自動車用過給機のワイドレンジ遠心圧縮機の開発,三菱重工技報 Vol.49 No.1(2012)

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1 新 製 品 新 技 術 特 集 技 術 論 文 69 自 動 車 用 過 給 機 のワイドレンジ 遠 心 圧 縮 機 の 開 発 Development of a Wide Operating Range Centrifugal Compressor for Automotive Turbochargers *1 茨 木 誠 一 *2 冨 田 勲 Seiichi Ibaraki Isao Tomita *3 惠 比 寿 幹 *4 白 石 隆 Motoki Ebisu Takashi Shiraishi 地 球 環 境 保 全 のため 自 動 車 の 排 気 ガス, 燃 費 規 制 が 強 化 され,エンジンのダウンサイジングを 目 的 として 過 給 機 の 適 用 が 増 加 している. 特 に 近 年 では 可 変 容 量 過 給 機 が 普 及 しており,これに 対 応 して 広 範 囲 で 安 定 して 作 動 する 過 給 機 用 遠 心 圧 縮 機 が 求 められている. 遠 心 圧 縮 機 の 内 部 流 動 は 複 雑 な 三 次 元 非 定 常 流 れであり, 流 動 現 象 の 把 握 と 作 動 レンジ 拡 大 は 困 難 であった. そこで, 当 社 では 実 験 技 術 と 数 値 解 析 技 術 を 適 用 して 複 雑 な 流 動 現 象 を 解 明 し, 羽 根 車 の 翼 端 漏 れ 流 れを 制 御 することで 従 来 より 広 い 作 動 レンジを 有 する 遠 心 圧 縮 機 を 開 発 した. 1. はじめに 地 球 環 境 保 全 の 世 界 的 な 取 組 みが 進 み, 自 動 車 の 排 気 ガスと 燃 費 に 関 する 規 制 は 強 化 の 一 途 にある.これに 対 し, 過 給 機 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 及 び 機 械 損 失 の 低 減 などによる 燃 費 改 善 と CO 2 削 減 に 有 効 である.こ のため, 近 年 エンジンの 作 動 状 態 に 合 わせて 過 給 圧 を 制 御 する 可 変 容 量 過 給 機 が 普 及 してお り,これに 対 応 して 広 範 囲 の 作 動 条 件 で 安 定 して 作 動 できる 過 給 機 用 遠 心 圧 縮 機 が 求 められて いる. 乗 用 車 用 過 給 機 は 図 1に 示 すような 構 造 となっており,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. 羽 根 車 で 圧 縮 され 増 速 した 空 気 はディフューザ で 減 速 することで 昇 圧 し,スクロールを 経 てエンジンに 供 給 される. 図 1 乗 用 車 用 過 給 機 *1 技 術 統 括 本 部 長 崎 研 究 所 室 長 工 博 技 術 士 ( 機 械 部 門 ) *2 技 術 統 括 本 部 長 崎 研 究 所 *3 汎 用 機 特 車 事 業 本 部 ターボ 事 業 部 ターボ 技 術 部 課 長 *4 汎 用 機 特 車 事 業 本 部 ターボ 事 業 部 ターボ 技 術 部

2 70 この 遠 心 圧 縮 機 は, 流 量 が 減 少 すると 系 全 体 の 脈 動 であるサージング 現 象 が 発 生 し, 作 動 限 界 となる. 遠 心 圧 縮 機 の 作 動 レンジを 拡 大 するには,サージングが 発 生 する 限 界 流 量 を 低 減 する 必 要 があるが,サージング 付 近 の 流 動 現 象 は 複 雑 かつ 非 定 常 であり, 内 部 の 詳 細 な 流 動 構 造 は 不 明 であった (1). 本 報 では, 圧 力 変 動 計 測 と 非 定 常 数 値 解 析 を 用 いたサージング 付 近 の 非 定 常 (2)(3) 流 動 現 象 の 解 明 と,それに 基 づいて 開 発 したワイドレンジ 遠 心 圧 縮 機 について 紹 介 する. 2. 実 験 及 び 流 動 解 析 手 法 2.1 研 究 対 象 表 1に 従 来 形 と 新 形 圧 縮 機 の 羽 根 車 及 び 主 要 諸 元 を 示 す.これらは 乗 用 車 用 過 給 機 に 用 いら れる 圧 縮 機 で, 羽 根 車 は 翼 出 口 が 回 転 方 向 に 逆 向 きに 傾 斜 した 後 方 湾 曲 オープン 形 となってい る. 従 来 形 羽 根 車 では, 長 翼 5 枚 に 加 え 圧 力 比 向 上 のため 同 数 の 短 翼 を 配 置 している.これに 対 し 新 形 羽 根 車 は, 長 翼, 短 翼 ともに4 枚 である. 図 2に 示 す 性 能 特 性 図 は 回 転 数 ごとに 流 量 と 圧 力 比 の 関 係 を 示 しており, 遠 心 圧 縮 機 の 作 動 レンジはチョーキングによる 大 流 量 限 界 とサージン グによる 小 流 量 限 界 で 規 定 される. 横 軸 は rpm のチョーク 流 量 で 無 次 元 化 しており, 等 高 線 で 示 す 効 率 は 従 来 形 圧 縮 機 の 最 高 効 率 で 無 次 元 化 している. 従 来 形 圧 縮 機 は 圧 力 比 2.2 以 上 でサージ 流 量 が 増 加 して 作 動 レンジが 縮 小 するが, 新 形 圧 縮 機 は 圧 力 比 2.2 以 上 でも 広 い 作 動 レンジを 維 持 できていることがわかる. 従 来 形 圧 縮 機 の rpm の 圧 力 流 量 特 性 において, 小 流 量 側 で 非 定 常 現 象 が 発 生 する 右 上 がり 勾 配 の 領 域 が 存 在 するが, 新 形 圧 縮 機 では 全 領 域 で 圧 力 流 量 特 性 が 安 定 した 右 下 がり 特 性 になり, 圧 力 比 2.5 の 作 動 レンジが 130% 拡 大 した. 本 報 では, 従 来 形 圧 縮 機 と 新 形 圧 縮 機 で 特 性 の 違 いが 顕 著 な rpm での 現 象 について 述 べ る. 表 1 主 要 諸 元 従 来 形 新 形 長 翼 5 4 短 翼 5 4 入 口 外 径 39.5mm 37.1mm 出 口 外 径 50.0mm 49.6mm ディフューザ 外 径 71.5mm 71.5mm 図 2 遠 心 圧 縮 機 の 性 能 特 性 2.2 圧 力 変 動 計 測 手 法 非 定 常 現 象 を 把 握 するため, 図 3に 示 すように 高 応 答 圧 力 センサを 羽 根 車 の 上 流 3mm とディ フューザ 内 ( 羽 根 車 外 径 D 2 の 1.1 倍 の 位 置 )に 設 置 した. 圧 力 センサはそれぞれ 周 方 向 に2 点 設 置 し, 圧 縮 機 内 に 発 生 した 擾 乱 を 感 知 する 時 間 差 から 擾 乱 の 非 定 常 挙 動 を 分 析 した. 長 翼 及 び 短 翼 通 過 による 圧 力 変 動 周 波 数 (BPF:Blade Passing Frequency, 回 転 数 N 翼 枚 数 Z(Hz))は 従 来 形 圧 縮 機 で 26.7kHz, 新 形 圧 縮 機 で 21.3kHz であることから, 圧 力 変 動 計 測 のサンプリング 周 波 数 は1MHz とし, 長 翼 と 短 翼 間 を 35 点 以 上 計 測 した.サージング 付 近 では 流 動 現 象 が 不 安 定 になり, 剥 離 領 域 が 羽 根 車 よりも 遅 い 速 度 で 回 転 する 旋 回 失 速 現 象 が 発 生 することが 知 られてい る.そこで, 旋 回 失 速 現 象 をとらえるためローパスフィルタを 用 いて3N(Hz) 以 下 の 周 波 数 変 動 も 抽 出 した.

3 三菱重工技報 Vol.49 No.1 (2012) 数値解析手法 非定常現象を再現するため 数値流体力学 CFD Computational Fluid Dynamics を用いて解 析を行った 羽根車 ディフューザ スクロールを含む圧縮機全体を解析対象とし 図４に示すよ うに羽根車に 247 万セル ディフューザに 41 万セル スクロールに 25 万セルの合計 313 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 図３ 圧力変動計測位置 図４ 解析格子 3. 失速現象の解明と改良 3.1 圧力変動計測結果 図５に従来形圧縮機での圧力変動計測結果を示す 図５(a)はピーク圧力点での結果であり 羽根車の圧力変動波形はおよそ羽根車の 0.7 回転分の時間に相当する 0.25ms 間を示す 翼通 過による圧力変動波形が明確に捕らえられており 各翼の圧力波形は同等である ローパスフィ ルタ波形は羽根車の 13 回転分の時間に相当する５ms 間を示している この作動点では 旋回失 速などの低周波数の現象は発生していないことがわかる ディフューザでの圧力変動波形でも長 翼と短翼通過による変動以外に目立った現象は確認できない 図５(b)には小流量作動点での圧 力変動波形を示す 羽根車のローパスフィルタ波形において 低周波数の不安定現象が発生し ていることがわかる また ディフューザの圧力変動においても羽根車の翼通過に相当する圧力 変動が判別しづらくなっており 不安定現象がディフューザに及んでいると考えられる 図５ 圧力変動計測結果 従来形 小流量作動点での羽根車のローパスフィルタ波形を詳細に分析した結果を図６に示す 圧力 センサ１とセンサ２は 30 離して設置しており センサ１で低周波数の擾乱を検知してからセン サ２で擾乱をとらえるまでの所要時間は 0.05ms である この擾乱が 360 移動するには 0.05ms

4 /30 =0.60ms 必 要 となり, 実 際 に 0.60ms 後 に 同 様 の 擾 乱 がセンサ1で 捕 らえられた. 羽 根 車 が1 回 転 するまでの 所 要 時 間 は 0.375ms であり,この 擾 乱 は 羽 根 車 の 回 転 速 度 の 約 63%で 回 転 していることがわかった.さらに,この 擾 乱 が 同 時 に3つ 存 在 していることも 確 認 した.これは 翼 面 で 剥 離 した 領 域 が 羽 根 車 内 を 移 動 する 旋 回 失 速 と 同 様 の 現 象 であり,この 擾 乱 は 旋 回 失 速 セルであると 推 定 できる.しかし, 一 般 的 な 旋 回 失 速 とは 異 なり, 旋 回 失 速 セルの 数 が 時 間 的 に 2~4つに 変 動 するなど, 非 常 に 不 安 定 な 挙 動 を 示 すことも 判 明 した. 次 に 新 形 圧 縮 機 での 圧 力 変 動 計 測 結 果 を 図 7に 示 す. 図 7(a)のピーク 効 率 点 では 従 来 形 圧 縮 機 と 同 様 に 低 周 波 数 の 変 動 は 起 こっていない. 図 7(b)の 小 流 量 作 動 点 では,ローパスフィルタ 波 形 においてわずかな 低 周 波 数 変 動 が 見 られるものの,その 変 動 は 数 回 転 の 範 囲 で 収 まってお り, 顕 著 な 現 象 は 見 られない.また,ディフューザにおいて, 長 翼 と 短 翼 の 通 過 が 容 易 に 判 別 で き, 羽 根 車 の 翼 ごとの 流 動 現 象 に 違 いがないことが 推 定 される. 図 6 旋 回 失 速 の 構 造 ( 従 来 形 ) 図 7 圧 力 変 動 計 測 結 果 ( 新 形 圧 縮 機 ) 3.2 非 定 常 流 動 解 析 結 果 圧 力 変 動 計 測 と 同 じ 作 動 条 件 で 非 定 常 流 動 解 析 を 行 った. 図 8に, 圧 力 比 の 計 算 結 果 を 実 験 値 と 比 較 して 示 す. 絶 対 値 に 若 干 の 差 異 はあるものの, 従 来 形, 新 形 圧 縮 機 それぞれの 圧 力 流 量 特 性 を 良 好 に 捕 らえており, 実 際 の 流 動 を 再 現 していると 考 えられる. 図 9に, 従 来 形 圧 縮 機 に おける 小 流 量 作 動 点 での 羽 根 車 内 部 の 三 次 元 渦 構 造 と 翼 面 近 傍 の 流 線 を 示 す. 渦 中 心 は 無 次 元 ヘリシティ( 速 度 ベクトルと 渦 度 ベクトルの 余 弦 値 )で 色 付 けしており,+1は 時 計 回 り,-1は 反 時 計 回 りの 縦 渦 を 示 す.これより, 従 来 形 圧 縮 機 では 翼 面 に 竜 巻 状 の 渦 が 発 生 し, 次 のように 翼 間 を 移 動 していることがわかった.すなわち,t=0ms では 主 流 が 短 翼 負 圧 面 上 の 竜 巻 状 の 渦 を 避 けて 流 れることで, 隣 の 長 翼 における 迎 え 角 ( 流 入 角 度 と 羽 根 角 度 の 差 )が 大 きくなり,t=0.049ms

5 において 隣 の 翼 での 剥 離 を 確 認 できる. 剥 離 した 流 れが t=0.090ms において 竜 巻 状 の 渦 となって 立 ち 上 がる.このようにして 竜 巻 状 の 渦 が 羽 根 車 内 を 移 動 し,その 数 は 実 験 結 果 と 同 様 に 時 間 的 に 変 動 する.この 渦 が 旋 回 失 速 セルを 生 成 する 主 要 因 であり,この 旋 回 失 速 セルが 流 量 の 減 少 と ともに 周 方 向 に 拡 大 することでサージングが 誘 引 されると 考 えられる. 73 図 8 数 値 解 析 結 果 の 検 証 ( 圧 力 比 ) 図 9 内 部 流 動 構 造 ( 従 来 形 圧 縮 機, 小 流 量 作 動 点 ) 一 方, 新 形 圧 縮 機 の 内 部 流 動 構 造 を 図 10に 示 す. 新 形 圧 縮 機 では 翼 端 と 翼 を 覆 うケーシング との 隙 間 から 漏 れる 流 れによって 漏 れ 渦 が 形 成 されている.この 漏 れ 渦 は 自 らの 回 転 と 羽 根 車 内 の 逆 圧 力 勾 配 のため 縦 渦 を 保 てなくなり, 蛇 行 しながら 流 れていくスパイラル 形 と 呼 ばれる 渦 崩 壊 が 発 生 している. 崩 壊 した 漏 れ 渦 は 翼 先 端 側 で 周 方 向 に 均 一 な 失 速 領 域 を 形 成 する. 図 11 に 小 流 量 作 動 点 の 流 動 構 造 のイメージ 図 を 示 す. 従 来 形 圧 縮 機 には 竜 巻 状 の 渦 とそれに 伴 う 失 速 領 域 により 旋 回 失 速 セルが 形 成 されるが, 新 形 圧 縮 機 では 局 所 的 に 漏 れ 渦 を 制 御 して 均 一 に 薄 い 失 速 領 域 を 翼 端 部 に 形 成 することで 流 動 を 安 定 化 させた. 崩 壊 した 漏 れ 流 れによる 失 速 領 域 は 流 量 の 減 少 に 伴 って 均 一 に 厚 くなり,サージング 付 近 でも 流 動 安 定 化 に 寄 与 している. 一 方, 大 流 量 作 動 点 は 失 速 領 域 がなくなり, 効 率 の 低 下 を 抑 制 できる. 図 10 内 部 流 動 構 造 ( 新 形 圧 縮 機, 小 流 量 作 動 点 ) 図 11 流 動 構 造 のイメージ 図

6 74 4. 課 題 と 今 後 の 展 望 羽 根 車 の 翼 端 漏 れ 渦 を 制 御 することで, 圧 縮 機 の 作 動 レンジを 拡 大 できることがわかった.し かしながら, 遠 心 圧 縮 機 の 内 部 流 れは 非 常 に 複 雑 であり,サージングの 発 生 要 因 の 解 明 やその 定 量 予 測 には 依 然 として 課 題 が 多 い. 今 後 は 非 定 常 数 値 解 析 を 検 証 する 非 定 常 実 験 データの 補 完 による 解 析 精 度 の 向 上 が 必 要 である.また,ケーシングトリートメントなどの 作 動 レンジ 拡 大 デ バイスの 最 適 化 や 圧 縮 機 の 可 変 化 などさらなる 高 性 能 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, 過 給 機 の 作 動 レンジを 拡 大 するため 圧 力 変 動 計 測 技 術 及 び 非 定 常 数 値 解 析 技 術 を 適 用 して,ワイドレンジ 遠 心 圧 縮 機 を 開 発 した. 本 圧 縮 機 により,エ ンジン 加 速 時 の 小 流 量 作 動 点 でも 過 給 圧 を 増 大 し,エンジンのトルク 向 上 に 寄 与 できるものと 考 (4) (5)(6) えられる. 現 在, 二 段 過 給 機 や 電 動 過 給 機 など 新 しい 過 給 機 が 実 用 化 又 は 開 発 が 進 められ ているが, 基 本 要 素 である 圧 縮 機 の 性 能 向 上 は,これら 全 ての 機 種 の 性 能 向 上 に 効 果 がある. 今 後 も, 過 給 機 の 性 能 向 上 を 通 して 環 境 保 全 とドライバビリティ 向 上 に 貢 献 していきたい. 参 考 文 献 (1) 茨 木 誠 一, 遠 心 圧 縮 機 の 非 定 常 流 動 に 関 する 研 究 動 向, 日 本 ガスタービン 学 会 誌, Vol.39, No.2(2011) (2) Tomita, I. et al., Feature of Internal Flow Phenomena of Centrifugal Compressor for Turbocharger with Wide Operating Range, Gas Turbine Congress, (3) Yamada, K. et al., The Role of Tip Leakage Vortex Breakdown in Flow Fields and Aerodynamic Characteristics of Transonic Centrifugal Compressor Impellers, ASME Paper, GT (4) 安 秉 一 ほか, 乗 用 ディーゼルエンジン 用 可 変 2ステージターボの 開 発, 三 菱 重 工 技 報, Vol.47, No.4(2010) (5) 茨 木 誠 一 ほか, 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, 三 菱 重 工 技 報, Vol.43, No.3(2006) (6) 山 下 幸 生 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 技 報, Vol.47, No.4 (2010)