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要旨集●Vol.41 No.3（2006年11月発行）
特集：Turbocharging Technologies
（ターボ過給技術）
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Review
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P.1
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Nowadays, much greater emphasis is being
placed on improving the fuel consumption of automobiles
due to the global move to reduce CO2 emissions.
Ideally, an engine should be able to simultaneously
offer a high power density and low fuel consumption.
High-pressure turbocharging is indispensable to improving
the fuel consumption of an engine by enabling downsizing
and lean-boost. To this end, there is a demand for a
turbocharger with a wide flow range. The characteristics
of different turbocharging systems have been evaluated
by one-dimensional engine performance simulation. The
variable-geometry turbochargers with motor assist are
effective at improving the low-speed torque and the
transient response of an engine. On the other hand,
the surge limit of the compressor restricts the charging
pressure at low engine speeds. A key technology for
improving the surge limit involves the development of
a casing treatment and a variable-geometry compressor.
A two-stage turbocharging system offers the double advantage
of eliminating the surge limit and improving the transient
response. Unsurprisingly, however, the engine system
and its control become more complicated. Therefore,
it is vital that we develop an optimum turbocharging
system to suit the engine specification.
近年，社会的なCO2削減の要求から自動車の燃費向上が益々重要な課題になってきてい
る。自動車用エンジンとしては，小型・高出力化と低燃費の双方が求められている。 小型・高出力化とリーン過給によりエンジンの燃費を向上するためには，全運転域で高圧過給する必要がある。また，それを実現するためにはワイドレンジで高性能なターボチャージャが必須になり，ターボメーカ各社で開発が急がれている。ここでは，ターボ過給エンジンの1次元性能シミュレーションにより，種々の過給システムについてその特性を評価した。その結果，モータアシスト付可変容量ターボチャージャを用いることにより過給エンジンの低速トルクおよび過渡レスポンスを飛躍的に向上できることを示した。他方，低速域で過給圧を上げるためには，その妨げになるコン
プレッサのサージ限界を拡大する必要があり，ケーシングトリートメントや可変機構を付加することによるサージ限界の大幅な拡大が重要な技術になる。2段過給システムはサージ限界を回避でき，過渡レスポンスも向上できるという利点を持っているが，
システム構成およびその制御が複雑になる。したがって，エンジンの要求仕様に適した過給システムを開発することが今後重要になると考えられる。
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Research
Reports
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P.9
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To improve low-end torque and the transient response
of a turbocharged engine, there is a need to develop
a wide flow range compressor for use in turbochargers.
Especially, we must improve the surge limit of the
compressor because this restricts the boost pressure
rise at low engine speeds.
We studied the surge characteristics of a turbocharger
compressor by experiment. Firstly, we developed a
casing treatment that featured a curved wall cavity.
We then went on to investigate the effects of the
dimensions of the casing treatment on the surge limit.
As a result, we found that both the surge limit and
the compressor efficiency were improved by use of
the casing treatment. The installation of the casing
treatment reduced the surge flow rate by 30 % relative
to a conventional compressor at a pressure ratio of
2.5. Secondly, we investigated the synergy effects
of the Variable Inlet Guide Vane (VIGV) with the casing
treatment. The surge flow rate was found to have been
reduced significantly compared with their being used
separately, due to the synergy effect. Also, the surge
flow rate was reduced by 59 % relative to a conventional
compressor at a pressure ratio of 2.5, again due to
the synergy effect. Furthermore, the surge limit with
a VIGV setting angle of 80 degrees was not changed
by reducing the backward angle of the impeller relative
to the radial direction, despite an increase in the
choke flow rate. As a result, we were able to develop
a compressor with a significantly wide flow range
and an impeller with a low level of centrifugal stress.
過給エンジンの低速トルクおよび過渡レスポンスを向上するためには，ターボチャージャ用コンプレッサの超ワイドレンジ化が必要である。特に，低速域の過給圧向上を妨げるコンプレッサのサージ限界を拡大することが重要課題になっている。本研究では，コンプレッサのサージ限界を拡大するための方法を実験的に探索した。先ず，スプーン型のガイド壁を有するケーシングトリートメントを開発し，その主要諸元がサージ限界に及ぼす影響を調べた。その結果，最適化されたケーシングトリートメントによりサージ限界流量を約30%低減することができると共に，コンプレッサ効率も同時に向上することができた。さらに，可変入口案シン内翼とケーグトリートメントの両方を用いることによりその相乗効果が現れることを発見し，可変入口案内翼を制御することでサージ限界流量を約59%低減することができた。また，インペラのバックワード角を立てて最大流量を増加させても相乗効果により同等のサージ限界流量を維持できることが分かり，結果として低応力と超ワイドレンジを兼ね備えたコンプレッサを開発することができた。
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P.15
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A numerical fluid analysis has been used to clarify
the cause of the synergistic improvement in the surge
limits of a centrifugal compressor when a self-recirculation
casing treatment is used together with variable inlet
guide vanes.
The following results were obtained by this study.
1) The reverse flow at the tip clearance is closely
related to the surge limits, and controlling the reverse
flow at the tip clearance is an effective means of improving
the surge limits.
2) The surge limit is improved by increasing the recirculation
flow rate through the casing treatment.
3) The reverse flow at the tip clearance can be controlled
up to the low flow rate region by combining the variable
inlet guide vanes with the casing treatment, and as
a result, the surge limit is significantly improved.
循環流型ケーシングトリートメントと可変入口案内翼
(VIGV) を組み合わせた場合， 遠心圧縮機のサージ限界が相乗的に改善される原因を明らかにする目的で数値流体解析を実施し，以下の結果を得た。
1) チップクリアランス部の逆流とサージ限界とは強い相関があり，この逆流を抑制することがサージ限界の改善に効果的である。
2) ケーシングトリートメントによる循環流量が増加するとサージ限界が改善する傾向がある。
3) ケーシングトリートメントとVIGVを組み合わせることでクリアランス部の逆流がより少流量域まで抑制され，その結果サージ限界が大幅に改善する。
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P.22
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内田博
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Turbocharging technologies are important to improving
the fuel consumption of engines by enabling downsizing
and lean boost. A variable-geometry turbocharger with
motor assist provides an effective means of improving
the low-speed torque and response of an engine. On
the other hand, the surge limits of the compressor
restrict the charging pressure at low engine speeds.
We developed one-dimensional performance prediction
models for a compressor featuring variable inlet guide
vanes and a variable-nozzle turbine. Using these models,
we went on to produce simulation code for predicting
the transient performance of a turbocharged engine.
An advantage of this simulation code is that the accuracy
with which the transient characteristics of a turbocharging
system can be calculated is independent of the calculation
time step. Accordingly, the transient characteristics
after an arbitrary time can be predicted with a relatively
quick calculation.
We used this simulation to evaluate the effects of
the variable inlet guide vane, the variable nozzle,
and motor assist on the characteristics of a turbocharging
system. Our results showed that significant improvements
in both the boost pressure at low engine speeds and
the transient response of the turbocharger can be
achieved by taking advantage of the synergy between
the variable inlet guide vane and the casing treatment.
エンジンの小型・高出力化とリーン過給により燃費を向上するためにはターボ過給技術が重要である。モータアシスト付の可変容量ターボチャージャはエンジンの低速トルクと過渡レスポンスの向上に有効であるが，コンプレッサのサージ限界が低速域の過給圧上昇を妨げるという課題もあり，過給エンジンシステムの特性を予測した技術
開発が望まれる。本研究では，可変容量ターボチャージャの性能予測モデルを開発し，簡易的なエンジンモデルと組合せることにより，過渡特性も含めた性能予測プロ
グラムを開発した。これは過渡性能計算時の精度が計算時間ステップに依存しないという特徴を有し，任意の時間ステップで迅速に高精度で過渡性能を予測できる。
過給エンジンの特性におよぼす可変入口案内翼，可変ノズルおよびモータアシストの影響をシミュレーションで検討した。その結果，可変入口案内翼とケーシングトリートメントの相乗効果によるサージ限界の拡大がエンジンの低速トルクおよび過渡レスポンスを大幅に向上できることを明らかにした。
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