Bueno, aca va la primer entrega, para entender que significa el mapa de la turbina. Partes del Mapa de caracteristicas de la turbina El mapa de la turbina, es un grafico que describe las características de performance de una turbina, incluyendo eficiencia, rango de caudal masico, capacidad de sobrepresion y velocidad de la turbina. El grafico de abajo es un ejemplo de un mapa de la turbina
Pressure Ratio (relacion presiones) La relacion de presiones ( ) esta definida como la presion absoluta de salida, dividido por la presion absoluta de entrada
Donde = Relacion de Presiones P2c=Presion de descarga del compresor P1c=Presion de entrada del compresor -Es importante usar unidades de presion absoluta para P1c y P2c. Recordemos que la presion absoluta al nivel del mar son 14.7 psia (en unidades de psia, la a se refiere para "absoluta"). Esto se utiliza como referencia de presion atmosferica std, para las condiciones std. -La Presion Manometrica (en unidades de psig, la g se refiere a "gauge") mide la presion sobre la atmosferica, por lo que la presion manometrica en condiciones atmosfericas sera 0. Los medidores de presion de turbo, miden la presion del multiple relativa a la presion atmosferica, y estos miden presion manometrica. Esto es importante cuando se determina P2c. Por ejemplo, una lectura de 12 psig en una reloj de presion de turbo significa que la presion dentro del multiple de admision es de 12 psi sobre la presion atmosferica. Para un dia de condicione std de presion atmosferica tenemos... 12 psig + 14.7 psia = 26.7 psi Presion absoluta en el multiple
La relacion de presiones en esta condicion, puede ser calculada... 26.7 psia / 14.7 psia = 1.82 Sin embargo, con esto se asume que no hay impacto adverso del filtro de aire y sus cañerias en la entrada del compresor En el calculo de la relacion de presiones, la presion absoluta a la entrada del compresor (P2c) es MENOR que la presion ambiente, especialmente con altas cargas. Por que ocurre esto? Cualquier restriccion (originada por el filtro de aire o una cañeria restrictiva) resultara en una "depresion", o perdida de presion, aguas arriba del compresor, que debe ser tomada en cuenta para cuando se determina la relacion de presiones. Esta depresion puede ser de 1 psig o mas en algunos sistemas de admision. En este caso P1c en un dia std es: 14.7psia ? 1 psig = 13.7 psia a la entrada del compresor Tomando en cuenta 1 psig de depresion de admision, la relacion de presiones es ahora: (12 psig + 14.7 psia) / 13.7 psia = 1.95
-Todo barbaro, pero... que pasa cuando no estamos a nivel del mar? En este caso, simplemente hay que reemplazar la presion atmosferica actual en lugar de los 14.7 psig en las ecuaciones de arriba para un calculo mas preciso. En grandes alturas, esto puede tener un efecto significante en la relacion de presiones Por ejemplo, a 1500 metros de altura, comunmente la presion atmosferica es de 12.4 psia.En este caso, el calculo de la relacion de presiones, teniendo en cuenta la depresion de la admision es: (12 psig + 12.4 psia) / (12.4 psia ? 1 psig) = 2.14 Comparado con el 1.82 de relacion de presiones calculado originalmente, es una gran diferencia Como se puede ver en los ejemplos, la relacion de presiones depende de varias cosas, no solo de la presion de turbo que usemos. Mass Flow (Caudal masico) El Caudal Masico es la masa de aire que fluye a traves del compresor (y del motor) en un cierto periodo de tiempo y esto es exprasado comunmente en lb/min (libras por minuto). El caudal masico puede ser medido fisicamente, pero en la mayoria de los casos es suficiente con estimarlo para elegir el turbo correcto. Mucha gente usa el Caudal Volumetrico (expresado en pies cubicos por minuto o CFM) en lugar del caudal masico. El caudal volumetrico puede ser convertido a caudal masico multiplicandolo por la densidad del aire. Esta es de 0.076lb/ft3 (libras sobre pies cubicos) al nivel del mar. Cual es mi caudal masico? Como una regla muy general, los motores nafteros turbocargados generan 9.5-10.5 HP (medidos en el volante) por cada lb/min de flujo de aire. Entonces, un motor con una potencia pico objetivo de 400 Hp necesitara 36-44 lb/min de flujo de aire para alcanzar el objetivo. Esta es solo una aproximacion para ayudarnos a afinar nuestras opciones a la hora de seleccionar el turbo necesario.
Surge Line La linea de Surge es la punteada del lado izquiero del mapa de la turbina. La operacion del turbo por la izquierda de esta linea, representa una region de inestabilidad de flujo. Esta region esta caracterizada por fluctuaciones en la presion. La operacion continua en esta region, puede llevar a la falla prematura del turbo debido al exceso de carga sobre el mismo Surge (no encontre el concepto exacto para traducirlo) es experimentado comunemente cuando existen una de dos situaciones. La primera y mas dañina, es bajo carga. Esto puede ser un indicativo de que el turbo seleccionado es muy grande. La segunda situacion es experimentada comunmente cuando se suelta rapidamente el acelerador luego de que el turbo esta bajo carga.
Esto ocurre porque el caudal masico es reducido drasticamente al cerrar la mariposa, pero el turbo todavia esta embalado y generando presion. Esto lleva inmediatamente a operar en el extremo izquierdo del diagrama, es decir, del otro lado de la linea de surge El turbo se ira de esta zona, cuando la velocidad de rotacion del mismo baje lo suficiente para bajar la presion y mover el estado de operacion actual a la zona de trabajo estable. Esta situacion se soluciona comunmente usando una valvula Blow-Off (BOV) o una valvula bypass. La funcion de una BOV es liberar la presion a la atmosfera, para que el caudal masico se baje suavemente, manteniendo el turbo fuera de la zona de surge. En el caso de una valvula bypass, el flujo de aire es recirculado a la entrada del compresor. Una carcaza con conducto interior
es una caracteristica que se incorpora al caracol de admision. La funcion de esto es mover la linea de surge hacia la izquierda
permitiendo que cierto flujo de aire salga de los alabes a traves del conducto para evitar la condicion de surge. Esto proporciona una gama usable adicional y permite que un compresor más grande sea utilizado para requisitos mas altos del flujo sin arriesgar el funcionamiento del compresor en una condición peligrosa de surge. La presencia de este sistema, usualmente tiene un pequeño impacto negativo en la eficiencia del compresor. Este sistema, lo trae la turbina que tengo. En esta foto, se puede observar el canal exterior que es para lo explicado arriba
Choke Line (llamemoste linea de atoramiento) es la linea del extremo derecho del diagrama. Para los turbos de Garrett, la linea de atore esta definida tipicamente por el punto en donde la eficiencia es menor al 58%. En complemento con la veloz caida en la eficiencia del compresor luego de este punto, la velocidad de giro del turbo se aproxima a la maxima admisible. Si la actual o calculada operacion se encuentra mas alla de este limite, se necesita un turbo mas grande. Turbo Speed Lines (lineas de velocidad del turbo), si lineas de velocidad constante del turbo. La velocidad del turbo para puntos entre las lineas, se pueden determinar por interpolacion. Cuando la velocidad del turbo aumenta, la relacion de presiones y/o el caudal masico se incrementan. Como se indico arriba en la descripcion de la choke line, las lineas de velocidad del turbo estan
muy cercanas entre si en el extremo derecho del diagrama. Una vez que el compresor esta operando del otro lado de la linea de atoramiento, la velocidad del turbo se incrementa muy rapido y se da una condicion de sobrerevolucion del turbo. Efficiency Islands (islas de eficiencia) son las regiones concentricas en el diagrama que representan la eficiencia del compresor en cualquier region del diagrama. La isla mas pequeña cercana al centro del mapa es la mayor o la isla de eficiencia pico. A medida que los anillos o islas se mueven fuera de ella, la eficiencia cae en la cantidad indicada hasta llegar a las lineas de choke y surge. Poniendo los datos en el mapa de la compresora Todo muy lindo con que es cada cosa del grafico, ahora el tema es... que datos pongo? Veremos los métodos para calcular el caudal de aire y la presión necesaria para alcanzar el nivel de potencia deseado. Esta información será usada para elegir la compresora adecuada y turbocompresor. Tener la definida potencia objetivo es muy importante para realizar los cálculos (mucho se basa en eso). La potencia objetivo también nos va a servir para poder elegir los inyectores correctos, la bomba de combustible, regulador y otro montón de elementos que necesitaremos a la hora de instalar un turbocompresor en el vehículo. -Estimando la cantidad de aire y presión de soplado para poder dar con la potencia objetivo Es necesario saber: -Potencia objetivo -Cilindrada -Máximas rpm -Condiciones ambientales (temperatura y presión atmosférica) nota: la presión atmosférica se indica comúnmente en pulgadas de mercurio y se puede transformar aproximadamente en psi dividiendo por 2 Datos a estimar
-Eficiencia volumétrica: Para motores modernos de 4 valvulas por cilindro es común encontrar valores de eficiencia volumétrica (VE) alrededor de 95-99%, mientras que en los de 2 válvulas por cilindro entre 88% y 95% Estos valores dependen mucho del diseño de los sistemas de inducción. Con la curva de torque de un motor se puede ver la forma de la eficiencia volumétrica y de esa forma conocer la VE a distintas rpm -Temperatura del aire en el múltiple de admisión: los compresores con mayor eficiencia dan menores temperaturas en el múltiple. En el caso de vehículos con intercooler la temperatura típica esta alrededor de 100-130 grados F (38-55 °C) mientras que en los sin IC los valores pueden estar entre 175-300 grados F (80-150 °C)
-Consumo especifico de combustible (BSFC), Es la cantidad de combustible necesaria para generar cada caballo. Generalmente los valores de BSFC (de Brake Specific Fuel Consupmition) para motores nafteros sobrealimentados están alrededor de 0.50 a 0.60 o superior. Las unidades de BSFC son: Valores bajos de BSFC significa que el motor necesita menos combustible para generar la potencia requerida. Combustibles de competición y puestas a punto agresivas son necesarios para lograr valores de BSFC en el rango mencionado anteriormente. Para las ecuaciones siguientes, el valor de BSFC lo dividiremos por 60 para convertir de horas a minutos Para dibujar un punto operativo en el compresor, primeramente calcularemos el caudal de aire donde: Wa=Caudal de aire actual (lb/min) HP=Potencia objetivo (al cigüeñal) =Relación Aire/Combustible =consumo especifico de combustible () dividido por 60 (para convertir de horas a minutos) Ejemplo de cálculo Tenemos un motor al que le queremos sacar nada menos que 400HP, estimaremos una relación aire/combustible de 12 y usaremos un BSFC de 0.55 Poniendo estos números en la formula: de aire Un mapa de compresor que tenga la capacidad de brindar al menos 44 libras por minuto de capacidad de caudal es un buen punto de inicio. Fíjense que en el calculo todavía no incluimos ningún dato sobre la cilindrada o las rpm. Esto significa que para cualquier motor, para obtener 400HP necesita alrededor de 44lb/min de caudal de aire (asumiendo que el BSFC se mantiene constante en los distintos tipos de motores) Naturalmente los motores de menor cilindrada requerirán de mayor presión de soplado o mayores rpm para lograr la potencia que un motor de mayor porte. Ahora, cuanta presión de soplado (en el múltiple de admisión) es necesaria?
Donde • MAPreq = Presión absoluta de admisión (psia) necesaria para lograr la potencia objetivo • Wa = caudal de aireactual(lb/min) • R = Constante de los gases = 639.6 • Tm = Temperatura del aire en el múltiple (grados F) • VE = Eficiencia volumétrica • N = Régimen de giro (RPM)
• Vd = cilindrada del motor (en pulgadas cúbicas (CI), se puede convertir de litros a pulgadas cúbicas multiplicando por 61,02. Ej 2.0 litros * 61.02 = 122 CI) Consideremos un motor de 2 litros con la siguiente descripción: Wa=44 lb/min (como fue calculado previamente) Tm=130 grados F VE=92% a la máxima potencia N=7200 rpm Vd=2.0 litros *61,02=122 CI
= 41.1 psia (recordemos, es una presión absoluta). Restamos la presión atmosférica para saber la presión manométrica (presión de soplado) 41.1 psia – 14.7 psia (nivel del mar) = 26.4 psig boost Como comparativa repetiremos el cálculo para un motor de mayor cilindrada, 5 litros en este caso (4942 cc/302 CI) . Donde • Wa = 44 lb/min (como calculamos anteriormente y es el mismo dato que en el 2 litros para la misma potencia) • Tm = 130 grados F • VE = 85% a máxima potencia (Es un 2V por cilindro) • N = 6000 RPM • Vd = 4.942*61.02= 302 CI = 21.6 psia (o 6.9 psig boost) Este ejemplo nos muestra que para obtener la potencia objetivo de 400HP, el motor de mayor cilindrada necesita menor presión de soplado, pero igualmente necesita 44lb/min de caudal de aire. Esto puede tener un efecto muy importante a la hora de elegir un compresor. Con el caudal de aire y la presión de soplado estamos muy cerca a poder graficar un punto en el mapa del compresor. El próximo paso es determinar que presión de perdida tenemos entre el compresor y el múltiple de admisión. La mejor forma de saber esto es medirlo, pero muchas veces no resulta práctico o posible Dependiendo del caudal de aire, características del IC, tamaño de la tubería, número y calidad de curvas, restricción del cuerpo de mariposa, etc la caída de presión puede ser estimada. Pudiendo ser 1 psi o menos en sistemas bien designados, o en algunas configuraciones (stock o armado) restrictivas, la caída de presión puede ser de 4 psi o superior Para nuestro ejemplo asumiremos que tenemos 2 psi de pérdidas. Entonces, para determinar la presión de salida del compresor (P2c), 2 psi se agregarán a la presión de soplado calculada anteriormente
Donde: • P2c = Presión de salida del compresor (psia) • MAP = Presión absoluta del múltiple (psia) • ΔPloss = Perdida de presión entre el compresor y el múltiple (psi) Para el motor 2 litros: = 43.1 psia Para el motor 5 litros: = 23.6 psia Típicamente podemos llegar a tener 1psi de perdida a la entrada de la turbina, por lo que debemos restarle este valor a la presión atmosférica (consideramos estar a nivel del mar, para de esta manera tener la presión de entrada del compresor (P1).
Donde • P1c = Presión de entrada del compresor (psia) • Pamb = Presión atmosférica (psia) • ΔPloss = Pérdida de presión en el filtro de aire y tubería (psi) P1c = 14.7 - 1 = 13.7 psia Con esto, podemos calcular la relación de presiones () usando la ecuación:
Para el motor 2 litros:
Claramente este compresor es muy chico, ambos puntos están situados muy a la derecha, mas allá de la línea de choke (la compresora se pasa de vueltas) Otro posible candidato puede ser el GT3076R. Esta turbo tiene una rueda compresora de 76mm, con un trim de 56
Ahora esta mucho mejor, por lo menos ambos puntos están en el mapa, ya es todo un avance! Demos una mirada con mas detalle a cada punto… Para el motor 2 litros se encuentra en un área con buena eficiencia, pero el hecho de estar en el centro del mapa nos indica que a menores revoluciones el punto de operación estará cerca de la
línea de surge. Este compresor es correcto para aplicaciones de potencia en la zona alta de revoluciones, pero para un auto de calle, será mejor elegir otro compresor. Para el motor 5 litros, parece una muy buena opción en la utilización para un vehiculo de calle, en donde a bajas revoluciones del motor, atraviesa la zona de máxima eficiencia y se encuentra alejado de la línea de surge. Pero un tema a tener en cuenta es que el turbo se puede pasar de vueltas (el punto esta muy cerca de la linea de choke) en el caso de que el motor pase las revoluciones de máxima potencia. Un compresor mas grande dejara el punto de operación mas hacia el centro del mapa y nos dará algún beneficio extra en el caso de tener una utilización de potencia en regimenes mas alto durante mucho tiempo. Entonces buscaremos un compresor mas grande para el 5 litros y luego otro para una mejor utilización callejera del 2 litros Démosle una mirada al GT3071R, que tiene una rueda compresora de 71mm y un trim de 56
Para el caso del 2 litros, esta es una opción mucho mejor orientada al medio rango. El punto operativo esta con un poco de distancia de la línea de choke y esto nos da un margen adicional de estar fuera de la línea de surge. A menores revoluciones el punto operativo pasara a través de las zonas de máxima eficiencia y esto le dará una muy buena respuesta y performance. Para el motor 5 litros este compresor es claramente muy chico y no será considerado (se encuentra mas allá de la línea de choke) Ahora que hemos encontrado un compresor aceptable para el motor 2 litros, calculemos un punto a menores revoluciones y pongámoslo en el mapa para ver que camino seguirá la línea operativa. Podemos calcular este punto usando la siguiente fórmula:
Elegiremos las rpm en la que esperamos tener el máximo torque, basándonos en la experiencia, estimamos que estará en 5000 rpm Donde: • Wa = Caudal de aire actual (lb/min) • MAP = Presión absoluta del múltiple de admisión (psia) =35.1 psia • R = Constante de los gases = 639.6 • Tm = Temperatura del aire de admisión (grados F) =130 • VE = Eficiencia volumétrica = 0.98 • N = Revoluciones del motor = 5000rpm • Vd = Cilindrada del motor (en pulgadas cúbicas (CI), se puede convertir de litros a pulgadas cúbicas multiplicando por 61,02. Ej 2.0 litros * 61.02 = 122 CI) = 34.1 lb/min Dibujando esto en el mapa de la compresora del GT3071R nos da como resultado los siguientes
puntos operativos:
Esto nos da una buena idea de la línea de operación al mismo nivel de boost, que en nuestro ejemplo está bien situado en este mapa. A régimenes de motor menores a 5000rpm la presión de soplado será menor, por lo que la relación de presiones será menor también, manteniendo a la compresora fuera del surge Volvamos al motor 5 litros. Démosle una mirada a un mapa de una compresora más grande. Esta vez intentaremos con un GT3582R con 82 mm de rueda compresora y 56 de trim.
Comparándolo con el GT3076R podemos ver que este punto no esta tan cerca de la línea de choke y nos dará un mejor rendimiento en alto régimen. Un incremento en el tamaño de la rueda compresora nos dará aún mejor rendimento en alto régimen, pero a costo de sacrificar respuesta en rangos bajos y medios. O sea, se tornaría una buena aplicación para competición, pero no para un uso de calle. Todo esto que vimos nos da una idea básica de que es lo que muestra el mapa de una compresora (que después de esto espero que les sirva y no lo miren mas como algo raro) y de como elegir una compresora, que como vieron no siempre ni necesariamente cumple la ley de la poronga (es decir, cuanto mas grande, mejor). Como pueden ver, con unas simples estimaciones y cálculos nos da una muy buena base como para elegir una unidad turbocompresora. Si en vez de estimaciones tenemos datos reales, llegaremos a resultados mucho más precisos y por consiguiente, un mejor diseño y rendimiento de nuestro sistema de sobrealimentación.
Hay algo que no logro entender o tengo medio confuso. Ponele que yo voy y veo la gráfica de la Garret T3 50 trim ... bien, la gráfica esta, segun entiendo es gráfica de eficiencia del compresor ? no de la turbina, o me equivoco? Lo que no entiendo, es como relacionar, la turbina con el compresor directamente, ya que en ambas yo puedo variar el A/R, y en ese caso debería cambiar la gráfica ... O sea, tengo ese kilombo en la cabeza ... concretamente , la pregunta sería ... cuando voy y veo el grafica de una T3 50 trim,que me provee Garrett, me esta dando la gráfica de un turbocompresor , con un trim 50 (tanto para parte fria como para caliente), un A/R único para ese modelo exacto (tanto para admision y escape) ... o es solo la gráfica de un compresor (parte fria) de trim 50 generico ? y el escape cualquiera ? Haciendo los calculos pertinentes ... me dio que para la aplicacion que yo quiero en el 147, tendria
que poner una T3 trim 50 ... con una grafica que pongo a continuacion. Cómo compro eso exactamente ?
Es decir necesitaría estiamr cunato necesito de en mi sistema para entrar a la graficas de varias turbina y comaprar cual seria el mejor para mi sistema.
