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ダウンサイジングターボの熱効率とは？
- ダウンサイジングターボとは、エンジンの出力を向上させるために気筒数を減らし、ターボチャージャーを搭載する技術です。
- ダウンサイジングターボエンジンは、高圧縮比のNAエンジンよりも熱効率が良いとされています。
- また、ダウンサイジングターボエンジンは、燃費の向上や排出ガスの削減などのメリットもあります。
- subarist00
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- 国産車
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No4です。 ようやく、質問者様が言わんとしていることが解ってきました。 現代のターボエンジンと言うのは、高効率NAエンジンのドライバビリティーで不足する領域をターボ加給で補うもので、いわば、モーターアシストのHVと似通ったコンセプトであると言えます。 実際のところ、ターボ加給も常時行なっている訳ではなく、加速時等、負荷のかかる時にのみ加給圧がかかるように制御されています。（モーターアシストと同じですね） VWのTSiは更に低回転時のターボ加給の不足をメカニカルロスの大きいスーパーチャージャーで補う手法ですから、効率面では疑わしいところもありますが・・・。 そういう意味では、効率（燃費）重視のHV車にターボは必要ないですね。 想像するに、ダウンサイジングターボHVは、ドライバビリティーを重視する欧州向けの戦略でしょう。 どちらかと言うと燃費効率よりも、Co2削減を目的にしたダウンサイジング（小排気量化）ですね。 クーパーSに乗っておられるのならよくお分かりだと思いますが、R56系のターボエンジンはスポーツエンジンに近いエンジンです、私もそのエンジンベースでチューンされたJCWに乗っていますが、市街地走行で13km/L、高速巡航なら19km/Lで走ってしまいます（サーキット用のハイグリップタイヤを履いていても）。 この辺りの考え方が、日本と欧州の文化の差ではないかと・・・。 マツダも欧州寄りな開発コンセプトですね。
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- gorisansei
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>>簡単に。ターボはターボで圧縮している分もあるのをお忘れですか？ 圧縮した空気全てをシリンダーに入れる訳ではありませんし。 部品の強度もターボの方が必要なのは分かります。 ただ、圧縮した後は燃焼させるんですよ。 圧縮圧力が高ければ燃焼圧力も高まります。 そうでなければ高圧縮の意味がありません。 強く圧縮すれば強く反発するものです。 反発が無ければそれはロスになっています。 タービンのエネルギーは回転エネルギーにはなりませんが、吸入空気を冷却するエネルギーになります。 NAとターボで回転エネルギーへの変換方法は変わらないので、排ガスのエネルギーをNAだから余計に回収出来ることはありません。 NA 空気をそのまま吸入。 ターボ タービンで空気を圧縮し、インタークーラーで冷却 冷やされた空気が再び膨張→元の吸気温度より低下 これだけでもターボは有効だと思うのですが…。
お礼
ご回答ありがとうございます。 ターボが無効だとは思いません。同じエンジンでターボなしに比べてターボありはダウンサイジング効果を持つことも、吸気に捨てているエネルギーを回収していることも確かです。 今回はトヨタがHVにダウンサイジングターボを考えているというので、効率重視のHVにはダウンサイジングターボよりもハイコンプNAだろうと突っ込みを入れてみたい次第です。 圧縮比10の従来のエンジンにターボをつけて50％過給するのと、4割シリンダ容積を増やして圧縮比14のハイコンプにするのと比べるとNAハイコンプのほうが熱効率は上ではないかと思う次第です。
- Qura
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自動車で重要なのはもっとも熱効率が高い領域の熱効率の高さよりも 熱効率が高い領域の広さです。 一定の出力で運転を続ける発電機であれば最も熱効率の高い領域で運転することが 可能ですが、乗用車の場合は負荷が大きく変動します。 また、エンジンの最も熱効率の高い領域は、最高出力を発生させる回転数の半分以下で 負荷が3/4程度の領域です。エンジンにもよりますが回転数で言えば3,000rpmよりも高い ところにその領域があります。これは一般に使う頻度が高い回転数よりも上です。 過給ダウンサイジングエンジンはその領域の熱効率をよくするというよりも使用頻度の高い もっと低回転での効率を良くしようというコンセプトです。 100km/hで一定の速度で走行した場合、使っている馬力は25馬力前後でそれより低い速度では もっと低い馬力を使っているわけです。 25馬力を出す領域で効率の高いエンジンというのは普通の乗用車に使われているよりも 小排気量になります。しかしそのような自然吸気エンジンでは最高出力が足りないわけです。 そこで過給をすることでトルク・最高出力を補っているのが過給ダウンサイジングエンジンです。 また、ハイブリッドでは効率の悪い低負荷ではエンジンを止めるために自然吸気ミラーサイクルで 効率の良い領域をもっとよくするという戦略が有効です。 トヨタのターボとハイブリッドの組合せはどういう意図かよくわかりませんが、スポーツカー用かもしれません。 参考URLの燃料消費率等高線をご参照ください。
お礼
ご回答ありがとうございます。 >自動車で重要なのはもっとも熱効率が高い領域の熱効率の高さよりも熱効率が高い領域の広さです。 >過給ダウンサイジングエンジンはその領域の熱効率をよくするというよりも使用頻度の高いもっと低回転での効率を良くしようというコンセプトです。 そのとおりですね。 ところが私のアテンザSKY-G2.0は1100回転で60km/hで巡航します。ちなみにトルク20kgmで1000回転回ったら28馬力。さすがに1000回転で20kgは出ませんが、20馬力くらいは出てるでしょう。これがNA圧縮比14の威力です。ターボにはまねのできない芸当だと思いますよ。 ダウンスピーディングではハイコンプNAに軍配が上がったと覆うのですが、いかがでしょうか？ (もう一台、私のクーパーSは1600回転からターボが利くので・・・)
- gorisansei
- ベストアンサー率18% (249/1373)
ディーゼルとガソリンエンジンはそもそも仕組みが違うので、一緒に話をされても無意味です。 ディーゼルは過給圧を上げても異常燃焼しないのは分かっています。 ＞＞熱サイクルだけ考えればやはりターボはインタークーラーで冷やすことで圧縮した分のエネルギーを捨てていますね。それでどれだけ充填効率が上がっているのか。 圧縮した分のエネルギーは元々排気ガスに含まれていたエネルギーです。 そのエネルギーは冷却によって捨てられるんじゃありません。 それを言えば、エアコンのヒートポンプも同じことです。 冷やすために熱エネルギーを捨てているので、それは目的に適っています。 吸気に熱があれば異常燃焼を起こしますから。 ガソリンターボは過給したってせいぜい1.6Lが2.5Lですからたったの50％過給です。だったら圧縮比10のエンジンを14にすれば40％過給と同じことですから、大した差がありません。ターボつけるくらいなら初めから40％排気量を増して圧縮比を14まで上げればすむことです。 何か圧縮比と過給圧を勘違いされていますが・・・。 圧縮比を上げるとそれだけ圧縮するのに力が要ります。 つまり、圧縮比１０のエンジンより圧縮比１４のエンジンの方が圧縮するのに力がいるので、その分は抵抗になります。 高圧縮になればターボと同じくそれなりに部品の強度も上げなければなりませんが。 熱効率と言っても、低速から高速まで一定ではありません。 熱効率１０％の状態もあれば熱効率４０％の状態もあるわけです。 理論的には、熱エネルギーを最大限運動エネルギーに変えるために、圧縮比を大きく取れば良いのですが、それでは異常燃焼が起きます。 なので、吸気バルブを遅らせて閉じることで、膨張比を大きく取り、圧縮比を上げたような効果が出るのですが、それでは実質的な排気量が下がります。 排気量を上げればそれだけ各種抵抗が増えます。 現在はEGR等でポンピングロスを低減するような機構がありますが、そもそも小排気量のエンジンであればポンピングロスも小さいので、その点で排気量を小さくすることはメリットがあります。 そもそもガソリンエンジンで、カタログ値の最大出力が必要な場面はほとんど無く、巡航速度に達してしまえばどんな大排気量車でも数十馬力程度しか必要としません。 また、過給器付きのエンジンでも、ミラーサイクルと組み合わせることで燃費向上を狙った車もあります。
お礼
ご回答ありがとうございます。 >何か圧縮比と過給圧を勘違いされていますが・・・。 圧縮比を上げるとそれだけ圧縮するのに力が要ります。 つまり、圧縮比１０のエンジンより圧縮比１４のエンジンの方が圧縮するのに力がいるので、その分は抵抗になります。 高圧縮になればターボと同じくそれなりに部品の強度も上げなければなりませんが。 簡単に。ターボはターボで圧縮している分もあるのをお忘れですか？ それに着火後の膨張初期の法が圧力が圧倒的に高いので、高圧縮のせいで部品強度を増す必要はありませよ。 それよりターボで1.5倍過給したほうが、NAの圧縮比14よりも着火後の圧力は高いので強度が必要だと思いますよ。 ＞圧縮した分のエネルギーは元々排気ガスに含まれていたエネルギーです。 そのエネルギーは冷却によって捨てられるんじゃありません。 結局回転エネルギーとしては使われないと言う事ですね。ハイコンプのNAではその分も回転に使われます。 ＞また、過給器付きのエンジンでも、ミラーサイクルと組み合わせることで ありますね。低負荷域の効率改善したわけで、これはターボでもNAでも同じく恩恵を受けられますので、ターボとNAの差にはなりませんが。
- gorisansei
- ベストアンサー率18% (249/1373)
圧縮比は上げればいいってもんじゃないです。 上げればノッキングの問題もありますし。 ミラーサイクルで膨張比を大きくして、見かけの圧縮比を高めたとしても捨てるエネルギーは必ずあります。 ターボによる過給とインタークーラーでの冷却で、実質的にNAよりも低い吸気温度に出来ますから、NAで無理に高出力を狙うよりターボの方が燃費とパワーを両立出来ます。
お礼
ご回答ありがとうございます。多分誤解があると思いますが、高出力ではなく高効率を狙っています。それから圧縮比は14までは上げればいいってものです。 熱サイクルだけ考えればやはりターボはインタークーラーで冷やすことで圧縮した分のエネルギーを捨てていますね。それでどれだけ充填効率が上がっているのか。ガソリンターボは過給したってせいぜい1.6Lが2.5Lですからたったの50％過給です。だったら圧縮比10のエンジンを14にすれば40％過給と同じことですから、大した差がありません。ターボつけるくらいなら初めから40％排気量を増して圧縮比を14まで上げればすむことです。 ディーゼルなら3倍、4倍過給が可能です。こういうのをダウンサイジングといいます。
- chiha2525
- ベストアンサー率10% (245/2384)
熱効率といっても熱ではなく膨張圧力が主なのかな。 ターボの廃熱云々いってますが、それに更に圧縮を掛けてるエネルギーすべて排ガスから回収したものですから、ただ捨てているだけのＮＡと比べても悪くはならないでしょう。 まぁ実際、税金対策という面もあります。失敗した（と私は思う）のが気筒休止エンジン、３Ｌの税金を払って実質２Ｌとか１.５Ｌとか（よく知らないけど）しか動いてないのエンジンな訳です。 ミラーサイクルも似たようなもので、２Ｌとか言っても実質１.４Ｌとか（よく知らないけど）の容量を圧縮して爆発させて、爆発後は２Ｌまで広がりますから効率は良いのですが、１.４Ｌのエンジンに２Ｌの税金を払うようなものです。 なのでここで加給。実質１.４Ｌのエンジンが２Ｌ超えの出力に大変身。２Ｌの税金が無駄に感じなく、熱効率もよく、めでたしめでたし。 トヨタのＨＶ自体、ごちゃごちゃギミックを付けて、でも軽自動車とどっこいの燃費な訳で、つまりこれをやればむちゃくちゃ燃費が良くなるってモノでも無いわけです。でもそのような、アレコレやってる感が売りでもあるのでしょう。
お礼
ご回答ありがとうございます。 ターボはせいぜい膨張比10のところをNAで14まで膨張しているのだからすでにシリンダでエネルギーを使い切っています。捨ててません。 ターボはわざわざ捨ててから回収してるだけです。ターボ機構の摩擦や排気抵抗なしで100％回収して初めてNAとどっこい。無理でしょう。 ミラーサイクルは可変バルブリフトになってからは2Lなら2Lの出力を維持したまま低負荷時の燃費を改善できるので失敗していないですよ。 気筒休止も中速域(40～70km/h)の一定速走行を多用する向きには価値があります。 トヨタのTHSもFIT3のHVもレンジエクステンダーになると面白いですね。 ＞なのでここで加給。実質１.４Ｌのエンジンが２Ｌ超えの出力に大変身。 その分エンジンの制作コストが2.5L NAくらいの価格に大変身。元が取れないと思いますが。
- nijjin
- ベストアンサー率27% (4815/17786)
海外の車と比べると日本の車はある程度速度が出るか一定の速度で走ってるときはいいけれど加速が遅くスピードアップしたいときの加速感がもっさりとした感じだそうです。 （Fifth Gearという海外の番組の試乗レポート/ちなみにFIATのような車は酷評でハイパワーな車が高評価な番組でした） 実際の燃費とカタログの燃費の差が日本より少ないとも言われています。 日本の車は燃費至上主義で走る楽しさが少ないらしいです。 日本車ほとではなくてもそこそこいい燃費で走りも楽しめるということですね。 このままだと日本のエンジンは韓国にも負けそうという話も一部では出ているようです。 こういったことに対抗するつもりとか危機感もあるのでは？ 燃費至上主義の日本、エンジン技術で世界に出遅れ!? http://nikkan-spa.jp/651754
お礼
ご回答ありがとうございます。走りですか。痛いところをついてきますね。車メーカーもタイヤメーカーも燃費一辺倒の日本。今頃走りを突き詰めだした韓国メーカー。また走りの時代が来ると困っちゃいますね。
- nekoppe
- ベストアンサー率26% (380/1450)
＞熱効率がいいのでしょうか メーカ発表がないので解らないです。ただ、日本でのテスト走行における燃費比較（約１０テストの全て）ではフィアット５００もポロ１２００も同クラス日本車より燃費で劣ります。小排気量化・直噴（フィアットはＮＡ）・ハイオク・インタクーラ・ＤＣＴ（フィアットはＡＭＴ）等があってもですから、推測では低効率だと思います。 ＶＷやフィアット（他社も）には大衆車をハイブリッド化する技術（技術はあるが低価格量産技術がない）がなく、２０世紀の技術寄せ集めターボで電気自動車が低価格化するまで繋ぐ方針（だと推測）です。ターボ技術を蓄えても電気自動車には役立たないが、ハイブリッド技術はは延長上に電気自動車があるとはＶＷやフィアットも解っていると思います。 それと、少排気量化で軽量エンジンにはなりません。某社のエンジンで１３００ｃｃと１５００ｃｃで僅か１～２ｋｇしか差がなく、１５００ｃｃを１２００ｃｃにしても僅かな重量差です。逆に過給１２００は１５００と同じ出力に耐える為、ピストン・コンロッド・クランク・シリンダヘッド・クランクケース等に対策しなければならずＮＡの１２００より重くなり、更に過給器・インタークーラ・吸排気系統の重量増で総合的には重量増です。摩擦損失も同じ４気筒なら少排気量化による摩擦面積減は僅かで、摩擦減が燃費に寄与するのは更に僅かです。ハイブリッド化なしで燃費を良くするには少気筒化（４気筒→３気筒）と低回転化（１５００で同じ出力を１２００より低回転で出す）しかない（マツダやトヨタの方法）と思います。
お礼
ご回答ありがとうございます。おっしゃるとおりフィアット５００もポロ１２００も燃費テストでは大していい数字でもなく、しかし実車になるとギア比やモード燃費計測法の兼ね合いもあるのでエンジンの効率のせいかどうかは難しいところです。 ご指摘のとおり気筒数を減らさないターボによるダウンサイジングは軽量化にもほとんど寄与しないですね。やはりVWの4気筒のままダウンサイジングした1.2TSIってやっぱり税金・保険料対策としか思えません。 HVにダウンサイジングターボの組み合わせの意義はやはりますますわからないですね。
- nijjin
- ベストアンサー率27% (4815/17786)
高膨張比オンリーのエンジンは発電機などには向いているけど車には向かないそうです。 加速時などパワーが必要なときには出力を稼ぐモードに切り替えないと車としては難アリな走りになるみたいですね。 昔のターボは極端なパワーを与えるためにとにかく燃料を食わせて走るという使い方でしたが 今のターボはダウンサイジングなどで小さくなったエンジンをサポートし燃費と走りを向上させるために使われています。 自転車で言えば昔のターボはモーターで走る電動自転車で今のターボは坂道などで走りを補助してくれる電動アシストのような感じでしょうかね・・・ 気筒数ならFIATに875CCの2気筒ターボがありますよ。 スペック上ではターボなしの1240CCの4気筒（NA）よりパワーが上です。 高膨張比の部分が大きくなるほど車には不向きでも発電には向いているということはHVのための充電に向いていると考えることも出来るのでは？ 電気自動車で発電（充電）のためにエンジンを搭載する車もあります。 災害時に発電機として使えるかもしれませんしロータリーエンジンを発電機とした電気自動車なども開発されているようです。 他社の動きを見ればダウンサイジングターボでHVを開発するのも時代の先や環境を考えての開発としてはあるでしょう。 また、車の環境規制が厳しくなってきていますからそれに対応できる技術・車も必要になります。 アメリカでは大手自動車メーカーに対して、一定数量のゼロエミッションカー（ZEV/二酸化炭素を出さない車）の販売を義務付けているようです。 これにはHVも含まれていて2018年以降は中堅メーカーにも適用されるという話ですから日本のメーカーも蚊帳の外ではありません。 開発する理由はそういったこともあるかもしれません。
お礼
ご回答ありがとうございます。おっしゃる内容はそのとおりだと思います。ホンダのエコウィルのEX-LINKなんか19:1ですもんね。 実際にはほとんど3000回転以下のパーシャルスロットルで使われるので最大パワーとか回転馬力とかはどうでもいいと思うのですよ。 ＞高膨張比の部分が大きくなるほど車には不向きでも発電には向いているということはHVのための充電に向いていると考えることも出来るのでは？ そのとおりなのでわざわざHVにダウンサイジングターボを積むというトヨタの考えは理解できないのですよ。 もちろん燃費を稼ぐために2気筒にする手はわかりますが、振動を考えて無駄を承知で４気筒にしてそれなりの排気量でアトキンソンサイクルにしているのでありまして。それにHVであればモーターアシストが入るので最大出力はどうでもいいような。 やっぱりダウンサイジングターボHVというのは合理的じゃない気がしますね。
- cayenne2003
- ベストアンサー率32% (718/2227)
最近ラジオでダウンサイジングターボの解説をしていたのですが、今の技術があるからこそメリットが高いと話してました。 排気量が小さくなればエンジンは小さく軽くできるし、ターボ化により余裕のあるパワーを確保できる、なにより燃費がいい。 私もターボ＝悪燃費のイメージでしたが直噴エンジンの開発によりNA並みの燃費が得られるとのこと。 ターボで加給すればノッキングするのでガソリンを多く噴射して混合気を冷やし収めていたのですが、直噴エンジンなら点火時期に合わせてガソリンを直接燃焼室に噴射するためにそもそもノッキングが起こらない、ガソリンを絞ってもエンジンに影響がなく燃費が良い。 NAエンジンは全く新しい技術開発がなければ性能的に頭打ちの状態かと思います。 これからはディーゼルエンジン、ダウンサイジングの開発を海外メーカーは進めるでしょう。 HVはトヨタが十八番を取ってますから他社は莫大な開発費を掛けてまで二番煎じしないと思います。 トヨタはトヨタでダウンサイジング＋HVで更に他社を圧倒させようと躍起になるでしょうね。
お礼
ご回答ありがとうございます。 ＞排気量が小さくなればエンジンは小さく軽くできるし しかし1.8LNAを1.2Lターボにしても同じ4気筒であれば大して小さくも軽くもなりませんよね。大径ターボのディーゼルのようにトルクの立ち上がりの遅いエンジンであればレスポンスを補うためにモーターアシストするなど相性はいいですが、ガソリンは小径ターボで低回転から効いているでしょうから意味ないし。 NAはこれから成層燃焼、点火プラグレスへ向かっていきます。そうなるとディーゼル並みの効率になるのでアトキンソンとか必要なくなります。
- gorisansei
- ベストアンサー率18% (249/1373)
エンジンの熱効率は、燃焼効率や摩擦等の抵抗にも左右されるので、単純にNAが良いとは思いません。 圧縮したエネルギーを捨てて、というのも間違いです。 必要だから冷却しているのです。 気筒数が減る=抵抗が減る 常用回転数が下がる=抵抗が減る 排気量が下がる=抵抗が減る +節税 高膨張比のミラーサイクルと、ダウンサイジングターボと比べた場合、同排気量での出力はターボの方が完全に上回っていますし、日常的な使い方でもストレスが無いと思います。
お礼
ご回答ありがとうございます。 ＞高膨張比のミラーサイクルと、ダウンサイジングターボと比べた場合、同排気量での出力はターボの方が完全に上回っていますし、 同吸気量で比べないと意味がないというか、同排気量ならターボの分だけ余分ですからフェアな比較じゃありません。1.5倍過給として例えば1.8LNAと1.2Lターボの比較がフェアだと思います。多分1.2Lターボのほうが制作費はかかると思うのですが、その分のコストは取り戻せるか微妙です。
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お礼
ご回答ありがとうございます。 ＞想像するに、ダウンサイジングターボHVは、ドライバビリティーを重視する欧州向けの戦略でしょう。 トヨタの意図がわかってきました。要は「電池切れでモーターアシストできない領域においてドライバビリティをあげたい」と言う事ですね。 又はHVのエンジンはモーターアシストの分だけ小さく済ませていますが、電池切れが起こる状況下ではそれはできず、結局普通のエンジンを積まざるを得ません。そういう状況下で(フォードの)6気筒になってしまうエンジンを4気筒にするとかぐらいですね(つまりレクサスLS600hにダウンサイジングターボということか。燃費気にする人の車じゃないと思いますが)。 正直、電池切れが頻発する状況でHVにしても仕方ないような気もしますが。そもそも電池切れが頻発するのは山脈越えとか超高速クルーズだと思いますので、山脈越えならPHEVにして大容量バッテリーで下りの回生を増強すべきだし、アウトバーンの長距離超高速クルーズにHVのモーターアシストは不要です。やっぱりよくわからないですね。 MINのターボはどっかんなのでそんなに低いところから利くわけではありませんが、JCWは速そうですね。そのままレースに出られる車ですから。
補足
つまりHVのダウンサイジングターボってHVをベースにしてドライバビリティをあげようと考えたのでしょうが、ダウンサイジングターボをベースにHV化するメリットを考えれば、そんな価値がないことは一目瞭然で、なんか馬鹿馬鹿しいことを言っていますね。 2倍、3倍過給とかが当たり前のディーゼルHVの場合には過給圧が上がらない低回転域のレスポンスを補ったり、そもそも低負荷域はEVにしてエンジンを止めてしまえば排ガス対策になるので非常に相性はいいと思いますが。 そういえばJCWってそのままレースに出られるくらい速いけれど、レースに出るならクラッチくらいは強化してるんでしょうね。クーパーSをそのままパワーを上げただけなので、うかつに踏むとクラッチが一番先にやられると聞いたことがあります。