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2016.10.13
Corporate Research & Development
自動車用ターボチャージャの流体性能開発
株式会社ＩＨＩ 技術開発本部 総合開発センター
原動機技術開発部 山方 章弘
自動車技術会 2016年度 第2回 講演会
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本講演の内容
Ⅰ. 車両過給機開発の背景
（１） 車両過給機を取り巻く環境
（２） 車両過給機の性能開発における課題 Ⅱ. 車両過給機開発事例
（１） ガソリン車用バイパスバルブ付きタービン
（２） ガソリン車用ツインスクロールタービン
（３） ディーゼル車用可変ノズル付きタービン
（４） ディーゼル車用二段過給システム Ⅲ. まとめ
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Ⅰ. 車両過給機開発の背景
（１） 車両過給機を取り巻く環境
（２） 車両過給機の性能開発における課題
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車両過給機を取り巻く環境 （１）
- 地球温暖化ガス（CO2）削減のため、乗用車には大幅な燃費改善が必要。
過給ダウンサイジング（クリーンディーゼル、直噴ガソリン）
電動化（電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車） 燃費改善のために…
CO2 95g/km≒燃費25km/L
Source : MARKLINES, 2015/2/2
CO2排出量規制（予測）
CO
2 e
mm
issio
n (
g/k
m)
Year
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車両過給機を取り巻く環境 （２）
- 過給機とは？ 過給エンジンのメリットは？
過給による高出力化、高効率化 ⇒ エンジンダウンサイジング化
グローバル（特に欧州）において クリーンディーゼルターボ車、 直噴ガソリンターボ車増
車両過給機の需要が世界的に急増
給気 排気
出力
自然給気エンジン
給気 排気
過給エンジン
圧縮機 タービン
出力Up
軸力
過給機 （ターボチャージャ）
圧縮空気 燃焼ガス
小型化 図出展 ： Wikipedia
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車両過給機を取り巻く環境 （３） 出展 ： 株式会社ＩＨＩ
車両過給機事業説明会資料 ターボチャージャ搭載車の市場予測（全世界）
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車両過給機を取り巻く環境 （４）
- ＩＨＩターボの開発・生産拠点
IHI Turbo America （ITA） イリノイ州 （アメリカ）
IHI Turbo Thailand (ITT)
チョンブリ（タイ）
Wuxi IHI Turbo （WIT） 無錫 （中国）
IHI Turbo Japan （ITJ） 長野県（日本）
IHI 横浜（日本）
ICSI Cernusco
（イタリア）
ICSI Heidelberg
（ドイツ）
ICSG Arnstadt （ドイツ） Changchun FAWER-IHI Turbo （FIT）
長春 （中国）
● 開発拠点 ● 生産拠点
IHI Turbo Korea （ITK） ソウル
Hyundai WIA IHI Turbo （HWIT） ソサン
（韓国）
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車両過給機を取り巻く環境 （５）
- IHIプレスリリース 「ターボチャージャの生産累計台数5,000万台を達成」 http://www.ihi.co.jp/ihi/all_news/2014/press/2015-1-29/
アラン・プロストとアイルトン・セナを擁するマクラーレン・ホンダが 1988年F1で16戦中15勝した際の伝説のエンジンRA168E
（1.5L V6 ツインターボ、IHI製RX-6ターボチャージャを2基搭載）
↓累計5000万台記念イベントでの一コマ（ホンダF1エンジン）
タービン（排気側）
圧縮機（吸気側）
IHI製RX-6 ターボチャージャ
出展 ： Wikipedia
山方→
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車両過給機を取り巻く環境 （６）
↓マクラーレンMP4/4
↓ロータス100T
中島悟
ネルソン・ピケ
アイルトン・セナ
アラン・プロスト
- ホンダ製ターボエンジンを採用していたF1チーム（マクラーレン、ロータス）
この年、アイルトン・セナが初のドライバーズチャンピオンに！ 一方で、マクラーレン・ホンダの圧勝に伴い、翌年からターボ禁止に。
過給圧＆燃費の厳しい制約下での勝利 ⇒ エコと速さを両立した過給エンジン。
出展 ： Wikipedia
↓ドライバー4人のサイン入りパネル
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車両過給機を取り巻く環境 （７）
- ＩＨＩターボのシリーズラインアップ
排気量（L） 0.66 1～1.4 2～2.5 3～4
5 10
RHF5
RHF4
RHF3
RHF55
RHF25
給気量（m3/min）
出力（kW） 47 100 160 200 230
市場が拡大している領域 軽～
小型車用
中型車用
高出力車用
RHG7V
10 20
RHV5
RHF55V
RHF5V
出力 (kW) 100 150 200 300 400 500
RHG8V
RHG6V
30 給気量 (m3/min)
RHVシリーズ （小～中型乗用）
RHFxVシリーズ （大型乗用～小型商用）
RHGxVシリーズ （中～大型商用）
RHV4
RHV3
排気量（L） 0.66 1～1.4 2～2.5 3～4
5 10
RHF5
RHF4
RHF3
RHF55
RHF25
給気量（m3/min）
出力（kW） 47 100 160 200 230
市場が拡大している領域軽～
小型車用
中型車用
高出力車用
RHG7V
10 20
RHV5
RHF55V
RHF5V
出力 (kW) 100 150 200 300 400 500
RHG8V
RHG6V
30給気量 (m3/min)
RHVシリーズ（小～中型乗用）
RHFxVシリーズ（大型乗用～小型商用）
RHGxVシリーズ（中～大型商用）
RHV4
RHV3
ガソリン車用 ディーゼル車用
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車両過給機の性能開発における課題 （１）
～エンジンに求められる要件～ - 実燃費（低速でのトルク）向上。 - 最大出力（カタログスペック）の確保。
～過給機に求められる要件～ - 小流量域での性能改善。 - 最大容量の拡大。
エンジン回転数
低速域 （市街地、頻度高）
トルク
高速域 （高速走行、頻度低）
エンジン回転数 vs. トルク 要求される過給機性能
現状
流量（≒エンジン回転数×排気量）
過給圧
要求
現状
要求
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車両過給機の性能開発における課題 （２）
- 圧縮機性能開発の課題
圧縮機に求められる要件 ： サージマージンの拡大、高周速化による大容量化 小流量域での効率改善
低速域
高速域
流量 圧力比
圧縮機作動線
要改善
エンジン回転数
低速域 （市街地、頻度高）
トルク
高速域 （高速走行、頻度低）
エンジン回転数 vs. トルク
現状
要求
低速域
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車両過給機の性能開発における課題 （３）
- タービン性能開発の課題
エンジントルク
加速応答性
流量
圧力比
タービン作動線
要改善
要改善
高速域
加速時間
効率悪
効率良
効率良＋ 低慣性モーメント
効率
タービンに求められる要件 ： 小流量側での高効率化と大容量化の両立 高効率と低慣性モーメントの両立
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車両過給機の性能開発における課題 （４）
- 過給機の種類とロードマップ
商用車用 可変ノズル（VGS）
コンベンショナル（W/G） 軽自動車用 超小型ターボ （世界最小）
可変圧縮機
電動モーター駆動
乗用車用VGS 切換式２段過給
排気マニホールド一体型 タービン
過給機に求められる要件・・・高効率、広作動域、低イナーシャ、高信頼性、低コスト
低速～高速での燃費＆加速性の両立 ⇒ 可変機構を有すワイドレンジな過給機
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車両過給機の性能開発における課題 （５）
Steady
System
2stage / EGR
Duct / Manifold Integration
Gap / Leakage
Multi-physics
Fluid-Structure Interaction
Vibration / Acoustics
Element
Impeller Scroll
~2000
Component
Compressor Turbine
~2010
Current Unsteady / Transient
Rotor-Stator interaction
Engine pulsation Stall / Surge
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Ⅱ. 車両過給機開発事例
（１） ガソリン車用バイパスバルブ付きタービン
（２） ガソリン車用ツインスクロールタービン
（３） ディーゼル車用可変ノズル付きタービン
（４） ディーゼル車二段過給システム
低速時 （W/Gバルブ閉）
高速時 （W/Gバルブ開）
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ガソリン車用バイパスバルブ付きタービン （１）
- 排気の一部をバイパスさせる機構（Waste Gate）により、過給圧を調整。 - 排気マニホールド一体型ハウジングの採用により、接続フランジ省略。 ⇒ 総重量＆熱容量低減、触媒の活性化促進。
バイパスバルブ付きマニホールド一体型タービン
～技術課題～ - バイパスバルブ等、複雑流路による損失 - 高温ガス下でのタービンハウジングの熱疲労低減
ガスの流れ
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ガソリン車用バイパスバルブ付きタービン （２）
- CFD解析を用いて、排気バルブ周辺の流路を最適化。 - 解析領域 ： ハウジング、W/Gバルブ、翼車を含むタービン全体。 - Frozen rotorを用いた定常解析。
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0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
2.20
2.40
2.60
2.80
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
0.00
0.10
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0.60
0.70
0.80
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1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
2.20
2.40
2.60
2.80
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
解析
ガソリン車用バイパスバルブ付きタービン （３）
- タービン全体性能計測との比較
実測
W/G全閉 半開 全開 CFD解析は、流量、効率特性ともに 実測と良く一致
実設計に十分適用可能 流路形状の改良設計に適用
計測セル搭載状態 ハウジング
タービン
Mass flow parameter G√T/P
Tota
l pre
ssure
ratio π
t Effic
iency η
t
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0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
2.20
2.40
2.60
2.80
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
0.00
0.10
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0.30
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0.50
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0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
1.00
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2.00
2.20
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2.60
2.80
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
ガソリン車用バイパスバルブ付きタービン （４）
オリジナル
改良
W/G全閉 半開 全開
CFD解析を用いて、流路損失低減 効率維持で大幅な大容量化
- オリジナル vs. 改良設計 解析結果比較
大容量化
W/G開時 効率改善
オリジナル
改良
剥離域
入口流路＆ポートR拡大
剥離改善
流線の色は圧力
Mass flow parameter G√T/P
Tota
l pre
ssure
ratio π
t Effic
iency η
t
22 THIS DATA IS THE PROPERTY OF IHI CORPORATION AND AS SUCH, CLAIMS TREATMENT AS A CONFIDENTIAL DOCUMENT. REPRODUCTION, COPYING, TRACING, UTILIZATION FOR PURPOSES OTHER THAN AGREED, DISCLOSURE TO A THIRD PARTY, ARE STRICTLY SUBJECT TO PRIOR WRITTEN AGREEMENT BY IHI.
Ⅱ. 車両過給機開発事例
（１） ガソリン車用バイパスバルブ付きタービン
（２） ガソリン車用ツインスクロールタービン
（３） ディーゼル車用可変ノズル付きタービン
（４） ディーゼル車用二段過給システム
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ガソリン車用ツインスクロールタービン （１）
- 小排気量化 ⇒ 気筒数減、常用域性能 ⇒ エンジン低速域重視。 - エンジンからの排ガスは、従来より間欠的に。
⇒ エンジンからの脈動流を活用したタービン設計の実現。
Twin-scroll
turbine housing
Turbine wheel Thrust bearing
Casing
treatment
Floating
metal
Air
Air
Gas
Gas
ツインスクロールタービン
脈動流を考慮した非定常CFD解析を ツインスクロールタービンの設計に適用
ACCELERATION COMPARISON
SINGLE ENTRY TURBINE
TWIN ENTRY TURBINE
TIME (SEC)
BO
OS
T P
RE
SS
UR
E
INITIAL SPEED: 20km/hTHIRD GEAR
FULL ACCELERATION
53KPa
25%
エンジントルク
加速時間
Single Twin
高速側の特性を犠牲にせず レスポンスを改善
ツインスクロールタービンの効果
過渡エンジンシミュレーション結果
アクセルON
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ガソリン車用ツインスクロールタービン （２）
解析モデル概観
Gas outflow
Twin-entry turbine scroll
Gas inflow
Turbine impeller
Right port Left port
100000
120000
140000
160000
180000
200000
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
900
1000
1100
1200
1300
1400
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03
入口境界条件（全圧＆全温の時間変化）
Tota
l te
mpera
ture
Tota
l pre
ssure
Time
エンジンシミュレーションより脈動波形を算出
Right Left
脈動流を考慮したタービン非定常CFD解析
- 解析方法 ： Frozen rotorを用いたタービン全体（スクロール＋インペラ）解析。 エンジン回転数（～数千rpm） ≪ タービン回転数（十数万rpm～）のため、 ローターの回転による影響は微小（準定常）であると仮定。
- 解析条件 ： 回転数、出口静圧一定で、入口全圧および全温を時間変化。
25 THIS DATA IS THE PROPERTY OF IHI CORPORATION AND AS SUCH, CLAIMS TREATMENT AS A CONFIDENTIAL DOCUMENT. REPRODUCTION, COPYING, TRACING, UTILIZATION FOR PURPOSES OTHER THAN AGREED, DISCLOSURE TO A THIRD PARTY, ARE STRICTLY SUBJECT TO PRIOR WRITTEN AGREEMENT BY IHI.
ガソリン車用ツインスクロールタービン （３）
- 非定常解析により、間欠流が交互に流入する様子をシミュレート。 - 右室／左室からの流入時に、他方の部屋への流れの逆流あり。
マッハ数分布＆速度ベクトル（YZ平面）
Right port
Left port
ハウジング＆インペラ壁圧分布
Turbine impeller
Turbine scroll
(Pa)
27 THIS DATA IS THE PROPERTY OF IHI CORPORATION AND AS SUCH, CLAIMS TREATMENT AS A CONFIDENTIAL DOCUMENT. REPRODUCTION, COPYING, TRACING, UTILIZATION FOR PURPOSES OTHER THAN AGREED, DISCLOSURE TO A THIRD PARTY, ARE STRICTLY SUBJECT TO PRIOR WRITTEN AGREEMENT BY IHI.
ガソリン車用ツインスクロールタービン （５）
シングルエントリー vs. ツインエントリー 脈動流下タービン性能比較
Turbine impeller
Port #1 Port #2
(a) Single-entry T/H (b) Twin-entry T/H
Waste gate valve (Closed)
Port #1 Port #2
解析モデル概観
0.0E+0
1.0E-6
2.0E-6
3.0E-6
4.0E-6
5.0E-6
6.0E-6
0 90 180 270 360 450 540 630 720
700
750
800
850
900
950
1000
1050
1100
1150
0 90 180 270 360 450 540 630 720
Turb
ine inle
t te
mpera
ture
Turb
ine inle
t m
ass f
low
Time
Port #2 Port #1
Port #2 Port #1
タービン入口境界条件
同一のインペラとの組合せで ツインスクロール化の効果を把握
28 THIS DATA IS THE PROPERTY OF IHI CORPORATION AND AS SUCH, CLAIMS TREATMENT AS A CONFIDENTIAL DOCUMENT. REPRODUCTION, COPYING, TRACING, UTILIZATION FOR PURPOSES OTHER THAN AGREED, DISCLOSURE TO A THIRD PARTY, ARE STRICTLY SUBJECT TO PRIOR WRITTEN AGREEMENT BY IHI.
ガソリン車用ツインスクロールタービン （６）
シングルエントリータービン ハウジング壁圧分布
瞬時マッハ数分布＆速度ベクトル Min. flow Max. flow at port #1 Min. flow Max. flow at port #2
Min. flow Max. flow at port #1 Min. flow Max. flow at port #2
29 THIS DATA IS THE PROPERTY OF IHI CORPORATION AND AS SUCH, CLAIMS TREATMENT AS A CONFIDENTIAL DOCUMENT. REPRODUCTION, COPYING, TRACING, UTILIZATION FOR PURPOSES OTHER THAN AGREED, DISCLOSURE TO A THIRD PARTY, ARE STRICTLY SUBJECT TO PRIOR WRITTEN AGREEMENT BY IHI.
ガソリン車用ツインスクロールタービン （７）
ツインエントリータービン ハウジング壁圧分布
瞬時マッハ数分布＆速度ベクトル Min. flow Max. flow at port #1 Min. flow Max. flow at port #2
Min. flow Max. flow at port #1 Min. flow Max. flow at port #2
31 THIS DATA IS THE PROPERTY OF IHI CORPORATION AND AS SUCH, CLAIMS TREATMENT AS A CONFIDENTIAL DOCUMENT. REPRODUCTION, COPYING, TRACING, UTILIZATION FOR PURPOSES OTHER THAN AGREED, DISCLOSURE TO A THIRD PARTY, ARE STRICTLY SUBJECT TO PRIOR WRITTEN AGREEMENT BY IHI.
Ⅱ. 車両過給機開発事例
（１） ガソリン車用バイパスバルブ付きタービン
（２） ガソリン車用ツインスクロールタービン
（３） ディーゼル車用可変ノズル付きタービン
（４） ディーゼル車用二段過給システム
Impeller
Variable
nozzle vanes Shroud
Strut pin Scroll
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ディーゼル車用可変ノズル付きタービン （１）
- 可動するノズルベーンを有す可変容量型タービン。 （IHI呼称 ： Variable Geometry System Turbine）
小流量域から高過給が可能。 大流量域でもバイパス不要。
VGSタービン概観
ワイドレンジな特性を持った過給機 ディーゼル車では必須のデバイス
可変ノズル
～技術課題～ - Off-design点での性能改善。 - ギャップやリークによる性能低下。 - 動静翼干渉による翼共振。
33 IHI000001-003 Copyright © 2007 IHI Corporation All Rights Reserved.
ディーゼル車用可変ノズル付きタービン （２）
- 小排気量化（比出力アップ） ⇒ タービン大容量化 - 低速燃費重視 ⇒ 小流量域での効率改善
現状
流量（≒エンジン回転数）
タービン効率
小流量域でのタービン効率の改善 大流量域でのタービン容量の拡大
インペラ入口速度三角形
要求
CFD解析を駆使し、作動域全体で Well-balanceな性能となるタービンを開発
小流量域
静止系
回転系
極度な正の迎角
大流量域
過大な負の迎角
34 IHI000001-003 Copyright © 2007 IHI Corporation All Rights Reserved.
スクロールCFD解析結果（マッハ数）
0.0
0.4
ディーゼル車用可変ノズル付きタービン （３）
- スクロール形状改良による大流量域での損失低減。
A/R24
改良後 （丸型大スクロール）
A/R19
改良前 （角型小スクロール）
マッハ数低減
大幅な圧損低減
35 IHI000001-003 Copyright © 2007 IHI Corporation All Rights Reserved.
改良前（翼枚数9枚） 改良後（翼枚数10枚）
ノズル・インペラ連成解析結果（エントロピ分布）
ディーゼル車用可変ノズル付きタービン （４）
- 小容量インペラ（羽枚数増＆翼高さ小）による小流量域効率改善。
ノズル小開度での インペラ背側剥離縮小
36 IHI000001-003 Copyright © 2007 IHI Corporation All Rights Reserved.
改良前
改良後
ノズル翼間マッハ数分布
0.0E+00
1.0E-01
2.0E-01
3.0E-01
4.0E-01
5.0E-01
6.0E-01
7.0E-01
8.0E-01
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.0E+00
1.0E-01
2.0E-01
3.0E-01
4.0E-01
5.0E-01
6.0E-01
7.0E-01
8.0E-01
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
改良後
ディーゼル車用可変ノズル付きタービン （５）
- 低損失ノズル翼型による小流量域効率改善。
ノズル圧損
ノズル開度
改良前
小 大
小開度での 損失大幅低減
小開度での急加速緩和
VGSタービン全要素 （スクロール・ノズル・インペラ）
をアップデート
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- 可変機構の導入により、VGSタービンには、多くの段差やクリアランスあり。 - ベーンクリアランス、ストラットピン、鍔構造（スピンドル）がタービン性能に及ぼす影響をCFD解析により抽出。
ディーゼル車用可変ノズル付きタービン （７）
VGSタービン 流路形状
Gas inflow
Gas outflow
Nozzle vane
Impeller
Strut pin
Spindle
Nozzle vane clearance
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Ⅱ. 車両過給機開発事例
（１） ガソリン車用バイパスバルブ付きタービン
（２） ガソリン車用ツインスクロールタービン
（３） ディーゼル車用可変ノズル付きタービン
（４） ディーゼル車用二段過給システム
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ディーゼル車用二段過給システム （１）
- 低圧段（大）と高圧段（小）の２台の過給機を切換。
エンジン 低速域
エンジン 高速域
高圧段（小） 低圧段（大） エンジン
切換型２段過給システム概念図
エンジン回転数
トルク
単段VGS
２段過給
大小２台の過給機の切換により 全域で大幅な出力改善が可能
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ディーゼル車用二段過給システム （３）
- 曲り給気ダクトが付いた場合の圧縮機性能の変化を予測。 - 定常計算、回転部はFrozen rotorを仮定。
直管吸込み
180°エルボー付き
流線の色は圧力
低圧領域
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320000
330000
340000
350000
360000
370000
380000
390000
400000
410000
流入境界 ダクト入口 バルブ入口 E断面 流出境界
Gas from HPT
to LPT
改良前
Gas from HPT
to LPT 改良後
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ディーゼル車用二段過給システム （６）
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- 切換えバルブの全圧損失低減。
Bypass mode (High speed)
HP turbo LP turbo Engine
Bypass valve
Stream line colored by total pressure
High
Low
High
Low
10kPa
Tota
l pre
ssure
Manifold inlet
HPT inlet
Valve inlet
LPT inlet
LPT imp. inlet
圧損70％低減 タービン効率
7pts改善に相当
改良後
改良前 バルブ損失
Total pressure at each station
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Ⅲ. まとめ
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本講演のまとめ
- 近年の過給ダウンサイジングエンジン向け車両過給機開発における技術課題と開発事例を紹介。
- ガソリン車用バイパスバルブ付きタービン - ガソリン車用ツインスクロールタービン - ディーゼル車用可変ノズル付きタービン - ディーゼル車用二段過給システム
- 低速～高速での燃費＆加速性の両立から、可変容量型のワイドレンジでかつ高効率な過給機の開発が進められている。 - 今後は過給機の電動化や回生装置としての活用など電制技術との融合が進み、過給機単体としてではなくシステムとしての性能開発がより一層重要となる。
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ご清聴ありがとうございました。
