De berekening van een turbo is gebaseerd op enkele onderling verbonden fysieke grootheden: massastroom van lucht, drukverhouding en motortoerental. Het correct instellen van deze parameters voorkomt dat de compressor te groot wordt of, omgekeerd, dat er een overboost ontstaat die de noodloopmodus van de rekeneenheid activeert. Dit artikel gaat in op de variabelen die beheerst moeten worden en de afwijkingen die een betrouwbare dimensionering scheiden van een benadering.
Drukverhouding en massastroom: de grootheden die de keuze van de turbo bepalen
Twee waarden structureren de gehele berekening van een turbocompressor. De drukverhouding vergelijkt de druk aan de uitgang van de compressor met de atmosferische druk aan de ingang. De massastroom van lucht geeft de hoeveelheid lucht aan die de motor vraagt bij een bepaald toerental en vermogen.
Zie ook : Hoe maak je een ultra zachte cake met spekjes en gruyère om je gasten te verwennen
| Parameter | Vereenvoudigde formule | Meest gevoelige variabele |
|---|---|---|
| Massastroom (lb/min) | Doelvermogen x lucht/brandstofverhouding x (BSFC / 60) | Lucht/brandstofverhouding (A/F) |
| Inlaatluchtdruk (psi) | (Massastroom x gasconstante x T inlaat) / (VE x RPM/2 x cilinderinhoud) | Volumetrische efficiëntie (VE) |
| Drukverhouding | Inlaatluchtdruk / atmosferische druk | Hoogte (werkelijke atmosferische druk) |
Een 2,4 L motor die ongeveer 350 pk produceert met een A/F-verhouding van 12 en een BSFC van 0,55 genereert een massastroom van ongeveer 42 lb/min en een drukverhouding van meer dan 3. Dit soort resultaten, dat op papier consistent is, duidt al op turbos met een versterkte behuizing en keramische lagers. Het wijzigen van de A/F-verhouding met slechts één eenheid verandert de massastroom met meerdere lb/min en verschuift het werkingspunt op de compressorkaart (compressor map).
Om de stap-voor-stap berekeningsmethode te verdiepen, kan men hoe je de turbo berekent op Ceze raadplegen om de consistentie tussen massastroom, druk en rendementzone op de compressorkaart te controleren.
Ook interessant : Ideeën en tips om uw huis om te toveren tot een warme en moderne ruimte
Volumetrische efficiëntie en inlaatluchttemperatuur: twee veelvoorkomende foutbronnen in de turbo-berekening
De volumetrische efficiëntie (VE) is de verhouding tussen het daadwerkelijk toegelaten luchtvolume en de theoretische cilinderinhoud van de motor. Bij een standaard atmosferische motor ligt deze doorgaans tussen de 80 en 95 %. Het toepassen van een te hoge VE in de berekening onderschat de benodigde druk in de inlaat, waardoor de turbo ondergedimensioneerd wordt.
De temperatuur van de lucht in de inlaatspruitstuk vergroot deze afwijking. Een effectieve intercooler verlaagt de temperatuur aanzienlijk ten opzichte van de waarden van een circuit zonder warmtewisselaar. Elke stijging van de inlaatluchttemperatuur vermindert de luchtdichtheid en dwingt de compressor om meer te leveren om dezelfde luchtmassa te behouden. De berekening moet de werkelijke temperatuur na de intercooler integreren, niet een theoretische omgevingstemperatuur.
Voorzichtige waarden of gemeten waarden
Technische forums tonen een veelvoorkomende reflex: het nemen van een “veilige” BSFC rond 0,55 en een VE van 90 % zonder deze te hebben gemeten. Deze waarden zijn niet absurd, maar ze verbergen echte afwijkingen.
- Een motor met variabele kleptiming kan meer dan 95 % VE bereiken in zijn optimale bereik, wat de berekende inlaatluchtdruk verhoogt en de drukverhouding doet stijgen
- Een BSFC van 0,55 komt overeen met een motor die meer verbruikt per eenheid vermogen; een moderne goed afgestelde motor ligt lager, wat de benodigde massastroom vermindert
- De gasconstante en de atmosferische druk veranderen met de hoogte: op enkele honderden meters boven zeeniveau daalt de atmosferische druk en de drukverhouding stijgt mechanisch
Neem de tijd om deze parameters op een testbank te meten, of op zijn minst verschillende bronnen te vergelijken, om te voorkomen dat je op een onrealistische drukverhouding stuit die leidt naar een ongeschikte turbo.
Turbo met variabele geometrie en motorrekenaar: de beperking die alleen de berekening niet oplost
Het dimensioneren van een turbo op basis van massastroom en drukverhouding is niet meer voldoende voor recente motoren. Turbocompressoren met variabele geometrie (VGT) die worden aangestuurd door een elektrische actuator (e-actuator) integreren een versterkte OBD-diagnosestrategie.
Volgens de technische documentatie van Garrett over VGT in Euro 6-toepassingen kan een “aanpasbare” turbo die zonder herkalibratie van de rekenaar is geïnstalleerd, fouten van het type overboost of underboost veroorzaken, zelfs als de mechanische berekening van massastroom en druk coherent lijkt.
De reden ligt in de thermische modellen die zijn geïntegreerd in recente rekenaars. Deze modellen beperken automatisch de koppelinstelling (en dus de overdruk) op basis van de olie- en uitlaatgastemperatuur. Een overgedimensioneerde turbo die binnen zijn rendementzone blijft kan toch worden beperkt door de rekenaar als de temperatuurgrenzen worden overschreden.
Impact van Euro 6d-normen op de dimensionering
Sinds de Euro 6d-temp en de Euro 6d-final hebben verschillende fabrikanten hun overboostkaarten (turbo maps) herzien door de effectieve druk eerder te beperken. Het doel: voldoen aan de emissiegrenzen onder reële rijomstandigheden (RDE). Volgens een presentatie van Bosch Engineering op het symposium in Wenen in 2023, verandert deze beperking de veiligheidsmarge die in de berekening van een prestatie-turbo op een moderne motorbasis moet worden geïntegreerd.
In de praktijk wordt het nastreven van een “precies goed” dimensionering relevanter dan een overdimensionering die bedoeld is om marge te bieden. De rekenaar zal de druk beperken voordat de turbo zijn volle capaciteit bereikt, waardoor de extra grootte nutteloos wordt en de reactietijd bij lage toerentallen wordt benadeeld.
Lezing van de compressorkaart: het werkingspunt op de juiste plaats plaatsen
De compressorkaart (compressordiagram) toont de drukverhouding op de y-as en de gecorrigeerde massastroom op de x-as. De concentrische lijnen vertegenwoordigen de efficiëntiegebieden van de compressor, uitgedrukt in percentage.
- Het werkingspunt bij volle belasting en maximaal toerental moet zich in het hoogste rendementgebied bevinden, meestal in het midden van het diagram
- Het punt bij laag toerental en gedeeltelijke belasting mag zich niet links van de pomplijn (surge line) bevinden, anders kunnen destructieve oscillaties in de compressor ontstaan
- Het punt bij hoog toerental mag de choke-lijn niet overschrijden, waar de efficiëntie abrupt daalt
Het in kaart brengen van ten minste drie punten (geladen stationair, half-toerental volle belasting, maximaal toerental volle belasting) op de kaart maakt het mogelijk om te controleren of de gekozen turbo het volledige gebruiksbereik dekt. Een turbo waarvan het hoge rendementgebied slechts één van deze punten dekt, genereert ofwel lag, ofwel oververhitting aan de uitgang van de compressor.
De berekening van een turbo blijft een compromis tussen massastroom, druk en compatibiliteit met de motor-elektronica. De gemeten gegevens (VE, BSFC, werkelijke temperatuur) zijn altijd meer waard dan “voorzichtige” waarden die van een forum zijn gekopieerd. Bij Euro 6d-motoren wordt de kaart van de rekenaar een parameter die net zo bepalend is als de compressorkaart zelf.