが、国内ではマツダ・SKYACTIV-Xや日産・VC-TURBOをはじめ、海外勢からもNEWエンジンの情報が届くようになってきた。自動車用パワートレーンの主役は、まだまだ内燃機関である。ただ、規制や燃費と戦うエンジン技術は益々高度化・複雑化しており、その技術を理解するのも一筋縄ではいかなくなった。ということで今回は、最新エンジンを正しく理解するために重要なキーワードをピックアップし、わかりやすく解説する。第2回はターボチャージャーの「ウェイストゲート」だ。

ウェイストゲート 【 Waste Gate 】 ターボチャージャーの運転状態を制御

 ターボにおいてその原動力となるタービンへと導かれる排ガスを逃がすため、つまり使用せずに捨てる=ウェイスト(waste)するためのバイパス(ポート)とそれを開閉するためのバルブを指す言葉が「ウェイストゲート」。レーシングカーなどにターボが使われ始めたターボの黎明期ともいえる時代には、ウェイストゲートといえば、ターボとは独立した専用の別ユニットであったが、この形態ではエキゾーストパイプから専用のバイパスを分岐させる必要があり、バルブを経た後もそれをまた排気管に戻す必要があったため大がかりになりがちだった。
 当時はレーシングカーの騒音規制がほぼないに等しい時代だったので、排気管に戻してサイレンサーを通すようなことをせず、直接大気開放とする使い方が多かったのだが、一般的な量産ロードカーではそのような手法が許されるはずもない。そこで生まれたのが、ターボのタービンハウジングにスイング式のバルブを内蔵するという手法で、このかたちは現代も引き継がれている。

F1用エンジン(1980年ルノー・EF1型)。ウェイストゲートはタービンハウジングとは独立した別ユニットで、エキゾーストマニフォールドから分岐した専用のパイプを介して排ガスを逃す。かつてはウェイストゲートといえばこのユニットを指すものだった。

 ターボによって生み出される過給圧(ブースト圧)の過度な上昇を抑えて、エンジンを保護するというウェイストゲートの役割は、ポペットバルブを用いる別ユニット型も、スイングバルブ式のタービンハウジング一体型も同じで、その作動(バルブの開閉)にターボのコンプレッサーで圧縮された空気の圧力、すなわち過給圧を用いるという手段も共通だった。制御対象である過給圧を制御に用いるという手法は、単純でありながらも確実であったためだが、いっぽうではターボが普及していった1970年代から1980年代にかけての時期はまだ電子制御技術が未熟であったため、他に選択の余地がなかったという事情も存在していた。

トヨタ8AR-FTS型に採用されるターボのターボのタービンアウトレット(出口)部。二系統の排ガス流路から、合流することなくバルブ部分まで導かれるポートの開口部が上下に並ぶ(写真では下側のポート部分が展示用に一部切り開かれている)。
トヨタ8AR-FTS型に採用されるターボ。二系統の独立した排ガス流路を持つツインスクロールタイプ。コンプレッサー側に取り付けられるデバイスはサージングを抑制するためのバイパス制御用。
ウェイストゲートバルブが開いた状態。この状態では排ガスがタービンに向かうことなくウェイストゲートポートを通ってアウトレット部に導かれる。排ガスはタービンを駆動することなく捨てられることとなる。
上の写真のターボでは、触媒の早期活性化を狙い、冷間時に50度もの大開度でウェイストゲートバルブを開く。グラフは触媒の温度上昇を示したもの。
制御に用いられるのはこのような電動アクチュエーターだ。

 その後1980年代後半に入ると、電子制御技術の進歩にともない、過給圧を利用するという手法にはソレノイドバルブを用いた制御が加わるようになる。これはアクチュエーター内部のダイヤフラム部に導かれる過給圧をデューティ制御のソレノイドバルブでコントロールすることで、ウェイストゲートの開閉タイミングをある程度任意に制御できるというものだったが、アクチュエーターの駆動力の原資は依然として過給圧であったため、制御の範囲は限定的だった。
 ウェイストゲートの制御が完全な自由を獲得するのは、電動式アクチュエーターが普及する2000年代以降のこと。その登場は1990年代後半であったが、それを制御する車載ECUの能力などが成熟し、またアクチュエーター自体の信頼性といった基礎体力が向上して、電動アクチュエーターならではのメリットが十二分に享受できるようになるには、さらに2010年代まで時代を待つ必要があった。

 エンジンの保護という役目も担うウェイストゲートの電動化には、信頼性の確保が必須だったわけだが、それを乗り越えた今日、ウェイストゲートは過給圧への依存から解き放たれ、その制御自由度は大幅に拡大している。

空圧式アクチュエーター

空圧式アクチュエーター | ターボのコンプレッサーによって加圧された空気の圧力(過給圧)をウェイストゲートの制御に用いるアクチュエーター。制御対象である過給圧を用いるという方法は単純だが確実でもある。
空気の圧力によって駆動するアクチュエーターにソレノイドバルブを追加したもの。内部のダイヤフラムに加わる圧力の伝達を制御することで、ウェイストゲートの開閉をデジタル的なオンオフ制御とすることが可能となる。

電動アクチュエーター

電動アクチュエーター | 近年、増えている電動式アクチュエーターを用いたウェイストゲート制御。ブースト圧に頼ることなく自由な制御が可能となることから、ブーストのかからない低負荷時にもゲートを開けるアクチュエーター(空圧式) ことができるようになった。

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