JP2020038136A - ターボチャージャの損失測定装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボチャージャの摩擦損失を簡便に測定することができる摩擦損失測定装置を提供する。【解決手段】タービンブレード１０、連結シャフト２０およびコンプレッサインペラに代わるダミーインペラ部材４１を一体にして構成されるロータ部材５と、連結シャフト２０を回転自在に支持してロータ部材５を回転自在に支持するベアリング３０と、コンプレッサハウジングとを有し、タービンブレード１０が露出するように構成され、タービンブレードにエアを吹き付けてタービンブレードを回転させる第１エア供給装置６０と、タービンブレードの回転速度を検出する回転センサ７０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ターボチャージャの損失測定装置および方法に関する。

エンジンが吸入する空気の密度を高め、多くの酸素を燃焼室に送り、より高い燃焼エネルギーを得るための装置としてターボチャージャ（過給機）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。ターボチャージャは、エンジンの排気ガスを受けて回転するタービンブレードと、タービンブレードのトルクを利用して空気を取り込んで圧縮するコンプレッサインペラと、タービンブレードおよびコンプレッサインペラを同軸上で支持して連結する連結シャフトと、タービンブレード、連結シャフトおよびコンプレッサインペラを覆うハウジングとを有している。このようなターボチャージャは、排気ガスを用いて駆動させる際、連結シャフトを支持する軸受（ベアリング）およびここを潤滑するオイル等により発生する摩擦損失や、回転部（一体に繋がって回転するタービンブレード、連結シャフトおよびコンプレッサインペラからなる部分で、これをロータ部と称する）の回転に応じて発生する空転損失等の種々のエネルギー損失が生じる。

このような種々のエネルギー損失を低減させてターボチャージャの性能を向上させることができれば、エンジンの低燃費化にも繋がる。これら損失の低減を検討するに際しては、まず、損失を正確に測定することが重要となる。摩擦損失や空転損失を測定する方法の一つとして、測定対象となるターボチャージャのロータ部の回転中にそれらを駆動している駆動力を停止させてロータ部の回転を減速させ、その減速度に基づいて損失トルクを測定する、いわゆる「減速法」と喚ばれる方法が知られている。

特開２０１３‐１１２５１号公報

ところで、摩擦損失計測方法としては、基本的には、測定対象であるターボチャージャのロータ部を超高速動力計に接続して超高速回転させ、超高速動力計によりその超高速回転に要する駆動力、すなわち摩擦損失を測定していた。但しこのとき、ロータ部のタービンブレードおよびコンプレッサインペラはそのままでは空転損失を生じてしまうので、これらを外すか、それぞれダミー円板に取り替えた上で測定を行っていた。しかしながら、超高速動力計は非常に高価な装置であるため、超高速動力計を備えた測定施設は限られるという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、超高速動力計を備えた測定施設以外においても、ターボチャージャの特に摩擦損失を簡便に測定することができる摩擦損失測定装置および方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る損失測定装置は、エンジンの排気ガスを受けて回転するタービンブレードと、連結シャフトを介して前記タービンブレードに連結されて前記タービンブレードとともに回転されて前記エンジンに送り込む空気を供給するコンプレッサインペラと、前記タービンブレードを覆うタービンハウジングと、前記コンプレッサインペラを覆うコンプレッサハウジングと、を有して構成されたターボチャージャにお
いて、回転駆動中に発生する回転摩擦損失などを測定するように構成される。この損失測定装置は、前記タービンブレード、前記タービンブレードに一体に繋がった前記連結シャフト、および前記コンプレッサに代えて前記連結シャフトに一体に繋がったダミーインペラ部材から構成されるロータ部材と、前記連結シャフトを回転自在に支持して前記ロータ部材を回転自在に支持する回転支持部と、前記コンプレッサハウジングとを有し、前記タービンブレードが露出するように構成され、前記タービンブレードにエアを吹き付けて前記タービンブレードを回転させるエア供給装置と、前記タービンブレードの回転速度を検出する回転センサと、を備えて構成される。

上記損失測定装置において、好ましくは、前記エア供給装置の先端部に、エアの吹き付け方向を変更可能なノズル部を有し、前記ノズル部は、前記タービンブレードにエアを吹き付けさせる駆動位置と前記タービンブレードから離れた方向にエアを吹き付けさせる回避位置とに移動可能である。

上記損失測定装置において、好ましくは、前記回転センサの回転速度から前記ターボチャージャの回転摩擦損失を演算計測する演算装置を有する。

第２の本発明に係る損失測定装置は、エンジンの排気ガスを受けて回転するタービンブレードと、連結シャフトを介して前記タービンブレードに連結されて前記タービンブレードとともに回転されて前記エンジンに送り込む空気を供給するコンプレッサインペラと、前記タービンブレードを覆うタービンハウジングと、前記コンプレッサインペラを覆うコンプレッサハウジングと、を有して構成されたターボチャージャにおいて、前記タービンブレードの回転により生じる空転損失を主として測定するように構成される。この損失測定装置は、前記タービンブレードおよびこれに繋がった前記連結シャフトからなるタービン側回転部材と、前記タービン側回転部材を、前記連結シャフトの軸が上下に向く状態で回転自在に支持する支持装置と、前記タービンブレードにエアを吹き付けて前記支持装置により支持された前記タービンブレードを回転させるエア供給装置と、前記タービンブレードの回転速度を検出する回転センサと、を備えて構成される。

上記損失測定装置において、好ましくは、前記支持装置が前記連結シャフトの上端および下端を針状部材で支持する構造である。

上記損失測定装置において、好ましくは、前記エア供給装置は、前記タービンブレードにエアを吹き付けるようにガイドするノズル部を有し、前記ノズル部は、前記タービンブレードにエアを吹き付けさせる駆動位置と前記タービンブレードから離れた方向にエアを吹き付けさせる回避位置とに移動可能である。

次に本発明に係る損失測定方法は、エンジンの排気ガスを受けて回転するタービンブレードと、連結シャフトを介して前記タービンブレードに連結されて前記タービンブレードとともに回転されて前記エンジンに送り込む空気を供給するコンプレッサインペラと、を有して構成されたターボチャージャにおいて、回転駆動中に発生する回転摩擦損失などを測定する損失測定方法である。この損失測定方法においては、前記タービンブレードと、前記タービンブレードに一体に繋がった前記連結シャフトと、前記コンプレッサに代えて前記連結シャフトに一体に繋がったダミーインペラ部材とから構成されるロータ部材を、前記タービンブレードを露出させた状態で回転自在に支持し、露出した前記タービンブレードにエアを吹き付けて前記ロータ部材を高速回転させた後に、前記エアの吹き付けを解除して前記ロータ部材を自由回転状態とし、自由回転状態となって減速する前記ロータ部材の回転速度（ω）を検出し、検出した前記ロータ部材の回転速度（ω）の変化率（dω/dt）を算出し、前記ロータ部材の回転慣性モーメント（Ｉ_１）および前記変化率（dω/dt）から回転駆動中に発生する回転摩擦損失トルクを求める。

第２の本発明に係る損失測定方法は、エンジンの排気ガスを受けて回転するタービンブレードと、連結シャフトを介して前記タービンブレードに連結されて前記タービンブレードとともに回転されて前記エンジンに送り込む空気を供給するコンプレッサインペラと、を有して構成されたターボチャージャにおいて、前記タービンブレードの回転により生じる空転損失を主として測定する損失測定方法である。そしてこの損失測定方法においては、前記タービンブレードおよびこれに繋がった前記連結シャフトからなるタービン側回転部材を、前記連結シャフトの軸が上下に向く状態で回転自在に支持し、前記タービンブレードにエアを吹き付けて前記タービン側回転部材を高速回転させた後に、前記エアの吹き付けを解除して前記タービン側回転部材を自由回転状態とし、自由回転状態となって減速する前記タービン側回転部材の回転速度（ω）を検出し、検出した前記タービン側回転部材の回転速度（ω）の変化率（dω/dt）を算出し、前記タービン側回転部材の回転慣性モーメント（Ｉ_２）および前記変化率（dω/dt）から前記タービンブレードの回転により生じる空転損失トルクを主として測定する。

第３の本発明に係る損失測定装置は、第１の本発明に係る損失測定方法により測定された前記回転摩擦損失トルクから、第２の本発明に係る損失測定方法により測定された前記空転損失トルクを減算し、前記ターボチャージャにおいて前記連結シャフトを介して作用する回転摩擦トルクを演算するように構成される。

本発明に係るターボチャージャの摩擦損失測定装置および方法によれば、ターボチャージャの回転摩擦損失を、簡便に再現性良く且つ正確に計測することができる。さらに、潤滑油量、油温、スラスト力などの影響を加味して、回転摩擦損失を測定し評価することができる。ダミーインペラ部材を用いてコンプレッサインペラの空転損失の影響を除去し、さらに、第２の本発明に係る装置を用いてタービンブレードの空転損失を測定してこれを除去することにより、真の回転摩擦損失を分離して定量化して正確に測定することができる。このようにして求まる回転摩擦損失は、摩擦出力ではなく摩擦トルクで表せば、ターボチャージャの回転速度に対して線形になるので、本発明により測定できる回転摩擦損失の回転域を超えた超高速回転域での回転摩擦損失も正確に推算することができる。すなわち、例えば安全性に配慮して超高速回転での測定を避けつつこの超高速回転領域での推算測定が可能となる。

本発明の測定対象となるターボチャージャの構成を示す概略側面断面図である。 本発明に係る損失測定装置の構成を示す概略側面断面図である。 この損失測定装置の一部の構成を示す正面図である。 上記損失測定装置においてロータ部を回転させて減速させるときの経過時間とロータ部の回転速度との関係を示すグラフである。 図４の関係から求めたロータ部の回転速度と見かけの摩擦トルクとの関係を示すグラフである。 潤滑オイルの供給量を変化させたときのロータ部の回転速度と見かけの摩擦トルクとの関係を示すグラフである。 図６に示す関係において、潤滑オイル量を０．８９Ｌ／ｍｉｎ．としたケースＡの摩擦トルクを示す曲線を二次曲線近似して求めた空転損失抵抗と回転摩擦抵抗とに分けて示すグラフである。 図６に示す関係において、潤滑オイル量を１．１０Ｌ／ｍｉｎ．としたケースＢの摩擦トルクを示す曲線を二次曲線近似して求めた空転損失抵抗と回転摩擦抵抗とに分けて示すグラフである。 図６に示す関係において、潤滑オイル量を１．２６Ｌ／ｍｉｎ．としたケースＣの摩擦トルクを示す曲線を二次曲線近似して求めた空転損失抵抗と回転摩擦抵抗とに分けて示すグラフである。 タービンブレードによる空転損失を主として測定する損失測定装置の構成を示す概略図である。 図１０の損失測定装置により測定した摩擦損失トルクと、この特性を二次曲線近似して求めた空転損失および機械的な摩擦損失と回転速度との関係を示すグラフである。 図６の見かけの摩擦トルクでの比較を真の摩擦トルクでの比較に補正したグラフである。 潤滑油温を変えて図２と図１０に示す損失測定装置により測定した真の（摩擦損失だけの）摩擦損失トルクと回転速度との関係を示すグラフである。 図２と図１０に示す損失測定装置においてロータ部に図２における右から左方向に作用させるスラスト力を変えて測定した真の（摩擦損失だけの）摩擦損失トルクと回転速度との関係を示すグラフである。 図２と図１０に示す損失測定装置においてロータ部に図２における左から右方向に作用させるスラスト力を変えて測定した真の（摩擦損失だけの）摩擦損失トルクと回転速度との関係を示すグラフである。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しつつ説明する。まず、図１を参照しながら、本発明により摩擦損失を測定する対象となるターボチャージャＴＣの概略構成について説明する。ターボチャージャＴＣは、エンジンの排気ガスを受けて回転するタービンブレード（羽根部）１０と、タービンブレード１０に繋がってタービンブレード１０の回転を伝達するための連結シャフト２０と、連結シャフト２０を介してタービンブレード１０と連結され、タービンブレード１０と一体回転してエンジンに送り込む空気を圧縮するコンプレッサインペラ４０と、タービンブレード１０を覆うタービンハウジング１５と、連結シャフト２０を回転自在に支持するベアリング３０と、コンプレッサインペラ４０を覆うコンプレッサハウジング４５と、ベアリング３０に潤滑オイルを供給するオイル供給装置５０と、を有している。なお、図示していないが、ベアリング３０を指示するベアリングハウジングが構成され、それにタービンハウジング１５およびコンプレッサハウジング４５が一体に連結されてターボチャージャＴＣが構成される。ターボチャージャＴＣにおいては、エンジンの排気ガスを受けてタービンブレード１０が回転駆動され、タービンブレード１０とともに連結シャフト２０およびコンプレッサインペラ４０（すなわち、ロータ部）が一体に高速回転（例えば200,000〜250,000［rpm］）され、コンプレッ
サインペラ４０により外気を取り込んで圧縮し、圧縮した空気をエンジンの燃焼室に供給するように構成されている。

本発明は、このような構成のターボチャージャＴＣでのエネルギー損失（特に摩擦損失）を測定することを目的としており、その測定装置の概略構成を図２に示している。この損失測定装置は、図１に示したターボチャージャＴＣを以下のように改造して作られている。まず、ターボチャージャハウジングからタービンハウジング１５を取り外し、さらにコンプレッサインペラ４０も取り外している。そして、取り外したコンプレッサインペラ４０の慣性モーメントと同一の慣性モーメントを有した円盤状部材からなるダミーインペラ部材４１を、コンプレッサインペラ４０に代えて連結シャフト２０に取り付けている。ダミーインペラ部材４１は円盤状であり、この回転により発生する空転損失が略ゼロとなるようになっている。なお、ダミーインペラ部材４１は慣性モーメントが判明していれば良いので、取り外したコンプレッサインペラ４０の慣性モーメントと同一の慣性モーメントと同一の慣性モーメントを有するものでなくても良い。さらに、ベアリング３０に潤滑オイルを供給するオイル供給装置５０を、供給油量を制御可能として設けている。なお、
以下においては、タービンブレード１０、連結シャフト２０およびダミーインペラ部材４１から構成される一体回転する部分をロータ部５と称して説明する。

図１に示した実際のターボチャージャＴＣではエンジンの排気ガスを受けてタービンブレード１０が回転するが、図２および図３に示すように、この損失測定装置では、タービンブレード１０にエアを吹き付けてタービンブレード１０（ロータ部５）を高速回転させるように構成している。このため、この損失測定装置は、エアを供給する第１エア供給装置６０と、図３に示すように、第１エア供給装置６０からのエアを導くタービン回転用エア供給路６１とを有している。さらに、タービン回転用エア供給路６１の先端側に、第１エア供給装置６０から供給されるエアを（タービンハウジング１５が取り外されて露出した状態の）タービンブレード１０に吹き付けるためのノズル部６２を設けている。この装置においては、第１エア供給装置６０から供給されるエアをノズル部６２からタービンブレード１０に吹き付けてタービンブレード１０を100,000［rpm］程度の回転速度まで回転させることが可能な構成としている。

このノズル部６２は、図３に示すように、タービン回転用エア供給路６１の先端部に回転自在に取り付けられており、タービンブレード１０にエアを吹き付ける駆動位置（図３において実線で示す位置）と、タービンブレード１０から離れた方向を向く回避位置（図３において破線で示す位置）とに回転移動可能となっている。さらに、ノズル部６２を駆動位置から回避位置に回転させる方向に付勢力を加えるコイルバネ６３と、ノズル部６２を駆動位置に係止保持する係止手段（図示せず）が設けられている。係止手段によるノズル部６２の係止保持は解除可能であり、この解除により、ノズル部６２を駆動位置から回避位置に瞬時に回転移動させることができるようになっている。

損失測定装置はさらに、タービンブレード１０（ロータ部５）の回転を検出する回転センサ７０と、コンプレッサハウジング４５内にスラスト力調整用エアを供給する第２エア供給装置８０を有している。第２エア供給装置８０は、コンプレッサハウジング４５におけるエア入口ポート４６に繋がる入口用エア供給路８１と、エア出口ポート４７に繋がる出口用エア供給路８２とを有し、入口用エア供給路８１および出口用エア供給路８２を介してコンプレッサハウジング４５内にスラスト力調整用エアを供給排出する制御を行う。これによりコンプレッサハウジング４５内の円盤状ダミーインペラ部材４１を左方向あるいは右方向に押して、連結シャフト２０に対して実際に作用するスラスト力と同じスラスト力を作用させるようにしている。この装置はさらに、オイル供給装置５０、第１および第２エア供給装置６０，８０の作動制御、並びに回転センサ７０からの検出値を受けてデータ解析処理を行うコントローラ９０を有している。

回転センサ７０は、タービンブレード１０の回転速度を検出し、検出した回転速度に対応する検出信号をコントローラ９０に出力する。コントローラ９０は、演算処理を行うＣＰＵ９１と、ターボチャージャＴＣの仕様情報等を記憶するメモリ９２とを有している。ＣＰＵ９１は、回転センサ７０により検出されたタービンブレード１０の回転速度をロータ部５の角速度に換算する。ＣＰＵ９１は、さらに、後述するように、ロータ部５の角速度に基づいて角減速度を算出し、その角減速度に基づいて損失トルクを算出する。メモリ９２には、ロータ部５の慣性モーメント等が記憶されている。なお、このようにコントローラ９０による統合制御を行なわず、各制御およびデータ解析処理をそれぞれ別個に行う構成であっても良い。

以上のように構成された本発明に係る損失測定装置を用いた摩擦損失の測定について説明する。ここで、図１に示した実際のターボチャージャＴＣでは、コンプレッサインペラ４０がタービンブレード１０および連結シャフト２０とともに高速回転して空気を圧縮する仕事を行うので、その分のエネルギー損失（空転損失）が生じる。しかし、図２に示す
本発明に係る損失測定装置においては、コンプレッサインペラ４０に替えて、円盤状のダミーインペラ部材４１を用いている。このため、コンプレッサインペラ４０による空転損失を除去して摩擦損失測定を行うことができる。さらに、第２エア供給装置８０により、入口用エア供給路８１および出口用エア供給路８２を介してエアを供給し、コンプレッサハウジング４５内の円盤状ダミーインペラ部材４１を左方向あるいは右方向に押して、連結シャフト２０に実際に作用するスラスト力と同じスラスト力を作用させるようにしている。この結果、この損失測定装置においては、コンプレッサインペラ４０の回転による空転損失を除去しつつ、実際と同じスラスト力を加えながら減速度の検知により摩擦損失を正しく簡便に計測することができる。

この損失測定装置により損失トルクを測定するには、まず、ノズル部６２を駆動位置に係止保持した状態で、第１エア供給装置６０によりタービンブレード１０にエアを吹き付けて、タービンブレード１０（さらにこれに一体に繋がった連結シャフト２０およびダミーインペラ部材４１から構成されるロータ部５）を所定高速域（例えば70,000〜80,000[rpm]）で回転させる。その状態から、ノズル部６２の係止を解除してコイルバネ６３の付
勢力によりノズル部６２を回避位置に瞬時に回転移動させる。これによりノズル部６２からタービンブレード１０へのエアの吹き付けが瞬時になくなり、ロータ部５の回転駆動力がなくなる。このため、その後は、タービンブレード１０の空転抵抗と連結シャフト２０の回転に対する摩擦抵抗（ベアリング３０の回転抵抗）を受けてロータ部５の回転が、図４に示すように徐々に減速する。なお、図４は、このようにしてロータ部５の回転が減速されたときにおける経過時間ｔ［sec］とロータ部５の回転速度Ｎｔ［rpm］との関係を示すグラフである。図４から分かるように、ノズル部６２からのエア吹きつけを受けてタービンブレード１０（ロータ部５）の回転が約75,000［rpm］で回転されている状態から、
時間０．８(sec.)においてノズル部６２が回避位置に移動し、時間の経過とともに回転が低下している。

このようにしてロータ部５の回転速度（角速度ω）が減速するときに、その減速の原因になっている抵抗トルク（フリクショントルク）Ｔｆは、ロータ部５の角減速度dω/dtに対して、ロータ部５の慣性モーメントをＩ_１とすると、下記式（１）で表わすことができる。なお、ロータ部５の慣性モーメントＩ_１は予め計測してコントローラ９０のメモリ９２に記憶されている。

Ｔf ＝ Ｉ_１ × dω/dt ・・・（１）

ロータ部５の角速度ω（すなわち、回転速度）は、タービンブレード１０の回転を検出する回転センサ７０により検出され、検出された角速度ωを微分してロータ部５の角減速度dω/dtを算出できる。図４のグラフにおいて、徐々に減速されるロータ部５の角速度ωの変化を示す曲線に対し、例えば、所定時間１．４(sec.)における接線を引くと、その接線の傾きがこの所定時間での回転速度（角速度）における角減速度dω/dtである。このようにして、角減速度dω/dtが求まると、上記式（１）より、この所定時間における抵抗トルクＴｆを算出することができる。この計算を、図４のグラフにおける回転速度のそれぞれに対して行えば、図５に示すように、各回転速度Ｎｔにおける抵抗トルクＴf（これを
見かけの摩擦トルクＴｆと称する）を求めることができる。以上説明したように、ターボチャージャにおける抵抗トルクすなわち見かけの摩擦トルクＴｆを、図２に示す簡易な測定装置により測定できることが分かる。

見かけの摩擦トルクＴｆは、ベアリング３０への潤滑オイルの供給量Ｑが変化するとその影響が出ると考えられる。そこで、オイル供給装置５０によるベアリング３０への潤滑オイルの供給量Ｑを変化させて上記と同様な測定を行った。その結果を図６に示している。図６は、オイル供給装置５０によるベアリング３０への潤滑オイルの供給量Ｑを、 0.8
9 L/min.とした場合（ケースＡ）、 1.10 L/min.とした場合（ケースＢ）、1.26 L/min.
とした場合（ケースＣ）での回転速度Ｎtと見かけの摩擦トルクＴｆとの関係のグラフで
ある。この図から分かるように、潤滑オイル量が増えると見かけの摩擦トルクＴｆは若干大きくなる傾向がある。

以上説明したように、図２に示すような簡易な構成の摩擦抵抗測定装置を用いれば、比較的容易且つ簡単にターボチャージャの抵抗トルクを計測できる。なお、この測定装置では、安全面の配慮から、ターボチャージャの回転速度を約１０万rpm以下に抑えている。
後述するように、計測に危険性が生じるおそれのある実際の超高速回転速度での摩擦損失も、本計測方法であれば正確に推測可能であることも理由にある。

ところで、このように求められた見かけの摩擦トルクＴｆは、上述したようにダミーインペラ部材４１を用いることによりコンプレッサインペラ４０の空転損失は取り除かれている（含まれていない）が、タービンブレード１０は計測中でも回転しているので、タービンブレード１０の空転損失トルクＴｆａを含んでいる。すなわち、見かけの摩擦トルクＴｆは、求めている連結シャフト２０の回転摩擦トルクＴｆｍだけではなく、タービンブレード１０の空転損失トルクＴｆａも加算されている。しかしながら、ターボチャージャのエネルギー損失の測定評価（特に、摩擦抵抗の測定）を行うためには、連結シャフト２０の回転摩擦抵抗Ｔｆｍだけを求めることが必要である。

ここで、タービンブレード１０の空転損失トルクＴｆａは回転速度Ｎｔの二乗に比例し、回転摩擦トルクＴｆｍは回転速度Ｎｔに比例するため、図５もしくは図６に示す回転速度Ｎｔに対する見かけの摩擦トルクＴｆは二次曲線として下記の式（２）で表すことができる。

Ｔｆ＝ａ・Ｎｔ^２＋ｂ・Ｎｔ＋ｃ ・・・（２）
但し、ａ、ｂ、ｃは定数

上記式（２）における二次項「ａ・Ｎｔ^２」がタービンブレード１０の空転損失トルクＴｆａに対応し、一次項「ｂ・Ｎｔ＋ｃ」が連結シャフト２０の回転摩擦トルクＴｆｍに対応する。そこで、図６に示す三つの曲線（潤滑オイルの供給量Ｑを変えて得られる、ケースＡ、Ｂ、Ｃに対応する曲線）を二次曲線近似して上記式（２）を求めることができる。そして、その二次項「ａ・Ｎｔ^２」から回転速度Ｎｔに対応する空転損失トルクＴｆａが求まる。一次項「ｂ・Ｎｔ＋ｃ」から回転速度Ｎｔに対応する回転摩擦トルクＴｆｍが求まる。その結果を図７、図８、図９に示す。なお、これらの図において空転損失トルクＴｆａを Aerodynamic Tf として表し、回転摩擦トルクＴｆｍを Mechanical Tf として
表している。これらの図から分かるように、空転損失トルクＴｆａが、ケースＡ（図７）で最も大きく、ケースＢ（図８）からケースＣ（図９）と小さくなる。ケースＡ〜Ｃは潤滑油量を変化させときの値であり、空転損失トルクＴｆａは同一となるべきものである。このことから、式（２）を用いただけではタービンブレード１０の空転損失トルクＴｆａと連結シャフト２０の回転摩擦トルクＴｆｍとを見かけの摩擦トルクＴｆから、正確に測定して判別することは不可能であることが分かる。

そこで、本発明では、最も正確で安定した方法として、図１０に示す損失測定装置を作成し、タービンブレード１０の空転損失トルクＴｆａを実測する。この損失測定装置は、図１０に示すように、タービンブレード１０を連結シャフト２０に取り付けただけの部材（コンプレッサインペラ４０もダミーインペラ部材４１も用いない部材であり、これをタービン側回転部材とも称する。ダミーインペラ４１は装着することが本来の形態であるが、その寄与は小さく計測結果に影響しないので、ここでは安全も考慮し、装着しない。）を、上下に軸が向く状態で回転自在に支持する支持装置１１０と、第１エア供給装置６０
と、回転センサ７０と、コントローラ９０とを有している。支持装置１１０は、上側針状支持部材１１１および下側針状支持部材１１２を有し、タービンブレード１０が下側に位置して連結シャフト２０が上下方向に延びた状態で、タービン側回転部材を上下の針状支持部材１１１，１１２の間に挟んで回転自在に支持するように構成されている。

この測定装置では、支持装置１１０における上下の針状支持部材１１１，１１２によってタービン側回転部材を支持することにより、機械的な回転摩擦損失が略ゼロとなるように工夫している。これにより実質的に、空転損失トルクｆａのみを測定可能である。また、タービン側回転部材を上下に軸が向く状態で回転支持しているが、これにより、支持部には軸方向の重力のみが作用し、軸直角方向の力が作用しないので、高速回転状態においても回転に伴い振動がなく、正確で安定且つ安全な計測が行える。第１エア供給装置６０には、図示していないが、エア供給路６１、ノズル部６２、コイルバネ６３、係止手段が設けられており、図３に示すようなノズル部６２を駆動位置と回避位置とに切換可能となっている。

図１０の損失測定装置では、ダミーインペラ部材４１を連結シャフト２０から取り外した状態で構成したタービン側回転部材を用いてタービンブレード１０の空転損失を測定するようにしているが、上述したようにダミーインペラ部材４１の空転損失が略ゼロとなるように設計されているため、ダミーインペラ部材４１を連結シャフト２０に取り付けた状態のタービンブレード１０の空転損失を測定するようにしてもよい。

タービンブレード１０の空転損失トルクＴｆａを測定するには、まず、コントローラ９０により第１エア供給装置６０の作動制御を行って第１エア供給装置６０によりタービンブレード１０にエアを吹き付けて、タービン側回転部材（タービンブレード１０および連結シャフト２０）を略一定の高速域（例えば70,000〜80,000[rpm]）で回転させる。その
状態から、第１エア供給装置６０のエア供給ノズル６２をバネ６３により跳ね上げてタービンブレード１０へのエアの吹き付けを瞬時に停止させる。これにより、主としてタービンブレード１０の空転損失トルクＴｆａを受け、タービン側回転部材の回転速度が減速する。その減速状態におけるタービン側回転部材の回転速度すなわち角速度ω［rad/s］を
検出し、この検出値からタービン側回転部材の角減速度dω/dt［rad/s^２］を算出する。
タービン側回転部材の角減速度をdω/dtとすると、タービン側回転部材（タービンブレード１０および連結シャフト２０）の慣性モーメントＩ_２と、タービン側回転部材に作用する見かけの摩擦トルクＴfとの関係は下記式（３）のように表される。

Ｔf ＝ Ｉ_２ × dω/dt ・・・（３）

上記式（３）において、タービン側回転部材の慣性モーメントＩ_２は、実測されてコントローラ９０のメモリ９２に記憶されている。また、コントローラ９０のＣＰＵ９１により、回転センサ７０により検出されたタービン側回転部材の回転速度Ｎｔを回転角速度ωに換算し、その角速度ωに基づいてタービン側回転部材の角減速度dω/dtが算出される。このようにして、上記式（３）より、減速状態におけるタービン側回転部材の各回転速度における見かけの摩擦トルクＴfを求める。このようして求めた回転速度Ｎｔと見かけの
摩擦トルクＴfとの関係を図１１に示している。

上記のようにタービン側回転部材（タービンブレード１０および連結シャフト２０）が支持装置１１０（上下の針状支持部材１１１，１１２）により機械的な摩擦損失を低減させた状態（略ゼロの状態）で支持されているため、図１１に示す見かけの摩擦トルクＴf
は、略タービンブレード１０の空転損失トルクＴｆａを表しており、回転摩擦トルクＴｆｍはかなり小さいと考えられる。但し、喩え小さな値でも、回転摩擦トルクＴｆｍの影響を除去して正確な空転損失トルクＴｆａを求めるのが望ましい。そこで、図１１に示す見
かけの摩擦トルクＴfを、タービン側回転部材の回転速度Ｎtを用いて、前出の式（２）のように二次式近似を行う。

上述した手順に従って求めた実測のタービンブレード１０の空転損失トルクＴｆａは、図１１で例えば図中に示すＴｆａ＝５．５／Ｅ−１２ＮＴ^２であり、確定する。この確定したタービンブレード１０の空転損失トルクＴｆａを上記式（１）によって求められた見かけの摩擦トルクＴf（図５および図６のグラフ）から差し引くことにより、最終の真の
摩擦トルクＴｆを得る。摩擦トルクＴｆは、上記のようにタービンブレード１０の空転損失項ａＮt^２（２次項）を差し引いているため線形であり、従って、ターボチャージャＴ
Ｃの実際の駆動域である高速域（例えば200,000［rpm］以上）の回転摩擦損失トルクＴf
も、直線をそのまま高速域まで延長して正確に推算することができる。

以上説明した損失測定装置および方法を用いれば、タービンブレード１０およびコンプレッサインペラ４０の空転損失を除去し、ロータ部５（連結シャフト２０）の回転摩擦損失トルクＴｆを正確に求めることができる。

図１２には、図６の見かけの摩擦損失トルクでの比較を真の摩擦損失トルクでの比較に補正したグラフを示す。各々の摩擦損失トルクが直線で示され、理論とおりの計測データになっていることが分かる。

次に、潤滑油温の影響を把握した例を示す。図１３に、潤滑油温が２０°Ｃ、４０°Ｃ、６０°Ｃ、７５°Ｃ、８０°Ｃのそれぞれにおける回転摩擦損失トルクＴｆを計測した結果を示している。この結果を用いて、エンジンのコールドスタート時におけるターボチャージャの挙動が分かり、排ガス対策などに応用できる。

さらに、図２の装置において、第２エア供給装置８０から入口用エア供給路８１もしくは出口用エア供給路８２を介してコンプレッサハウジング４５内にエアを供給し、ロータ部５に図２において右方向に作用するスラスト力や、左方向に作用するスラスト力を加えた状態での回転摩擦損失トルクＴｆを計測することができる。図１４に、ロータ部５に左方向に作用するスラスト力を加えて回転摩擦損失トルクＴｆを測定した結果を示している。このとき加えたスラスト力は、４７．７Ｎ、３８．１Ｎ、１９．１Ｎ、０．０Ｎの４種類であり、油温８０．０°Ｃで測定している。一方、図１５にはロータ部５に右方向に作用するスラスト力を加えて回転摩擦損失トルクＴｆを測定した結果を示している。このとき加えたスラスト力は、５５．６Ｎ、４４．５Ｎ、２２．２Ｎ、０．０Ｎであり、油温８０．０°Ｃで測定している。

以上説明したように、本発明による損失測定装置および方法を用いれば、ターボチャージャの回転摩擦損失を、簡便に再現性良く且つ正確に計測することができる。さらに、潤滑油量、油温、スラスト力などの影響を加味して、回転摩擦損失を測定し評価することができる。ダミーインペラ部材を用いてコンプレッサインペラの空転損失の影響を除去し、さらに、図１０の装置を用いてタービンブレードの空転損失を測定してこれを除去することにより、真の回転摩擦損失を分離して定量化して正確に測定することができる。このようにして求まる回転摩擦損失は線形であり、本発明により、安全面などへの配慮から限定して測定された回転摩擦損失の回転域を超えた高速回転域での回転摩擦損失も正確に推算することができる。図２の装置構成から分かるように、本発明に係る測定装置は実際のターボチャージャを加工した簡易な装置構成であり、過給機の製造時における最終製品検査にも応用することができる。

５ ロータ部
１０ タービンブレード
２０ 連結シャフト
３０ ベアリング
４０ コンプレッサインペラ
４１ ダミーインペラ部材
５０ オイル供給装置
６０ 第１エア供給装置
７０ 回転センサ
８０ 第２エア供給装置
９０ コントローラ

Claims (9)

1. エンジンの排気ガスを受けて回転するタービンブレードと、連結シャフトを介して前記タービンブレードに連結されて前記タービンブレードとともに回転されて前記エンジンに送り込む空気を供給するコンプレッサインペラと、前記タービンブレードを覆うタービンハウジングと、前記コンプレッサインペラを覆うコンプレッサハウジングと、を有して構成されたターボチャージャにおいて、回転駆動中に発生する回転摩擦損失などを測定する損失測定装置であって、
   前記タービンブレード、前記タービンブレードに一体に繋がった前記連結シャフト、および前記コンプレッサに代えて前記連結シャフトに一体に繋がったダミーインペラ部材から構成されるロータ部材と、前記連結シャフトを回転自在に支持して前記ロータ部材を回転自在に支持する回転支持部と、前記コンプレッサハウジングとを有し、前記タービンブレードが露出するように構成され、
   前記タービンブレードにエアを吹き付けて前記タービンブレードを回転させるエア供給装置と、
   前記タービンブレードの回転速度を検出する回転センサと、を備えて構成される損失測定装置。
2. 前記エア供給装置の先端部に、エアの吹き付け方向を変更可能なノズル部を有し、
   前記ノズル部は、前記タービンブレードにエアを吹き付けさせる駆動位置と前記タービンブレードから離れた方向にエアを吹き付けさせる回避位置とに移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の損失測定装置。
3. 前記回転センサの回転速度から前記ターボチャージャの回転摩擦損失を演算計測する演算装置を有することを特徴とする請求項１もしくは２に記載の損失測定装置。
4. エンジンの排気ガスを受けて回転するタービンブレードと、連結シャフトを介して前記タービンブレードに連結されて前記タービンブレードとともに回転されて前記エンジンに送り込む空気を供給するコンプレッサインペラと、前記タービンブレードを覆うタービンハウジングと、前記コンプレッサインペラを覆うコンプレッサハウジングと、を有して構成されたターボチャージャにおいて、前記タービンブレードの回転により生じる空転損失を主として測定する損失測定装置であって、
   前記タービンブレードおよびこれに繋がった前記連結シャフトからなるタービン側回転部材と、
   前記タービン側回転部材を、前記連結シャフトの軸が上下に向く状態で回転自在に支持する支持装置と、
   前記タービンブレードにエアを吹き付けて前記支持装置により支持された前記タービンブレードを回転させるエア供給装置と、
   前記タービンブレードの回転速度を検出する回転センサと、を備えて構成される損失測定装置。
5. 前記支持装置が前記連結シャフトの上端および下端を針状部材で支持する構造であることを特徴とする請求項４に記載の損失測定装置。
6. 前記エア供給装置は、前記タービンブレードにエアを吹き付けるようにガイドするノズル部を有し、
   前記ノズル部は、前記タービンブレードにエアを吹き付けさせる駆動位置と前記タービンブレードから離れた方向にエアを吹き付けさせる回避位置とに移動可能であることを特徴とする請求項４もしくは５に記載の損失測定装置。
7. エンジンの排気ガスを受けて回転するタービンブレードと、連結シャフトを介して前記タービンブレードに連結されて前記タービンブレードとともに回転されて前記エンジンに送り込む空気を供給するコンプレッサインペラと、を有して構成されたターボチャージャにおいて、回転駆動中に発生する回転摩擦損失などを測定する損失測定方法であって、
   前記タービンブレードと、前記タービンブレードに一体に繋がった前記連結シャフトと、前記コンプレッサに代えて前記連結シャフトに一体に繋がったダミーインペラ部材とから構成されるロータ部材を、前記タービンブレードを露出させた状態で回転自在に支持し、
   露出した前記タービンブレードにエアを吹き付けて前記ロータ部材を高速回転させた後に、前記エアの吹き付けを解除して前記ロータ部材を自由回転状態とし、
   自由回転状態となって減速する前記ロータ部材の回転速度（ω）を検出し、
   検出した前記ロータ部材の回転速度（ω）の変化率（dω/dt）を算出し、前記ロータ部材の回転慣性モーメント（Ｉ_１）および前記変化率（dω/dt）から回転駆動中に発生する回転摩擦損失トルクを求めることを特徴とする損失測定方法。
8. エンジンの排気ガスを受けて回転するタービンブレードと、連結シャフトを介して前記タービンブレードに連結されて前記タービンブレードとともに回転されて前記エンジンに送り込む空気を供給するコンプレッサインペラと、を有して構成されたターボチャージャにおいて、前記タービンブレードの回転により生じる空転損失を主として測定する損失測定方法であって、
   前記タービンブレードおよびこれに繋がった前記連結シャフトからなるタービン側回転部材を、前記連結シャフトの軸が上下に向く状態で回転自在に支持し、
   前記タービンブレードにエアを吹き付けて前記タービン側回転部材を高速回転させた後に、前記エアの吹き付けを解除して前記タービン側回転部材を自由回転状態とし、
   自由回転状態となって減速する前記タービン側回転部材の回転速度（ω）を検出し、
   検出した前記タービン側回転部材の回転速度（ω）の変化率（dω/dt）を算出し、前記タービン側回転部材の回転慣性モーメント（Ｉ_２）および前記変化率（dω/dt）から前記タービンブレードの回転により生じる空転損失トルクを主として測定することを特徴とする損失測定方法。
9. 請求項７に記載の損失測定方法により測定された前記回転摩擦損失トルクから請求項８に記載の損失測定方法により測定された前記空転損失トルクを減算し、前記ターボチャージャにおいて前記連結シャフトを介して作用する回転摩擦トルクを演算することを特徴とする損失測定方法。

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