セラミック・ターボチャジャー

日本の自動車技術240選

セラミック・ターボチャジャー

レシプロエンジンの有力な代替機関としてガスタービンが研究開発されてきた。特に熱効率向上の観点からタービン入り口温度の高温化が必要で，耐熱材料としてセラミックの採用が検討されてきた。この技術を乗用車用ターボチャージャに応用し，ターボラグを改善した。ガスタービンに比べターボチャージャの温度は1200Kと低いため，破壊靭性と強度の高い窒化珪素を選択した。成形はガスタービンと同様にブレードリング部とシャフト部を別々に成形し一体化している。製法としてガス圧焼結法を採用し，三次元有限要素解析で形状の最適化をはかることにより，高強度のロータを得ることができた。金属製ロータと異なり1)背板部から軸へ向かっての手－パ形状2)背板部から軸部の接続形状3)翼先端部から根元部への肉厚分布4)イクスデューサ側のハブ形状5)翼の肉厚形状に留意して設計されている。軸は強度，製造コストの面から金属軸を用いた。基本組成，熱膨張係数の著しく異なる異種材料の接合は技術的に難しい。接合位置，要求強度，耐熱性などを考慮して，各種接合法を検討し，軸折損時にエンジンへの影響の少ない高音部接合とし，接合法としてろう付，及び焼ばめを選定した。ホットスピンテストを実施すると共に，Slow Crack Growth理論に基づく亀裂伸展速度の定数をもとめ，寿命予測を行った。寿命には強度と負荷の影響が大きいが，強度は初期欠陥の長さの関数となる。最大欠陥の長さに相当する破壊応力を求め，この破壊応力に相当する応力をロータに負荷すると，残存したロータ内に残存する欠陥の長さは許容最大欠陥長さ以下になっている。このアイデアに基づいて保証試験を実施し，品質を保証した。回転体アッシーの回転慣性モーメントは約34％低減し，ターボチャージャが0から10万rpmに達するまでの時間は約36％向上した。保管場所日産自動車(株)車両先行開発部　(〒243-0192　神奈川県厚木市岡津古久５６０－２)
製作（製造）年1985
製作者（社）日産自動車 株式会社
資料の種類その他（資料）
現状保存・非公開
会社名日産自動車（株）
通称名セラミック・ターボチャジャー
搭載車名フェアレディZ
製作年1985
構造・方式・手段・方法等窒化珪素セラミック製ターボロータを射出成形後焼結し，金属軸にろう付けと焼ばめにより接合。最大許容欠陥長さに相当する応力を負荷し，残存したロータを選択することにより，寿命を保証している。
機能・作用等高温強度が高い軽量材料として，比重が耐熱金属の半分以下の脆性材料であるセラミックをロータを金属軸に接合し，回転慣性モーメントを低減した。ターボ過給機で問題となる，過渡時の遅れ（加速時のターボラグ）を低減した。
効果回転慣性モーメントを約2/3に低減。加速応答性を向上
参考文献・日産技報 Vo21 P125～134 1985　・SAE Paper861128・第14回日本ガスタービン学会 講演会前刷　・日本機械学会 北陸地方講演会・日本学術振興会　高温セラミック材料第124委員会、将来加工技術第136委員会など

出典　社団法人自動車技術会