三菱重工技報 Vol.50 No.1 (2013) 新製品・新技術特集

技 術 論 文33

非定常数値解析技術を用いた自動車用ターボチャージャの高効率ツインスクロールタービンの開発．
Development of Twinscroll Turbine for Automotive Turbochargers
using Unsteady Numerical Simulation

大 迫 雄 志 *1

横 山 隆 雄 *2

Katsuyuki Osako

Takao Yokoyama

吉 田 豊 隆 *3星

Toyotaka Yoshida

Toru Hoshi

恵比寿幹 *5

Motoki Ebisu

徹 *4

白 石 隆 *6
Takashi Shiraishi

近年環境問題への意識の高まりとともに，特に自動車業界における排ガス規制対策や低燃費車などの技術開発が盛んになっており，エンジンのダウンサイジングを目的としてターボチャージャの適用が増加している．さらなる低燃費化にはターボチャージャの効率向上が必要であるが，ターボチャージャで用いるラジアルタービンは排気脈動下で作動しており，大きな脈動下では流れの非定常性を強く受け，流動現象の把握と高効率化は困難であった．そこで，当社では非定常数値解析技術を適用して複雑な流動現象を把握し，ツインスクロールの改良によりスクロールと動翼内部の流動を改善することで従来より高効率なツインスクロールタービンを開発した．

|1. はじめに地球環境問題への意識の高まりとともに，自動車の排ガスと燃費に関する規制は年々強化されている．ターボチャージャは圧縮空気をエンジンに送ることで自然給気に比べてエンジン排気量を低減でき，軽量化と摩擦損失の低減等により燃費改善し，CO2 削減に有効である．特に欧州の自動車メーカーでダウンサイジングによる低燃費化が進んでおり，ターボチャージャの搭載率が増加しているためターボチャージャ市場は拡大している．
乗用車用ターボチャージャはタービンがエンジンの排気ガスで回転することで，同軸上の圧縮機羽根車を駆動する．一般的なターボチャージャではシングルスクロールタービンが用いられるが，エンジン低回転数域においては，排気ガス流量が少なく過給圧が低いため，給気の加圧が十分に行われない．このため，詳細は 2.で述べるが，過給圧向上には，ツインスクロールタービンが有効である(1)．
自動車の性能としてカタログに記載されている燃費は各国や地域が決めた一定の走行パターン（テストサイクル）(2)に基づいて計測されており，欧州では 2000 年から導入されたＮＥＤＣ（NewEuropean Driving Cycle：新欧州ドライビングサイクル）(3)を使用している．最近の欧州では，乗用車の燃費や排気ガスの排出量を実走行状態に出来る限り近い状態で計測するためのテストサイ
クルを策定しており，CADC（Common Artemis Driving Cycle）(4)等が将来サイクルとして検討されている．将来のテストサイクルでは，市街地走行を考慮したよりエンジン低回転数域からの加速と減速を繰り返す運転モードの追加が想定されている．そのため，規制クリアのためにこれまで以上にエンジン低回転域での燃費低減が要求される．

*1 技術統括本部横浜研究所 主席研究員*2 技術統括本部長崎研究所 技術士（機械部門）*3 技術統括本部長崎研究所*4 技術統括本部横浜研究所*5 汎用機・特車事業本部ターボ事業部ターボ技術部 主席技師

*6 汎用機・特車事業本部ターボ事業部ターボ技術部

三菱重工技報 Vol.50 No.1 (2013)34

エンジン低回転数域でのさらなる低燃費化のためには，ターボチャージャの高効率化が必要であるが，ツインスクロールタービンは大きな脈動流の非定常性を強く受け，内部流動の分析が非常に困難であり，詳細な内部流動は依然として解明されていない．本報では，非定常数値解
析を用いたツインスクロールタービン効率向上の取組みについて紹介する．

|2. ツインスクロールタービンとは４気筒エンジンと組み合わせた際の一般的なシングルスクロールタービンは図１(ⅰ)に示すような構造となっており，エキゾーストマニホールドがタービン入口上流で集合して排ガスが流路に導入されている．排ガス流量が少ないエンジン低回転数では集合部でタービン圧力比が低くなるため，過給圧が低い．一方，同じ４気筒エンジンと組み合わせた際のツインスクロールタービンは図１(ⅱ)に示すような構造となっており，タービンハウジングの２個のスクロール入口から動翼前縁までの流路がフロント側と，リア側に分割されている．エンジン排気脈動の動圧を有効活用するために４気筒エンジンの場合，燃焼気筒の順序を考慮して，第１気筒と第４気筒の排気管を連結してリアスクロールに排ガスを導入し，第２気筒と第３気筒の排気管を連結してフロントスクロールに導入して，エンジンが２回転する間にフロントスクロールとリアスクロールに交互で且つ間欠的に排ガスが導入されている．ツインスクロールタービンは，流路を分割した効果で圧力比が高くなり，エンジン排気脈動の動圧を有効に活用できるため，エンジン低回転数域においても，シング
ルスクロールタービンよりも過給圧を増大し，エンジンのトルク向上，燃費低減が可能である．

図１ タービンスクロールの形状

図２に排気脈動下のタービン性能比較を示す．同一エンジンにおけるタービン圧力比を図２(ⅰ)に示す．シングルスクロールタービンと比較すると，ツインスクロールタービンは高い圧力比となり，変動が大きくなる．そのため，図２(ⅱ)に示すタービン出力が大きくなる．排気脈動の動圧を有効に出力に変換できるツインスクロールタービンは同じエンジン出力を得る上で高効率を実現できる．

図２ 排気脈動下のタービン性能比較

三菱重工技報 Vol.50 No.1 (2013)35|3. 排気脈動下タービン内部流動現象の分析と改良これまでツインスクロールタービンの解析では図３(ⅰ)に示すような定常作動条件で解析を実施してきた．詳細は 3.3 に示すが，図９(ⅰ)に従来の圧力一定の定常解析での内部流動を示す．
これまでは排気脈動の平均条件で圧力一定の解析を行っていたため，実際にスクロールの交互で間欠的に排気脈動が流入することで起こる内部流動の非定常性が不明であった．そこで，エンジン・ターボの両製品を有する当社の強みを活かし図３(ⅱ)のような排気脈動を模擬した非定常解析を行った．

図３ 流動解析に用いたタービン圧力

図４ 解析格子3.1 数値解析手法と解析条件排気脈動下の非定常現象を分析するため，流動解析（CFD:Computational Fluid Dynamics）を行った．スクロール，タービン動翼を含むタービン全体を解析対象とし，図４に示すようにタービン動翼に 207 万セル，スクロールに 144 万セルの合計 351 万セルの計算格子を使用した．数値流動解析は汎用の三次元粘性流動解析コード ANSYS CFX を使用し，乱流モデルは k-εモデルとした．解析はエンジン低回転数時の 2400rpm（ターボチャージャ 125700rpm）の条件にて実施した．

3.2 排気脈動下タービン運転状態分析
エンジンの排気脈動は２気筒以下では干渉は生じず，３気筒においてわずかな干渉が見られ，４気筒になると，強い排気干渉を生じる．４気筒エンジンとシングルスクロールではこの干渉が生じており，各シリンダの排気効率が低下していると考えられる．一方，ツインスクロールの場合は片側が２気筒に相当するため，排気干渉は生じない．４気筒エンジンと組み合わせた際のツインスクロールの排気脈動を図５に示す．ツインスクロールの運転状態を分析すると出力が大きいエン
ジンクランク角ではほぼ部分送入であり，完全な全送入は脈動が切り替わる一瞬に過ぎないことが分かる．すなわち，ツインスクロールの性能を評価する上で，最も重要なのは部分送入である．

図５ ツインスクロールの排気脈動（４気筒）三菱重工技報 Vol.50 No.1 (2013)36

3.3 排気脈動下タービン内部流動現象の分析
従来の形状ではリア側送入時とフロント側送入時のサイクル平均タービン効率を解析により比較すると，リア側送入時の方が低いことが分かった．リア側送入時のタービン効率が低下する要因を把握するため，リア側送入時の内部流動損失構造に着目した．
図６にリア側から排ガスが流入する際のタービン内部損失分布を示す．時間の経過に伴いスクロールで損失が生成され，生成された損失はスクロール周方向の下流側に流れ，動翼内を出口に向かって伝搬している．また，時間が経過すると未送入のフロント側スクロール損失が大きくなっていることが分かった．
リア側送入時に未送入のフロント側スクロールで損失が大きい要因を分析するため，リア断面とフロント断面の内部流動を確認した．図７にリア側から送入する際（図３(ⅱ)(a)）の主流が流れる断面と未送入側の断面の損失分布と流速分布を示す．未送入側で漏れ領域があり，大きな損失となっていることが分かった．ツインスクロールでは間欠的に排気脈動がスクロールに入るため，フロント側とリア側相互のスクロールでは圧力差が発生し，その影響で低圧のスクロールへの漏れ流れが発生すると考えられる．低圧側に漏れ出た流れはしばらくスクロール内を流れるが，その後動翼に入り込み，この際に損失となり，効率低下を招く．
図８にリア側から排ガスが流入する際（図３(ⅱ)(a)）のタービン動翼内部の損失分布を示す．
図中で横軸は時間の経過，縦軸は断面の高さ方向位置を示している．時間の一コマは２ピッチ分（60 度回転）間隔である．動翼上流側のα断面において損失がスクロール舌部から 60 度付近に生成されており，時間経過と共に周方向に伝搬して，ε断面では舌部から-60 度付近での損失領域が大きくなっている．これはスクロール舌部での流動歪みによる損失であり，シングルスクロールにおいても同様の損失構造となっている．また，α断面において従来シングルスクロールでは見られなかった動翼ハブ側で損失が生成されていることが分かった．

図６ リア側送入時(a)のタービン内部流動

三菱重工技報 Vol.50 No.1 (2013)37

図７ リア側送入時(a)のタービンスクロール内部流動

図８ リア側送入時(a)のタービン動翼内部流動

リア側送入時に動翼ハブ側で生成される損失要因を把握するため，タービン動翼の周方向一定断面における内部流動を確認した．リア側から送入する際（図３(ⅱ)(a)）のタービン周方向一定断面の内部流動を図９(ⅱ)(a)に示す．リア側スクロールのスロート部から流出した流れが動翼シュラウド側に向かっており，動翼ハブ側で剥離していることが分かった．
一方でフロント側から送入する際（図３(ⅱ)(b)）のタービン周方向一定断面の内部流動を図９(ⅱ)(b)に示す．フロント側送入時はリア側送入時に見られた動翼ハブ側での剥離は確認できな
い．フロント側スクロールのスロート部から流出した流れが動翼ハブ側に向かっており，動翼シュラウド側で剥離しているが，リア側送入時と比較すると剥離の大きさは小さい．このため，フロント側送入時の効率低下量はリア側送入時と比較すると小さい．これまでの脈動の平均圧力一定全送入の解析では内部の流動損失は不明だったが，非定常解析を実施したことにより排気脈動下ではフロントスクロールとリアスクロールに交互で間欠的に排気脈動が流入するため，動翼内部で三菱重工技報 Vol.50 No.1 (2013)38

剥離損失が生じ，この損失が動翼出口まで移送されて効率低下の要因となっていることが分かった．

図９ タービン周方向一定断面の内部流動

3.4 動翼内部剥離とスクロール漏れ流れに着目した改良
前述の内部流動現象の中からスクロール内の未送入側への漏れ流れと動翼内剥離に着目してツインスクロールタービンの改良を行った．リア側から送入する際（図３(ⅱ)(a)）の未送入側漏れ流量の比較を図 10 に示す．従来型では多かった周方向 90 度付近での漏れ流量が新型ツインスクロールは低減でき，流動が改善されている．

図 10 従来型と新型のリア側送入時(a)フロント側断面の漏れの比較

三菱重工技報 Vol.50 No.1 (2013)39

次に，リア側から送入する際（図３(ⅱ)(a)）の従来型と新型ツインスクロールでのタービン動翼内部流動の比較を図 11 に示す．図 11(ⅰ)の流速分布を従来形状ツインスクロールと比較すると，ハブ側での低速領域が縮小しており，リア側送入時の剥離が抑制された．図 11(ⅱ)の 90％スパン断面損失分布を比較すると，シュラウド後縁側での損失が小さくなっている．シュラウド後縁側での損失は動翼ハブ側で発生した損失が伝搬し，生成されているため，動翼内部剥離の流動が改善されていることが分かる．
図 12 にタービン効率比較を示す．１サイクルでの効率を比較すると，特にリア送入時の効率が向上したことにより，平均効率が 1.9％向上する結果となった．

図 11 従来型と新型のリア側送入時(a)タービン動翼内部流動の比較

図 12 従来型と新型のタービン性能の比較

三菱重工技報 Vol.50 No.1 (2013)

40|4. 課題と今後の展望
排気脈動下のツインスクロールタービン内部流動損失を抑制することで，タービン高効率化の目途を得た．今後は，エンジン台上での性能試験を実施し，効果確認を行う予定である．さらに，排気脈動下のタービン内部流れは非常に複雑であるため，非定常数値解析を検証する非定常実験データを計測し，解析精度向上に努めたい．また，小型エンジンにツインスクロールターボを適用するために製造性を考慮した形状の最適化を推進したい．

|5. まとめ
排気ガス，燃費規制が強化される中，ターボチャージャの効率を向上させるため非定常数値解
析技術を適用して，高効率ツインスクロールタービンを開発した．本ツインスクロールタービンにより，エンジン低回転数域でも過給圧を増大し，エンジントルク向上，燃費低減に寄与できる．エン
ジンの排ガスと燃費に関する規制は将来も厳しくなると予想され，ターボチャージャ高効率化への要求は留まることはないと思われる．今後も，高効率なターボチャージャ開発を通して環境性能の向上に貢献していきたい．

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 (2004-1) P40～41(2) DieselNet, Summary of worldwide engine and vehicle test cycles, 2012

http://www.dieselnet.com/standards/cycles/#eu(3) DieselNet, Emission Test Cycles ECE +EUDC/NEDC, 2000

http://www.dieselnet.com/standards/cycles/ece_eudc.php(4) DieselNet, Emission Test Cycles Common Artemis Driving Cycles (CADC), 2011

http://www.dieselnet.com/standards/cycles/artemis.php