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第116回 自動車の“ダウンサイジング”を支える“過給”のテクノロジー

 このところ、自動車の「ダウンサイジング」が話題になる機会が増えています。今回は、ダウンサイジングの概念と、そのキーデバイスのひとつである「過給機」について触れてみたいと思います。

高い環境意識から生まれたダウンサイジング
 ダウンサイジングという言葉からは、「クルマそのもののサイズを小さくする」といった印象を受けるのではないでしょうか。もちろん、その意味で使われることもありますが、最近は資源・環境問題への対応を目的として、「エンジンを“小さく”する」という意味で使われることが多くなっています。

 ダウンサイジングの目的は、ずばり燃費の向上です。世界的な資源・環境意識の高まりによって、クルマの燃費向上は大きな課題となってきました。燃費が向上すれば、その分CO2排出量も削減できますから、省資源と地球環境保全の両面でメリットがあるわけです。
 国や地域によっては、自動車メーカーが新車で販売するクルマの平均燃費基準値を設定し、それを達成できないメーカーに対しては、販売台数を制限したり、罰金を科すといった規制を行なっているところもあります。

 燃費向上に最も効果的なのは、クルマの重量を軽くすることです。しかし、昨今は衝突安全性能の確保も義務化されていますから、そう簡単に軽量化することはできません。となると、残された手段はエンジンなど動力装置や、駆動のための機構の効率を高めることになります。

 自動車が搭載するエンジンは、性能に大きな余裕を持たされています。たとえば最大出力が100馬力のクルマがあったとして、それをすべて使い切る状態は、クルマがその生涯を通じて走っている時間のうち、0.001%にも満たないでしょう。ごく普通に走行している状態では、せいぜい40〜60馬力程度しか使っていないはずです。ならば、もっとエンジンを“小さく”することで燃費を向上させよう、というのが、ダウンサイジングの端緒となる発想です。

 ここで言う「エンジンを小さく」には、さまざまな意味が含まれます。まずは、エンジンの排気量を“小さく”すること。排気量が小さいエンジンはサイズも“小さく”なりますから、車体の中で占める面積が減らせて、相対的に車室を広くできます。車室の広さが同じでいいなら、車体を小さくできますから、その分、軽量化できますし、エンジン自体の重量も軽くなるので、直接的に燃費向上に貢献できます。また、エンジン内部で起こっているさまざまな損失も“小さく”なって、効率が高まります。
 しかし、ただ排気量の小さいエンジンを積むだけでは、単に「遅いクルマ」になってしまって、商品としての魅力に関わってきます。また、車重に対してエンジンの出力が小さすぎても、燃費は悪化します。

 理想を言えば、普通に走っている時は排気量を小さくして燃費を稼ぎ、急加速や高速走行、登坂といった、大きな出力が必要な時だけ、排気量が大きくなるようなエンジンがあればいいのです。
 残念ながら、現在はそのようなエンジンは開発されていませんが、似たような効能を実現する仕組みはいくつか存在します。そのひとつが、トヨタ・プリウスやホンダ・インサイトなどのハイブリッド・システムです。大きな力が必要な時には電動モーターでアシストしてやることで、エンジン自体の排気量を小さく抑えているのです。そして、もうひとつの手段が「過給」です。

空気圧縮技術を使った「過給」
 エンジンとは、内部に備える密閉された筒(シリンダー)の内部で燃料を燃やし、燃焼にともなって生じるガス膨張の圧力を利用してピストンを押し下げ、クランクシャフトで回転運動に変換して運動エネルギーを取り出す装置です。
 そこから取り出せる力の大きさは、燃焼させる燃料の量によって決まります。たくさんの燃料を燃やせば、それだけ大きな膨張エネルギーが受け取れるからです。そして燃焼させる燃料の量は、エンジン内部に吸い込める空気(酸素)の量で決まります。エンジンの排気量が大きいと高出力が得られるのは、この理屈によります。

 しかし、排気量を大きくすると、エンジンそのもののサイズが大きくなってしまうので、搭載する車体サイズも大きくしなければならなくなり、重量もかさんでしまうといった問題が生じます。そこで考案されたのが、あらかじめ空気を圧縮しておいてからエンジン内部に送り込む仕組みです。こうすることで、エンジン本体のサイズを変えずに、排気量を大きくしたのと同じ効能が得られます。この仕組みを「過給」と呼びます。



過給機のタイプ スーパーチャージャー
 自動車用エンジンに用いられている過給機は、大きく分けて「機械式」と「遠心式」があります。一般的に、前者を「スーパーチャージャー」、後者を「ターボチャージャー」と呼んでいます。

 スーパーチャージャーには多くの種類がありますが、代表的なものは「ルーツブロワー」と呼ばれるものです。1860年に、アメリカのルーツ兄弟が溶鉱炉用の送風機として開発したものを応用し、1900年にゴッドリーブ・ダイムラーが自動車用エンジンに組み合わせたのが最初です。

 機械式過給機は、エンジン出力の一部を使って駆動するので、エンジン回転数の上下に対して遅れることなく応答できるのが特徴です。しかしルーツブロワーの場合、過給機自体の内部では空気を圧縮しないなど、構造的な問題で、過給圧を高めることが容易ではありません。また、エンジン出力で駆動するため、排気エネルギーを使うターボと比べると効率が低下するといった難点もあります。

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