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Turbo System Optimization

ターボシステムの最適化では、補機システム、及び適切な計算方法、取り付け方法、問題の特定、さらに間違った取り付けから生じる一般的な問題の修正方法に関するヒントを扱っております。ウォーターライン、吸い上げ効果、チャージエアチューブ、オイルの供給と排出、オイルリストリクターと推奨油圧について学習します。ターボチャージャーシステムを最適化する方法を理解することが出来ます

システム最適化。ターボチャージャーのセッティングガイド

GarrettMotion.com のウェブサイトには、多くの役立つ情報が掲載されています。ターボ、インタークーラー、ターボキットの製品情報を掲載しています。Garrettのモデル命名の説明、Garrettトの技術や製品開発、OEMやモータースポーツとの関わりなどをご紹介しています。初級者向けから上級者向け、専門家向けまで、エンジニアによる技術チュートリアルを掲載し、コンプレッサーマップの動作点を詳細な計算式でプロットし、正しいターボを選択するのに役立ちます

It also contains and what events we’ll be at throughout the year as well as a distributor locator. また、ニュースや年間を通じてのイベント情報、販売店検索も掲載されています。このウェブサイトには、一般的なものから技術的なものまで、幅広い情報が掲載されています。お客様の経験レベルに関係なく、特定のアプリケーションに役立つ情報、または単にターボとターボシステムに関する知識を深める為の情報を見つけることが出来ます

 

アプリケーションのご案内

システムを設計する前に理解しておくべき最も重要なことは、アプリケーションの用途と目標馬力です。レースで使用するのか、ドラッグレースやドリフトで使用するのか、それとも公道走行用の車で使用されますか? その用途によってタービンの選定やシステム構成が大きく変わります。ドラッグレースで9秒台を出すのに適したターボシステムは、ドリフトやロードレースで使うには適していません。また、フライホイールパワーの目標値も必要です。この馬力を元にシステム全体の設計を行います。ターボが大きすぎると処理能力が遅くなり、小さすぎると思うようなパワーが出ません

 

ターボマッチング

www.GarrettMotion.com または Boost Adviser.com にアクセスしてください

すべてのターボには、馬力と排気量の範囲があります。この数値は各ターボ性能のページに記載されています。この範囲内にあるタービンを選ぶのがポイントです。目標馬力は?排気量は?次に、お客様の要件に合致するターボチャージャーを探します

・Turbo Tech をクリックし、Turbo Tech101, 102 and 103をお読み下さい。
・ ターボ技術103の公式を使用して、特定のアプリケーションの為のレッドラインでの質量流量と圧力比(PR)を計算します。
・ 質量流量とPRを複数のコンプレッサーマップにプロットして、最適なものを決定します。
・ このプレゼンテーションの例では、「アプリケーション」は、ポンプガスを使用する400馬力の公道走行用の車である為、推定質量流量〜40 lbs/分

エアフィルターの選定

アプリケーションの最大流量を考慮して、適切なエアフィルターサイズを選ぶことが重要です。目標表面速度はレッドラインで≤130 ft/minとし、制限を最小限に抑え、ターボが最適に機能する為に必要な空気を供給します。ターボに適切な量の空気が供給されないと、過剰な制限が発生し、その結果、次のような問題が生じます
・ コンプレッサー側のピストンリングからオイル漏れが発生し、オイルロス、インタークーラーの汚れ、テールパイプからの発煙の原因になる可能性があります
・ 圧力比が高くなり、ターボの過回転につながる可能性があります

・ 過回転はターボの耐久性を低下させ、ターボの早期破損につながります

正しいエアフィルターのサイズを決める
例:
表面速度 = 130フィート/分
質量流量 = 40 lbs/min
空気密度 = 0.076 ポンド/ft3
質量流量(lbs/min)=体積流量(CFM)×空気密度(lbs/ft³)
体積流量(CFM)=質量流量(lbs/mn)/空気密度(lbs/ft³)
体積流量 = 526 CFM
ツインのアプリケーションで使用する場合は、流量を2で割って下さい。
表面速度(フィート/分)=体積流量(CFM)/面積(フィート²)の場合
面積(フィート) = CFM / 面間速度(フィート/分)
面積(ft²) = 526 / 130 = 4.05

面積(in²) = 4.05 x 144

面積 = 582 in² (インチ)計算面積がわかっている場合のフィルターサイズの決め方
面積(in²)=プレートの高さ×プレートの深さ×プレート数×2
面積(in²) = 9.00 x .55 x 60 x 2
面積 = 594 in² (インチ²)
実際のフィルター面積 (594 in²) > 計算された面積 (582 in²)


給油と排水
ボールベアリングターボ

ボールベアリングターボの最適な性能を引き出す為に、オイルリストリクターの装着を推奨します。ターボチャージャーの内部への損傷を防ぐ為に、最大エンジン回転数で40 – 45psiの油圧を推奨します。この圧力を達成する為に、0.040インチのオリフィスを持つリストリクターは通常十分ですが、コンポーネントが適切に機能することを確認する為に、リストリクターの後にターボに入る油圧を常に確認する必要があります。推奨するオイル供給は、-3ANまたは-4ANラインまたは同様の内径を持つホース/チューブです。いつものように、OEMの仕様を満たすか上回るオイルフィルターを使用して下さい。

システム圧力が過度に高い場合を除き、リストリクターが使用されていない場合、オイル漏れは適切に機能するシステムで発生しないはずです

ジャーナルベアリングターボ


ジャーナルベアリングは、エンジンのロッドベアリングやクランクベアリングと同様の機能を持ち、構成部品を分離する為に油圧が必要です。油圧による漏れを除けば、オイルリストリクターは一般的に必要ありません。ジャーナルベアリングターボチャージャーの推奨オイル供給は、-4ANまたは約0.25インチの内径を持つホース/チューブです。オイルフィルターは、必ずOEM仕様以上のものを使用して下さい

オイルドレイン

一般に、オイルドレインは大きい方が良いです。しかし、内径がハウジングのドレンホールより小さいと、オイルがセンターハウジングに逆流する可能性が高いので、なるべく内径を小さくしないで下さい。センターハウジングにオイルが逆流すると、重力供給であることが必要になります! 平地に設置した場合、オイルの出口は重力の方向±15°に沿う必要があります。重力供給が不可能な場合は、掃気ポンプを使用して、オイルがセンターハウジングから自由に流れ出るようにする必要があります

ターボチャージャーを取り付ける際、ターボチャージャーの回転軸が水平な地面に対して±15°以内であることを確認して下さい。また、オイルの出入口は水平な地面に対して15°以内になるようにして下さい

 

避けるようにして下さい:
・線に起伏がある、または地面と平行に長く伸びている
・オイルレベル以下のオイルパンへの排水
・オイルパン後方の部品に流入する
・オイルパン後方(ウィンダージトレイの窓)において、クランクシャフトからオイルの飛散が発生する箇所

ウォーターラインの最適化

水冷は耐久性向上の為の重要な設計要素であり、水冷対応ターボの場合、水冷配管を接続することをお勧めします。水冷は、熱サイフォン効果を利用して、停止後のタービン側ピストンのピークヒートソークバック温度を下げることにより、オイルコーキングによる破壊的な発生をなくします。水冷システムの効果を最大限に発揮させる為には、水ラインに起伏がないようにして、熱サイフォン効果を最大にする必要があります

最良の結果を得るには、センターハウジングの向きを20°に設定すると効果的です。ウォーターラインの設定が不適切な場合、ターボに重大な損傷を与える可能性があります

 

水冷に関するホワイトペーパーの全文はこちらをご覧下さい(英語) 

適切なチャージチューブの計算

 

ダクト径は、約200~300ft/secの流速に対応出来るようなサイズにする必要があります。計算値より小さい直径を選択すると、流路面積が制限される為、流量圧力が低下します。また,計算値より大きい直径を選択した場合,冷却流が拡大し,過渡応答が遅くなります。チューブを曲げる場合、曲げ半径をチューブ直径の 1.5 倍にするのが良い設計基準です。流路面積には、サイズや形状が急激に変化するような制限的要素がないことが必要です
当社の例:速度(フィート/分)=体積流量(CFM)/面積(ft²)
・ チューブ径:流速は200~300ft/secが望ましい
直径が小さすぎると圧力損失が大きくなり、大きすぎると過渡応答が遅くなります。
・ 速度(ft/min)=体積流量(CFM)/面積(ft2)
ツインターボの場合は、流量を2で割って下さい
チャージチューブの設計は、全体の性能に影響しますので、システムから最高の性能を引き出す為には、いくつかのポイントを押さえておく必要があります
ダクトの曲げ半径:
– 半径/直径 > 1.5
・ 流路面積
– 面積の変化、急激な変化、形状の変化を避けます

・ 車両に搭載可能なパッケージングスペースの関係で、通常、特定の設計が必要となります

 

インタークーラーの選択

“インタークーラーコアのページでは、チャージエアクーラー(通称:インタークーラー)の選定を簡単に行うことが出来ます。各コアには定格馬力があり、目標出力とコアのマッチングを簡単に行うことが出来ます。一般的に、アプリケーションのパッケージングの制約の中でフィットする最大のコアを使用します
インタークーラーを選ぶ際のもう一つの重要な要素は、エンドタンクのデザインです。適切なマニホールド形状は、チャージエアの圧力損失を最小限に抑え、均一な流量分布を提供する上で重要です。優れたマニホールドの形状は、損失を最小限に抑え、均一な流量分布を提供します。しかし、倒れ込みの形状は、トップチューブの寿命を縮めさせる可能性があります。サイドエントリーは、圧力損失と流量分布の両方にとって理想的ですが、車両のスペースの制限により通常は不可能です”
インタークーラーの適切な取り付けは、システムの耐久性を向上させます。Air to Airチャージエアクーラーは、一般的に「ソフトマウント」、つまりゴム製の絶縁グロメットを使用します。このタイプのマウントは、冷却モジュール全体にも使用されています。この設計では、振動荷重を減衰させることにより、振動による故障を防止します。また、熱膨張を考慮した設計により、熱負荷を軽減しています
アイソレーションのメリット
荷重を減衰させることで振動を防止
・ 熱膨張による熱負荷の軽減”

 

インタークーラーの適切な取り付けは、システムの耐久性を向上させます。Air to Airチャージエアクーラーは、一般的に「ソフトマウント」、つまりゴム製の絶縁グロメットを使用します。このタイプのマウントは、冷却モジュール全体にも使用されています。この設計では、振動荷重を減衰させることにより、振動による故障を防止します。また、熱膨張を考慮した設計により、熱負荷を軽減しています
アイソレーションのメリット
・荷重を減衰させることで振動を防止
・ 熱膨張による熱負荷の軽減

 

ブローオフバルブ (BOV)

適切なブローオフバルブ(BOV)の使用は、システム性能に影響します。主に2つのタイプを検討する必要があります

MAP(Manifold Absolute Pressure)センサーは、大気開放バルブまたは再循環バルブを使用します
– 信号線をマニホールドソースに接続します
– スプリングレートが硬すぎるとサージが発生することがあります

MAF(マス・エア・フロー)センサーは、最高の運転性能を得る為に再循環(バイパス)バルブを使用します
– 信号線をマニホールドソースに接続します
– バルブの位置をターボ出口に近づけると効果的です(高温に対応出来る場合)
– バルブや出口配管に制限がある場合、サージが発生する場合があります

 

ウエストゲート

内部ウェストゲートはターボの一部であり、タービンハウジングに組み込まれています。信号線には2つの接続方法があります。一つは、コンプレッサー出口(マニホールドではなくバキューム)からアクチュエーターに接続する方法です。もう一つは、コンプレッサー出口からブーストコントローラー(PWMバルブ)、そしてアクチュエーターに接続する方法です。マニホールド圧力は、アクチュエータのスプリングレートにより制限されます。ほとんどのOEMアクチュエーターは真空用に設計されていない為、ダイヤフラムが破損し、過剰なマニホールド圧力が発生し、エンジンにダメージを与える可能性があります

社外ウェストゲートはターボとは別体で、タービンハウジングではなくエキゾーストマニホールドに組み込まれています。マニホールドとの接続は流量に大きく影響し、マニホールドに対するウェストゲートの正しい向きは重要です。例えば、ウェストゲートをマニホールドに対して90°に配置すると、流量が最大50%減少します。これにより、システムに対する制御を大幅に低下し、ドライブトレイン全体が危険にさらされます。代わりに、理想的な接続は、スムーズな移行で45°になります
外部ウェストゲートへの信号線の接続には2つの可能性があります。
・ コンプレッサー出口(マニホールド、バキュームではない)からアクチュエータに接続します
・ コンプレッサー出口からブーストコントローラー(PWMバルブ)へ、そしてアクチュエーターへ接続します。この場合も、マニホールド圧力はアクチュエータのバネ定数で制限されます

 

オイルリーク

ターボが正しく取り付けられていれば、オイルが漏れることはありません。しかし、オイル漏れが発生する場合があります。ここでは、漏れる場所によって、最も一般的な原因をご紹介します

コンプレッサーやタービンのシールからの漏れ
– 油圧が高すぎる
– ドレンが小さすぎる、連続的に下降していない、オイルパン内のドレンの位置がクランクからオイルが垂れている部分にあり、ドレンチューブにオイルが逆流している。オイルパン内のドレン排出口は、必ずクランクからのオイルが偏流トレイで遮断される位置に設置して下さい
– クランクケース圧力の不適切な排出
– クランクケース圧力が高すぎる
– オイルドレンが推奨される35°を越えて回転している
コンプレッサーシールからの漏れ
コンプレッサーハウジングのインレットにかかる圧力が高すぎることが原因:
– エアフィルターが小さすぎる
– チャージエアチューブが小さすぎるか、エアフィルタとコンプレッサハウジングの間に曲げ部が多すぎる
– エアフィルターが詰まっている
タービンシールからの漏れ
– 過大なEGT(排気温度)により、タービンピストンリングの破損。
– ターボ軸が推奨15°を超えて傾いている

 

ターボシステムのテスト

ターボシステムの問題の多くは、簡単なシステムテストにより、致命的な事態になる前に特定することが出来ます
システムを加圧し、漏れがないかテストする
・ クランプ – 締め付けの確認
・ カプラ – 穴や裂け目がないか
・ CACコア/エンドタンク – 溶接部にボイドがないか

モニタリング

ターボシステムをモニターし、すべての機能が正常に動作していることを確認することで、トラブルのない性能を発揮することが出来ます
システム監視/最適化に使用する機器: システムの校正と最適化する為の最も正確な方法は、データロギングを使用します
1. 油圧(エンジン動作のモニターが必要)
2. 油温(エンジン動作のモニターが必要)
3. 水温(エンジンの運転監視に必要)
4. 空燃比(ワイドバンドセンサ等、エンジン運転状態を把握する為に必要)
5. マニホールド圧力
6. タービン入口圧
7. 排気ガス温度
8. ターボスピードセンサー
マニホールド圧力
– 馬力目標を達成する為に必要なマニホールド圧力を達成するようにアクチュエーター設定を校正する
– オーバーブースト状態を検出する
– アクチュエーターダイアフラムの破損を検出する”
背面圧
– タービンハウジング入口の圧力変化を監視
– タービンハウジングのA/Rの違いによる影響
– 背圧の上昇は体積効率を低下させ、最終出力を低下させる
パイロメーター
– マニホールド/タービンハウジングの排気ガス温度(EGT)をモニターする
– タービンハウジングの素材やその他の排気部品のターボ回転数に基づき、校正を調整します
– コンプレッサーマップの動作点決定
– 現在のターボがアプリケーションと目標馬力に対して適切かどうか判断します
– ターボの過回転によるターボの破損を防ぎます

 

11のチェックリスト

1. アプリケーション情報 – 目標馬力、車両の使用目的など
2. エアフィルターのサイズ決定 – アプリケーションのニーズに合わせてサイズを決定する
3. オイル供給:ボールベアリングターボ用レストリクター
4. オイルドレイン – 適切なサイズと配管
5. ウォーターライン-熱サイフォンの効果を最大にする為のセットアップ
6. チャージチューブ-用途に応じた直径を決定する
7. チャージエアクーラー-用途に応じたコアサイズの決定、最適な流量のためのマニホールドの設計、耐久性の為の取り付け
8. BOV – MAPエンジン用VTA、MAFエンジン用バイパス
9. ウェストゲート – 信号線をコンプレッサーの出口に接続し、外部ウェストゲートへの移行をスムースに行う
10. システムテスト – システムを加圧して漏れをチェックし、定期的にクランプの締まり具合とカプラーの状態をチェックします
11. システムモニタリング – 最適な性能とコンポーネントの耐久性 を確保する為、適切なゲージ/センサでエンジンをモニ ターすること

 

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