Turbo lessons

[stratos]

Ωραία, μιας και καταλάβαμε την βασική λειτουργία ενός υπερσυμπιεστή καυσαερίων ας το πάμε λίγο πιο παραπέρα το θέμα. Θα ξηγήσουμε διάφορους όρους που τους ακούμε και δεν ξέρουμε τι σημαίνουν ή πως επηρεάζεται η απόδοση ενός turbo από αυτούς, όπως trim, λόγος A/R. Επίσης θα δούμε τα διαφορετικά ήδη πολλαπλής εξαγωγής που υπάρχουν και τις διαφορές τους και τέλος πώς η αναλογία αέρα/καυσίμου επηρεάζει την απόδοση του κινητήρα. Μπυρόνια στο χέρι και πάμε:

Τι είναι το trim:

Το trim είναι ένας είναι ένας όρος που ακούγεται συχνά, ΠΧ έχω την τουρμπίνα GT2840RS με trim 60. Τι είναι το trim? Είναι ένας όρος που συσχετίζει την διάσταση του inducer και του exducer τόσο στον συμπιεστή όσο και στον στρόβιλο. Για να είμαστε πιο ακριβείς, είναι ένας λόγος επιφανειών.

Διάμετρος inducer ονομάζεται η διάμετρος οπού ένα αέριο εισέρχεται σε μία φτερωτή και exducer η διάμετρος από όπου εξέρχεται μια φτερωτή. Μια καλύτερη επεξήγηση των όρων υπάρχει στην αντίστοιχη εικόνα του πρώτου μου post.

Παράδειγμα: Δίνεται ένας υπερσυμπιεστής του οποίου οι διαστάσεις του συμπιεστή είναι: Διάμετρος inducer = 53.1 mm και διάμετρος exducer = 71 mm. Σύμφωνα με την σχέση:

Trim = (inducer^2/exducer^2) * 100

έχουμε πώς Trim = 56. To trim σε μια φτερωτή τόσο του συμπιεστή όσο και του στροβίλου, επηρεάζουν την απόδοση αλλάζοντας την μέγιστη ροή αερίου. Αν κρατήσουμε όλους τους παράγοντες σταθερούς, μεγαλώνοντας το trim μεγαλώνει και ροή και αντίστροφα.

Λόγoς A/R:

Ο λόγος A/R (Area/Radius) περιγράφει ένα γεωμετρικό χαρακτηριστικό τόσο στα κελύφη συμπιεστών όσο και αυτά των στροβίλων. Πιο συγκεκριμένα, είναι ο λόγος της επιφάνειας της εισαγωγής προς την ακτίνα από το κέντρο του άξονα περιστροφής. Η παρακάτω εικόνα μας βοηθάει να κατανοήσουμε καλύτερα αυτή την έννοια.



Η μεταβολή του λόγου A/R επηρεάζει τόσο την απόδοση του συμπιεστή όσο και του στροβίλου όπως αναγράφεται παρακάτωQ

A/R συμπιεστή: Η απόδοση του συμπιεστή δεν επηρεάζεται σημαντικά από την μεταβολή του λόγου A/R. Κελύφη με μεγαλύτερα A/R χρησιμοποιούνται για την βελτίωση της απόδοσης σε εφαρμογές χαμηλής πίεσης υπερπλήρωσης, ενώ μικρότερα A/R χρησιμοποιούνται για εφαρμογές με μεγάπτερες πιέσεις. Και για το λόγο το ότι δεν επηρεάζεται ο συμπιεστής από τον λόγο A/R, δεν υπάρχουν και μεγάλο εύρος επιλογών στην αγορά.

A/R στροβίλου: Ο στρόβιλος, σε αντίθεση με τον συμπιεστή, επηρεάζεται δραματικά από την αλλαγή του A/R, γιατί αυτό αλλάζει την ροή. Χρησιμοποιώντας μικρό A/R επιτυγχάνεται πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα καυσαερίων στην φτερωτή του στροβίλου. Αυτό σημαίνει μεγαλύτερη ισχύ στροβίλου σε χαμηλότερες στροφές κινητήρα, ελαχιστοποιώντας την απόκριση υστέρησης (το γνωστό lag). Παρόλαυτα, το μικρό A/R αναγκάζει τα καυσαέρια να χτυπούν την φτερωτή της τουρμπίνας πιο εφαπτωμενικά, μειώνοντας την μέγιστη απόλυτη ροή καυσαερίων. Αυτό τείνει να μεγαλώνει την οπισθοπίεση (backpressure) της εξάτμισης, με αποτέλεσμα να μειώνεται η δυνατότητα του κινητήρα να «αναπνέει» πιο εύκολα σε υψηλότερες rpm, και συνεπών μειώνοντας την μέγιστη ισχύ του.

Από την άλλη μεριά, χρησιμοποιώντας μεγαλύτερο A/R θα χαμηλώσει την ταχύτητα των καυσαερίων και θα αυξήσει το lag. Η ροή των καυσαερίων δεν είναι πλέον τόσο εφαπτωμενική αλλά τείνει προς το κέντρο περιστροφής, αυξάνοντας την δυνατότητα διαχείρισης μεγαλύτερης ροής και μειώνοντας αρκετά το backpressure της εξάτμισης στις υψηλότερες rpm του κινητήρα.

Η επιλογή του κατάλληλου A/R έχει να κάνει ανάλογα με την χρήση που χρειαζόμαστε έναν υπερσυμπιεστή. Δηλαδή σε ένα κοινό αυτοκίνητο δρόμου χρειαζόμαστε μικρό A/R για να έχουμε ροπή από χαμηλά ενώ για μια εφαρμογή dragster χρειαζόμαστε A/R για να βγαίνει η δύναμη σε υψηλότερες στροφές και να την κρατάει όσο δυνατόν περισσότερο μέχρι και τον κόφτη.

Αλλά ας δούμε ένα πιο απλοποιημένο και συγκεκριμένο παράδειγμα για το πώς επηρεάζει η γεωμετρία του στροβίλου τον ίδιο κινητήρα.


-- Φανταστείτε δύο ίδιες μηχανές 3500 cc που φοράνε GT30R τουρμπίνες. Η μόνη διαφορά είναι ότι οι στρόβιλοι έχουν διαφορετικό A/R, ενώ κατά τα άλλα οι κινητήρες είναι ακριβώς ίδιοι: Κινητήρας Νο. 1 έχει A/R = 0.63 και κινητήρας Νο. 2 έχει A/R = 1.06. Τι συμπεράσματα μπορούμε να βγάλουμε από την διαφορά του A/R?

Κινητήρας Νο. 1: Αυτός ο κινητήρας προορίζεται να έχει χαμηλότερες τιμές μέγιστης ροπής και καλύτερη απόκριση (μειωμένο lag). Πολλοί θα τον περιέγραφαν ως κινητήρα fun to drive, μιας και τα χαρακτηρίστηκα του είναι η πιο ομαλή απόκριση σε χαμηλότερο εύρος στροφών. Αλλά σε υψηλότερους ρυθμούς περιστροφής του κινητήρα έχει ως αποτέλεσμα το turbo να πεθαίνει και ο κινητήρας να χάνει σε απόδοση. Χαρακτηριστικό είναι ένα διάγραμμα ισχύος – rpm όπου αν ΠΧ ο κόφτης είναι στις 7100 rpm, το αυτοκίνητο είναι γεμάτο ροπή ως τις 5500 rpm και από εκεί και μετά αρχίζει η κατηφόρα. Τα μικρότερα A/R χρησιμοποιούνται σε πιο street εφαρμογές.

Κινητήρας Νο. 2: Ο κινητήρας αυτός έχει μεγαλύτερο A/R με αποτέλεσμα να επιτυγχάνει υψηλότερη απόδοση σε υψηλότερες rpm, θυσιάζοντας την ροπή και συνεπώς την ισχύ σε χαμηλότερες rpm. Αυτό είναι αποτέλεσμα του μικρότερου backpressure στις υψηλές rpm. Αυτό όμως απαιτεί και μεγαλύτερο όγκο καυσαερίων για να στροφάρει το turbo και συνεπώς περισσότερες rpm, άρα αυξάνεται κατακόρυφα και το lag. Θυμάστε το βιντεάκι που θίξαμε πρόσφατα με το EVO FQ 400. Το εργαλείο σκότωνε την murcielago (μέσα στην πίστα για να μην γινόμαστε και ιερόσυλοι) και την έτρωγε από ένα μικρότερο αυτοκίνητο στην εκκίνηση με 6η από τις 1000 rpm. Ε πώς να μην την έπινε αφού τουρμπίζει στις 4000 rpm ενώ το άλλο έχει ροπή από τις 1500. Μεγάλο A/R χρησιμοποιείται σε αγωνιστικές η κοντράδικες κατασκευές όπου ο κινητήρας δουλεύει περισσότερο χρόνο σε υψηλές στροφές.