飛行機のターボチャージャーの仕組み

高高度での飛行には、空気抵抗の減少、真の対気速度の高速化、正しい方向を向いていれば追い風の発生など、いくつかの利点がある。しかし、通常吸気エンジンには酸素不足という大きな欠点がある。

高高度の問題
高度が上がるにつれて気圧は低下し、急速に低下する。実際、18,000フィートで飛行している場合、大気の50％が下方にある。つまり、エンジンが燃やす空気の量が少なくなり、飛行機の前方から出てくる馬力が大幅に低下するのだ。

薄い空気の問題を解決する
ターボチャージャーは、吸入空気がシリンダーに到達する前に圧縮することで、ピストン駆動エンジンの空気が薄いという問題を解決します。空気を圧縮することで、エンジンは飛行レベルでも海面かそれ以下の高さにあるかのように運転することができます。

ターボチャージャーの仕組み
ターボチャージャーには3つの主要コンポーネントがあります：

タービン
コンプレッサー
この2つをつなぐシャフト

タービン
タービンは、エンジンから排出される排気ガスによって駆動（回転）されます。排気ガスがエキゾースト・マニホールドを通って出てくると、タービンの上を通過し、タービンを回転させます。通過する排気が多ければ多いほど、タービンは速く回転する。少なくとも現時点では、これがタービンの仕組みです。

シャフト
シャフトはタービンとコンプレッサーをつないでおり、エンジンが始動してタービンが回り始めると、コンプレッサーも回り始める。

コンプレッサー
コンプレッサーは、機外から空気を取り込んで圧縮し、エンジンに送り込む役割を担っている。コンプレッサーが回転しているのは、シャフトを介してタービンとつながっているからだ。

さて、ターボチャージャーの基本はおわかりいただけたと思いますが、あといくつか説明しなければならないことがあります。

ウエストゲートを通過する無駄な空気
ターボチャージャーは、エンジンのインテークマニホールド内の空気圧（マニホールド圧）を高めるのが得意です。しかし、ターボチャージャーの性能が良すぎることもあります。ターボチャージャーは過剰なマニホールド圧を発生させる可能性があり、エンジンにダメージを与えたり、破壊したりする可能性があります。

では、ターボチャージャーはどのようにしてエンジンに空気が入りすぎるのを防いでいるのでしょうか？ウェイストゲートと呼ばれるものがあります。

ウェイストゲートには自動のものもあれば、パイロットによって手動で操作されるものもありますが、その背後にある理論は常に同じです。ウェイストゲートは、タービンを通過する排気ガスの量を調整するために開閉し、タービンが速く回りすぎるのを防ぎます。タービンの回転が速くなれば、コンプレッサーの回転も速くなり、エンジンに入る空気の量が増えることになります。

エンジンが処理できる空気量は？
では、エンジンは果たしてどれだけの空気を扱えるのだろうか？エンジンにもよりますが、ターボチャージャーには大きく分けて高度ターボと地上ブーストの2種類があります。

高度ターボ過給
高度ターボは「ノーマライジング」と呼ばれることもあり、できるだけ長い間、海面にいるのと同じようにエンジンを走らせます。エンジンにもよりますが、ほとんどの高所ターボチャージャーは、高度が上がるにつれてマニホールド圧を水銀柱29～30インチ（海面気圧）の間に保ちます。

しかし、やがて高度が上がるにつれて、ターボチャージャーはマニホールド圧を海面気圧に保つのに十分な空気を圧縮できなくなります。これは臨界高度と呼ばれ、エンジンが定格の最大馬力を発生できる最高高度です（エンジンの馬力は海抜で定格されます）。

この高度から上昇すると、エンジンに入る空気の量が少なくなります。つまり、発生する馬力は少なくなる。しかし、それでも通常吸気エンジンよりははるかに効果的です。

グランドブースト
グランドブーストは、高度ターボチャージャーに似ていますが、より多くの圧力を使用します。ブーストシステムは通常、水銀柱31～45インチの間のマニホールド圧力で作動し、これは高度ターボチャージャーよりもはるかに高い圧力です。考え方は単純で、圧力が高い＝エンジンに入る空気の量が多い＝馬力の出力が高いということだ。

しかし、デメリットは大きい。熱です。

ターボチャージャーとその熱問題
空気を圧縮すると、その空気は熱くなります。これはターボチャージャーの最大の欠点のひとつです。航空機のエンジンはすでに高温で作動しており、高温の吸気はそれをさらに悪化させる。この問題を解決するために、多くのターボチャージャーはインタークーラーと呼ばれるものを使用しています。

インタークーラーは基本的に、ターボチャージャーとエンジンの間に設置されるミニエアコンだ。熱い空気がターボからエンジンに移動するときにインタークーラーを通過し、温度が大幅に下がります。その冷たい空気はエンジンをよりハッピーにし、スムーズな運転を維持します。