三菱重工技報 VOL.43 NO.3: 2006

特集論31

自動車用高性能・高信頼性 VG ターボチャージャの開発

文

Development of the High Performance andHigh Reliability VG Turbocharger for theAutomotive
大 迫 雄 志＊1

陣 内 靖 明＊2

Katsuyuki Osako

鈴木Hiroshi Suzuki

Yasuaki Jinnai

浩＊2

茨 木 誠 一＊4Seiichi Ibaraki

佐俣Akira Samata

林

慎章＊3
之＊5

Noriyuki Hayashi

エンジンへ空気を過給するターボチャージャは，排気ガス規制強化に伴い自動車用ディーゼルエンジンにとって必須の製品となっている．特にディーゼル乗用車の比率が高いヨーロッパでは，タービン側のノズルベーンが可変で過給圧をコントロールできる VG（Variable Geometry）ターボチャージャが，主流になりつつある．ターボチャージャ性能はエンジン燃費に直接影響し，可変ノズル機構は高温無潤滑環境下で使用される事から，高性能，高信頼性を両立する VG ターボチャージャを開発し，製品化した．

1．は

じめ

タービンで利用し，同軸上のコンプレッサを駆動して，にエンジンに高圧空気を過給する装置で，VG ターボ

欧州，日本及び米国での排気ガス規制強化に伴い，チャージャは，タービン側に可変ノズルベーン機構を従来のウェイストゲートバルブ付ターボチャージャに持つのが特徴である．VG ターボチャージャは，エン代わり VG（Variable Geometry）ターボチャージャが，ジン条件に合わせノズル開度を調整することで過給圧ディーゼルエンジンにとってスタンダードな装置とを最適条件にコントロールでき，図１のように，エンなってきている．VG ターボチャージャは，エンジンジンの燃費低減などに効果がある．近年では，図２にの燃費改善，ドライバビリティ向上に効果があるため，高効率化が求められている．また，VG ターボチャー
ジャは，ノズルベーンを駆動するための複雑な機構をタービンハウジング可変ノズル

可変ノズルでタービン絞り量を調整

高温無潤滑環境下で使用し，さらに，広い流量・圧力作動範囲での使用により，タービン翼共振点での運転が避けられない．このため，ノズル駆動機構の耐摩耗

ノズル絞

ノズル
開

エンジン
低速トルク向上

燃費向上

性やノズルウェークに対する耐共振性などの信頼性向上が強く要求されている．
当社では，これらの要求にこたえるため，乗用車向からトラック・バス向までタービン動翼

高性能・高信頼性 VG ター

ボチャージャを開発し，表１のように製品化した．

エンジン低回転時＝排ガス量（小）2．VG ターボチャージャの目的・構造

図１

ターボチャージャは，エンジンからの排気ガスを
表１
VG型式
エンジン排気量(L)

エンジン出力(kW)

排ガス

エンジン高回転時＝排ガス量（多）VG ターボチャージャの仕組み・効果

エンジン低回転時にはノズルベーンを絞り，高回転時には開く事で過給圧を最適に制御する．

三菱重工製 VG ターボチャージャのラインアップ
TD03

TF035H

TD04

TD04H

TD05

TD06

TD07

TF08

1.2〜
1.7
40〜
60

1.6〜
2.270〜
100

2.0〜
2.890〜130

2.8〜
3.2
130〜
150

3.2〜
4.5
150〜
180

4.5〜
6.0
180〜
200

6.0〜
8.0
200〜
240

8.0〜
13.0
240〜
350

＊1

＊4＊2

＊5

技術本部長崎研究所ターボ機械研究室長
汎用機・特車事業本部ターボ部ターボ設計課＊3
汎用機・特車事業本部ターボ部ターボ設計課主席

排ガス

技術本部長崎研究所ターボ機械研究室主席
技術本部長崎研究所トライボロジ研究室 工博三菱重工技報 VOL.43 NO.3: 200632

コンプレッサホイール

ノズルベーン
エギゾーストマニ
ホールド
VG ターボタービン動翼ノズルベーン開度の最適化

EGRバルブ

周方向（タービン動翼回転方向）

周方向
圧力変動：小周方向
圧力変動：大排気圧力の最適化
イター
クーラ

直線翼

エンジン
EGR量の最適化

図４

EGRシステム
インレットマニホールド

図２

VG ターボチャージャと EGR

ノズル開度を変える事でエンジン排気圧力が変化し，EGR 量を制御できる．

円弧翼

新型円弧ノズルの CFD 結果

新型円弧翼を開発し，タービン動翼入口部の周方向静圧歪を低減した．

状を最適化した．これは，後述するノズルウェーク共振時のタービン動翼加振力を低減する事にも効果がある．
また，VG ノズルベーンは，ノズル開度によりノズアクチュエータ

ル周りの空力モーメントが変化する．最悪の場合，ノズル開閉，閉開でンジン制御に悪影響を及ぼす．さらに，ノズルリンク

ノズル
カートリッジ

機構の摩耗が進行した場合，モーメントとガタの影響で VG ターボチャージャが過回転し，過度の過給圧がレバープレート生じる場合がある．円弧ノズルでは，これらの傾向がクランク

直線ノズルと異なるため，ノズル回転中心位置を最適ドライブリング化し，制御性と性能向上を両立させた．

マウント
タービンハウジング

ベーン
サポート

図３

過給圧のヒステリシスが生じ，エリング

VGノズルカートリッジ

当社 VG ターボチャージャの構造

タービンハウジングからの熱影響を排除するため，可変ノズルベーン機構部をカートリッジ化している．

3．2

高性能タービン動翼

タービン動翼での損失は，図５の CFD 結果に示す
ように翼内部での２次流れにより翼出口負圧面の高い( )位置に集中する 3 ．図５に示す新型タービン動翼では，翼を三次元化して２次流れを防ぎ，動翼での損失を低示すように，NOx 低減のための EGR（Exhaust Gas減できた．
この新型タービン動翼の効果は大きく，
ター

Recirculation：排気ガスの吸気への還流）を細かくビン単体試験で約３％効率向上した．

コントロールするために VG ターボチャージャが使用( )され 1 ，急激な普及が進んでいる．

タービン動翼当社の VG ターボチャージャは，図３に示すように，可変ノズルベーン機構部をカートリッジ化してター

ビンハウジングの熱影響を排除し，可変ノズルベーン翼入口回転方向( )のスティックを防止した構造にしている 2 ．

3．性

能向上

損失

損失の低減

前述のように，VG ターボチャージャの性能は，エンジン燃費に影響することから，さらなる高効率化が要求されている．当社では，特に重要構成要素である VG

三次元翼

ノズルとタービン動翼について高性能翼を開発した．
3．1

翼出口

高性能 VG ノズル

図４に，開発した円弧ノズルと CFD 結果を示す．
VG ノズルベーンを従来の直線翼から円弧翼とし，全てのノズル開度で周方向の変動が少なくなるように形

従来翼形状

図５

新型タービン動翼の CFD 結果

翼出口
新翼形状

新型三次元タービン動翼を開発し，動翼出口での２次流れの集積を防ぎ，損失を低減した．

三菱重工技報 VOL.43 NO.3: 2006

3．3

33

エンジン上での性能
Lamp

これらの高性能 VG ノズル，高性能タービン動翼Mirrorを組み合せた当社最新型の VG ターボチャージャをRing

図６に示す．２L クラスの乗用車に採用された電動ア

Disk

クチュエータ駆動の VG ターボチャージャ（機種名TF035H-VG）であり，図６に示すように

Disk：材料C
Ring：材料B

ジン低速での飛躍的な効率向上により，燃費改善，ドTEST FACILITY1612Bearing

Example of 2.0L passenger application

タービン効率

図７

1 000

2 000

Original line

DiskRing
TEST PIECE

タービン効率12％向上

0Original line

120μm摩耗

特にエンライバビリティ向上を達成し，好評を博している．

Disk：材料A
Ring：材料B

3μm摩耗

高温摺動試験装置と最適材料の試験結果

高温摺動装置を使用し，VG リンク用の耐摩耗材料を試験し，最適な材料組み合せを採用した．

：最新型VGターボ：従来型VGターボ：目標負荷荷重，摺動速度の試験条件を決定し，十数種類の3 000材料の組み合せを試験した．図７に示すように，従来

4 000

5 000の材料組み合せに対して摩耗量を顕著に低減できる

エンジン回転数（rpm）

図６ 最新型 VG ターボチャージャ（TF035H-VG）の性能

右側写真の最新型 VG ターボチャージャは，エンジン上で 12 ％のタービン効率向上を達成した．

材料組み合せを見いだす事ができ，これを新型の VGターボチャージャに採用している．
また，VG リンク機構の形状寸法最適化には，タグチメソッドを使用して，リンク摩耗に対してロバスト
図８に検討結果を示すが，な部品寸法形状を決定した．

4．信頼性向上

各要素のうち摩耗に影響ある形状因子を３種類程度見

前述のように，VG ターボチャージャは，高温無潤いだす事ができた．この結果を反映した VG リンク機

滑環境下で，かつ広い流量・圧力作動可能範囲を要構を試作し，図９に示すように実際に試験して摩耗低求される事から，ノズルリンク機構の摩耗やノズル減効果を確認した．トラック・バス向 VG ターボチャー

ウェーク共振によるタービン動翼破損の問題を避けて

ジャは，乗用車向をベースに，さらに耐摩耗性を向上

通れない．当社では，以下の対策により VG ノズルリさせた形状・構造としている．

ンク機構の耐摩耗性向上，ノズルウェークに対する耐4．2共振性向上を実現した．

VG ターボチャージャは，広い流量・圧力作動範囲

4．1VG リンク材料・形状最適化

ノズルウェーク共振対策を要求され，かつ範囲内では，どの点でも作動可能でVG リンク機構は，高温無潤滑環境で，かつエンジある事を要求される．このため，運転域内に必ずターン上での振動環境下で使用されるため，リンク摩耗がビン動翼共振点が存在し，共振点での運転は避けられ発生する．さらに，トラック・バスでは，ターボチャーない．図 10 に示すように，ノズルウェーク共振は，ジャ排気後流にバルブを設け，エギゾーストブレーキと，過給圧や EGR の細かい制御にずれが生じるため，排気ガス規制がますます進む近年では，ノズルリンク摩耗の低減が強く要求されている．
当社では，VG リンク機構に耐摩耗材を採用する事，

1.18
1.14
1.11.06( )

図７に示す高温摺動装置 4 を使用し，VG リンク用の耐摩耗材料を選定した．実機での使用条件より温度，

Small
寸法 B

Small
寸法 C

1.02

VG リンク機構の形状寸法を最適化する事の２本立てで，耐摩耗性を向上させている．

Small

L1L3M
1M
3N
1N
3O
1O
3P
1P
3Q
1Q
3R
1R
3S
1S
3T1T3U
1U
3V
1V
W31W
3しい環境下に置かれる．リンク摩耗がさらに進行する

寸法 A

1.22

2B
1より厳

A

時，VG ターボチャージャは，摩耗に対して摩耗体積（Nmm/deg）として使用する．このため，バルブ閉のブレーキ作動設計要素

図８

VG リンク機構の形状寸法最適化

タグチメソッドを使用して，リンク摩耗に対してロバストな部品寸法形状を決定した．

三菱重工技報 VOL.43 NO.3: 2006

34

（2.0L Passenger:engine endurance）

従来型VG

：従来VG
：最適化VG
顕著な摩耗
摩耗量

顕著な摩耗

94％
Down

88％
Down

92％
Down88％Down

形状最適化後

殆ど摩耗無し

図９

殆ど摩耗無し0

LEVER PLATE DRME PIN SLEEVE LEVER PIN
100 時間耐久後の摩耗度

最適形状の VG ターボチャージャ耐久試験結果

タグチメソッドで寸法決定した VG リンク機構を試作し，耐久試験にて大幅な摩耗低減を確認した．

VGノズル

翼共振点で108 回以上運転させた後の蛍光深傷写真

ノズルウェークによるタービン動翼加振
MEHCANISM OF
BLADE VIBRATION

図 10タービン動翼ノズルウェーク共振のメカニズム

ノズル後流ウェークによる圧力変動がタービン動翼を加振し，動翼の固有振動数と一致すると共振する．

左上：タービン動翼正面
下 ：タービン動翼背面
右上：タービン動翼側面
破損なし

ノズルウェーク共振によるタービン動翼共振 応力大

20
最大振動応力16

FEM 解析によるタービン動翼相対振動応力

1412106推定し，ノズルウェーク共振によるタービン動翼破損

20

タービン回転数

図 11エンジンでの共振条件でタービン翼を材料の疲労限まで加振し，蛍光深傷で異常の無い事を確認した．

システムを使用してノズルウェーク共振時の翼応力を4小ノズルウェーク共振耐久試験後のタービン動翼較して共振応力解析精度を向上させている．この解析

8

全負荷
VG開度

図 12次数

動翼固有振動数

周波数（Hz）

18

Example of Truck application

タービン翼共振応力の計測結果と FEM 解析結果の比較

VG ノズルウェーク共振時のタービン翼応力を実測し，FEM 結果と比較して解析精度を向上させている．

防止のため，加振力低減，共振点チューニング，及び動翼体格強度向上の対策を採っている．また，運転域内の避けられない共振点については，図 12 に示すよ
うに，実際のエンジン条件で高サイクル疲労限まで VGターボチャージャを運転し，耐振強度を確認している．
4．3

市場での信頼性実績

ノズル後流のウェークによる圧力歪がタービン動翼を

図 13 に，2003 年に発売された当社の乗用車向 VG

加振し，動翼がウェークを通過する周期と動翼固有振ターボチャージャ（機種名：TD03L-VG）について，動数が一致した場合に共振する現象である．

市場での信頼性を確認するため，ワイブル解析を実当社では，図 11 に示すように，トラック・バス向施した結果を示す．この VG ターボチャージャの B10

VG ターボチャージャを用いて実エンジン上の各種運転ライフ（故障確率 10％の寿命）は，走行距離で 500条件下での翼共振応力を測定，把握し，FEM 結果と比万 km であり，乗用車の寿命を 10 万 km とした場合

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Example of 1.7 L passenger application
101.0
故障確率（％）

0.025 ％
3 000 km0.01

1 000 km

0.001

0.0001

B10 Life ≒5 000 000km≒250ppm at 100 000km

103104105

106.7km＝500万km

走行距離（km）

図 13

当社乗用車向 VG ターボチャージャの市場での信頼性

市場流通している当社 VG ターボチャージャをワイブル解析し，長寿命，低故障率である事を確認した．

では，市場で 0.025 ％（250 ppm）の故障確率である．
この VG ターボチャージャについては，VG リンク機構の摩耗対策として，最適な材料組み合せのみを実施したタイプであり，現在市場に展開中の当社最新型
VG ターボチャージャでは，さらに寿命が延びる事が期待される．

5．まとめ

世界規模での排気ガス規制強化に伴い，従来のウェイストゲートバルブ付ターボチャージャに代わり燃費改善，ドライバビリティ改善，さらに NOx 低減のた

参 考 文 献（1）恵比寿幹ほか，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，三菱重工技報
Vol.41 No.1（2004）p.40（2）荻田浩司ほか，三菱重工業製 車両用過給機の動向，日本ガスタービン学会誌 Vol.33 No.4（2005）
p.251（3）Osako, K. et al., Study of the Internal Flow ofRadial Turbine Rotating Blades for Automotive
Turbochargers, SAE World Congress（2002）（4）Matsui, A. et al., Improvement of TribologicalProperties of C/C Composites at High
Temperatures, TRIBOLOGY TRANSACTIONS
Vol.41（1998）p.124

めの EGR コントロールにも有効な VG ターボチャー
ジャが，急速に普及している．VG ターボチャージャ
は，ノズルベーンを駆動するための複雑な機構を有し，広い作動範囲での高効率化と，過酷な使用条件下での信頼性向上を強く要求されている．
当社では，これらの要求にこたえるべく，乗用車向からトラック・バス向まで

大迫雄志

陣内靖明

佐俣章

鈴木浩

茨木誠一

林慎之

高性能，高信頼性を両立する VG ターボチャージャを開発し，製品化した．
今後さらに VG ターボチャージャの性能向上，信頼性向上を図り，地球環境に優しい低公害自動車開発への参加を通じて，社会に貢献したいと考える．