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Choosing the right Turbo

チューニング、レース、またはパフォーマンス プロジェクトに適したターボチャージャーを選択するための必要な情報は?

 

性能アップグレード

適切なターボの選択

チューニング、レース、またはパフォーマンス プロジェクトに適したターボチャージャーを選択するための必要な情報は?

ブーストアドバイザー

Garrettのブーストアドバイザーは、ターボマッチングを迅速かつ容易に行う為に開発されたツールです。エンジンと目標馬力に関するいくつかのパラメータを入力すると、ほんの数秒で、入力に近いターボチャージャーを提供します。また、ターボを購入できる最寄りの販売店を案内します

詳細はこちら(英語)

ディーゼルアップグレードターボチャージャーを選ぶ際の注意点とは?

ディーゼルエンジンの出力は、シリンダー内に噴射される燃料の量に比例し、その燃料を完全燃焼させる為には十分な空気が必要です。煙を出さない為には、燃料の約18倍もの空気が必要です。つまり、燃料を増量すればするほど、空気も増量しなければならないのです。多くの場合、純正ターボはパワーアップの為に、ある程度の容量を確保していますが、コンプレッサーがチョーク限界(最大流量)に達すると、ターボ回転数が急激に上がり、効率が大幅に低下し、コンプレッサーの出口温度が急激に上昇します。この為、出口温度が高くなると、インテークマニホールド温度や排気ガス温度も高くなるという「雪だるま式」の効果が発生します

効率が低いということは、同じブーストに到達するのにより多くのタービン出力が必要であることを意味し、排気マニホールド内の背圧が高くなります。 これは通常、パフォーマンス チップを搭載したエンジン (最高出力設定) と、吸気または排気のアップグレードで見られます。 激しい加速では、EGT とターボの速度が危険ゾーンに上昇するため、テールパイプから煙が噴き出し、慎重なドライバーはアクセル ペダルを早めに戻してエンジンに損傷を与えないようにする必要があります。 これらの条件下では、ストックターボは借りた時間で実行されています

追加の燃料を補うためにアップグレードされたターボチャージャーを選択すると、煙が大幅に減少し、EGT が制御され、ターボがより効率的な範囲で動作するため、馬力とドライバビリティが向上します。 変更がより深刻になると、より多くの燃料を補完するために、より大きなターボが必要になります

ディーゼルエンジンに適したターボチャージャーを決定するために、最初に確立する必要があるのは出力目標です

使用目的と重要項目

最大限の性能と満足度を得る為には、現実的な目標という概念を強調する必要があります。もちろん、誰もがメガ級のパワーの車両を手に入れたいと思うでしょうが、合理的な限度を超えると、パワーが上がるにつれて信頼性や運転性能、日々の実用性が損なわれていきます。出力が上がれば上がるほど、不具合や磨耗、故障が発生しやすくなるのです。ほとんどの企画車両の多くは、以下のような一般的なカテゴリーに分類されます

使用目的 ノーマル比パワーアップの目重 重要項目
デイリードライバー / ワークトラック / 牽引車 + 150 馬力 信頼性、運転性能、EGTの低減、低煙
サンデードライバー + 250 馬力 平日は仕事で休日のみに運転
最高性能 + 350 馬力 ストリート走行志向だが、高性能の為に日常的な走行性能は妥協
自動車(競技)レース + 400 馬力以上 100%のパフォーマンスを追求。妥協なし

では、どのターボを選べばいいでしょうか?

それぞれのケースを取り上げ、意図するパワーアップに基づいたターボの選択を計算してみましょう。まずは「Turbo Tech Expert」のセクションを読んで下さい。コンプレッサーマップの読み方や、ターボを適切にマッチングさせる為に必要な方程式が解説されています。しかし、その例はガソリンエンジンである為、ここでは同じ式を使って、ディーゼルエンジンの例をいくつか追加しています空燃比(AFR)は22対1で計算し、低煙、無煙性能を実現します。同様に、一般的な正味燃料消費量(BSFC)は0.38の領域にあります

A realistic goal

See the Example tag to get started!

この例は、日常運転/トラック運転/レッカー車のカテゴリーになります。この例では、ノーマルより150馬力アップの車両が含まれます。しかし、ちょっと待って下さい。このパワーレベルでは、チップやチューニングモジュールだけで達成出来ます。ではなぜわざわざアップグレードターボを導入するのでしょうか? アップグレードターボは、チップのインストールやその他のアップグレードによって得られる利益を強化するものです。タービンの背圧を下げることにより、低GT、低煙、高過給での耐久性が向上します。また、マイルドなタービン交換となる為、ブーストレスポンスや運転性能も向上します

事例紹介

私が持っている6.6リッターのディーゼルエンジンは、325馬力のフライホイール馬力(シャーシダイノマシンで測定すると約275馬力)を発生します。150馬力アップの425馬力を出したいと思っています。これらの数値を計算式に当て嵌め、上記のAFRとBSFCのデータを使用すると、次のようになります。
ターボテック103を思い出してください

ここでは、
・Wa = 空気流量 (lb/min)
・HP = 目標馬力(フライホイール)
・A/F=空燃比(Air/Fuel Ratio)。
・BSFC/60=正味燃料消費量(lb/(Hp*hr))/60(時間から分への換算値)
したがって、少なくとも毎分59.2ポンドの空気流量の能力を持つコンプレッサーマップを選択する必要があります。次に、どのくらいのブースト圧が必要でしょうか?
目標馬力を達成する為に必要なマニホールド圧を計算します。

ここでは、
・MAPreq = 目標馬力を満たす為に必要なマニホールド絶対圧(psia)
・Wa = 風量(lb/min)
・R = ガス定数 = 639.6
・Tm = インテークマニホールド温度(華氏温度)
・VE = 体積効率(Volumetric Efficiency)
・N = エンジン回転数(RPM)
・Vd = エンジン排気量(立方インチ、リットルからCIへの変換は61倍、例:2.0L×61=122 CI)
当社のプロジェクトエンジンの場合:
・Wa = 59.2 lb/min 前もって計算
・Tm = 華氏130度
・VE = 98%
・N = 3300 RPM
・Vd = 6.6L×61 = 400 CI

= 34.5 psia (絶対圧であることに注意。ゲージ圧を得るには大気圧を引く。
34.5 psia – 14.7 psia (海抜) = 19.8 psig)

これで、質量流量とマニホールド圧力が得られました。コンプレッサマップにデータをプロットする準備はほぼ整いました。次のステップは、コンプレッサーとマニホールドの間にどれくらいの圧力損失があるのかを判断することです。データ収集システムで圧力損失を測定するのが一番良い方法ですが、多くの場合、それは現実的ではありません。流量とインタークーラーのサイズ、配管サイズと曲げ点数/品質、スロットルボディの制限などに応じて、1 psi(またはそれ以下)から4psi(またはそれ以上)までの範囲で推定することが出来ます。この例では、2psiの損失があると推定します。したがって、コンプレッサー出口圧力(P2c)を決定する為に、マニホールド圧力に2psiを追加する必要があります

ここでは、
・P2c = コンプレッサ出口圧力 (psia)
・MAP = マニホールド絶対圧(psia)

= コンプレッサーとマニホールド間の圧力損失(psi)

    = 36.5 psia

= 36.5 psia
正しい吸入条件を得る為に、今度はエアフィルターやその他の制限を推定する必要があります。先ほどの圧力比の説明で、典型的な値は1psiかもしれないと言いましたので、この計算ではそれを使用します。また、海抜高度を想定しているので、周囲圧力を14.7psiaとします。コンプレッサー入口圧力(P1)を決定する為に、周囲圧力から1psiの圧力損失を差し引く必要があります

    • ここでは

    •  = コンプレッサー入り口圧力 (psia)
    • = 周囲空気圧大気圧 (psia)
    • = エアフィルター/配管による圧力損失(psi)

    •       = 13.7 psia

これにより圧力比 ( ) を式で計算することができます   

例えば2.0L エンジンの場合は

= 2.7

これで、コンプレッサーのマップに動作点をプロットするのに十分な情報が得られました。まずは、GT3788Rで試してみます。このターボは64.45mmのインデューサーを備えた、先端径88mmの52トリムのコンプレッサーホイールにを装着しています

この場合、ブーストと質量流量に若干の余裕を持たせることで、目標psを上げることが出来ます。この為、GT37Rターボは多くのパワーマックスターボキットに採用され、この馬力帯に対応したサイズとなっています

次の例として「Weekend Warrior」を見てみましょう。このカテゴリーは、ノーマルより250馬力たは525馬力までの、日常的に運転される車両を対象としています

このパワーを計算式に当てはめると、必要な空気量は次のようになります

そして圧力比は

= 45.5 psia

= 3.3

前のマップを見ると、コンプレッサーはこの要求を満たすだけの流量がないため、次の大きなサイズのコンプレッサーを検討しなければなりません
(技術的には、前のコンプレッサーでもこのパワーは出せるだろうが、煙の増加、EGTの上昇、背圧の上昇などのリスクがあり、純正コンプレッサーを無理して使っているようなものです…)
次に大きいターボはGT4094Rで、以下の通りです
また、インデューサコンプレッサを少し大きくし、タービンホイールのフレームサイズを一回り大きくしたGT4294Rも検討出来ます
ホイールの慣性が大きい為、若干レスポンスが悪くなりますが、回転域の上ではより高い性能を発揮します
次の例として、エクストリームパフォーマンスを見てみましょう。このカテゴリーは、ノーマルより最大350馬力のホットロッド車(カスタムカー)と、より高いパワーアップを達成する為に日常的な実用性をある程度放棄しても構わないというオーナーの為のものです
このパワーを計算式に当てはめると、必要な流量は次のようになります

圧力比は次の通りです
 = 50.8 psia

 = 52.8 psia

 =3.8

この流量と圧力比では、GT4202Rが適切であり、以下に示す通りです。圧力比が4対1に近づいているので、このサイズのエンジンではシングルターボの限界に近くなっています

ファイナルケース:自動車(競技)レース

最後のケースは、コンペティションカテゴリーです。これは特殊なケースであり、究極のパワーディーゼルアプリケーションを実行する方法はたくさんある為、この記事で十分に説明することが出来ません。ただ、いくつかの一般的なガイドラインはあります。このパワーレベルでは、前述したように直列ターボの適用を検討することをお勧めします。これは、1つのターボがもう1つのターボに供給され、両方のコンプレッサーで空気を圧縮する仕事を共有する状態です。大きなターボを「低圧ターボ」、小さな二段目のターボを「高圧ターボ」と呼びます
低圧コンプレッサーは高圧コンプレッサーに供給され、高圧コンプレッサーは吸気側に供給されます。タービン側では、排気ガスは最初に高圧タービンを通過し、次に低圧タービンを通過してマフラーから排出されます。必要な質量流量は計算出来ますが、圧力比の計算が必要になりますので、お近くのGarrettパワーマックス販売店にご相談下さい。必要な質量流量を計算する為には、通常の方程式を使用します。今回のパワーターゲットは、ノーマルから500馬力アップ、合計775馬力になります

この空気流量は低圧コンプレッサーにのみ適用され、高圧コンプレッサーはすでに圧縮された空気をさらに加圧する為に、より小さくなります。多くの場合、高圧ターボは低圧ステージより2サイズほど小さいフレームサイズになる傾向があります。この場合、低圧ターボの選定(ヒント:GT4718Rのコンプレッサーマップを参照)後、GT4088RまたはGT4094Rが候補となります

適切なサイズのタービン ハウジング A/R の選択に関してさらに2つのことをお伝えします。 A/R を小さくすると、ターボのブーストが早くなり、応答性の高いターボ アプリケーションが提供されますが、より高い rpm ゾーンでの背圧が高くなり、場合によってはコンプレッサーをサージに押し込むリスクが伴います(ブーストの立ち上がりが速すぎるリスク) 。 一方、A/R を大きくすると応答は遅くなりますが、トップエンドのパフォーマンスが向上し、コンプレッサーがサージに陥るリスクが軽減されます。 一般的に言えば、適切なタービン ハウジングは、より最適なトップ エンドのパフォーマンスを可能にしながら、ロー エンドで許容可能なブースト レスポンスを提供する最大のものです。

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