Επιλογή του κατάλληλου turbo

 
Η επιλογή της κατάλληλης τουρμπίνας
για κάθε εφαρμογή είναι μια διαδικασία που περνά μέσα από την μελέτη του compressor map, ενός χάρτη που δείχνει την απόδοση της τουρμπίνας σε συνάρτηση με την πίεση (pressure ratio) και την ροή του αέρα (flow rate).

Στο άρθρο αυτό θα δούμε πως υπολογίζουμε τα 2 αυτά βασικά μεγέθη για την δική μας περίπτωση και πως με αυτά διαθέσιμα και μελετώντας τον χάρτη απόδοσης της τουρμπίνας μπορούμε να δούμε εάν κάνει για την εφαρμογή μας.

 Επίσης δίνονται και 2 παραδείγματα για 2 γνωστές τουρμπίνες (KKK K03 & GARETT GT28RS) για τοποθέτηση σε κινητήρα VAG 1.8Τ.

Compressor Map

Στην
εικόνα 1 βλέπουμε ενα παράδειγμα απο compressor map. Στoν αξονα των Χ εχουμε  το flow rate σε lbs/min και στον αξονα των Υ το pressure ratio. 
Η
κόκκινη καμπύλη λέγεται surge limit και η περιοχή αριστερά απο αυτή χαρακτηρίζεται από ασταθή λειτουργία του κομπέσορα. Ποτέ μην διαλέξετε μια τουρμπίνα της οποίας ο comperessor map και οι συνθήκες λειοτυργίας της δείχνουν οτι θα δουλεύει σε αυτή την περιοχή. Σε υψηλές στροφές περιστροφής υπάρχει μεγάλος κίνδυνος ακόμη και καταστροφής της τουρμπίνας.

Οι καλπύλες του χάρτη με
μπλέ χρώμα ειναι αυτές που δείχνουν τις στροφές λειτουργίας της τουρπίνας για κάθε PR και flow-rate και θα πρέπει να προσέξουμε να ειναι κάτω απο το μέγιστο οριο λειτουργίας που θέτει ο κατασκευαστής.

Οι νησίδες με
πράσινο χρώμα, δείχνουν to efficient rate για κάθε περιοχή λειτουργίας. Όσο ξεφεύγουμε από το μέγιστο της απόδοσης(70% εδώ), τόσο η θερμοκρασία του αέρα εξαγωγής είναι μεγαλύτερη ( μικρότερη πυκνότητα) και σαν συνέπειες έχουμε την μειωμένη ιπποδύναμη καθώς και τον κίνδυνο καταστροφής της τουρμπίνας από υπερθέρμανση (oil cooking).


Εικόνα 1

Υπολογισμοί

Σαν pressure ratio (PR) ορίζεται ο λόγος:

 

PR = P1 + P2 +ICpd / P2 

όπου P1 = Επιθυμητή πίεση σε psi & P2 = Ατμοσφαιρική πίεση σε psi = 14,7 psi. ICpd = πτώση πίεσης λόγω του Intercooler (εδώ ενα 1.5 psi είναι ρεαλιστικό)

 

Έτσι στο παράδειγμά μας για τον 1.8Τ κινητήρα μια πίεση 1 BAR ( 14,7 psi) οδηγεί σε pressure ratio
14,7 + 14,7 + 1,5 / 14,7  = 2,1 

Σημείωση: Για ευκολία στους υπολογισμούς υποθέτουμε σταθερή πίεση σε όλη την κλίμακα στροφών, στην πράξη για να κρατήσουμε την τουρμπίνα σε καλές τιμές efficiency μεταβάλουμε την πίεση με τις στροφές.

  Ο υπολογισμός του flow rate του κινητήρα μας ειναι λιγάκι ποιο σύνθετος και στις εξισώσεις μπαίνουν παράγοντες
  όπως Intake Air Density, compressor inlet temp, corrected compressor inlet pressure. Για ευκολία στους
  υπολογισμούς δίνεται η παρακάτω εξίσωση χωρίς να έχει μεγάλη απόκλιση από την αναλυτική:

  CFM = (L * RPM * VE * PR) / 5660 

 οπου  CFM = κυβικά πόδια ανα λεπτό,  L = κυλινδρισμός σε λίτρα,  RPM = μέγιστος αριθμός
 στροφών, VE* =  
volumetric efficiency, PR = Pressure ratio (Που υπολογίσαμε παραπάνω)

  * Τιμές VE

  2 βαλβιδος κινητήρας = 85% 
  4 βαλβιδος κινητήρας = 90% 
  Modified street = 93% 
  Racing κινητήρας = 105%


  Πίσω στο παράδειγμά μας λοιπόν του 1.8Τ κινητήρα εχουμε:

 

  CFM = ( 1,781 * 6000 * 90 * 2,1 ) / 5660 = 357          

  Αυτή
είναι η μέγιστη ροή στις 6000 στροφές. Για να εχουμε μια ολοκληρωμένη εικόνα πάνω στον χάρτη του
 κομπρέσορα, υπολογίζουμε την ροή ανά 1000 στροφές απο τις 2000 εως τις 6000.

 Επειδή συνήθως στους χάρτες των κατασκευαστών η ροή δίνεται σε lbs / min η m3/sec μετατρέπουμε τα cfm σε
 lbs/min  πολλαπλασιάζοντας με το 0.069 η σε m3/sec πολλαπλασιάζοντας με το 0,0004719

 
Έτσι έχουμε:
     

RPM

CFM m3 / sec

  LBS/min  

2000 119 0,056 8,22
3000 179 0,084 12,32
4000 238 0,112 16,43
5000 298 0,140 20,54
6000 357 0,169 24,65


Εικόνα 2




Έχουμε λοιπόν στα χέρια μας το pressure ratio και τις τιμές του flow rate σε lbs/min, πάμε στο χάρτη και σημειώνουμε τις συντεταγμένες.


Βλέπουμε στην εικόνα 2 τον χάρτη της Borg Warner Κ03 (αυτή που φορούσαν τα VAG πριν το 2000)  με τα σημεία πάνω του. 
Φαίνεται ότι με πίεση 1. BAR ο compressor έχει καλό efficiency rate μόνο μέχρι τις 3000 περίπου στροφές. 

Για αυτό και συνήθως οι βελτιωτές ρίχνουν σταδιακά την πίεση μετά τις 3.000 έως τις 6000 στροφές.

 

Το να δουλέψουμε την τουρμπίνα από εκεί και πάνω σε μικρότερα efficiency rates, θα σήμαινε ότι θα παρήγαγε υπερβολική θερμότητα.
Πράγμα που σημαίνει ότι ακόμη και εάν παρέμενε μέσα στο όριο στροφών λειτουργίας της, το κέρδος σε ιπποδύναμη θα ήταν ελάχιστο (εάν όχι και αρνητικό) καθώς πέραν της μικρότερης πυκνότητας του αέρα εισαγωγής θα έπρεπε να αντισταθμίσουμε με λιγότερο αβανς ( κίνδυνος προανάφλεξης) και ίσως ποιο πλούσιο μίγμα (μικρότερη θερμοκρασία καυσαερίων)

Στην εικόνα 3 έχουμε τον αντίστοιχο χάρτη της Garett GT28R όπου φαίνεται ότι δεν έχουμε κανένα πρόβλημα να κρατήσουμε το 1 BAR μέχρι τις 6000 (και παραπάνω) στροφές.


Εικόνα 3

 Από ότι φαίνεται, στις χαμηλές στροφές , η τουρμπίνα είναι εκτός της σωστής περιοχής του χάρτη, αλλά σε αυτές τις στροφές έτσι και αλλιώς δεν μπορεί να "σηκώσει" την επιθυμητή πίεση του 1 BAR. Οι περισσότερες εφαρμογές turbo αποδίδουν το μέγιστο bost στο 50% των maximum στροφών του κινητήρα. Ενας καλός πρακτικός τρόπος να σιγουρευτούμε ότι ο compessor δεν θα δούλεψε εκτός του surge limit (κόκκινη γραμμή) ειναι να σημειώσουμε πάνω στο χάρτη αυτό το σημείο ( 3.000 στροφές / 2.1 PR) και μετά πάνω στον άξονα του flow-rate να σημειώσουμε το σημείο που έχουμε 20% του μέγιστου flow (24,65*0.20=4,93). 

Στην συνέχεια τραβάμε μια γραμμή που ενώνει αυτά τα σημεία (πράσινη γραμμή), η οποία πρέπει να ειναι ολόκληρη δεξιά από το surge limit (κόκκινη γραμμή).

Ο χάρτης που δείχνει την δυνατότητα της τουρμπίνας να ανεβάσει πίεση σε σχέση με την ροή των καυσαερίων είναι άλλος ( βλέπε εικόνα 4 )και πρέπει να λαμβάνεται υπόψη σε σχέση με τον κυβισμό του αυτοκινήτου.


Εικόνα 4

 Εδώ θα βρείτε ενα Excell spreadsheet για τον υπολογισμό του PR και FLOW RATE του κινητήρα σας   FLOW-RATE.XLS




Τί χάνουμε με την αύξηση της θερμοκρασίας αέρα εισαγωγής

 
Είδαμε οτι οι χάρτες του compressor δίνουν τα efficiency rates για διάφορες περιοχές λειτουργίας.
  Τι όμως σημαίνει στην πράξη το efficiency rate και τι αποτέλεσμα έχει στην αύξηση της ιπποδύναμης που
  περιμένουμε ως συνέπεια της αύξησης  της πίεσης εισαγωγής ?
    
    Ο τύπος που δίνει την αύξηση της θερμοκρασίας του αέρα στην εξαγωγή του compressor ειναι ο εξής:


    To = F * ( At + 273) * 100 / E

   Όπου F σταθερά σε συνάρτηση με το Pressure
   ratio απο τον διπλανό πίνακα , At η θερμοκρασία 
   περιβάλλοντος σε Co,    E το compressor
   efficiency  
   
   Στο παράδειγμά μας λοιπόν για την Κ03 στις 4000
   στροφές (έστω ότι την δουλεύαμε εκεί) έχουμε :
   
   Για PR=2.1 το F είναι 0,234, Αt έστω 20 Co και Ε
    = 51% 

   Άρα Το = 134,5 Co αύξηση θερμοκρασίας
   εάν το Ε ήταν 70%, τότε θα είχαμε αύξηση
   θερμοκρασίας κατά 98 Co. Δηλαδή 36,5 βαθμούς  λιγότερο !

   Για να έχουμε την πραγματική θερμοκρασία αέρα στην εξαγωγή του compressor προσθέτουμε την αύξηση της
  θερμοκρασίας στην θερμοκρασία περιβάλλοντος. Έτσι έχουμε 134,5 + 20 = 154,5 C.
  Βλέπουμε ότι με πίεση 1 BAR (διπλασιασμό δηλαδή του όγκου του αέρα που εισέρχεται στην μονάδα του χρόνου)
  έχουμε θερμοκρασία αέρα 154,5 C.
  Λογικά ο διπλασιασμός αυτός θα οδηγούσε σε αντίστοιχη αύξηση της ιπποδύναμης, αλλά υπάρχει και ο παράγων
  πυκνότητα του αέρα, ο οποίος με την ανοδο της θερμοκρασίας μειώνεται,,,,,
  Ας δούμε λοιπόν τι σημαίνει αυτό το ποσοστό μείωσης της πυκνότητας:

  D = (At + 273) * PR / (To + 273)

  Όπου D το ποσοστό μείωσης της πυκνότητας,  At η θερμοκρασία περιβάλλοντος σε Co, PR pressure ratio.

  Πίσω στο παράδειγμα, έχουμε At=20 Co , PR=2,1 οπότε D = 1,44

  Δηλαδή ενώ διπλασιάσαμε τον όγκο του αέρα που μπαίνει στον κινητήρα μας, η αύξηση του σε μάζα ειναι μόνο 
  44%. Άρα σε ένα ατμοσφαιρικό κινητήρα αυτό θα οδηγούσε σε προσδοκώμενη αύξηση ισχύος κατά 44% με την
  προϋπόθεση ότι μπορούσε να το αντέξει και ότι υπήρχε το κατάλληλο καύσιμο και ρυθμίσεις.

  Βλέπουμε λοιπόν την σημασία που έχει το efficiency rate του compressor.

 
ΥΓ. Φυσικά ένα καλό IC είναι απαραίτητο και θα μειώσει την θερμοκρασία σε ποιο λογικά επίπεδα, αλλά γιατί
  να τρέχουμε να διορθώνουμε το λάθος ενώ μπορούμε να μην πέσουμε σε αυτό?


  A418TQ  11/12/2003

Αρχική σελίδα  |  Το Club   |  Νέα  Εκδηλώσεις  |  Tuning   |   Links   |   Downloads   |   Προσφορές  |   Μέλη   |   Forum    


              Copyright 2003- 2004 GTC club