Szakértő

Ez a cikk egy kissé bonyolultabb és a kompresszor térkép értelmezéséhez ad segítséget, hogyan becsüljük meg a nyomásarányt és a tömegáramlási sebességet a motorunknál, és hogyan rajzoljuk a pontokat a kompresszor térképre, hogy segítségünkre legyen a megfelelő turbófeltöltő kiválasztásában.

A kompresszor térkép részei:

A kompresszor térkép egy olyan grafikon, amelyről leolvasható egy bizonyos kompresszor jellemzői, beleértve a hatásfokot, tömegáramlási tartományt, turbó nyomást és a turbó fordulatszámot.

A következő grafikon egy jellegzetes kompresszor térkép megjelenítését ábrázolja.

A nyomásarány (∏c) az abszolút kiűrítési nyomás(turbónyomás) és az abszolult szívónyomás hányadosa.

∏c=P2c/P1c Ahol a ∏c=Nyomásarány

P2c=Kompresszor kiűrítési nyomás

P1c=Kompresszor szívónyomás

Fontos, hogy mind a P1c-nél, mind a P2c=nél az abszolút nyomás egységeket alkalmazzuk. Az abszolút nyomás tengerszint magasságban 14,7psia azaz 1atm. A psia mértékegységben az "a" az abszolútat jelenti. Ezt normál atmoszférikus nyomásnak nevezik standard állapotoknál. A manométernyomás a psig mértékegységben a "g"a manométert jelenti, azaz atmoszférikus nyomás fölötti értéket fog mérni, így a nyomásmérőnk atmoszférikus állapotoknál zérót fog mutatni. A tultöltés (boost) manométerek a szívócső atmoszférikus nyomás feletti értékét mutatják. Ez fontos a P2c meghatározásában. Pl.: egy 12psig jelzés a túltöltés mérőn azt jelenti, hogy a szívócsőben a levegő nyomása 12psi-vel nagyobb az atmoszférikus nyomásnál. Egy standard atmoszférikus állapotú napon. 12psig+14,7psia=26,7psi az abszolút nyomás a szívó csőben.

A nyomásarányt most kilehet számolni: 26,7psi/14,7psia=1,82 Viszont ez feltételeti, hogy nincs a levegőszűrő szerelvénynek ellentétes hatása a kompresszor szívónyíllásánál. (legszűrő betét, doboz, annak nyíllása és a csövezés) A nyomásarány meghatározásakor az abszolút nyomás a kompresszor szívónyílásánál (P2c) általában kisebb, mint a környező nyomás, különösen nagy terhelésnél. Minden korlátozás (amit a levegőszűrő vagy a szűkítő csővezetékek okoznak) depressziót, vagy nyomásveszteséget, a kompresszor ellenáramot fogja okozni, amit számításba kell venni, amikor meghatározzuk a nyomásarányt. Ez lehet 1psig vagy ennél több is néhány szívó rendszernél. Ebben az esetben a P1c egy szokványos napon: 14,7psia-1psig=13,7psia a kompresszor szívónyílásánál.

Figyelembe véve az 1psig beszívási depressziót, a nyomásarány most: (12psig+14,7psia/13,7psia=1,95 Ez nagyszerű, de mi van akkor, ha nem tengerszint magasságban vagyunk? Ebben az esetben egyszerűen helyettesítsük be az aktuális atmoszférikus nyomást a 14,7psi helyére a fenti egyenletben, hogy pontosabb számítást végezhessünk. Nagyobb magasságokban ennek jelentős hatása lehet a nyomásarányra. Pl.: Denver 5000láb magasságában az atmoszférikus nyomás jellemzően 12,4psia. Ebben az esetben a nyomásarány szmítás, figyelembe véve a beszívási depressziót: (12psig+12,4psia)/(12,4psia-1psig)=2.14 Összehasonlítva az eredetileg számított 1,82 nyomásaránnyal ez már nagy különbség. Ahogy a fenti példákban láthatjuk, a nyomásarány sokkal több mindentől függ, mint egyszerűen a túltöltéstől.

Mass Flow Rate - Tömegáramlási sebesség

A tömegáramlási sebesség a levegőtömeg átáramlása egy kompresszoron és egy motoron! egy adott idő alatt lb/min (font/perc, 1font=0,453592kg) egységben kifejezve. A tömegáramlás fizikailag mérhető, de sok esetben elegendő felbecsülni azt, hogy a megfelelő tubófeltöltőt válasszuk ki. Milyen tömegáramlási sebességre van nekem szükségem? Egy nagyon általános szabályként a turbótfelöltéses benzinmotoroknál 9,5-10,5LE-t generál (lendkeréknél mérve) mindenegyes lb/min levegőáramlás. Így egy motor 400LE-s kitűzött csúcs lóerőnél 36-44lb/min levegőáramlást fog igényelni. Ez csak egy durva első megközelítés arra, hogy szűkítsük a turbófeltöltő kivállasztásának lehetőségét.

Surge Line - Fordulatszám ingadozási vonal: A fordulatszám ingadozás a kompresszor térkép baloldali határvonala. Ettől a vonaltól balra való üzemelés az áramlási instabilitás területét képviseli. Ezt a területet enyhe ingadozástól a hevesen változó túltöltés és a kompresszorból jövő "ugatás" jellemzi. Afolyamatos üzemelés e területen belül a turbófeltöltő időelőtti meghibásodásához vezethet a nagy tengelyirányú terhelésnek köszönhetően. A fordulatszám ingadozást akkor tapasztaljuk a leggyakrabban, amikor két szituációból egy jelen van. Az első és legkárosabb a terhelés alatti fordulatszám ingadozás. Ez jelzés arra, hogy a kompresszorunk túl nagy. A fordulatszám ingadozást gyakran akkor is megtapasztaljuk, amikor a fojtószelep gyorsan bezár. Ez azért fordul elő, mert a tömegáramlás drasztikusan lecsökken, amikor a fojtószelep bezár, de a turbó még nagy fordulatszámon forog túltöltést generálva. Ez azonnal elviszi a munkapontot a kompresszor térkép balszélső részére pontosan a fordulatszám ingadozásba. A fordulatszám ingadozás akkor fog lecsökkeni, ha a turbófeltöltő fordulatszáma végül eléggé lecsökken ahoz, hogy lecsökkentse a túltöltést, és vissza vigye a munkapontot a stabil területre. Ezt a helyzetet gyakran kezelik lefúvató szelepek (BOV) vagy kiegyenlítő szelepek beiktatásával. A lefúvató szelep úgy működik, hogy kiereszti a tulnyomást az atmoszférába úgy, hogy a tömegáramlás finoman leesik megkímélve a kompresszort a fordulatszám ingadozástól. Az újrakeringtető kiegyenlítő szelep esetében a levegőáram vissza van vezetve a kompresszor szívónyílására. A furatos szívónyílású kompresszorházakba ezek a tulajdonságok ezáltal be vannak építve. Úgy működik, hogy elmozdítja a fordulatszám ingadozási vonalat balra. (lásd az ábrán) azáltal, hogy egy kis légáramot enged kilépni a keréktől a furaton keresztül a fordulatszám ingadozás előfordulásának megakadályozására. Ez további használható tartományt biztosít és lehetővé teszi egy nagyobb kompresszor használatát a nagyobb áramlási követelmények esetén anélkül, hogy veszélyeztetné a kompresszort egy veszélyes fordulatszám ingadozási üzem állapottal. Ennek a megoldásnak rendszerint van egy kis negatív hatása a kompresszor hatásfokára.

The Choke Line - A folytási vonal a kompresszor térkép jobboldali határvonala. A Garrett térképeknél a fojtási vonalat jellemzően az a pont határozza meg, ahol a hatásfok leesik 58% alá. Azonfelül, hogy a kompresszor hatásfok gyorsan esik ezen a ponton túl, a turbó fordulatszám szintén eléri vagy meghaladja a megengedhető határt. Ha az aktuális vagy tervezett üzemelés e határon túli, egy nagyobb kompresszor szükséges.

Turbo Speed Lines - A turbó fordulatszám vonalalak az állandó turbó fordulatszám vonalai. A turbó fordulatszám e vonalak közötti pontoknál interpolációval felbecsülhető. Ahogy emelkedik a turbó fordulatszám, úgy emelkedik a nyomásarány és/vagy a tömegáramlás. Ahogy már megismertük a fenti fojtási vonal leírásban, a turbó fordulatszám vonalak nagyon közel vannak egymáshoz a térkép jobboldali szélén. Ha már egyszer a kompresszor a fojtási határon túl működik, a turbó fordulatszám nagyon gyorsan növekszik és nagyon valószínű a turbó túlgyorsulása.

Efficiency Islands - A hatásfok területek a koncetrikus területek a térképen, a kompresszor hatásfokát reprezentálják, a térkép bármely pontján. A legkisebb terület közel a térkép közepéhez a legnagyobb hatásfokú terület. Ahogy a körvonalak kifelé mozdulnak, a hatásfok úgy csökken a jelzett %-ra, amíg a fordulatszám ingadozási és a fojtási határokat elérik.

Az adatok megrajzolása a kompresszor térképen, a tervezett lóerő eléréséhez szükséges tömegáramlási sebesség és a turbónyomás számításának módszereit fogjuk megismerni. Ezeket az adatokat fogjuk használni a megfelelő kompresszor ill. turbófeltöltő kiválasztásához. A tervezett lóerő érték reális kiválasztása az eljárás alapvető része. A reálisan kitűzött lóerő ezen túl szükséges a jó üzemanyag befecskendező, üzemanyag szivattyú és szabályzó, valamint más motor alkatrészek kiválasztásához.

A tervezett lóerő eléréséhez szükséges tömegáramlás és szívótér nyomás felbecsülése.

Amiket ismerni kell: Tervezett lóerő érték

Motor lökettérfogat

Maximális fordulatszám

Környezeti feltételek ( barométer nyomás és hőmérséklet)

Amiket fel kell becsülni:

Motor térfogati hatásfok. A jellemző értékek a csúcs térfogati hatásfokra (VE) a 95% - 99% tartomány közötti értékek a 4 szelepes hengerfejeknél, 88% - 95% között a 2 szelepes megoldásoknál. Ha van a motorunkra nyomaték görbe, használjuk ezt a VE felbecsüléséhez különböző motor fordulatszámoknál. Egy jól feltuningolt motoron a VE csúcsértéke a nyomaték csúcsnál lesz, és ezt az értéket használhatjuk a VE megbecsüléséhez más motor fordulatszámoknál. Egy 4 szelepes motornak jellemzően nagyobb VE értéke lesz magasabb fordulatszámon, mint a 2 szelepeseknek.

Szívócső hőmérséklet. A nagyobb hatásfokú kompresszorok kisebb szívócső hőmérsékletet adnak. Közbenső hűtéssel (intercoolers) ellátott berendezések hőmérséklete jellemzően 100-130°F (37,8-54°C) míg a közbenső hűtés nélküli értékek elérhetik a 175-300°F (79,4-149°C)-t.

Fékpadi fajlagos üzemanyag fogyasztás (BSFC) A BSFC megmutatja azt az üzemanyag áramlási sebességet, ami szükséges mindenegyes lóerő létrehozásához. A BSFC általános értékei turbófeltöltéses benzines motoroknál a 0,50 -0,60 tartományban vannak vagy ettől magasabb értékeken. A kisebb BSFC azt jelenti, hogy a motornak kevesebb üzemanyag szükséges az adott lóerő eléréséhez. Verseny üzemanyagok és agresszív tuning szükséges a fent leírt BSFC tartomány alsó értékének eléréséhez.

A kompresszor munkapontjának felrajzolásához elősször számítsuk ki a levegőáramlást.

Wa = HP x A/F x BSFC/60 (BSFC-t azért kell 60 osztani, hogy az órából perceket kapjunk)

Ahol: Wa = Levegőáramlás aktuális (Ib/min)

HP = Tervezett lóerő (LE lendkerék)

A/F = Levegő/üzemanyag arány

BSFC/60 = fékpadi fajlagos üzemanyag fogyasztás (Ib/Hp x hr) az órák átszámítása percekre.

Példa: Van egy motorom, és szeretném, hogy 400LE-t adjon le, a benzines turbós motor levegő/üzemanyag arány 12-es és a BSFC 0,55-ös. Behelyettesítve ezeket az értékeket a fenti képletbe:

Wa = 400 x 12 x 0,55/60 = 44,0 Ib/minlevegő

Így keresnem kell egy olyan kompresszor térképet, amelynek legalább 44font/perc levegőáramlás kapacitású képessége van. Jegyezzük meg, hogy ebben a számításban nem vettük figyelembe a motor lökettérfogatát sem a fordulatszámát. Ez azt jelenti, hogy minden motornál kb. 44Ib/min levegő áramlás szükséges a 400LE eléréséhez. (feltételezzük, hogy a BSFC állandó marad minden motor típusnál) Természetesen egy kisebb lökettérfogatu motor több túltöltést vagy nagyobb fordulatszámot igényel, mint egy nagyobb lökettérfogatu motor, hogy elérjük a kitűzött célt. A következő kérdés, - mekkora szívótér nyomás lenne szükséges?

A tervezett légáramlás eléréséhez szükséges szívótér nyomás számítása:

Ahol: MAPreg = Szívótér abszolút nyomása (psia) a tervezett LE eléréséhez

Wa = Levegőáramlás aktuális (Ib/min)

R = Gáz konstans = 639,6 (gázállandó)

Tm = Szívó cső hőmérséklet (°F)

VE = Térfogati hatásfok

N = Motor fordulatszám (RPM)

Vd = motor lökettérfogat (köbhüvelyk (CI), liter átszámítása CI-be 61,02-vel való szorzással.

Pl.: 2,0L x 61,02 = 122CI )

Példa: A fenti adatok figyelembe vételével folytassuk a 2,0L motor további számításait.

Wa = 44lb/min, az előző számítások szerint

Tm = 130°F

VE = 92% csúcsteljesítménynél

N = 7200 RPM (ford/perc)

Vd = 2,0Lx 61,02 = 122 CI

= 21,6 psia azaz 6,9 psig túltöltés

Ez a példa ilusztrálja, hogy a 400LE eléréséhez egy nagyobb motor kisebb szívócső nyomást igényel, de még mindig szükség van a 44lb/min levegőáramlásra. Ennek a tételnek az ismerete jelentős hatással van a megfelelő turófeltöltő kiválasztásánál.

A tömegáramlással és a szívórendszer nyomással csaknem készen vagyunk megrajzolni az adatokat a kompresszor térképre. A következő lépés annak meghatározása, hogy mekkora a nyomásesés a kompresszor és a szívócső között. Az áramlási sebességtől, a levegőhűtő jellemzőitől, a levegő csövek méretétől, a csőhajlatok számától/minőségétől, a fojtószelep ház összeszűkülésétől, stb. függően a csőhálózat nyomásesését felbecsülhetjük. Ez 1psi vagy kisebb is lehet egy nagyon jól megtervezett rendszernél. Bizonyos OEM (gyári utcai) elrendezéseknél, különösen azoknál, amelyeknek a szokványosnál nagyobb levegőáramlási szintjük van, szándékosan növelik a nyomásesést amely elérheti a 4psi-t.

Példáinkban feltételezzük, hogy 2psi veszteségünk van. Így a kompresszor kiürítési nyomás (P2c) meghatározásához 2psi-t hozzá kell adni a fent kiszámított szívócsőrendszer nyomáshoz.

P2c = MAP + ΔPveszteség

Ahol: P2c = Kompresszor kiürítési nyomás (psia)

MAP = Szívócsőrendszer abszolút nyomás (psia)

ΔPvezsteség = Nyomásveszteség a kompresszor és a csőrendszer között (psi)

A 2,0L-es motorra: P2c = 41,1+2=43,1psia

Az 5,0L-es motorra: P2c = 21,6+2=23,6psia

Emlékezzünk, hogy a turbófeltöltő szívóoldalán depresszió van, azt mondtuk, hogy jellemzően 1psi lehet ez az érték, így ez az amit használni fogunk ennél a számításnál. Ennél a példánál tételezzük fel, hogy tengerszint magasságban vagyunk, így a környezeti nyomás 14,7psia.

Ki kell vnnunk az 1psi nyomásveszteséget a környezeti nyomásból, hogy meghatározzuk a kompresszor szívónyomását (P1). P1c= Pkörnyezet - ΔPveszteség

Ahol: P1c = Kompresszor szívónyomás (psia)

Pkörnyezet = Környezeti levegőnyomás (psia)

ΔPveszteség = A levegőszűrőnek/csővezetéknek köszönhető nyomásveszteség (psi)

P1c = 14,7-1=13,7psia Ezzel kiszámíthatjuk a nyomásarányt (∏c) az egyenlet segítségével.

∏c = P2c/P1 A 2,0L-es motornál: ∏c = 43,1/13,7 = 3,14

Az 5,0L-es motornál: ∏c = 23,6/13,7 = 1,72

Mostmár elég információnk van, hogy megrajzoljuk ezeket a munkapontokat a kompresszor térképen. Először meg fogjuk próbálni a GT2860RS-t. Ennek a turbónak 60mm-es, 60 trimmes kompresszor tárcsája van.

Érthető ez a kompresszor túl kicsi, mivel mindkét pontja jobra távol a kompresszor fojtási vonalán túl helyezkedik el.

Egy másikat választunk ez lehet a GT3076R. Ennek a turbónak 76mm-es, 56 trimmes kompresszor tárcsája van.

Ez sokkal jobb, legalább mindkét pont a térképen van! Nézzük meg mindegyik pontot részleteiben.

A 2,0L-es motor esetén ez a pont nagyon hatásos területe a térképnek, de mivel ez a térkép közepén vann gondot okozhat, hogy kisebb motor fordulatszámnál ez közel lenne a fordulatszám ingadozási vonalhoz, vagy azon kivülre is kerülne. Ez renben lehet egy magas fordulatszámú teljesítmény sávban, amit pályaversenyzésnél használnak, de közúti használatot jobban kiszolgál egy ettől különböző kompresszor.

Az 5,0L-es motor esetén ez egy nagyon jó utcai teljesítmény sávnak látszik, a térkép leghatásosabb zónáján áthaladva kisebb motor fordulatszámmal, és nagy mozgástér marad a fordulatszám ingadozás elkerülésére. A gond a turbó túlgyorsulás lenne, amikor a scúcsteljesítményt akarnánk elérni. Egy nagyobb kompresszor a munkapontot közelebb vinné a térkép középpontjához és néhány járulékos hasznot nyújtana a nagy fordulatszámú teljesítménysávhoz. Ezért ehez a motorhoz megnézünk egy nagyobb kompresszor oldalt.

Nos a 2,0L-es motorhoz nézzük meg a GT3071R-t aminek 71mm-es, 56 trimmes tárcsája van.

A 2,0L-es motrhoz ez egy sokkal közepesebb orientáltságú kompresszor. A munkapont eltolódott a térkép fojtási oldala felé és ez további fordulatszám ingadozási mozgásteret biztosít. A kisebb motor fordulatszám most hatásosabb zónákon halad át és kiváló teljesítményt és reagálást nyújt. Az 5,0L-es motor eseténél a kompresszor nyilvánvalóan túl kicsi ezért nem vesszük figyelembe.

Most, hogy találtunk egy elfogadható kompresszort a 2,0L-es motor számára, számítsuk ki az alsó fordulatszámot, hogy feltegyük a térképre ahhoz , hogy lássuk, milyen lesz a motor működési görbéje.

Ezt a következő képlettel számolhatjuk: 

Azt a motor fodulatszámot válasszuk, amelynél a legnagyobb forgatónyomatékot szeretnénk ezt tapasztalat vagy becslés alapján tehetjük. Ebben az esetben 5000ford/perc-et választunk.

Ahol: Wa = Levegőáramlásaktuális (lb/min)

R = Gáz konstans = 639,6

Tm = Szívócső hőmérséklet (°F) = 130

VE = Térfogati hatásfok = 0,98

N = Motor fordulaszám (RPM) = 5000RPM (ford/perc)

VD = Motor lökettérfogat (köbhüvelyk (CI), a liter átszámítása CI-be 61,02-vel való szozás.

2,0L x 61,02 = 122CI)

Wa = 43,1 x 0,98 x 5000/2 x 122 =34,1 lb/min

               639,6 x (460+130)

Ezt felrajzolva a GT3071R kompresszor térképére a következő munkapontokat kapjuk.

Ez jól bemutatja a működési görbét azon a túltöltési szinten, ami jól alkalmazható ezen a térképen. 5000ford./perc-nél kisebb motor fordulatszámoknál a szívócső nyomás kisebb lesz, valamint kisebb lesz a nyomásarány, hogy a kompresszort távol tartsa a fordulatszám ingadozástól.

Ezek után vissza 5,0L-es motorhoz. Nézzünk egy nagyobb kompresszor térképet. Ezúttal a GT3582R-t 82mm-es, 56 trimmeres kompresszorral.

Itt összehasonlítva a GT3076R-rel, láthatjuk, hogy ez a pont nincs olyan mélyen a fojtásban és jobb teljesítményt ad magas fordulatszámon, mint a 76mm-es tárcsa. Egy további növelés a kompresszorkerék méretben még jobb nagyfordulatszámú teljesítményt adna, de kis és közepes fordulaton romlana a reagálás és a vezethetőség.

Remélhetőleg ezek a cikkek adtak egy alapot arról, hogy mit mutat egy kompresszor térkép és arról is miként válasszuk meg a turbófeltöltőnket. Láthatjuk, néhány egyszerű becslés és számítás ad egy jó alapot a kompresszor kiválasztásához. Ha valós adatok állnak rendelkezésre a becslések helyettesítésére, még pontosabb eredményeket érhetünk el.

Ezekután nézzük meg mit tehetünk a dízelmotorunk feljavítására.

A teljesítmény nagysága, amit egy dízelmotor létrehoz közvetlenül arányos a hengerbe befecskendezett üzemanyag mennyiségével és ennek az üzemanyagnak megfelelő mennyiségű levegőre van szüksége a teljes elégéshez. A füstmentes teljesítményhez, a motornak kb. 18-szor több levegőre (tömegre) van szüksége, mint üzemanyagra. Szóval világos, hogy több üzemanyag adagolás esetén több levegő is szükséges. A legtöbb alkalmazás esetén, a szokásos turbónak van valamennyi szabad kapacitása a megnövelt teljesítményhez, de amint a kompresszor eléri a fojtási határt (maximális áramlás),a turbó fordulatszáma gyorsan növekszik, a hatásfoka drámai mértékben esik, és a kompresszor kiürítési hőmérséklete nagyon gyorsan fokozódik. Ez egy "hógolyó" effektust hoz létre amelynél a nagyobb kiürítési hőmérséklet magasabb szívócső hőmérsékletet eredményez ami magas kipufogógáz hőmérsékletet jelent.