三菱重工技報 VOL.43 NO.3: 2006

36

特集論

電動アシストターボチャージャ
ハイブリッドターボ の開発

文

Development of electrically assistedturbocharger, "Hybrid turbo"
茨 木 誠 一＊1

山 下 幸 生＊2

荻 田 浩 司＊4

陣 内 靖 明＊5

Seiichi Ibaraki
Hiroshi Ogita

Yukio Yamashita

住 田 邦 夫＊3

Kunio Sumida

Yasuaki Jinnai

環境保全とドライバビリティーの両立を目指し，自動車用エンジンには高度な制御が要求され，電動化が進展している．ターボチャージャに高速モータ発電機を内蔵した電動アシストターボ，すなわちブリッドターボ

ハイはエンジン低速域ではモータアシストによるレスポンスとトルクの向上，燃焼改善と排ガスの浄化，高速域では余剰排気ガスエネルギーの発電回収による高効率化が図れ，将来のターボチャージャとして期待される．当社ではハイブリッドターボの開発を行い，エンジン試験の結果，従来ターボに比べ，エンジントルク，レスポンスが向上し，その有効性を確認した．

1．はじめに分類できる．一つは従来のターボチャージャに高速にモータ発電機を内蔵したハイブリッドターボであ地球環境保全の世界的な取組みが進み，自動車の排り，図１にシステムを，図２に試作機を示す．従来の気ガス，燃費規制は強化の一途にある．ターボチャー

ターボチャージャは，エンジンの排気ガスで駆動されジャはこれまでディーゼルエンジンの高性能化に用るタービンが同軸のコンプレッサを回し，高圧空気をいられ，現在ではほぼ全てのディーゼル車がターボエンジンに供給する．これにモータ発電機を内蔵するチャージャを搭載している．また，ガソリンエンジン

ことで，排気ガスエネルギーが不足するエンジン低速

でもダウンサイジングによる小型軽量，高効率化の手時はターボをモータアシストし，ターボの弱点である(1)段として，ターボチャージャの適用率が拡大している ．

過渡応答遅れ（ターボラグ）を改善できる．また，エ

近年では環境，運転性能の向上のため，エンジンのンジン高速域では，余剰排気ガスエネルギーを電力と制御はますます多様化しており，これに対応して，タービン容量をエンジン負荷に応じて可変できる VG ター
ボ（Variable Geometry Turbocharger）が急激に普及し( )ている 1 ．また，ハイブリッド自動車に代表されるようコンプレッサに自動車の電子制御化，多様な電気機器の搭載も進ん給気でおり，バッテリ電源の 36 V 化も始まっている．ター
ボチャージャにおいても電子制御アクチュエータの適高速モータ発電機
タービン
排気ガス

インバータ給気用など電動化が進んでいる．更にはパワーエレクトロ

排気ガス

ニクスの進歩により 10 万 rpm 以上の超高速モータ発電

電流電流機が開発され，ターボチャージャとこれを融合したハイブリッド化が可能となった．バッテリ電源の 36 V 化

エンジンが普及すると数 kW 以上の電気負荷が使用できるため，バッテリハイブリッドターボは将来のターボとして期待される．

2．電動ターボの分類

図１

超高速モータ発電機を適用した電動ターボは２種類
＊1

＊4

＊2

＊5

技術本部長崎研究所ターボ機械研究室主席
技術本部名古屋研究所パワーエレクトロニクス･制御研究室＊3
技術本部長崎研究所ターボ機械研究室

ハイブリッドターボのシステム図

エンジンの負荷に応じ，ハイブリッドターボの高速モータ発電機はインバータを介してバッテリと電気の授受を行う．

汎用機・特車事業本部ターボ部ターボ設計課主席
汎用機・特車事業本部ターボ部ターボ設計課

三菱重工技報 VOL.43 NO.3: 200637

エンジンシミュレーションは２L インタークーラー付ディーゼルエンジンを想定し，必要なモータ出力とコンプレッサエンジン性能の関係を推定した．尚，モータ効率はタービン90 ％と仮定し，タービン，コンプレッサは性能試験データを用いた．
シミュレーションの結果を図４に示す．定常特性のエンジントルクは１kW のモータアシストで 50 ％，２kW で 100 ％向上する．また，燃費は１kW のモータアシストで８％，２kW で 12 ％向上する結果が得られた．過渡特性においては，1.3 kW のモータアシ

高速モータ発電機

ストで 50 ％のターボラグ低減，2.0 kW で 70 ％のターボラグ低減が得られた．

図２以上のシミュレーション結果から試作モータの出力ハイブリッドターボハイブリッドターボの試作機外観を示す．コンプレッ
サとタービンの間に高速モータ発電機を内蔵する．

を 2.0 kW とした．
3．2構造と特徴

試作したハイブリッドターボは高速モータ発電機をコンプレッサとタービンの間に配置した構造とした．
モータ発電機を内蔵することで軸長と外径の増加は避高速モータ

けられないが，従来ターボ並みのエンジン搭載性を確保するため，軸受，マグネットロータ（回転子），ステー
タ（固定子）の形状及び配置を工夫し，軸長と外径の増加を極力抑えた．また，タービン，コンプレッサは従来のターボと同じものを使用し，その他の部品も実績ある従来ターボの部品を流用することで信頼性の確保と低コスト化を図った．
モータ発電機のマグネットロータがコンプレッサのコンプレッサ電動コンプレッサして回収し，バッテリへの蓄電または ISG（IntegratedStarter Generator）を介してエンジンのアシストに利用できる．
もう一つは排気ガスを利用しないスーパーチャー
ジャを高速モータで駆動するもので，モータが発生するトルクのみでコンプレッサを駆動し，高圧空気を2.5エンジン出力増加比

電動コンプレッサの試作機外観を示す．遠心コンプレッ
サを高速モータが駆動する．

エンジン熱効率増加比

図３＋100％1.5
1.0＋50％0500

3．ハイブリッドターボの開発
3．1

開 発 目 標ハイブリッドターボの開発目標はエンジンシミュ( )レーションによる性能検討を行い，以下に定めた 2 ．
● エンジン低速域での燃費を 10 ％向上● エンジン低速域でのエンジントルクを 50 ％向上● 加速時のターボラグを 70 ％低減

1 500

2 000

3 000：＋3kW アシスト：＋2kW アシスト：＋1kW アシスト

1.15
1.10＋12％

1.05
1.00

2 500

＋8％
0500

1 000

1 500

2 000

2 500

3 000

エンジン回転数（rpm）
エンジントルク（Nm）

( )

1 000

1.20

エンジンに供給する．図３に遠心コンプレッサと高速モータを組合せた電動コンプレッサの試作機を示す 1 ．

：＋3kW アシスト：＋2kW アシスト：＋1kW アシスト

2.0アシスト−70％−50％300：従来ターボ：＋0.5kW アシスト：＋1.3kW アシスト：＋2.0kW アシスト

200
アシスト開始1000234567時間（s）

図４

エンジンシミュレーション結果

ハイブリッドターボによりエンジン低速でのトルク，熱効率が向上し，レスポンスも改善される．

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背面に位置するオーバーハング軸系であり，軸系の危電気的周波数が基本波で数 kHz に達する．このため，険速度は従来ターボに比べ低下する．そこで，高速回電圧形 PWM で良好な正弦波電流波形を形成するこ

転時の軸振動抑制の効果が高く，かつ，従来ターボでとは困難と考え，試作機では擬似電流形インバータを実績の豊富なフルフロート軸受を採用し，軸受隙間の採用した 2 3 ．この方式は，電流の値と位相の制御がチューニング等により，共振倍率を低く抑え，振動解比較的簡単であり，超高速モータの制御に適している．

析と検証試験で問題の無いことを確認した．

インバータ回路は，電流値を制御する昇降圧チョッパ

3．3

パワーエレクトロニクス

3．3．1( )( )と電流位相を制御する６ステップインバータ回路から超高速モータ発電機構成され，昇降圧チョッパの昇圧と降圧の切換えに超高速モータ発電機には永久磁石同期型を採用しよって力行（モータリング）と回生（発電）の双方向た．小型化のために，ロータの磁石は磁力の強いネオの運転が可能である．また，安定したトルクを発生すジウム系希土類磁石を使用した．ステータの小型化にるために必要なマグネットロータの回転位置検出は，ついては，巻線端部の形状を小さくできる集中巻を採ステータに発生する誘起電圧波形を基に行っており，用した．更に，ロータとステータの間のギャップ（空ホール素子やレゾルバのような外付けの位置検出器は隙）を比較的大きくし，電流変化を妨げる働きをする不要とした．但し，起動時や極低速時においては誘起インダクタンスを低減した．また，超高速モータ発電

電圧が小さく検出が困難なため，開ループで制御を機において特に重要な，ロータの遠心力に対する磁石行っている．

保持にはカーボンファイバ−による補強で対処した．

尚，インバータの電源は一般の乗用車車載バッテリモータ発電機を小型化すると，モータ損失による発の 12 V，商用車用の 24 V，または将来の 36 V への対熱密度が高くなり，冷却が問題となる．冷却が不十分応を想定しているが，先ずはハイブリッドターボ自体であれば，巻線の過度な温度上昇による絶縁劣化やの性能，有効性の確認を優先するため，高電圧でかつ，ロータ磁石の磁力が減少する不可逆減磁などにつなが既存バッテリの整数倍である 72 V とした．

る．特に超高速モータ発電機においては，ロータに発生する渦電流損が無視できず，十分に低減しておく必

3．4

試 験 結 果3．4．1

単体試験結果要がある．試作機では，磁場解析の結果から，ロータハイブリッドターボ試作機の基本性能を確認するた

渦電流損を低減できるステータ形状として６スロットめ，ターボの単体試験を行った 2 ．試験はターボチャー( )( )( )構造を採用した 2 3 ．また，良好な冷却を得るために，ジャのテストベンチで行い，タービン駆動には空気源ステータを強制油冷，ロータを強制空冷している．試を使用した．また，インバータの電源としては長時間作機とステータの外観を図５に示す．の安定した運転と測定のために，72 V 直流安定化電3．3．2

インバータ源を使用した．

永久磁石モータ発電機を駆動するインバータ

表１は試作機のモータアシスト前後におけるターボと し て， 一 般 的 に は 電 圧 形 PWM（Pulse Width

回転数とコンプレッサ吐出圧力比の比較を示す．単体Modulation）インバータが広く用いられている．し試験において，モータは 0.16 Nm（120 000 rpm，２かし，対象としているモータ発電機は超高速であり，kW に相当）の一定トルクに制御した．

高速モータ発電機
タービン

図５

コンプレッサハイブリッドターボの試験状況及びモータステータ外観

エンジン試験中のハイブリッドターボ．モータステータは６スロット集中巻きで低損失小型化を図った．

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モータアシスト前後でのターボ回転数と吐出圧力比の比較
アシスト前40 00081 000100 000

122 000

アシスト後

85 000109 000

121 000

138 000コンプレッサ
吐出圧力比

アシスト前

1.05

1.21

1.33

1.50

アシスト後

1.23

1.41

1.51

1.66

80

1 000

1 100

1 300

ハイブリッドターボと VG ターボのエンジン定常トルク比較

46810124.0s
1.3s

80 00060 000：アシスト有：アシスト無40 000

0246810＠エンジン回転数 : 1 000rpm

60：ハイブリッドターボ：VG ターボ：インバータ出力

5040

1 500
1 000

10500
456時間（s）

100 000

間は 41 ％に低減された．加速後数秒経過すると，タービントルクが支配的となるため，表１に示した定常的

010

3 000
2 500
2 000

アシスト開始80 000

1 500

60 000

1 000

40 000500

20 000よる効果が顕著な加速時に注目すると，ターボ回転数
またコンプレッサ吐出圧が 26 kPa に達するまでの時

9：ハイブリッドターボ：VG ターボ：インバータ出力

120 000

出圧力比の過渡応答の比較を示す．モータアシストに74 000 rpm に達するまでの時間は 33 ％に低減され，

8＠エンジン回転数 : 1 000rpm

140 000
ターボ回転数（rpm）

図６にモータアシスト有無によるターボ回転数と吐7時間（s）

12

モータアシストにより回転数と給気圧の立ち上がり時間が大幅に短縮される．

2 000

200

モータアシスト有無によるターボ回転数と吐出圧力比の過渡応答比較

2 500

アシスト開始30

3 000インバータ出力（W）

2456

7

89インバータ出力（W）

020 000

図６

1 200：アシスト有：アシスト無140 000

0−2

16 ％ 〜 18 ％ トルクが向上
120.6

モータアシストによりエンジン低速時に 16-18 ％のトルク向上が得られる．

160 000
ターボ回転数（rpm）

図７

1.9s

4030
20
10

100 000

142.4

エンジン回転数（rpm）

4.6s

706050120 000

120＋18 ％（＋21.8Nm）

100
900

900−2140

173.3＋16％（＋24.2Nm）
149.1：VG ターボ：ハイブリッドターボ

160

エンジン給気圧力（kPa）

コンプレッサ吐出圧（kPa）

ターボ回転数（rpm）

モータアシスト出力：2 kW

180
エンジントルク（Nm）

表１39010時間（s）

図８

ハイブリッドターボと VG ターボのターボ回転数，給気圧力の過渡応答比較
ハイブリッドターボは VG ターボと同等以上の過渡性能を有する．

な差が残る．
3．4．2

エンジン試験結果

エンジンテストベンチにてハイブリッドターボのエ(2)17 ％のエンジン定常トルクの向上を確認した．この効果は，主に空燃比の増加に起因していると考えられる．

ンジン組合せ試験を実施した ．試験に使用したエン

図８にハイブリッドターボを用いた場合と，VGジンは，２L クラスのインタークーラ付き直噴ディーターボを用いた場合のターボ回転数の過渡応答比較を

ゼルエンジンで，通常は VG ターボが搭載されている．

示す．エンジンの初期状態はハイアイドル状態で，エエンジン試験ではハイブリッドターボは 120 000 rpm

ンジン負荷の上昇と同時に，エンジン出力とハイブ以下で 0.16 Nm の一定トルク制御，120 000 rpm 以上リッドターボのモータ出力を発生させている．ハイブで 2.0 kW の一定出力制御とした．

リッドターボ使用時のターボ回転数の昇速レートは

図７にハイブリッドターボを用いた場合と，VGターボを用いた場合のエンジン定常トルクの比較を示す．エンジン回転数 1 000 rpm，1 200 rpm において約VG ターボ使用時よりも速く，少なくとも VG ターボ同等以上の加速性能が得られることを確認した．

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4．課題と今後の展望
自動車用エンジンにハイブリッドターボを適用することにより，エンジントルクの向上，ターボラグの解消に効果があることが実験的に確かめられた．今後は車載機の開発に向け，次の取り組みを行う．
● 既存の車載バッテリ 12V，24V，または将来普及が予想される 36V 仕様で電気的・熱的に成立する超高速モータ，インバータの技術の確立．
● エンジン，排気ガス後処理装置との組合せで，システムとして最適なハイブリッドターボの制御方式の確立．
● ハイブリッドターボと他の車載電装品が有効に共存

参 考 文 献（1）茨木誠一ほか，三菱重工における過給機の要素開発，日本ガスタービン学会誌 Vol.33 No.4（2005）
p.288（2）Takahashi, I. et. al., A Super High Speed
PM Motor Drive System by a Quasi-Current
Source Inverter, Industry Applications, IEEETransactions, Vol.30 Issue 3（1994）p.683（3）高田陽介ほか，ターボチャージャ用 220 000 r/min−２kW PM モータ駆動システム，電気学会論文
誌 D（産業応用部門誌）Vol.125-D（2005）p.854（4）Y a m a s h i t a , Y . e t a l . , D e v e l o p m e n t o fElectrically Assisted Turbocharger for Diesel
Engine, 8th International Conference onTurbochargers and Turbocharging, IMechE
Paper, p.147

する電源マネジメントシステムの確立．

5．おわりに排気ガス，燃費規制が強化される中，ターボチャージャの新技術として期待されているハイブリッドター
ボの試作試験を行い，その有用性を確認した．超高速モータ発電機の適用製品として，今回主に紹介したハ

茨木誠一

山下幸生

荻田浩司

陣内靖明

イブリッドターボ以外にも，電動スーパーチャージャやそれを応用した燃料電池用電動コンプレッサの開( )発も進めている 1 ．今後もターボチャージャと超高速モータドライブ技術を通して自動車の環境性能と運転する楽しさの追求に貢献していきたい．

住田邦夫