三菱重工技報 Vol.54 No.1 (2017) M-FET 特集

技 術 論 文73

環境負荷低減へのニーズに応える三菱ターボチャージャの開発
Development of Automotive Turbochargers Contribute to Reduction of Environmental Load尾 﨑 誠 *1惠比壽

Makoto Ozaki

Motoki Ebisu

幹 *1

段 本 洋 輔 *1

秋 山 洋 二 *2

Yosuke DanmotoYouji Akiyama

横 山 隆 雄 *3

神 坂 直 志 *4

Takao Yokoyama

Tadashi Kanzaka

近年，より一層厳しくなる環境規制に対応するため，過給システムには更なる性能向上が求められている。主要各国では自動車用エンジンに対する CO2 排出量規制の更なる厳格化が予定されており，ターボチャージャとしてはエンジンの熱効率改善に貢献できる開発が求められている。
当社ではターボチャージャの基礎となる要素として，低速度比の性能を向上させたタービン，サージ近傍の効率向上を図ったコンプレッサ，負荷を最適化しロスを低減させた軸受を，また，過給システムとしてはガソリンエンジン向け VG ターボチャージャ，電動コンプレッサを開発し，自動車メーカ各社にサンプル供給を行っている。

|1. はじめに近年，地球温暖化対策として環境規制がより一層厳しくなる傾向にある。欧州では自動車用エンジンに対する CO2 排出量規制を 2021 年に 95g/km とすることが予定されており，世界中の自動車メーカが規制に対応すべく日々技術開発を行っている。ターボチャージャに代表される過給シ
ステムは自動車の燃費改善に寄与するシステムであり，CO2 排出量抑制に効果がある。また，直噴化との相性が良いことも相まって，直噴過給ガソリンエンジンのシェアは拡大している。事実，2015 年に新発売された自動車用ガソリンエンジンではハイブリッド車が強い日本市場でも直噴過給エンジンの比率が高まっており，北米市場では小排気量エンジンへのシフト傾向及び直噴過給エンジン比率の増加傾向が明確になっている。また，直噴過給ガソリンエンジンの本場である欧州市場の新車に搭載されるエンジンの 70％超が直噴過給エンジンとなっている。（1）
直噴過給ガソリンエンジンの燃費改善について各自動車メーカにて様々な技術開発が行われている。従来のトレンドとしてはエンジンダウンサイジング・ダウンスピーディングによる燃費改善が主であったが，それに加え近年ではクールド EGR（Exhaust Gas Recirculation：排気ガスを吸気へ還流）の適用，可変動弁によるミラーサイクル化，リーン燃焼や HCCI（予混合圧縮着火）等による更なる燃費改善への取り組みが進んでいる。当社ではこのようなエンジン技術開発動向に歩調を合わせ，過給機に対する厳しい要求に応えるべく，タービン，コンプレッサ，軸受等の要素技術の開発に加え，可変容量ターボ，電動コンプレッサ等のシステム開発も行っている。本稿では，当社が実施している自動車用ターボチャージャの開発状況について紹介する。

*1 三菱重工エンジン＆ターボチャージャターボ事業部開発戦略グループ 主席技師
*2 三菱重工エンジン＆ターボチャージャターボ事業部開発戦略グループ 主任*3 総合研究所流体研究部ターボ機械第一研究室 主席研究員 技術士（機械部門）*4 総合研究所 流体研究部ターボ機械第一研究室

三菱重工技報 Vol.54 No.1 (2017)74|2. タービン開発ダウンスピーディング化された過給エンジンではエンジン低回転時のトルク向上が求められる。
エンジン低回転時は排気脈動の影響が強く，性能向上のためにはターボチャージャとしても，通常のラジアルタービンとは異なる設計が必要になる。タービン効率特性を表す無次元パラメータとして速度比（U/C0，U：タービン周速，C0：理論断熱速度）がある。通常のラジアルタービンではU/C0＝0.65 付近にて効率ピークをとることが多いが，エンジン低回転時は排気脈動の影響により，U/C0 の低い作動点での性能が重要となる。図１に 1.6L 直噴ガソリンエンジン全負荷での１サイクルの全タービン出力に対する各速度比でのタービン出力の割合を示す。エンジン高速作動時は U/C0＝0.55 付近にて最もタービン出力を得ているが，エンジン低速作動時は U/C0＝0.4付近にて最もタービン出力を得ていることが分かり，当該作動領域での性能が重要であることが確認できる。

図１ エンジン作動時の 1 サイクル全タービン出力に対する各速度比でのタービン出力割合（1.6L ガソリン直噴エンジン：エンジン一次元シミュレーション結果）

当社では従来型ラジアルタービンを斜流化することにより，低速度比での効率向上を図り，良好な結果を得た。新型斜流タービンの外観及び速度比：U/C0 に対する効率特性を図２，３に示す。

図２ 新型斜流タービン外観

図３ 新型斜流タービンの速度比特性

また，上記新型斜流タービンを 1.6L 直噴ガソリンエンジンへ搭載し，トルク性能を確認したところ，エンジン低回転側でのトルク向上が確認でき，良好な結果を得た。その結果を図４に示す。

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図４ 新型斜流タービン搭載エンジンのトルク性能確認結果|3. コンプレッサ開発
過給ダウンサイジングエンジンでは最大トルクを発生するエンジン回転数が低速側にあることにより，通常のラジアルコンプレッサと異なる設計が必要となる。通常のコンプレッサ設計では効率ピーク点を設計点として性能向上を行うことが多いが，最近の過給エンジン向けにはオフ・デザイン点での性能が重要である。特にエンジン低回転時の作動点であるサージ近傍の効率が重要となる。当社では上記背景を鑑みた設計を実施し，良好な結果を得た。その CFD 結果を図５に示す。
新型翼ではサージ点近傍運転点での動翼出口の流動を均一化し，効率向上を図った。

図５ サージ点近傍運転点での動翼出口の流動状況の比較（90％翼高さ,周速：270m/s）

また，新型翼の外観および性能試験結果を図６，７に示す。低圧力比側サージ流量およびチョーク流量は同等であるが，同効率線がサージライン近傍へ移動しているため、サージ近傍の同流量点では効率向上が図れている。

図６ 新型コンプレッサ外観

図７ 新型コンプレッサの性能試験結果

図８に新型翼を 1.6L 直噴ガソリンエンジンへ適用した際の一次元シミュレーション結果を示す。
新型翼の効果として，エンジン低回転時のトルク向上が確認できた。

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図８ エンジン一次元シミュレーション結果|4. 軸受性能改善
エンジン低回転からの過渡応答時は排気ガス流量が少ないため，タービンにて回収できるエネルギーが小さい。軸受損失はおおよそ回転数の二乗に比例し大きくなるが，タービン回収動力の小さい低速起動時に対しては影響が大きい。当社では軸受性能についても継続的に改善を行っている。改善アイテムの主なものを図９に示す。各設計パラメータの見直しを行い，軸受負荷能力の最適化，排油性の向上を実施し，軸受損失を計測したところ，図 10 の通り，従来軸受に対し20％の損失を低減できたことを確認した。

図９ 軸受改善アイテム

図 10 軸受損失計測結果

また，上記軸受のエンジン過渡応答に対する効果を検証するため，エンジン一次元シミュレー
ションを行った。その結果を図 11 に示す。結果として 1500rpm でのアイドリング～WOT（WholeOpen Throttle）にて 90％トルクに達する時間が８％低減できることを確認した。

図 11 エンジン一次元シミュレーション解析結果
1.6L ガソリン直噴エンジン，1 500rpm

三菱重工技報 Vol.54 No.1 (2017)77|5. VG ターボチャージャ開発
VG（Variable Geometry）ターボチャージャは，タービン動翼入口ノズル部に可変機構を持った静翼を配置することで，W/G（Waste Gate）ターボチャージャに対しエンジンの低速域から高速域まで高い過給効率を維持できる。直近ではミラーサイクル化された直噴ガソリンエンジンと合わせて使用される事例もあり，エンジン燃費を改善できる有効な方策の一つである。ただし，複雑な可変機構を有することから，排気ガス温度が高いガソリンエンジンでは，各構成部品に耐熱性の高い材料を使用する必要があり，非常に高価となる。また，高過給によるノッキングの発生等から，ガソリンエンジンでは限られたエンジンでしか採用されていなかった。しかしながら，直噴化やクールド EGR 等によるノックリミット改善に伴い，VG ターボチャージャを採用できる環境が整いつつある。そこで，当社ではガソリンエンジンに対応できる VG ターボチャージャの開発を行った。
当社製ガソリンエンジン用 VG ターボチャージャの外観を図 12 に示す。当社のガソリンエンジン
向け VG ターボチャージャは経済性を考慮し，高価な耐熱合金を採用しないことを前提として開発を進めた。設計は解析により形状，材質を最適化しており，950℃の排気ガス温度下でも可変機構の機能を満足させることが可能（2）となった。開発時に実施したノズルアッセンブリー熱変形解析例を図 13 に示す。本解析結果を元に熱疲労強度・各部クリアランスの最適化を実施した。
また，今回設計した仕様に対しては各種耐久試験を実施し，実機適用上十分な耐久性を有していることを確認している。

図 12 ガソリン用 VG ターボチャージャ

図 13 ノズルアッセンブリー熱変形解析例

図 14 はエンジン一次元シミュレーションにてガソリンエンジンに VG ターボを適用したときのエンジン熱効率の向上効果を確認した結果（2）である。これより，クールド EGR を採用したエンジン
で，VG ターボチャージャは W/G ターボチャージャに対し，全負荷運転で EGR 率を上げられることを確認した。この結果，熱効率を向上することが可能となり，ガソリンエンジンの燃費改善に有効であることが予想される。

図 14 W/G ターボと VG ターボの熱効率比較

三菱重工技報 Vol.54 No.1 (2017)78|6. 電動コンプレッサ開発
これまではターボチャージャの過給効率改善について説明したが，より高い過給圧/過渡応答性による車両の燃費改善に向けて，当社では電動コンプレッサを開発しており，更に通常の２ステージターボに対し，高圧もしくは低圧側のターボチャージャを電動コンプレッサに置き換えた過給システムの開発（3）を行った。電動２ステージターボシステム例を図 15 に示す。通常の２ステージターボに対するこのシステムの利点は，過渡応答性の向上，エンジン排圧低下によるポンプロスの低減，排気側ヒートマス低減によるエンジン始動時の触媒活性化時間の短縮等が挙げられる。
本システムの燃費改善効果を確認するため，1.4L シングルターボガソリンエンジンとの比較を試算した。この結果，排気量を約 20％低減しても，同等以上の定常エンジントルクを維持しつつ，燃費を約８％向上できることが確認できた。また，過渡性能においても，図 16 に示す通り，トルクの立ち上がり時間を約 50％短縮できることが確認できた。このように電動コンプレッサは燃費改善の有効な手段であるといえる。
尚，電動による過給はエネルギーマネージメントが重要である。今後は車載電源性能の向上，高電圧化及びエネルギー回生効率の向上から，電動コンプレッサを使用することに対するエネルギーマネージメント面のハードルは低くなると考えている。また，クールド EGR やミラーサイクル，リーン燃焼等の燃費改善手法との組合せも有効と考える。

図 15 電動２ステージターボシステム図

図 16 過渡応答時間比較|7. まとめ
環境負荷低減へのニーズに応えるターボチャージャとして，各構成要素については，低速度比の性能を向上させたタービン，サージ近傍の効率向上を図ったコンプレッサ，負荷を最適化しロスを低減させた軸受を開発し，また，システムとしてはガソリンエンジン向け VG ターボチャージ
ャ，電動コンプレッサを開発した。これらは，従来のエンジン開発のトレンドであるダウンサイジン
グ・ダウンスピーディング化へよりマッチしたターボチャージャであり，また，今後開発が盛んとなるであろうと予測されるミラー化，クールド EGR と組み合わせエンジンの熱効率改善を狙ったライトサイジングエンジンにも対応可能な技術であり，環境保護へ貢献できるものと考えている。一方，製品化され，世の中に普及してこそ，その道が開けるため，自動車メーカ各社と協業し，本稿に記載した技術の普及に努めていきたい。

参考文献(1) 前田義男：ガソリンエンジン，自動車技術 Vol.70 No.8 P92-100 (2016)(2) 惠比壽幹他：ガソリンエンジンの燃費改善に貢献する可変容量ターボチャージャの開発，三菱重工技報 Vol. 53 No.3（2016）(3) 安乗一他：自動車向け電動２ステージターボシステムの開発，三菱重工技報 Vol. 52 No.1（2015）