2019 Fiscal Year Research-status Report
自動車用ターボチャージャの脈動流下における損失発生機構の解明
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19K04177
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
宮川 和芳 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (30623673)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 揚平 早稲田大学, 理工学術院, 助手 (80822452)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ターボチャージャ / 脈動流 / 非定常流れ / コンプレッサ / タービン / サージ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ターボチャージャは、自動車の排気量低減のために近年多用されているが、エンジンの排気脈動流下で運転されるため、非定常的な挙動を示し、定常流下と異なる性能であることが明らかになってきた。特に脈動流下の効率は定常流下に比べ低下することが確認されている。本研究ではターボチャージャのタービン、コンプレッサの脈動流による非定常的な挙動を流動解析および実験により明らかにする。2019年度は、タービン、コンプレッサの脈動流下での挙動を明らかにするために、ターボチャージャ試験装置を用いタービン、コンプレッサのそれぞれの性能を評価した。また非定常流動解析により、実験を補間した。
タービンは脈動流下で大きな損失を発生し、特に、ホイール、下流ディフューザにおける損失が定常流下と比較して大きいことがわかった。タービンの出口流れは、最高効率点で無旋回に近いフローパーターンとなるように設計されるが、脈動流による体積流量の増減により絶対系において順旋回と逆旋回が交互に現れる。この旋回流れの特徴は流動解析とPIVによる流れの可視化により確認され、脈動流下の旋回流は準定常の同じ体積流量とは全く異なるフローパターンであり、また、増減によるヒステリシスも確認された。
コンプレッサにおいては、脈動流下での流量、圧力の特性において大きなリサージュが確認され、タービンと同様に効率低下が確認できた。コンプレッサの運転範囲の制限に重要な特性であるサージに関しては、特に有意な知見が得られた。定常流下よりも脈動流下のサージラインは低流量側に移動し、また、その挙動の内特にサージサイクルの周波数は、脈動流の周波数の整数倍もしくは整数で除した値に引き込まれていくことがわかった。定常流下でのサージに関しては、システムの容量系の大きさを変えて、周波数への影響を確認したところ、GreizerのBパラメータで予測が可能であることを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、脈動流下での性能を流動解析および実験で評価する予定で有り、タービン、コンプレッサとも非定常性能を把握することができた。本研究で使用予定のターボチャージャ試験装置を主に使用して、性能把握を実施した。タービン側の脈動流下特性を把握できたため、メカニズムの解明に移行する。そのための、高精度流動解析と計測系の準備は終えている。コンプレッサの脈動流下特性については、不安定流動挙動を把握できたため、損失発生メカニズムとの関連を実施する。非定常流計測要素試験装置を用いた非定常損失の把握については、試験装置の準備が整い、非定常流の計測を試行した。PSP（感圧塗料）を用いた圧力の計測については、感度が十分ではなく、ペイント粒子の調整や可視化の方法についてを試行中である。
2019年度は、上記のように二つの実験装置を本研究課題に適用し、流動解析の実施によりパラメータの影響や内部流れの詳細挙動を補間を実施した。本進捗は概ね計画通りである。
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| Strategy for Future Research Activity |
2年目以降は、脈動流下でのタービン、コンプレッサの挙動、損失発生メカニズムを引き続き、実験と解析で解明していく。特に、流非定常流計測要素試験装置をメカニズムの適用に用いる。解明の過程では、ノズル、ディフューザ流路内に脈動流や、ウェークを流入させ、圧力、流速の計測を行うことで定常流とは異なる摩擦損失や、混合損失発生の分析を行う。脈動発生装置の中には穴の空いた円盤が入っており、任意の周波数の周期的な脈動流やウエークを生成することが可能となっている。また、インバータブロワによってランプ状に変動する流量も模擬可能であり、本研究においては正弦波形、ランプ波形（加速流、減速流）、脈動波形の4種類の変動流に対して、ディフューザ流路、ノズル流路の2パターンの流路形状において実験を実施する。
ターボチャージャ試験装置でも同様に様々な脈動流下におけるターボチャージャの性能応答を引き続き把握し、脈動流が与える影響の定常流性能からの補正方法を構築する。タービン、コンプレッサとも脈動流下の流れは、同じ流量での準定常の仮定からも大きく異なるため、そのメカニズムの構築を実施していく。
上記の試験装置を用いた実験の実施と並行して流動解析も実施していき、脈動流下での損失メカニズムの構築に資する。
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| Causes of Carryover |
2019年度3月に計画していた実験により当該年度の費用の所要を計画い合わせる予定であったが、新型コロナウイルス感染予防のため購入の手続きができなくなったため、若干の差額が生じた。2020年度の試験装置組立時の備品購入に充当する予定である。
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| Remarks |
（受賞1）Best Paper Award: Yohei Nakamura, The 15th Asian International Conference on Fluid Machinery, Busan, September 2019
（受賞2）ターボ機械協会技術賞，宮川和芳，中村揚平，森吉泰生，窪山達也，田畑正和，ターボ機械協会総会講演会、2019年5月、東京
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