三菱重工技報 Vol.52 No.1 (2015) 新製品・新技術特集

技 術 論 文76

自動車向け電動２ステージターボシステムの開発
Development of Electric Two-stage Turbocharging System for Automobile

安秉 一 *1

柴 田 直 道 *2

Byeongil An

Naomichi Shibata

鈴 木 浩 *3

恵比寿Hiroshi Suzuki

Motoki Ebisu

幹 *4

世界各国で厳しくなる環境規制の対応策として，過給によるエンジンのダウンサイジング化が進んでいる。また，大量 EGR(Exhaust Gas Recirculation)，ミラーサイクル，リーン燃焼等の適用により，更なる燃費改善が期待されている。ドライバビリティを犠牲にすることなく，燃費を改善させるためには，ターボの大幅な効率アップと高過給化が必須となる。当社は，高過給化及び，過渡応答性改善によるドライバビリティの改善と燃費改善の両立を実現させるため，電動２ステージターボシステムを開発した。

|1. はじめに年々強化されるエンジンの燃費改善及び排出ガス改善の対策として，過給によるエンジンのダウンサイジング/ダウンスピーディング化が進んでいる。CO2 排出規制が最も厳しい欧州を中心に直噴＋過給によるダウンサイジングが進展し，他地域でもターボ装着率が上昇する原動力となっている。ディーゼル車では 2021 年の CO2 規制，排出ガス規制の基準を達成する見込みであるが，ガソリン車では過給ダウンサイジングを適用した低燃費車でもその基準に未達であり，更なる追加策が必要である。また，2017 年以降，欧州で世界統一試験サイクル WLTC(Worldwideharmonized Light duty driving Test Cycle)の採用が予定されており，実際の走行状態を想定した新規制が検討されている。その対応には，ターボのロバスト性，制御性の改善と共に，更なる高過給圧，高レスポンス化が必要となる。
従来の排気ターボでは，ターボのタイムラグや EGR の遅れ等があり，適切な制御が難しくなる。
最近，従来の排気ターボに加えてモータの高速応答性をいかした電動ターボのアシストにより，大幅なエンジンダウンサイジングによる燃費改善と過渡応答性改善の両立ができることから，その実用化が期待されている。(1)
今回紹介する電動コンプレッサは，既存の 12V 電源系で，モータの最高出力 3kW，最高回転数９万 rpm の高効率モータとインバータを一体形状として開発した。また，従来の排気ターボと組合せた電動２ステージターボシステムとして評価試験を実施し，エンジンの要求スペックを満足し，かつ十分な耐久性を確認した。さらに，量産化に向けて展開中の技術について紹介する。

*1 機・設ドメイン自動車部品事業部ターボ技術部主席 工博 *2 機・設ドメイン自動車部品事業部ターボ技術部*3 機・設ドメイン自動車部品事業部ターボ技術部課長*4 機・設ドメイン自動車部品事業部ターボ技術部主席

三菱重工技報 Vol.52 No.1 (2015)77|2. 電動コンプレッサの特徴
電動コンプレッサの開発にあたり，既存の車両システムへの適用性を考慮して，以下のコンセプトで開発を行った。
・ 使用する電源系は，従来の DC12V 仕様とする。
・ コンプレッサ，モータ，インバータを一体形状とする。
・ 最高９万 rpm まで運転可能な高速モータを開発する。
・ 高速モータは低騒音で停止からの起動が可能な仕様とする。
・ 冷却のための別置きファンや冷却装置を使用しない。
今回開発した電動コンプレッサは，従来の排気ターボとの組合せにより，エンジン低速性能の改善，ターボラグの解消による過渡応答性の改善を主な目標とした。図１に電動コンプレッサの写真と仕様を示す。電動コンプレッサは，コンプレッサ部，モータ・インバータ部，内部のカートリッジアッセンブリ部で構成される。ボール軸受はグリース潤滑式であり，コンプレッサホイールと高速モータの回転子を支持している。また，モータ・インバータと軸受の発熱による温度上昇を抑えるため，冷却フィンを設け空気で冷却した。電動コンプレッサの仕様は通常の 12V 電源系で動作することとし，最高モータ出力 3kW，最高回転数９万 rpm，最高回転数までの到達時間 0.6 秒とした。(2)モータ最大出力

3.0kW

最大電流値

250Arms

最高回転数90 000rpm

レスポンス＜0.6 s

圧力比1.6流量＜0.1 ㎏/s

図１ 電動コンプレッサの写真と仕様|3. 電動 2 ステージターボシステムの開発
欧州を中心にガソリンエンジンの過給ダウンサイジングによる燃費改善が進められている。今後更なる燃費改善を狙うためには燃焼効率改善が必要であり，より高い過給圧が求められるが，ノッキングリミットの制限と排ガスエネルギの低下を招き，今まで以上に高い過給効率が求められる。
電動２ステージターボシステムの開発にあたり，既存の２ステージ過給システムとの比較検討を行い，今後のガソリンエンジンの過給システムとしての有効性を評価した。図２に２ステージ過給システムの比較結果を示す。低速性能と過渡応答性の改善及び搭載性の自由度から電動コンプレッサと従来の排気ターボと組合せた電動２ステージターボシステムが最も有効である。

3.1 電動２ステージターボシステム構造
図３に電動２ステージターボシステムの概略図を示す。この電動２ステージターボシステムは，電動コンプレッサ，ウェイストゲートターボ，バイパスバルブ等で構成される。今回開発した電動コンプレッサは他社の SR（Switched Reluctance）モータに比べ，磁石モータを使用し，低騒音で高効率・高速対応を可能にした。(3)また，過渡時に停止から起動ができることから，アイドリングによる電流のロスがなく燃費にも有利となる。表１には電動コンプレッサの配置による得失の比較を示す。電動コンプレッサの配置（レイアウト１，２）によるメリット，デメリットはあるものの，車両側のレイアウト要求に応じ適切な配管対応が可能である。当社は，電動コンプレッサの連続運転時間，搭載性の自由度の観点から低圧段配置のレイアウト１を推奨する。

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２ステージターボ機械式過給機(S/C)

電動コンプレッサ(ターボ＋ターボ)

＋ターボ

＋ターボ

定常性能

000

過渡性能

0++

++

0 ： ２ステージ
ターボがベース

燃費

0++＋： 優

背圧

0++

搭載性

0-+

熱負荷

0++

重量

0-00--

コスト
特記事項-・ エンジン冷間始動時 ・ クラッチ及びエンに触媒温度へ影響－： 劣

ジン改造が必要・運転時間の制限
・配置の自由度

図２ ２ステージ過給システムの比較

図３ 電動２ステージ過給システムの概略図
表 １ 電 動 コン プ レ ッ サ 配 置 に よ る得 失 の 比 較
レイアウト１レイアウト２レイアウト３レイアウト

メリット
デメリット

・車両搭載の自由度向上
・連続運転時間の増加
・若干トルク低下

・トルク向上・連続運転時間の低下

・最大トルク・連続運転時間の低下
・コストアップ

3.2 電動２ステージターボシステムの信頼性評価
図４にエンジン台上の試験装置を示す。本実験で使用されるエンジンは，最高トルク 230Nm，最高出力 113kW の 1.5L ガソリンエンジンである。図５はエンジン回転数 1500rpm での過渡応答の比較を示す。また，図６には過渡時のエンジン排圧の比較を示す。エンジン回転数 1 500rpm において，電動２ステージターボは従来の２ステージターボに比べ，43％のレスポンスが改善した。
図６から電動２ステージターボは，従来の２ステージターボに比べ，エンジンの排圧が約 70％改善することが分かった。エンジンの排圧が改善されることにより，筒内の残留ガスが減少するた
め，ノック限界の改善ができる。また，ポンピングロスや燃焼不安定性の改善にも効果がある。さらに，ウェイストゲートターボと比較し，排圧同等で大幅なエンジントルクの改善が可能であることか三菱重工技報 Vol.52 No.1 (2015)

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ら大量 EGR による燃費改善とドライバビリティ改善に貢献できる。図７には，エンジン冷間始動時の排気温度上昇の変化を示す。試験条件は，エンジンの冷間始動を模擬し，エンジン回転数2 000rpm，トルク 40Nm において，アイドリング 50 秒を含め 500 秒とした。この結果から電動２ステージターボは，従来の２ステージターボに比べて排気温度が約 100℃高く，エンジン冷間始動時に素早く排温を高めることができ，触媒の活性化に有効であることを確認した。電動コンプレッサ/
電動２ステージターボシステムの耐久評価試験を実施し，その結果を図８にまとめた。電動コンプレッサは，エンジンのオルターネータとスタータの評価スペックを基準とし，耐久評価を実施した。
また，電動２ステージターボシステムは，エンジン台上のシステムとして，耐久評価を行った。その結果，乗用車の耐久条件をクリアし，各エンジンメーカの評価用として展開中である。

図４ エンジン台上の試験装置

図５ 過渡応答性の比較

図６ エンジン排圧比較

図７ エンジン冷間始動時の排温比較

試験項目

試験条件と結果

急加減速サイクル耐久試験
・乗用車用の走行耐久モードのクリア
ランダムサイクル耐久試験
・動作モード：過渡条件
振動耐久試験

・ランダム振動条件（３方向）・車載搭載条件のクリア

低温，高温作動試験

・試験温度（低温⇔高温）・特に問題なし

熱衝撃耐久試験・1.5L ガソリン エンジン
エンジン台上のサイクル耐久

・低速（電動 On）⇔高速（電動 Off）
・耐久目標クリア

図８ 信頼性耐久評価の結果

試験装置

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3.3 電動２ステージターボのシミュレーション評価
エンジンシミュレーションツールとして広く適用されている GT-Power を用い，エンジンの過渡応答性及び LPL(Low Pressure Loop) EGR 導入時の燃費改善の効果を比較した。さらに，車両シミュレーションモデルを用い，モード燃費シミュレーションを実施し，電動２ステージターボシステムの最適な制御手法について検討を行った。GT-Power シミュレーションによる電動２ステージター
ボ付きエンジンのダウンサイジング効果を調べた。図９にそのエンジンのダウンサイジング効果を示す。この図は，ウェイストゲートターボと電動２ステージターボ付きエンジンの過渡応答時間とエンジントルクの関係を示す。電動２ステージターボ付き 1.1L ガソリンエンジンの場合，ウェイストゲートターボ付き 1.5L のガソリンエンジンに比べて，定常性能を維持し過渡応答性が 42％改善した。この結果から電動２ステージターボは過渡応答性を維持しながらも，エンジン排気量 1.1L まで小型化が可能であることが確認できた。図 10 は EGR による過渡応答性の比較結果を示す。
1.5L ガソリンエンジンにおいて，EGR なしのウェイストゲートターボ付きガソリンエンジンを基準として，EGR10％の場合，エンジントルクが 19％低下した。一方，電動２ステージターボ付きガソリンエンジンは EGR なしの場合，48％トルク改善，EGR30％でも 17％トルク改善を示した。この結果から
電動２ステージターボの場合，過渡時の EGR 適用が可能であり，過渡応答性を改善しながらも大幅な燃費改善が可能であることが分かった。自然過給ガソリンエンジン(NA)，ウェイストゲートターボ付きガソリンエンジン(WG T/C)，電動２ステージターボ付きガソリンエンジン(E-2stage)の車両モデルを構築し，自動車走行モードである日本の JC08 モード ，アメリカの LA４モードを走行した場合の燃費を比較した。その比較結果を図 11 に示す。その結果，ガソリン 2.0L 自然吸気エンジンに対し，ガソリン 1.6L ウェイストゲートターボ付きエンジンで約 10％燃費改善，電動２ステージターボ付きガソリン 1.2L エンジンでは約 30％燃費改善が確認できた。エンジンの過給ダウンサイジ
ング効果により排気量が小さくなり，摩擦損失，熱損失，ポンピング損失，排気エネルギー損失が改善したことにより，JC08 モード，LA4 モード走行では燃費が改善した。2017 年以降，欧州中心に採用予定の WLTC モードは，より実際の走行状態を想定し，全体車速が高くより高負荷で加減速が多いので，更なる燃費改善が期待できる。

図９ エンジンダウンサイジングの効果（GT-Power 計算）

図 10 EGR による過渡応答性の比較（GT-Power 計算）

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図 11 車両のモード燃費比較（JC08，LA4 モード）

|4. まとめ
現行の 12V 電源仕様の高効率・高速モータを開発し，排気ガスが少ないエンジン極低速での過給圧改善と EGR 適用による燃費改善が可能になった。また，従来の排気ターボと組合せた電動２ステージターボシステムでは，エンジンの評価試験と車両シミュレーションの両面からドライバビリティ改善と共に大幅なエンジンのダウンサイジングによる更なる燃費改善が確認できた。さらに，電動２ステージターボシステムとして耐久信頼性も確認できたことから，今後の市場展開を通じて，事業拡大と環境規制強化への対応に大いに貢献していきたい。

参考文献(1) 山下ほか，自動車用エンジンのダウンサイジングに貢献する電動スーパーチャージャの開発，三菱重工報 Vol.47 No.4 (2010)(2) Byeongil， A. et al.， “Development of Two-Stage Turbocharger System with Electric Supercharger”，
2012 FISITA World Congress， F2012-A01-026.
(3) Kazuwaki ， N. A. et al. ， “ Development of High Speed Motor and Inverter for ElectricSupercharger”，2013 SAE World Congress，doi:10.4271/2013-01-0931.