Despues de una larga espera, llega la continuacion de esta nota
http://www.webdefiat.com.ar/forum/index.php?topic=6331.15Poniendo los datos en el mapa de la compresoraTodo 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 cálculoTenemos 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.
