なぜターボコンパウンドエンジンはそれほど広く使われていないのですか？

ターボコンパウンド エンジンは、ドライブシャフトに接続されたタービンに動力を供給するためにそれを使用することによっていくらかの排気エネルギーを取り出す。なぜこれらのエンジンはそれほど広く使われていないのですか？

ターボコンパウンドのより広範な採用を制限してきた多くの要因があり、それはすべてそれらが実際にどのように機能するかそしてそれらが最大の利益を受けるところに帰着します。 1940年代のNACAによる概念の初期の研究で、彼らはこれが有効平均排気噴流速度、Veを決定するので、吸気マニホールド絶対圧力（MAP、またはPm）に対する排気出口圧力（Pe）比であることを決定した（ｅｆｆ）、タービン動力回収段階に利用可能。これは、ターボコンパウンドが比の低い値（低Pe、高Pm）で最大の利点を生み出し、非常に高いMAPまたは非常に低いPeのいずれかの条件での使用に理想的であることを意味します。他の排気回収段（後続のターボ過給機など）を除くと、ターボコンパウンドタービン（パワー回収タービン）が経験するPeは通常、静的大気圧（Pa）と同じです。これは、Paが低く高度が高く、それによってPe：Pmの比率が自然に低下し、それによってVe（eff）とPower Recovery Turbineに利用可能な電力が増加する航空機では意味があることを意味します。

これを念頭に置いて、ほとんどの道路用途におけるTurbo-Compoundの限られた有効性は明らかであるはずです。自動車は一般に海面気圧またはそれに近い圧力で運転されるので、それらはより高いPeを持ち、それはPm：Pe比の値を増加させそしてタービンで可能な回復量を減少させる。自動車がターボコンパウンドからわずかな利益以上の利益を受けるためには、それはMAPの継続的な後押しでそしてそれでかなり重要なもので運転する必要があるでしょう。つまり、最初に強制誘導（スーパーチャージャーまたはターボチャージャー）を使用する必要があり、次に通常の動作条件では、ブロワーがPaに対して30％以上のブーストの安定したMAPを維持する必要があります。ほとんどのロードカーはほとんどすべての条件下で部分スロットルで作動するので、これはそれらの部分スロットル条件下で積極的なブーストをする必要があることを意味します。これはエンジンへの負担と熱のためにあまり一般的ではありません。これが、実際には効果的な冷却のために十分な空気流（給気と冷却剤の両方）を生み出す速度で限られた設定RPM範囲内で作動する圧縮点火エンジン、ディーゼルでしか見られない理由です。他の人が指摘したように、それらは理論的にはレース、特にロングトラック／オーバルレースにおいても有用である可能性があり、そこでは車は連続的なRPMと高速で長期間運転されます。私がターボコンパウンディングに良い利益を見いだすことができるもう一つの場所はパイクのピークヒルクライムレース - 高い標高での短い、フルスロットル、高いブーストのスプリントです。

これらすべての要因：システムから十分な利益を得るための要件。追加コスト、重量、および複雑さ。信頼性が低下する可能性があります。その他の利用可能な技術伝統的なターボコンパウンドを「歴史的な好奇心」に追いやった

一方で、私たちはアイデアのバリエーションを見ています。現在のF1時代には、クランクに直接戻すのではなく、回収したエネルギーを電気として貯蔵するTurbo-Compoundに似たものが使用されています。フェラーリは彼らの次世代のスポーツカーにも使用するための同様のシステムを開発しているが、一種の切り離されたターボチャージャー設定として電気スーパーチャージャーを駆動するために回収された電力を使用するであろう。いずれにせよ、電力回収は発電のためにより多く使用されており、そして電力は独立したモーターを通して仕事を生み出すために使用されています。

多くの理由がありますが、主な理由はコストの増加と信頼性の低下です。彼らが生み出した力は、排気ラインの背圧を高めたのでエンジン効率も犠牲にした。

エンジンを設計するときには、いくつかの選択肢があります。たとえば、エンジン効率を上げるか、または排気ラインからエネルギーを吸収することができます。例えば、可変バルブタイミングを採用すれば、ターボなしでその排気エネルギーをもっと多く抽出してクランクシャフトに入れることができます。代わりにターボを追加した場合は、別のギアセット、可動部品、スペースの追加、および重量の追加を追加したことになります。

今ターボは可変バルブタイミングよりエネルギーを抽出することでわずかに優れているかもしれません、しかしそれは追加のコスト、重量と信頼性を相殺しますか？

そのため、ほとんどのエンジンメーカーは、理由がない限りターボを使用しません。

例えば、いくつかのレースはシリンダーの数とシリンダーの容積に制限があり、レーサーは彼らが車両に取り組んでいるメカニックのチームを持っているので彼らが信頼性を気にするよりもその余分な0.1％効率を気にする。だからそれはそこに理にかなっています。

パフォーマンスに対するコストと重量のトレードオフがエンジンの他の部分でより効果的に採用される可能性がある標準的なコンシューマビークルではあまり意味がありません。

ターボコンパウンドは現在デトロイトディーゼルやボルボのトラックエンジンに使用されていますが、エンジンが一定の回転数/負荷にある長距離用途に適しています。しかし先に説明したようにトレードオフは排気背圧の上昇で、排気ガスを出すためにピストンはより強く押しやらなければならないので、過渡的（エンジンの回転数範囲の上下）運転ではパワータービンはエネルギーを消費し燃料消費量を2〜5％減らす

私のコメントを航空機に限定します。

R3350で使用されているターボコンパウンディングは、タービンで排気ガスの運動エネルギーを抽出してクランクシャフトに戻す方法でした。排ガスの背圧の上昇は、25,000フィートのクルーズでは設計を制限するものではありませんでした。今日では、3350ではクランクシャフトから駆動されていたスーパーチャージャーを駆動するために、代わりに排気ガスエネルギー回収タービンが使用され、ターボ過給はターボコンパウンドよりも複雑ではなくなりました。

問題はターボプロップエンジンが引き継いだ600SHPかそこらより大きい航空機エンジンのための論争です。 1500〜2000 SHPの範囲では、R3350やR4360よりもはるかに信頼性が高く、重量対重量も優れています。

そのため、ターボコンパウンディングは、ピストンエンジンとターボプロップテクノロジーの間に位置するブリッジテクノロジーでした。 Allison 501のようなエンジンが登場すると、ターボコンパウンドの有無にかかわらず、18および28気筒ピストンエンジンが完成しました。