ターボディーゼル

ターボディーゼル（turbo-diesel, turbodiesel, turbo diesel）とは、排気ガスのエネルギーを利用して圧縮機を駆動するターボチャージャーを装備したディーゼルエンジンを指します。他のタイプのエンジンと同様に、ディーゼルエンジンにターボ過給を行うことで、その出力や効率を飛躍的に向上させることが可能となります。特に吸気温度を下げるインタークーラーと組み合わせて使用することで、過給効果はさらに高まります。

原理

ディーゼルエンジンは、その基本的な動作原理から、ターボチャージャーによる過給に非常に適した特性を持っています。ターボ過給によってシリンダー内に送り込まれる空気量が増加しても、以下の二つの要因により問題が発生しにくいのです。

まず、空燃比に関して、ディーゼルエンジンの出力は燃焼室に噴射される燃料の質量（量）によって制御されます。混合気全体の量ではなく、燃料の噴射量が直接的にトルクを決定するため、ターボチャージャーが過剰な空気を供給することで生じる経済空燃比は、ディーゼルエンジンにおいては燃焼制御上の問題とはなりにくい特性があります。

次に、ターボ過給によってシリンダー内の空気量が増加すると、実質的な圧縮比が高まる効果が生じます。ガソリンエンジンでは、これによりプレイグニッション（異常燃焼）や排気ガス温度の過度な上昇を引き起こすリスクが高まります。しかし、ディーゼルエンジンでは、燃料はピストンが上死点に達する直前、つまり圧縮行程の終盤に燃焼室内に噴射されるため、圧縮行程中に燃料が存在することがありません。したがって、ガソリンエンジンのようなプレイグニッションの懸念が生じないのです。ターボチャージャー付きガソリンエンジンと同様に、インタークーラーを用いることで吸気温度を下げ、空気密度を高めることで、充填効率と過給効果をさらに高めることができます。

歴史

ターボチャージャーの概念は、スイスの技術者でスルザー社のディーゼルエンジン研究責任者であったアルフレート・ビュッヒによって20世紀初頭に発明されました。1905年に取得されたビュッヒの特許には、ターボチャージャーがディーゼルエンジンの効率を向上させる可能性が既に示されており、その設計思想の原点はディーゼルエンジンへの適用にあったと言えます。ターボチャージャー付きエンジンとして初めて量産されたのは、1925年にドイツの客船「プロイセン号」と「ハンゼシュタット・ダンツィヒ号」に搭載されたスルザー製の10気筒ターボディーゼル船舶用エンジンでした。このターボチャージャーにより、エンジンの出力は大幅に増加しました。ビュッヒはさらに1925年にシーケンシャルターボの概念も発明し、これは現代のターボチャージャー技術の基礎となったと評価されています。

1920年代後半までには、スルザー、MAN、ダイムラー・ベンツ、パックスマンといった主要メーカーが、船舶用や定置発電用の大型ターボディーゼルエンジンを製造するようになりました。技術の進歩により、より高速で回転する小型エンジンにもターボチャージャーが適用可能となり、1940年代後半からは機関車用のターボディーゼルエンジンが登場し始めました。1951年には、MANが画期的なプロトタイプエンジン「K6V 30/45 m.H.A.」を開発。先進的なターボチャージャーとインタークーラーの組み合わせにより、当時としては非常に低い燃料消費率と高い効率を実現しました。

道路走行車両へのターボディーゼルエンジンの応用は、1950年代初頭にトラックから始まりました。MANは1951年にプロトタイプの「MK26」トラックを発表し、続いて1954年には量産型の「MAN・750TL1」ターボディーゼルを市場に投入しました。同年にはボルボからも「ボルボ・タイタンターボ」トラックが導入されています。1960年代後半には、さらに強力なトラックエンジンの需要が増加し、カミンズ、デトロイトディーゼル、スカニア、キャタピラーといったメーカーがターボディーゼルエンジンの生産を本格化させました。

モータースポーツにおいても、1952年のインディアナポリス500レースで、カミンズ・ディーゼルスペシャルがターボチャージャー付き車両として初めて出場し、予選でポールポジションを獲得するという注目すべき記録を残しました。

乗用車用の小型ターボディーゼルエンジンに関する研究開発は、1960年代から1970年代にかけて複数の自動車メーカーによって進められました。ローバーは1963年にプロトタイプを開発し、メルセデス・ベンツは1976年の実験車両「C111-IID」にインタークーラー付きの直列5気筒ターボディーゼルエンジンを搭載しました。

世界初の量産型ターボディーゼル乗用車は、メルセデス・ベンツ・W116をベースとしたモデルで、1978年半ばからアメリカ市場で販売が開始されました。これに搭載されたのも、前述のC111-IIDにも用いられたOM617直列5気筒エンジンでした。ヨーロッパ市場では、その約1年後にプジョー・604 Dターボが最初のターボディーゼル車として発売されました。1980年代後半から1990年代前半にかけて、特にヨーロッパではターボディーゼル乗用車の製造と販売が急速に広がり、現在に至るまでその傾向は続いています。

1990年代以降、ターボディーゼルエンジンの設計においては、圧縮比を低下させる傾向が見られます。これは、より低い圧縮比でもターボ過給により高い比出力を得られるようになったこと、そして排気エミッション（排出ガス）の浄化性能が改善されるためです。かつて間接噴射式のディーゼルエンジンの圧縮比は18.5を超えるのが一般的でしたが、1990年代後半にコモンレール式燃料噴射システムが普及してからは、圧縮比は16.5から18.5の範囲に収まるようになりました。さらに、2016年以降に製造された一部の最新ディーゼルエンジンでは、厳しいユーロ6排ガス規制に対応するため、圧縮比が14.0まで低下している例も見られます。

特徴

ターボチャージャーは、ディーゼルエンジンの出力を大幅に向上させる主要因であり、エンジンの質量あたりの出力（パワーウェイトレシオ）を、同等クラスのガソリンエンジンに近いレベルに引き上げることが可能です。近年のターボディーゼルエンジンは、小型から大型まで、出力、燃費効率、そして騒音・振動・ハーシュネス（NVH）の面で著しい改善を遂げています。これにより、特定の市場、特にヨーロッパにおいては普及が加速し、2014年時点では新車登録台数の半数以上をターボディーゼル車が占めるほどになりました。

ターボディーゼルエンジンは、自然吸気式のディーゼルエンジンと比較して、自動車用途においてより高い柔軟性を持つと考えられています。設計によっては、幅広い回転数域で優れたトルク特性を発揮するようにバランスを取ることも、特定の用途に応じて特定の回転数でのトルク出力を極大化するように調整することも可能です。一方、自然吸気ディーゼルエンジンは、一般的に同容量のガソリンエンジンに比べて出力が低い傾向にあります。また、ディーゼルエンジンの高い圧縮比による大きな応力に耐えるため、ピストンやクランクシャフトといった内部部品をより頑丈に、結果として重く作る必要があります。これらの要因から、自然吸気ディーゼルエンジンはパワーウェイトレシオの点で不利になりがちです。ターボチャージャーユニットは比較的軽量でありながら、エンジン全体の出力、トルク、効率を劇的に向上させる効果があります。ターボチャージャーを装着することで、ディーゼルエンジンのパワーウェイトレシオを向上させ、自動車メーカーが製品ラインアップ全体で同等の動力性能と走行性能を目指す上での選択肢として、ターボディーゼルが非常に有効なパワートレインとなるのです。

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