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電動ターボチャージャーと電動スーパーチャージャーとは?メリット・デメリットと違いや効果から採用車種まで

ターボチャージャーとスーパーチャージャーに代わる新たな過給機として「電動ターボチャージャー」が注目を集めています。電動ターボチャージャーの特徴から搭載されている市販車など、今話題の電動ターボチャージャーについて徹底解説します。

電動ターボチャージャーとは?その効果は?

電動ターボチャージャーとは?

名称の定義について

本記事で紹介する「電動ターボチャージャー(以下、電動ターボ)」とは、コンプレッサーの回転にモーターを利用する「電動過給機」のことを指します。
このような電動過給機は「電動ターボ」や「電動スーパーチャージャー」などの名称で呼ばれていますが、これらはあくまで一般名詞であり、これらの名称に対する明確な定義が存在していません。
このためメディアやメーカーなどによって電動過給機に対する名称が混在しているのが現状です。

本記事では「電動ターボ」を電動過給機に対する名称として定義し、以下の表現も電動ターボで統一したいと思います。

ターボチャージャー・スーパーチャージャー・電動ターボの比較

アウディSQ7に搭載される電動ターボチャージャー

現在主流の過給機には、排気ガスを利用してコンプレッサーを駆動するターボチャージャー(以下、ターボ)と、エンジンの動力を利用してコンプレッサーを駆動するスーパーチャージャーの2種類があります。
ターボは排気ガスの圧力でコンプレッサーを回転させて空気を圧縮する過給機で、スーパーチャージャーはコンプレッサーを回転にエンジンの動力を用いる過給機です。
これら2種類の過給機の仕組みは以下の記事を参照してください。

電動ターボは、前項で述べたようにコンプレッサーの回転にモーターを利用する過給機を指します。
完全にモーターのみでコンプレッサーを駆動するか、あるいは一部だけモーターの動力を利用するかは構造によって異なります。
前者の場合は排気ガスを利用せずに過給しているため、「電動ターボ」と言うよりは「電動スーパーチャージャー」と呼ぶのが適切かもしれません。

電動ターボの詳しい構造については次章以降で詳しく述べたいと思います。

電動ターボチャージャーの効果

低回転での過給が苦手なターボ

ターボは排気ガスを動力源とすることから、エンジンの動力を利用するスーパーチャージャーよりも高効率に過給できます。
また、排気ガスの量が多い高回転域では高い過給効率が得られるため、高回転域での過給に向いています。

その反面、排気ガスの量が少ない低回転域では効率が悪化し、またターボラグによりレスポンスが悪化します。
近年はターボ自体の小型化や可変容量ターボなどの新技術などにより改善されてきましたが、ターボラグはターボの構造そのものに起因するため、根本的な解決は難しい問題です。

高回転で効率が悪化するスーパーチャージャー

一方、スーパーチャージャーはエンジンの出力を動力源とすることから、エンジンの回転数に合わせて低回転域からスムーズに過給できます。
そのためターボのようなターボラグが発生せず、ターボよりレスポンスが良い点が特徴です。

しかし高回転域での過給能力はターボに劣るのと、スーパーチャージャーを駆動させるためにエンジン出力を使うため、スーパーチャージャーそのものがエンジン損失の原因となってしまいます。
このような特徴から、スーパーチャージャーは高回転での過給が不得意であると言えます。

全回転域で効率よく過給できる電動ターボ

そこで全回転域で効率よく過給するために考案されたのが、ターボの過給をモーターでアシストする電動ターボです。

電動ターボは従来のターボと組み合わせて使用され、ターボの効率が悪化する低回転域ではモーターを利用して過給を行い、高回転域ではターボにより過給を行います。
これによりターボが不得意としていた低回転域での過給効率が改善されるため、全回転域で効率の良い過給が可能となります。

このようにターボとスーパーチャージャーの良い特徴を組み合わせたのが電動ターボなのです。

電動ターボの構造は「2ステージ型」と「ハイブリッド型」

次に、電動ターボに採用される構造「2ステージ型」と「ハイブリッド型」のそれぞれの特徴を簡単に紹介します。

2ステージ型

アウディSQ7の2ステージ型電動ターボシステム

2ステージ型は従来のターボと電動ターボの2種類を組み合わせ、回転数に応じて過給機を切り替える方式です。
ターボの効率が落ちる低回転域では電動ターボで過給を行い、高回転域ではターボで過給を行います。
電動ターボ自体は排気ガスのエネルギーを利用しません。

ハイブリッド型

MGU-Hを搭載するF1エンジン「ホンダRA617H」

ハイブリッド型は従来のターボにモーターを内蔵した方式です。
低回転域ではモーターによってタービンの回転をアシストし、高回転域では排気ガスによってタービンを駆動します。
それに加えて、排気ガスでモーターを回転させて発電することもでき、余った排気ガスのエネルギーを回生することも可能です。
2ステージ型と異なり、ハイブリッド型では排気ガスも電動ターボの動力源として利用されます。

なお、現在F1のエンジンで採用されている「MGU-H(Motor Generator Unit - Heat)」はハイブリッド型電動ターボと同じ仕組みです。

電動ターボチャージャーのメリット・デメリット

電動ターボチャージャーのメリット

最大のメリットは高効率

すでに述べた通り、モーターと排気ガスを回転数に応じて利用することで、全回転域で効率よく過給することが可能な点が、電動ターボの大きな特徴です。

設計の自由度が高い2ステージ型

2ステージ型の場合、回転域に応じて過給機を使い分けるため、回転域に合わせてそれぞれの過給機の設計を最適化できる点がメリットとして挙げられます。
また電動ターボ本体が排気ガスで駆動されないため、排気側のレイアウトに左右されす設計の自由度が比較的高い点もメリットとして挙げられます。

コンパクトかつエネルギー回生が可能なハイブリッド型

ハイブリッド型特有のメリットとしては、ターボとモーターが一体となった構造のため、2ステージ型よりコンパクトである点がメリットとして挙げられます。
そして何より、減速時などで排気ガスのエネルギーが余った場合、タービンを回転させてモーターで発電を行うことで、排気ガスのエネルギー回生することが可能です。
このエネルギー回生により2ステージ型よりも高い効率を実現できます。

電動ターボチャージャーのデメリット

重量とコストの増加

電動ターボを採用するためには、モーターや制御回路、バッテリーなどを搭載する必要があり、その分だけ重量とコストが増加します。
特に2ステージ型の場合、2種類の過給機を1つのエンジンに搭載することと、高回転域では電動ターボを使用しないことから吸気をバイパスする必要があり、その為の配管とバルブが必要な分、ハイブリッド型より重量・コスト増加は顕著になります。

消費電力の増大

電動ターボではモーターの回転に電力が必要なため、電動ターボを使うことで消費電力が増大します。
これはエネルギー回生を行わない2ステージ型で特に顕著となります。
そのため、電動ターボの導入には高い消費電力に対応した電装系の導入が必要となり、従来の電装系をそのまま流用することが難しくなります。

実際、電動ターボを導入したアウディSQ7も、最近導入が進み始めた「48Vシステム」という電装系を採用したことで電動ターボの導入が可能となりました。

システム設計が困難なハイブリッド型

ハイブリッド型の場合、電動ターボ本体が高温の排気ガスに触れるため、システムが熱で破損しないように設計する必要があります。
この熱設計はとても難易度が高いことから、ハイブリッド型は2ステージ型と比較して市販車への導入が進んでいないのが現状です。

電動ターボチャージャーの搭載車種と最高馬力は?

アウディSQ7 TDI

SQ7はアウディが展開するSUV「Q7」の高性能グレードで、2016年4月にドイツにて発売が開始されました。
SQ7には市販車として世界で初めて電動ターボが採用され、ターボ2基とヴァレオ製の電動ターボ1基で過給する2ステージ型ターボが採用されました。

この電動ターボと4.0リッターV8ディーゼルエンジンを組み合わせることで、最高馬力はなんと435PSと、市販向けディーゼルエンジンの中では最強の馬力を発揮します。
最大トルクも900Nmと桁違いで、あのアヴェンタドールすら上回るスーパーカー並みのトルクです。

現在のところ日本への導入は予定されていませんが、是非とも日本にも導入して欲しいモデルですね。

メルセデスベンツ Sクラス

2017年にマイナーチェンジを実施したメルセデスベンツSクラスには、電動ターボを搭載したモデルが新たにラインナップに追加されます。

電動ターボが搭載されるのは3.0リッター直6のM256型エンジンを搭載したモデル「S450」です。S450もSQ7と同じく2ステージ型を採用しており、ボルグワーナー製のターボと電動ターボを搭載しています。
6気筒エンジンでありながら従来のV8エンジンと同等の性能を発揮しており、最高馬力は408PSとなっています。

電動ターボチャージャーは注目のテクノロジー

電動ターボはまだ日の浅い技術のため解決すべき課題は多いですが、技術開発が進むことで今後さらに多くの車種に導入されるでしょう。
ターボラグを解消して強力なパワーアップが期待される点も魅力ですし、排気エネルギーを回収してエンジンの効率を改善できる点も注目すべき点です。

今後さらに環境規制が厳しくなる中で、新たな環境対策として注目すべきテクノロジーの1つですね。

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