革新的燃焼技術 ターボ過給グループ

革新的燃焼技術
ターボ過給グループ
排気エネルギーの有効利用と機械
摩擦損失の低減に関する研究開発
損失低減チーム
リーダー大学：
早稲田大学 大聖 泰弘 教授
AICE分科会 ディーゼル燃焼分科会
摩擦損失低減分科会
目的 ターボ過給機の性能向上、燃料改質による排熱回
テーマ名
ターボ過給システムの性能予測手法
（タイトル）
の開発
ｸﾗｽﾀｰ大学 早稲田大学 宮川 和芳、滝沢 研二
テーマ名
（タイトル）
SIPチーム
収技術の開発を通じて排気エネルギーを低減する。
従来は経験則に基づいていた摩擦損失メカニズム
を解明し、大幅低減を狙う。
目的 各要素の内部流れと干渉流れの非定常性や三次
元性を考慮して検討し、過給機システム全体の性
能向上を図る。
目的達成のための構想
●タービン、コンプレッサ等の非定常性に基づく動特性モデルを実験・解析により構築する。
アピールポイント
●エンジンとのマッチングを考慮したタービン、コンプレッサ設計を実施する。
研究開発概要
エンジンとのマッチング検討
 一次元解析モデル
 背景
 コンプレッサマップ
Pressure Ratio
 ターボチャージャーはエンジンバルブ開
閉による脈動流下で作動
 脈動流下におけるターボチャージャーの
非定常特性を考慮し、エンジンシステム
の効率向上技術を開発
タービン
コンプレッサ
 実施事項
 脈動流下での小型ファンの実験、解析による動特性把握
 脈動流発生装置、小型タービンの設計を含む試験装置の開発、脈動
流下タービン特性の把握
 汎用流体解析コードによるタービン、コンプレッサの脈動流下での挙
動予測
 時間・空間分解能向上のための高次精度解析手法の計画と整備
3.500
3.000
2.500
2.000
1.500
1.000
0.0000 0.0500 0.1000 0.1500
Corrected Mass Flow Rate [kg/s]
解析ソフト
GT-POWER
エンジンモデル
Diesel VGT EGR
エンジン回転数 [rpm]
2250
IMEP [kPa]
1350
圧縮比
16.3
ターボチャージャー効率、エンジンとのマッチングの向上により
エンジンシステムの効率向上を目指す
Reduced Mass Flow
Rate[(kg/s)-K^0.5/kPa]
 タービンマップ
0.01250
0.01000
0.00750
0.00500
0.00250
0.00000
0.689
タービン、コンプレッサの動特性モデルに基づき、
エンジンとのマッチングを一次元的にシミュレーション
小型ファン試験と数値解析
小型ファン試験装置
150.0
羽根高さ
14.3
翼厚さ
3.0
出口羽根角度
22.5
翼 数
7
出口側に脈動発生装置を配置
回転円板
100
80
60
40
20
0.000
0.033
Time [s]
0.067
静止円板
最大開口比 0.208
脈動波形
簡易計測システムと脈動発生装置の開発
0.2
 タービン仕様
実機 試験装置
1.80
1.1
全圧力比
220000
33000
回転数 rpm
33
75.6
ホイール径D1 mm
826
322
入口温度 K
707
31
出口温度 K
0.034
0.102
質量流量 kg/s
4.4
10
流路高さB mm
27.5
62.3
出口径D2 mm
圧縮性、非定常性を考慮した非定常特性の把握
流量係数
0
0
0.05
0.1
Discharge Coefficient Φ
0.8
0.15
大流量側でリサージュが拡大
定常
CFD 90Hz
CFD 150Hz
CFD 20Hz
0.60
0.6
0.40
10Hz
30Hz
80Hz
120Hz
定常
0.4
0.2
0.20
0
0.06
0.08
0.1
0.12
Discharege Coefficient Φ
0.04
0.00
0.00
0.10
0.20
Discharge Coefficient Φ
タービン解析
0.04
②
0.03
③
0.02
0.01
①
0
2015.6.30 SIP「革新的燃焼技術 公開シンポジウム」
Φ0.06
Φ0.08
脈動周波数120[Hz] Φ0.10
0.4
圧力係数
解析値
実験値
脈動流下での小型ファンの挙動予測と損失メカニズム解明
Discharge [kg/s]
タービン試験装置
子午面形状
Φ0.03
 周波数特性
Pressure Coefficient ψ
出口径
Massflow %
62.6
0.6
定常
時間平均
Mass Flow Rate[kg/s]
流れ方向
0.8
Pressure Coefficient ψ
Pressure Coefficient
ψ
 流量変化特性
入口径
2.000 3.000 4.000
Pressure Ratio
0
0.05
Time [s]
境界条件
 ホイール内流れ
0.1
②
0.03
③
0.02
0.01
0
1.00
①
1.20
1.40
1.60
1.80
Pressure Ratio(Total-Static)
P-Q曲線
 ホイールの漏れ流れ
回転方向
 ノズルの漏れ流れ
脈動流下でのタービンの挙動予測と損失メカニズム解明
漏れが渦
を形成し
損失発生