三菱重工技報 VOL.45 NO.3: 2008

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特集論

1 050℃対応小型高性能ターボチャージャの開発

文

Development of Compact and High PerformanceoTurbocharger for 1 050 C Exhaust Gas
松 本 鋼 児＊1Koji Matsumoto林慎之Noriyuki Hayashi＊3東 條 正 希＊2

Masaki Tojo

茨 木 誠 一陣 内 靖 明＊2
Yasuaki Jinnai＊4

Seiichi Ibaraki

世界的な排気ガス規制や燃費規制によって，乗用車用エンジンのダウンサイジングが進み，排気量当たりの出力が増大する傾向にある．ターボチャージャはエンジンの小型高出力化に有効な装置であり，需要が増大するとともに技術的要求も高まっている．特にガソリンエンジンでは燃焼の効率化から排気ガスの温度が上昇傾向にあり，これに対応できるターボチャージャの開発が急務であった．このたび世界最高レベルである 1 050 ℃の高温排気ガス下で稼動できる小型高性能ターボチャージャを開発し客先納入を開始した．

1．はじめが更に増加すると考えられ，また排気ガス温度など，に使用条件が厳しくなることから，この高排温に対応し近年，環境規制対策のために自然吸気式の大排気量エンジンの代わりにターボチャージャ搭載の小排気量たターボチャージャを開発することが急務となっている．

エンジンとし，ほぼ同等のエンジン出力を維持する手

2．ガソリンエンジン向けターボチャージャの特徴

法，いわゆるダウンサイジングが進みターボチャージャの搭載比率が増加している．ガソリンエンジンのガソリンエンジンはディーゼルエンジンより一般的

場合，これまでは高出力のスポーツタイプに搭載されに 200 ℃程度排気ガス温度が高く，ガソリンエンジンるのが主で，ユーザが限られており生産台数もそれほ向けターボチャージャはより高温対応の技術が要求さど多くはなかった．しかしながら近年ガソリンエンジれる．さらに近年の排気ガス規制対応や小型高出力化

ン向けにターボチャージャの需要が増加している．のため排気ガスの温度は上昇傾向にあり，近年では背景として，ガソリン価格の高騰と CO2 規制の強1 050 ℃に達する仕様も出てきた（図２）．
また従来の吸気ポートへの燃料噴射ではノッキング化（図１）とがあいまって燃費向上に対するニーズが( )急速に高まっていることが上げられる 1 ．
今後ガソリンエンジン向けターボチャージャの需要
1 100

200
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
2000

：カリフォルニア州
燃費規制：日本の2015年
燃費規制：EUの燃費規制

201 /km

169.8 /km
161 /km137.5 /km

950
900

120 /km
2005

図１
＊2

1 000

127 /km

2010

850
1995
2015

年代（年）

＊1

1 050
排気温度（℃）

CO2排出量（ /km）

210

CO2 規制値の推移

汎用機特車事業本部ターボ技術部ターボ設計二課長
汎用機特車事業本部ターボ技術部ターボ設計二課

2000

2005

2010

年代（年）

2020

図２
＊3

当社客先におけるガソリンエンジンの排気ガス温度の推移

汎用機特車事業本部ターボ技術部技術戦略グループ主席 工博
術士（機械）＊4
技術本部長崎研究所ターボ機械研究室主席 工博

技三菱重工技報 VOL.45 NO.3: 2008

3の回避のためエンジンの圧縮比は自然吸気式エンジン温度の推定が重要であるため，赤外線温度計を用いてよりも低く設定するのが一般的であったが，直噴エンタービンホイールの回転中の翼面温度を計測した．まジンでは燃料噴霧の気化熱による冷却効果でノッキンた，実機によるタービンホイールの過回転バースト試グが抑制され自然吸気式エンジン並みの圧縮比となっ験，クリープ破断試験を行い，信頼性を検証した．図ている．このことからタービン入口圧力が増大しター

４に排気ガス温度 1 050 ℃，最高回転数でのクリープ( )ボチャージャへの負荷が増加している 2 ．

破断試験後のタービンホイールを示す．タービン後縁

ガソリンエンジン向けターボチャージャの需要増加の翼根部からクリープ破断しており，解析結果の高応が期待できる一方，高温化，高排圧化などの外的要因力部と一致する．従来の Inconel 材製タービンホイーの変化に対して，耐久性を満足するターボチャージャ

ルとの比較試験も行い，MarM 材製が約３倍のクリーを開発することが急務である．耐久性を満足するためプ寿命を有することを確認した．には以下の機能についての評価が重要となる．
● タービンホイールの強度設計● タービンハウジングの強度設計● ウェイストゲートバルブ機構の最適化

これらの点について次章で詳しく述べる．

3．高排気温度対応技術
3．1

タービンホイール破断部拡大

タービンホイールの材質として標準的に用いられて図４いるものは Inconel 材である．Ni 基の耐熱合金であタービンホイールのクリープ破断試験（排気ガス温度 1 050 ℃，最高回転数）．

るが，1 050 ℃では耐クリープ特性が当社の基準を満たさないため同じ Ni 基の耐熱合金でもより強度の高3．2タービンハウジング

い MarM 材を使用することとした．当社ではラリー

タービンハウジングについては排気ガス温度条件よなどの競技用車両のターボチャージャで MarM 材をり許容温度 700 ℃のダクタイル鋳鉄から，1 000 ℃超使用してきたが，市販車に使用するのは今回が初めてまで対応可能なオーステナイト系ステンレス鋳鋼まである．MarM 材は Inconel 材に対し鋳造が難しく，で，客先要求にあった材質を当社では揃えている（図微細な鋳造欠陥が出やすいため，HIP 処理を実施し５）．昨今のガソリンエンジン向けターボチャージャて鋳造欠陥を除去し材質均質化をはかった．HIP 処理

ではオーステナイト系ステンレス鋳鋼を使用しているとは熱間等方圧加圧法（Hot Isostatic Pressing）のものが多いが，高温強度を確保する上で，材料選定以略で，アルゴンなどの不活性ガスを圧力媒体とし，通外にも形状の最適化が必要となる．タービンハウジン

常 100 MPa 以上の圧力と 1 000 ℃以上の温度との相グはエンジンの作動条件により加熱，冷却を繰り返し乗効果を利用して加圧処理する技術である．

受けるため熱疲労による亀裂の発生が懸念される．こ

市販車への適用にあたり，MarM 材の高温引張りれを防ぐために，エンジンの作動条件に対応した過渡強度，クリープ破断試験を行い，材料特性データを補運転条件で排気ガスの流れ解析（図６），排気ガスと完し，タービンホイールの応力解析（図３），クリー

タービンハウジング間の伝熱解析，タービンハウジンプ解析を行った．クリープ寿命評価では翼面の実態グの熱応力解析を合わせて実施して高応力領域を把握

Mises 応力

1 200

高930

低耐熱温度（℃）

1 000
800700750950

1 000

1 1007806004002000

後縁翼根部拡大

図３

タービンホイールの応力解析（Mises 応力）

DUC HiSi DUC SiMo
DUC

図５

D5 フェライト系 オーステナイト系
耐熱鋳鋼
耐熱鋳鋼

タービンハウジング材料と許容温度

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れながら無潤滑でしゅう動するため，特に焼付きに対流速高する信頼性向上が要求される．
今回の開発ではウェイストゲートバルブに使用する材料につき，耐焼付き性を検証するための高温摩擦試

低験を図８に示す試験装置にて実施した．その結果，従来に比べ耐焼付き性に優れる材料組合せを見出した

エキマニ

（図９）．
一方，ウェイストゲートバルブ機構の摩耗を低減するため，機構解析を用いた形状検討を実施した．機構解析モデルを図 10 に示す．本モデルにてバルブに排気脈動相当の変動荷重が作用した際のしゅう動部の摩タービンハウジング

図６

流動解析結果（流速分布）

耗発生の過酷さ（すべり量，荷重）を，機構各部の寸法をパラメータとして計算した．計算結果例を図 11に示す．本解析より，摩耗発生の過酷さを低減できる
熱応力
高寸法を見出し，その結果を製品に適用することで摩耗低減を行った．

低

図７

タービンハウジングの熱応力解析例（a）従来材組合せ

図９（b）実機適用材組合せ

高温摩擦試験後のしゅう動面の状況

バルブシャフト
ジョイント

ブッシュ
レバー

図８

高温摩擦試験装置

図 10

ウェイストゲートバルブの機構解析モデル用に加え，タービンハウジングの構造不連続を無くし，肉厚を均一化することで，亀裂発生を防止している．
3．3

磨耗大

ウェイストゲートバルブ

ウェイストゲートバルブは排気ガスをバイパスさせ磨耗小磨耗発生の過酷さした（図７）．オーステナイト系ステンレス鋳鋼の適ることにより，エンジンに供給する空気の圧力を制御する機構であるが，従来以上に高温の排気ガスに曝さ

図 11

磨耗低減寸法小 中 大寸法 A

小 中 大寸法 B

小 中 大寸法 C

小 中 大寸法 D

機構解析による摩耗発生の過酷さ計算例

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図 12

排気マニホールド一体ターボチャージャ（一体鋳造）

4．小型，高性能化

5

図 13 排気マニホールド一体ターボチャージャ（溶接構造）

し，客先納入を開始することができた ．
今後，熱応力解析やしゅう動部の機構解析を充実さ

ターボチャージャの小型化はエンジンルームのレイせ試作以前に十分に評価し，客先要求の高度化，開発アウトを容易にするため従来から要求があったが，近期間の短縮化に対応していくことを通じて，自動車の年ではエンジン始動時の触媒活性化時間の短縮の点で環境性能と運転する楽しさの追求に貢献していきたもターボチャージャを小型化し触媒に至るまでの排気い．

ガス流路の熱容量を低減することが求められている．
これは触媒が活性化するためにはある程度の高温になる必要があり，排気マニホールドやタービンハウジン
グなど排気ガスの通路で吸収される熱を極力抑えたいからである．このような要求に応えるため当社では排気マニホールドとタービンハウジングを鋳物で一体成型したターボチャージャを供給してきた（図 12）．今参 考 文 献（1） 鶴 原 吉 郎， 欧 州 の 燃 費 規 制，Automotive
Technology, Vol.1（2008）p.122（2）Luttermann, C. et al., BMW High Precision
Fuel Injection Conjunction with Twin-Turbo
Technology: a Combination for Maximum
Dynamic and High Fuel Efﬁciency, SAE Paper
2007-01-1560

回の開発では更なる小型軽量化のため排気マニホールドをステンレスの板材からプレス成型で製作し，鋳造で製作されたタービンハウジングと溶接し一体化する手法を客先とともに開発した（図 13）．排気マニホールド部は二重構造になっており熱容量低減に効果が大
きい．

5．まとめ

松本鋼児東條正希

林慎之

茨木誠一

排気ガス，燃費規制が強化される中，ガソリンエンジン向けターボチャージャの高温排気ガス対応技術を結集し世界最高レベルである 1 050 ℃の高温排気ガス下で稼動できる小型高性能ターボチャージャを開発

陣内靖明