ガソリンエンジンは燃料を燃やしてエネルギーを放出し、燃料を燃やすには酸素が必要です。通常のエンジンでは、ピストンがほぼ大気圧で空気を吸い込むため、1行程あたりの空気量はシリンダーの容積で上限が決まります。ターボチャージャーやスーパーチャージャーは、より高い圧力で空気を押し込むコンプレッサーなので、同じシリンダーがより多くの空気を取り込めます。以下の数値は教科書的な物理であり、実在する車のダイナモ測定値ではありません。
空気が多いほど、燃料が増え、出力が増える
ガソリンエンジンに必要な混合比は化学で決まります。完全燃焼には、ガソリン1 kgに対して約14.7 kgの空気が必要です（理論空燃比）。その比を固定すると、燃やせる燃料はシリンダーに収まる空気の質量に比例します。出力はおおむね燃焼する燃料に比例するので、空気の質量を2倍にすると、燃料は約2倍燃やせます。実際の増加は少し小さくなりますが、決めるのは空気の質量です。
空気の質量は密度×体積です。シリンダーの体積は固定なので、質量を増やす唯一の方法は密度を上げることです。過給が行うのはそれだけです。
過給圧はゲージ圧
過給計は、周囲の空気より高い圧力を示します。これをゲージ圧と呼びます。エンジンが気にするのは絶対圧で、これはゲージの読みに大気圧を足したものです。海面の標準大気圧は1.013 bar（約14.7 psi）です。したがって、過給圧1 barのとき：
絶対圧 = 1.013 + 1 = 2.013 bar
比は2.013 ÷ 1.013 = 1.987なので、過給圧1 barは圧力をほぼちょうど2倍にします。0.5 barでは1.513 ÷ 1.013 = 1.49倍、1.5 barでは2.513 ÷ 1.013 = 2.48倍です。
密度と、熱がそれを損なう理由
空気を理想気体として扱うと、P = ρ × R × T なので、密度は ρ = P ÷ (R × T) です。ここでTはケルビン、空気のRは287 J/(kg·K)です。20 °C（293.15 K）、1.013 barでは、密度は101,300 ÷ (287.05 × 293.15) = 1.204 kg/m³、すなわち1リットルあたり1.204 gです。
圧力だけなら、それは2倍になります。しかし気体を圧縮すると熱くなります。熱損失のない理想的なコンプレッサーでは、出口温度は T₂ = T₁ × (P₂ ÷ P₁)^0.2857 で、0.2857 は空気の γ = 1.4 に対する (γ − 1) ÷ γ です。圧力比1.987を使うと：
- 1.987^0.2857 = 1.217
- T₂ = 293.15 × 1.217 = 356.7 K、すなわち 83.5 °C
これは最良の場合です。実際のコンプレッサーはもっと熱くなります。熱い空気は密度が低くなります。2.013 bar、356.7 Kでの密度は、元の 1.987 × (293.15 ÷ 356.7) = 1.633 倍で、1.987倍ではありません。熱によって、支払った密度増加の18%が失われたことになります。
インタークーラーは、圧縮された空気のためのラジエーターです。充填空気を40 °C（313.15 K）まで冷やすとしましょう。すると密度は 1.987 × (293.15 ÷ 313.15) = 1.860 倍になり、冷却しない場合の1.633より14%多くなります（1.860 ÷ 1.633 = 1.139）。
シリンダー1リットルあたり、過給なしでは空気1.204 g、インタークーラーありでは1.204 × 1.860 = 2.24 gです。14.7対1で、それに見合う燃料は0.082 g対0.152 gです。これらは理想的な数値で、シリンダーが完全に満たされる場合のものです。
ターボチャージャー：排気で駆動
ターボチャージャーは、排気の流れにタービンを置きます。高温のガスがそれを回し、シャフトが吸気側のコンプレッサーにつながります。クランクシャフトとの機械的な接続はありません。
欠点は、排気の流れに反応することです。低回転で軽いスロットルでは、タービンを回す排気ガスが少なく、過給はほとんどかかりません。有効な過給が得られるエンジン回転数を、過給立ち上がり点（ブーストスレッショルド）と呼びます。スロットルを急に開けると、タービンとコンプレッサーが加速し、ガスの流れが増えるまで、圧力は上がりません。その遅れがターボラグです。ウェイストゲートは、目標圧力に達すると排気をタービンに通さず迂回させ、排気の流れが増えても過給圧が上がり続けないようにします。
スーパーチャージャー：ベルトで駆動
スーパーチャージャーはクランクシャフトで駆動され、通常はベルトを介します。その回転数はエンジン回転数に従うので、過給はアイドルからほぼすぐに得られ、スロットルを開けた瞬間に応答します。
代償は寄生損失です。コンプレッサーがクランクシャフトから動力を取ります。空気を圧縮する最小の仕事は、1 kgあたり cp × T₁ × (ratio^0.2857 − 1) で、cp = 1,005 J/(kg·K) です。それは 1,005 × 293.15 × 0.2168 = 63.9 kJ/kg です。仮定した空気流量0.1 kg/sでは、少なくとも 6.4 kW、すなわち 8.6 hp です。実際のコンプレッサーはこれより多くを必要とします。ターボも同じ圧縮仕事を必要としますが、それは排気から取り、わずかな背圧の代償があります。
どちらも同じ仕事をします。吸気の絶対圧を上げることです。ターボは排気からエネルギーを得て、回転数とともに効き始めます。スーパーチャージャーはクランクから取り、即座に効きます。その後で充填空気を冷却することが、支払った密度を保つ鍵です。
ダイノ・チャートで見るべきポイント
スーパーチャージャー付きエンジンは低回転域で強いトルクを示す傾向があり、ターボエンジンのトルクは過給圧の上昇とともに高まります。次の ダイノグラフの記事の式、hp = トルク × 回転数 ÷ 5,252 は依然として成り立ちます。ギア比によって、その曲線をどれだけ活かせるかが決まります。詳しくは ギア比の記事.
ゲーム内
Pink Slip Kings は、チューニングで調整できる設定の中にブーストを挙げており、馬力とトルクを比べるダイノも備えています。その掲載情報はターボチャージャー、スーパーチャージャー、インタークーラーには触れていないため、ここでの物理は現実世界の背景知識であり、ゲームがそれらをどうモデル化しているかの説明ではありません。このゲームはクローズドテスト中です。
Pink Slip Kings: Drag Racing は、手動のローンチとシフトの操作、ギア比・最終減速比・ブースト・ローンチ回転数の詳細なチューニング、ダイノ、テレメトリー、レースのタイムスリップを備えた3Dドラッグレースゲームです。オフラインで遊べ、広告もアプリ内課金もなく、ゲーム内のお金と車は購入したり現実のお金と交換したりできません。このゲームは現在クローズドテスト中です。