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特集論

先進技術で自動車の低公害化に貢献する三菱ターボチャージャ

文

Mitsubishi-Turbocharger for Lower Pollution Cars
恵 比 寿

1．はじめ

幹＊ 1

寺

川

幸治＊ 2

茨

木誠

一＊ 3

エンジン回転数に

低速

ターボチャージャ（以下ターボ）は，内燃機関，特にディーゼルエンジンの燃焼効率を高め，出力増加に貢献する機器として長い歴史を持つものであり，当社でも舶用，自動車用を中心に広く生産してきた．

高速

小 ノズル開度 大特性
排気圧
ブースト圧低減
増大
低速走行

高速走行

当社では昭和 37 年に当時の大井工場で生産を開始して以来，性能と品質が評価され，海外ではオランダの MEE（Mitsubishi Equipment Europe B.V.）を拠点として VOLVO，SAAB，BMW に，また米国 MENA（Mitsubishi Engine NorthAmerica）からはダイムラークライスラーに，韓国の提携先（株）啓洋精密からは現代自動車に，国内では三菱自動車工TF08L−VGターボ業（株），三菱ふそうトラック・バス（株）のほか富士重工業（株），いすゞ自動車（株）を始め，各社に納入され，年間生産台数 170 万台，生産累計台数は 2001 年に 1 000 万台に達した．

図１ VG ターボの仕組み

エンジン低回転時にはノズルベーンを閉じ，高回転時には開くことで過給圧を最適に制御する．

当初，ターボは出力向上を目的として搭載されてきたが，近年はそれに加えて，燃料消費率を向上させることが可能にノズルを閉じ，高回転域ではノズルを開くことで，エンジンなる点や，排気をクリーンに保てる効果が着目されるようにの全作動範囲で必要な過給圧を発生させることができる．

なってきた．近年，乗用車及びトラック向けの排気ガス規制

これによりトルク，燃費が改善し，PM（粒子状物質）をは世界的な潮流となり，欧州では EURO Ⅳ（2005 年施行予減少させることができる．また，VG ターボは必要な過給圧定の欧州における排ガス規制），国内でもディーゼル新短期を必要な時に発生できると同時に，排気の圧力も制御するこ（同 2004 年），長期規制（同 2006 年）が導入されることとなっとができる．このため，排気を吸気に導くことで燃焼温度をた．また，中国や韓国など，直接これらの規制が適用されな下げ，NOx を低減する EGR（Exhaust Gas Recirculation）のい国も，対象地域への輸出を考慮すると，これらの規制を満量を最適に制御するためには，VG ターボによる排気圧力のたす必要がある．このため，ターボ装着は必須の条件になり，最適化は非常に有効である（図２）．当社の VG ターボは性ターボ装着率は更に上昇が見込まれる．

能及び耐久性において，お客様から高い評価を得ている．

しかしながら，年々厳しくなる燃費，排ガスの規制を満たすためには，従来の技術では対応しきれない場合も出てきた．
このような市場の要求に対応すべく，当社はさまざまな先進技術の開発に取り組んでいる．ここでは，
ボ，過渡応答性向上技術，3．過渡応答性向上技術
ターボの技術課題の一つに過渡応答性の向上がある．ター

可変容量ター

ビンロータの慣性モーメントにより，通常，アクセルワー高排温対応技術，の３つのクに対し，過給圧の立ち上がり時間は若干遅れる．このた技術について説明する．

2．VG（Variable Geometry）ターボ

め，ディーゼルエンジンでは，過渡時の必要空気量が不足し，PM の発生が増加することになる．すなわち，タービンロータの慣性モーメントを低減できれば，過給圧が短時間で立ちVG ターボは，タービン側に装着したノズルを開閉するこ

上がり，過渡時の PM の発生量を抑えることができる．また，とで，コンプレッサの過給圧を最適に制御するターボであり，トルクの立ち上がり時間も短縮され，ドライバビリティも向

現在，ディーゼルエンジン向けに装着率が急上昇している．

上する．チタンアルミ合金（以下 TiAl）を用いることで，ター

図１に VG ターボの仕組みを示す．エンジンの低回転時にはビンロータの慣性モーメントは約 30 ％低減し，過給圧の立

汎用機・特車事業本部ターボ部ターボ設計課＊2
汎用機・特車事業本部ターボ部ターボ営業課＊3
技術本部長崎研究所ターボ機械研究室＊1

41
ツインスクロール

エキゾーストマニホールド

トルク

ツインスクロール

ノズルベーンコンプレッサ
ホイール

タービン
ホイール

シングルスクロール

VGターボ
タービンホイール

ノズルベーン開度の最適化

EGRバルブ

コンプレッサ 1500 2 500 3 500 4 500 5 500 6 500 7 500
ホイール
エンジン回転数

タービン
ハウジング

エキゾーストマニホールド排気ガス排気の干渉を低減

排気圧力の最適化
インタークーラ

エンジン
EGR 量の最適化
EGRシステム
インレットマニホールド

シリンダ１ シリンダ２ シリンダ３エンジン低速時の過給圧向上

シリンダ４

排気の干渉を低減することで，エンジン低速運転時の過給圧が向上する．

図４ ツインスクロールタービンハウジングの仕組み

図２ VG ターボと EGR

ノズルベーン開度を変えることで排気圧力が変化し，EGR の量を最適に制御できる．
ガソリンエンジン
高回転・高負荷減

傾向
従来

ブースト圧（kPa）

80

エンジン：2.5Lディーゼル
ターボ型式：TF035HM
条件：アイドリング→全負荷
700 RPM 4 200 RPM

1.3 sec
1.2 sec（8 ％UP）

60
TiAl
40
200燃料消費率

比重量
TiA：4.1
713 C：7.9
慣性モーメント
TiA：0.68
713 C：1

713C
（従来材）

時 間

λ＝I（理論空燃比）
排ガス温度

出力
ガソリンエンジン向け
高排温対応ターボ
小当社開発材（MTA 012）
タービンロータ

図３ TiAl タービンロータによる過渡応答性向上

TiAl ター
ビンロータにより過給圧の立ち上がり時間が低減する．

空燃比（A／F）

大

図５ 排ガス温度とエンジン性能の関係

ガソリンエンジンでは高負荷高回転における排ガス温度が上昇すると，燃費が改善する（本図は概念である）．に伴う熱容量の低減により，短時間に触媒コンバータを活性ち上がり時間が改善される（図３）．
当社は独自の技術により，温度に到達させることができる．当社の高排温対応技術へのTiAl 製タービンロータの量産化に世界で初めて成功した．

評価は高く，現在，ガソリンエンジン向けターボの生産量は過渡応答性の向上にはツインスクロールタービンハウジングも有効である．ツインスクロールとは，点火順序が連続しない気筒の排気管路を集合させ，仕切りにより分けられた２世界のトップレベルである．

5．まとめ

つのタービンスクロールに排ガスを導くことで，排気の干渉一層厳しくなる排ガス規制をクリアするために，エンジンを低減し，タービン出力を向上させる技術である．これによの制御は，将来ますます複雑になる方向にある．ターボとしり，特にエンジンの低速運転時の過給圧，トルクが従来からても，さまざまな可変機構を，電動アクチュエータ等で細かあるシングルスクロールに比べ向上し，発進時の加速性能がく制御することにより，必要な時に必要なだけの過給圧を発向上する（図４）．当社のガソリンエンジン向けツインスク生する技術が求められている．また，今後は，モータ駆動のロールターボは実績があり，お客様より高い評価を頂いてい電動コンプレッサも，検討されていくものと思われる．

る．

4．高排温対応技術

このように，ターボは，自動車用エンジンの低公害化には不可欠の機器となりつつあるとともに，低公害化への要求は，将来も留まることはないと思われ，各社は激しい技術開発競

図５に示すように，ガソリンエンジンでは，排気温度が上争を繰り広げている．このような環境下で，当社製ターボも昇することで，高負荷高回転時の出力及び燃費は向上する．

生産台数を着実に伸ばしてきた．今後も技術開発のスピード

このため，排気温度は年々上昇する傾向にあり，近年ではを維持しつつ，お客様の要求に素早く的確に対応していくこ

1 050 ℃もの高排温が要求される場合もある．このため，ターとで，三菱ターボの更なる製品力向上に努めていきたい．

ビンハウジング及びタービンホイールには，ディーゼルエンジン向けよりも，耐熱性の優れた材料が要求される．当社
では，オーステナイト系ステンレス鋳鋼製の薄肉（平均肉厚2.5 mm）タービンハウジング，TiAl 製タービンホイールにより，高排温化の要求に対応している．また，薄肉タービンハウジングはターボの軽量化に有効であるとともに，軽量化

恵比寿幹

寺川幸治

茨木誠一
三菱重工技報 Vol.41 No.1（2004_1）