渦輪本體選擇

 

作者:蔡依橙 (sillyduck@TAPC)

日期:2013年7月1日

 

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2013 年修訂序

 

十年前寫的文章,修訂一下後重刊。長篇論述就這兩篇了,另一篇在這。其他的改裝文章,零星散在 TAPC 的討論區,圖片連結也逐漸失效了,就讓那些過去,逐漸過去吧。

 

 

◎緒論

 

在改裝雜誌中,不管拉馬力或是跑零四,標題中對車子的介紹最常見的就是車種跟搭載的渦輪(NA則是車種跟重點改裝),這表示當我們要對一台渦輪車做個最簡單的介紹,除了引擎本身以外,就是要去認識他的渦輪。

 

說到渦輪,目前台灣常見的牌子不出十個,要經過市場考驗,穩定度跟性能表現都很重要,價格跟可近性也是影響渦輪能見度重要的因素,以外掛渦輪來說,日本廠的 MHI (三菱重工)、IHI (石川島播磨重工業株式社會夢想科學會社)是最常見的品牌,日本以外的 Garrett(蓋瑞特,也代工 HKS)、KKK 等等也都有一定的支持者。

 

Garrett這個是 HKS 大多數渦輪的來源,如果要跑零四,這家的美式作風很適合,但若是到了亞洲國家這種市區路面,大概渦輪都沒機會全開,除非你找到高手加持。當然也跟渦輪的大小有關,但 Garrett 的渦輪大多對應風量都超大的。美式作風最大的好處,跟美國職棒一樣,就是他們都會把自己的渦輪很科學化的呈現,所有的流體力學曲線、A/R 值(個人認為比號數更能代表渦輪特性大小的值之一)、compressor map、turbine map都有,Garrett 官網,可以作為認識渦輪的起點。

 

三菱這家的渦輪也很有意思,一般改車族的認知就是日本渦輪遲滯很不明顯,這個其實要歸功於三菱跟 IHI 作 OEM turbo 打到全世界的眾多車款,日本渦輪的最大問題就是他們不公布渦輪風量數據,例如 compressor map,至於 turbine map 更是想都不要想。但一般認為,他們的渦輪峰值能維持一個平原,低轉速高扭力,但高轉時容易 surge 導致排溫過高。三菱的渦輪主要在改裝市場就是 TD-04、TD-05 等等,至於一般認為 TD-04 是四號,其實有點誤解,因為TD系列只是指他的 housing,真正葉片的部分有另外的數據,所以 TD-04 11G 跟 TD-04 15G 根本可以視作不一樣的渦輪,看起來小小一顆,真正吹起來到底如何,因葉片的不同會有 LG 比雞腿的差異喔。

 

IHI目前我在考慮要落的渦輪牌子,之所以喜歡這家,是因為這家是日系廠少數還可以找到 compressor map ,雖然不完整,但至少夠我計算用了,另一個原因是因為 IHI 這家公司的全名:「石川島播磨重工業株式社會夢想科學會社」,有「夢想」兩個字,這很酷。 IHI 的 USA official site ,可以找到很多資訊。

 

以上只是一個大概的介紹,但真正要花十幾萬去落渦輪的話,我建議還是不要只是聽人家講或是看雜誌,因為真正的觀念這些地方很少提到,至少要先瞭解渦輪的作動原理、渦輪的大小跟配合的排氣量、轉速增壓值跟馬力的關係,接著動手找一下你喜歡的渦輪的 compressor map,接著用以前學過的空氣力學帶進自己車子的數據,看看到底這顆渦輪適不適合自己 2.0 升 6600 轉的引擎,在激烈操駕時會不會排溫過高、在渦輪轉速極限時會不會 surge 等等。我們買一台筆記型電腦都會去計較 CPU 多快、RAM 多少,何況是這種不是大量出貨,要相信店家的台面下改裝,而各家渦輪大廠對於渦輪的特性也不能一概而論,畢竟搭配、安裝、調教其實都遠比迷信某個渦輪號數或是型號來的重要!

 

 

◎選擇渦輪本體

 

選擇一顆渦輪本體,最基本的,要考慮這顆渦輪適不適合我們的引擎。這中間需要考慮的因素有:引擎本身的排氣量、轉速、強度、將來可能打的增壓值以及可能破轉速的上限。要去符合這些條件,就必須拿到各家廠家的 compressor map,以下以 Mitsubishi 與 IHI 做選擇:

 

計算的條件如下:

– 預計兩階段增壓,0.5 bar à 1.0 bar (後來直接上凹頂活塞做高增壓了,這是之前算的。)

– 引擎 2000 cc 6600 rpm 斷油

 

Pressure ratio:

– 0.5 bar = 1.5 ; 1.0 bar = 2.0

 

Airflow rate (6600 rpm):

– Garrett: 19.379 lbs/min

– Mitsubishi: 201.03 cfm

– IHI: 5.695 m3/min

 

Airflow rate (8000 rpm)

– Garrett: 23.490 lbs/min

– Mitsubishi: 243.67 cfm

– IHI: 6.90 m3/min

 

IHI系列渦輪

 

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由這張圖可以得知:在低增壓、不破轉速的狀況下,RHF 4 & RHF 5都能有不錯的效率。但當增壓值打大,轉速維持 6600 rpm 時,RHF 4 效率開始衰退,排溫升高。若考慮將來的升級性,RHF 5 以及 RHF 55 會是比較好的選擇。即使打高增壓值或甚至破轉速,都還在對應的範圍內。

 

在找渦輪本體的過程中,更瞭解渦輪的市場,發現渦輪大多都是外匯進來的,全新的價格較高,一般都是新車原廠渦輪換下後進口到台灣的最多(新車就改裝升級),價格實惠,也幾乎沒用過。也發現,IHI 的編號有點小混亂,雖然RHF 55是比較新的編號,但其實還有次編號的系統,如:IHI RHF55 VF36、IHI RHF5 VF38,RHF 後面的字是 basic design,housing 略有不同,而 VF 後面的數字越大越新,倒沒有大小的意涵。

 

在我改渦輪的這陣子,比較流行的就是前陣子有日本人來台灣 TIS 跑出 1 分 2 秒的STI spec C原車渦輪 IHI RHF5 VF38。STI 系統的特色,之前小弟看雜誌粗淺的瞭解是,STI 的渦輪會比 WRX 的大一點,lag 也比較嚴重,但 4000 rpm 後的扭力很恐怖。上網看了一下 VF38 的一些討論,發現美國 Impreza forum 對 VF38 不熟,似乎是美國本土沒有 spec C 的關係。稀少的言論中都是推崇的,只是對於他 exhaust outlet 的設計有點意見(日後討論),但這部分是可以解決的,於是我就跟老闆說「請幫我辦這顆渦輪進來,確定要這顆了」。心想,依引擎狀況來說,Tierra 只比 Impreza 少一千轉左右,能在 4000 rpm 的扭力峰值附近加上 RHF 5 VF38 的加持,中高速應該會很漂亮。

 

Corky Bell 認為除非不跑高速,只是市區塞車用,不然一般建議選擇全增壓能在最大轉速 1/3 時出來的渦輪剛剛好,以 Tierra 來說,大約 2200 轉,RHF5 VF38 若要 0.5 的話大概全油門 2500 rpm 左右就到了,蠻適合的。

 

至於為什麼沒有用有名的 TD-04,這個其實都是我個人因素,老闆一直建議我他私藏的一顆 TD-04 改高風量的,用小 housing(比 IHI RHF5 的確是小的多)加上高風量葉片,可以有早增壓、又能兼顧高轉的效果,但我最後還是捨棄這顆鎮店之寶裝了 VF38,原因有二:一則 TD-04 是 MHI (Mitsubishi heavy industry三菱重工業) 的渦輪,三菱這家公司岌岌可危,我對於一家士氣低迷面臨倒閉的公司作出來的東西說真的沒有信心,當然,老闆也提到,壞了都可以修,算他的,但我個性不喜歡壞掉顧路的風險,還是放棄。二則這顆號稱高風量混種渦輪,實際上卻一直沒辦法拿到他葉片的型號,TD-04 11G 的渦輪前面 04 是指housing,後面的數字 11G 是指葉片,從 200 HP 到 400 HP 都有不同的葉片可以對應,如果能知道他到底是 TD-04 13G 或 15G,我會比較想裝,因為我的個性相信自己手算、相信書上的資訊、相信網路的資訊,但或許也因此錯過了很好的機會。因為那顆渦輪裝在一台喜美上,竟跑出 Spec-R 2000cc 以下渦輪組第三名,贏過一大堆怪獸。

 

TD-04 13G:這張圖可以看出,TD-04 13G 最棒的效率是在中增壓,大約對應 6600 rpm 的話,0.5-0.8 bar 都很棒,再上去大概可以承受到 1.5 bar 左右,之後渦輪效率就會開始降低,容易升高排溫。

 

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而 TD-04 15G 則是大了點,對 2000 cc 6600 rpm 的引擎來說,還沒經過最甜美的中心區。

 

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◎選擇RHF 5的原因

 

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一體式 wastegate 但無排氣干涉

 

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一體式的 wastegate (或稱actuator)最大的問題一般出現在排氣洩壓處跟從 turbine 處出來的空氣排氣干涉太嚴重(如下圖),在這個地方排氣干涉造成的後果是最嚴重的,會導致 turbine 運轉不順 (turbo lag更多) 還有排氣不順 (回壓導致排溫升高)RHF5 VF38 的設計差了點,兩個出口沒有分開,但我們動了些小手腳,讓他們不互相干涉。加上預計把wastegate端直接接管子洩放大氣,能讓空氣流動最順暢。也能得到虛榮的排氣大氣洩壓聲。

 

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這個渦輪設計就差了,很難事後對排氣狀態做補救。

 

雙排側 Split-inlet exhaust housing

 

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雙排側的設計是為了少汽缸的引擎發明的,其中效果最明顯的就是四汽缸引擎,以 V10 來說,無時無刻 turbine 都有廢氣在推動,但直四的,每一百八十度才有一次廢氣排出推動葉片,所以更是珍貴。我們把 1,4 缸,2,3 缸連接起來通入 housing,確保每個180度的排氣能夠有效推動葉片,把排氣干涉減到最小,推動葉片更有效率,減少 turbo lag,增壓反應更快。

 

水油冷 Water-cooled CHRA

 

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這個是具有爭議的一部份,台灣的改裝渦輪車,100 台有 99 台沒做水冷,但我所查到的資料不管是網路或是書本都很強調水冷的重要,施工水冷主要的目的是為了減輕機油冷卻的負擔,因為中心軸承的工作溫度非常高,一般超過 400 度以上,市售機油很容易被燒焦,萬一燒焦了,潤滑效果減低,甚至可能在細細的軸承通道中塞住,讓 turbo 掛點。左下圖可以看出,加裝水冷後機油溫度可以降低約 100 度,延長機油壽命、延長 turbo 壽命。但對於 turbo 的反應跟進氣溫度是沒有影響的。

 

在國外 turbo 的書,說到機油,叫做 lubricating oil,說到水冷,叫做 water-cooled CHRA,也就是說油管潤滑、水管冷卻,機油因為低比熱的關係,能帶走的熱量相當有限。

 

滾珠軸承(Ball bearing)

 

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滾珠軸承的設計是為了減低軸承處的摩擦,讓軸承更輕,降低 turbo lag。

 

由下圖可看出,滾珠軸承的摩擦力比一般的渦輪要來的小,尤其表現在渦輪迴轉速域更明顯。減輕 turbo lag 的效果很好。

 

 

◎結論

 

渦輪本體是低增壓改裝中最花錢的一部份,當然也是決定改裝成果優劣時,最核心的要件之一,目前台灣的改裝熱潮大約都在 1600-2000 cc 間,所選擇的渦輪其實差異不會太大,尤其 1600 cc 常見的單凸喜美,比一般他廠的 2000 cc 轉速都來得高,能推的渦輪其實根本就是 2000 cc 等級的,所以常用的渦輪大概就是那幾顆,但小變化就多了,改葉片、混種進排氣,使得這部分的選擇相當多,卻也相當困難。

 

如果願意的話,在改裝前,花點小錢買兩本書,花點時間動手算一下自己將要改裝的渦輪的風量跟合適程度,對結果也比較能預期,當遇到不同店家、不同車友對同樣的渦輪有截然不同的看法時,也才能有自己的定見。

 

最後要提的是,為什麼我不用「號數」來定義渦輪,最基本的就是「號數」本身根本沒辦法被定義,到底什麼叫做四號渦輪呢?TD-04 的四嗎?那麼 IHI RHF55 是不是就是五號半?TD-04 15G 就是四號半嗎?那麼Garrett GT 2530 到底是二號、五號、三號、還是零號呢?我問了很多渦輪店家、很多渦輪車友,沒有人能告訴我確切的定義。

 

於是我一開始接受Garrett的 A/R 值定義,但學會後,發現 IHI 跟 MHI 根本不甩這套,接著我進一步從風量的角度切入,研究 compressor map,心想,這總夠科學客觀了吧。但不幸的是,IHI 跟 MHI 的風量原廠都不 release,只有找到國外日蝕俱樂部自己測的 MHI 風量,跟 USA IHI 原廠提供的可憐比較圖。

 

雖然資訊少,但這是唯一一個,全世界渦輪改裝族共同的語言、各種廠牌能站在一起比較的基礎。我想,改裝本身是人類利用知識與科學去達致最大性能的活動,自然不該摻進太多的嘴上迷霧,應該一就是一、二就是二的定義清楚。

 

 

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