Compressor and Turbine Map ดูยังไงครับ

Compressor and Turbine Map ดูยังไงครับ

ดูแล้วงงๆ ใครว่างๆช่วยอธิบายหน่อยเถอะ

เอาเป็นว่า ผมยกตัวอย่างเทอร์โบตัวนี้แล้วกัน

รูปแรก


รูปสอง

 

Pressure Ratio 2 = Boost 1 Bar
Pressure Ratio 3 = Boost 2 Bar
Pressure Ratio 4 = Boost 3 Bar

ถูกต้องไหมครับ

 

พื้นฐานความเข้าใจในศัพท์ต่างๆ เพื่อความเข้าใจในการอ่านแผนที่เทอร์โบ (Turbo Map ) และการคำนวณหาค่าต่างๆ เพื่อเป็นข้อมูลในการเลือกใช้ขนาดและคุณสมบัติของเทอร์โบที่เหมาะสมกับขนาดและคุณสมบัติของเครื่องยนต์ในโอกาสต่อไปดังนี้

- Turbo Lag คือระยะเวลาที่ตัวกังหันเทอร์ไบน์ในโข่งไอเสียตอบสนองด้วยการหมุนต่อแรงดันไอเสียที่เปลี่ยนแปลงไป เนื่องจากมีแรงเฉื่อยจากน้ำหนักของตัวกังหันเทอร์ไบน ์รวมกับน้ำหนักของกังหันอัดอากาศ (Compressor) (เพราะติดอยู่บนแกนเดียวกัน) และ A/R Ratio ที่มีค่าสูงก็จะมีอาการเดียวกัน

- A/R Ratio (Area/Radius Ratio) คืออัตราส่วนระหว่าง พท. ของทางเข้าของไอเสียที่โข่งไอเสียที่จะเข้ามายังตัวก ังหันเทอร์ไบน์ ต่อรัศมีวัดจากกึ่งกลางแกนเทอร์ไบน์ไปยังกึ่งกลางทาง เข้าที่โข่งไอเสีย โดยปรกติจะมีค่าอยู่ระหว่าง 0.4



ซีรีย์เกาหลี ฝากรูป



Compressor Efficiency (Turbocharger Efficiency)
คือการวัดว่าตัวกังหันอัดอากาศในโข่งไอดีนั้น ได้มีการเปลี่ยนพลังงานจลน์จากการหมุนมาเป็นการอัดอา กาศได้ดีเพียงใด ซึ่งอากาศที่ถูกอัดนั้นจะมีความร้อนสูงขึ้นตามกฏของ Gas Law โดยให้คิดว่าเป็นไปตามขบวนการอย่างสมบูรณ์ตาม Adiabatic Process (เป็นขบวนการหนึ่งอยู่ในวิชา Thermodynamics ) ซึ่งในสภาพความเป็นจริงมิได้เป็นไปตามนั้น 100% แต่อย่างไรก็ตามก็ต้องนำมาเป็นแนวทางในการคำนวณด้วย ประสิทธิภาพของ Compressor ซึ่งได้มีการทดลองมาแล้วและจะเขียนไว้ในแผนที่เทอร์โบ (Turbo Map) ด้วยโดยทั่วไปจะมีค่าอยู่ระหว่าง 60 - 75 %

การหาอัตราการใหลของอากาศเข้าเครื่องยนต์ (Engine Volumetric Flow)
สมมุติว่าเป็นเครื่องยนต์มีความจุ 2,960 cc คิดเป็น ลบ.นิ้วได้ = 2,960/16.39 = 180.6 ลบ.นิ้ว
ทีนี้ถ้าจะหาค่า n ก็เอาค่า T ไปแทนค่าสูตรที่แล้วได้เลย ก็จะได้ Mass Flow Rate ที่ใกล้เคียงของจริงมาก เนื่องจากคิดเรื่องอุณหภูมิด้วยแล้ว



Turbo map นอกเขตเส้นโค้งประสิทธิภาพทางขวาคือ Choke คือเทอร์โบตัวนี้จ่ายอากาศไม่พอต่อความต้องการของเครื่องยนต์แล้ว ต้องหาตัวที่ใหญ่กว่านี้ กราฟจะ Shift มาทางขวาเพิ่มขึ้น

ซีรีย์เกาหลี ฝากรูป


ดังนั้นการคิดหาอัตราการใหลของอากาศจริงๆจะต้องเอาทั้งอุณหภูมิและประสิทธิภาพเชิงปริมาตรในการประจุไอดี (Volumetric Efficiency)ของเครื่องยนต์นำมาคิดด้วย ในเครื่องยนต์ทั่วๆไปที่ใช้กันอยู่จะมีค่าประมาณ 0.85 หรือ 85% แต่สำหรับพวกวาวล์โต แคมใหญ่
แกนตั้งด้านซ้ายเป็นอัตราส่วนกำลังอัด (Pressure Ratio) ของ Comp.
แกนนอนด้านล่างเป็นอัตราการใหลของอากาศ (Corrected Flow) ที่สภาพมาตรฐานอุตสาหกรรมในการผลิตเทอร์โบ

จะเห็นสูตร W(T ic /545)^0.5 /P ic / 28.4 พิมพ์ลำบากดูในรูปประกอบนะครับ นั่นคือค่า Corrected Flow ที่จะนำมา Plot ลงในกราฟโดยจะต้องแปลงค่าอัตราการใหลของเราที่ได้จาก การคำนวณที่ผ่านมา(Atual Flow) ให้เป็น Corrected Flow ตามมาตรฐานเสียก่อน
โดยให้ W = Actual Flow
P ic = ความดันขาเข้า Comp.
T ic = อุณหภูมิขาเข้า Comp.
545 คือค่าอุณหภูมิที่มาตรฐานที่ 85 F คือ 545 - 460 = 85 deg F
28.4 คือค่าความดันมาตรฐานในการวัดความดันขาเข้า Comp. เป็นนิ้ว-ปรอท(in Hg) ซึ่งความดันบรรยากาศปรกติจะมีค่า 29.92 นิ้ว-ปรอท เมือนำมาลบกัน 29.92 - 28.4 = 1.52 in Hg แสดงว่ามีการดูดเป็นแวคคั่มเล็กน้อย
ในเมื่อเราจะใช้ความดันมีหน่วยเป็น psia จึงเทียบ 28.4 in Hg = 13.949 psia
จากนั้นจึงตั้งสูตรใหม่เป็น

Corrected flow = Actual flow x (T ic/545)^0.5 /( P ic /13.949)

เราต้องหาค่า Corrected flow ก่อนเพื่อนำมาเป็นค่าตั้งต้น Plot จากแกนด้านล่างของกราฟ
สมมุติว่า Comp. มีอุณหภูมิและแรงดันที่ขาเข้าเป็น 80 F , - 0.5 psig , Actual flow = 33.25 lbs/min จะเปลี่ยนเป็นค่าที่อุณหภูมิและความดันมาตรฐานได้ดัง นี้

T ic = 80 + 460 = 540 deg R
P ic = - 0.5 + 14.7 = 14.2 psia

Corrected flow = 33.25 x (540 / 545)^0.5 /(14.2 /13.949) = 32.5 lb/min

นำค่าที่ได้ไป plot ลงที่แกนด้านล่างแล้วลากเป็นเส้นตรงขึ้นไปข้างบน

ด้านซ้ายเป็นค่า กำลังอัดหรือ Pressure Ratio สมมุติว่าต้องการบูสท์สัก 10 ปอนด์ ที่เครื่องยนต์ แต่เกิดการสูญเสียความดันระหว่างท่อทางกว่าจะมาถึงเครื่องยนต์เสีย 3 ปอนด์ ดังนั้นที่ทางออกของ Comp. จะต้องมีความดัน = 10 + 3 = 13 psig
ความดันที่ทางดูดเข้า Comp. จะประมาณ - 0.5 psig ดังนั้น

Pressure Ratio = (13 + 14.7) / (-0.5 + 14.7) = 1.95
เอาค่านี้ plot จากทางซ้ายมาตัดกับเส้นที่ลากมาจากข้างล่าง จะได้จุดที่ Comp. ทำงาน
ดูจาก Map จะเห็นว่าที่จุดที่ Comp. ทำงานจะมีความเร็วรอบ 100,000 รตน. ประสิทธิภาพ 62.5 % ถึอว่าต่ำไปหน่อย คงต้องเลือกเทอร์โบตัวใหม่ให้กราฟเลื่อนมาด้านขวาเพิ ่มขึ้น ให้ประสิทธิภาพของ Comp. ไปอยู่ในย่าน 70 % ขึ้นไป ยิ่งมากยิ่งดี เมื่อเลือกได้ Map ที่เหมาะสมแล้วก็ทดลอง Plot ในหลายๆสถานการณ์ เพื่อทดสอบดูว่าจะมีจุดใดหลุดกราฟหรือไม่ เซียนเขาบอกว่า 4 สถานการณ์ก็แจ๋วแล้วเช่น
- ที่ความเร็วเดินทางบนทางหลวงค่อนข้างเร็ว
- เร่งปานกลาง เหยียบให้ลิ้นเร่งเปิดประมาณ 2/3 ที่ 2,700 รตน.
- เร่งสุด ที่ 3,500 - 4,000 รตน.
- เร่งสุดที่ 5,500 - 6,000 รตน.

แถม เวป มีเทอร์โบแมบเพียบ http://www.rbracing-rsr.com/turbotech.html

เครดิต : คุณManit แห่ง http://www.benzowner.net

 

ต้องเอามาประยุกต์กับเครื่องยนต์ดีเซลเอานะครับเพราะมีตัวอย่างสำหรับเครื่องเบนซินอยู่ สำหรับผู้ที่ยังอาจงงๆอยู่จากเรื่องการเลือกเทอร์โบที่เหมาะสม จึงขอเพิ่มความงงด้วยการแสดงกราฟความต้องการอากาศของ เครื่องยนต์ที่รอบและการบูสท์ต่างๆ กับเทอร์โบแมบที่ควรจะเป็น(ต่อเทอร์โบ 1 ตัว) จะสังเกตได้ว่าที่รอบสูงสุดของเครื่องยนต์จะอยู่ประมาณกลางกราฟซึ่งประสิทธิภาพของกังหันอัดอากาศสูงสุดพอดีในตัวอย่างนี้เป็นเครื่องยนต์ 3,000 cc ของ มิตซู 3000GT V6 Twin Turbo และเทอร์โบรุ่น TD04-13G ของ Mitsubishi
ค่าตรงมุมขวาบน RPM = รอบเครื่องยนต์ รตน. มีค่าตั้งแต่ 2,000 - 7,000 รตน.
VE = Volumetric Efficiency ประสิทธิภาพเชิงปริมาตรที่รอบเครื่องยนต์นั้นๆ จะเห็นได้ว่ามีค่าไม่เท่ากันที่ทุกความเร็วรอบ

ซีรีย์เกาหลี ฝากรูป

ตัวอย่างการคำนวณที่ผ่านมาอาจดูแล้วมึนหัวสำหรับบางท่านที่ไม่เคยเรียนทางสายวิทย์มาสักหน่อย ผมจึงลองคำนวณดูเล่นๆให้พอเป็นแนวทาง สมมุติให้เป็นเครื่องยนต์เบนซินขนาดเครื่องยนต์ 2,960 cc ถ้าจะติดเทอร์โบ เพื่อไม่ให้ยุ่งยากเกินไปเนื่องจากพื้นที่มีน้อย เอาแบบตัวเดียวก็พอจะมีวิธีคิดดังนี้
ให้อุณหภูมิอากาศปรกติ = 88 Deg F = 88 + 460 = 548 Deg R
อัตราการใหลของอากาศ(เครื่องยนต์ดูดอากาศ) = 297.86 ลบ.ฟุต/นาที
ต้องการบูสท์แบบไม่ต้องปรับแต่งเครื่องยนต์อะไรมาก แค่ 6 ปอนด์/ตรน. ก็พอ = 6 + 14.7 = 20.7 psia
หาอุณหภูมิขาออกจาก Comp.
T out = 548 + [548(-1+2.373^2.373)]/0.72 = 742 -460 = 282 Deg F
แทนค่า
n = (PV x 29 )/10.73 x T
n = (20.7 x 297.86 x 29)/10.73 x 742 = 22.45 lbs/min

ถ้าให้ประสิทธิภาพเชิงปริมาตรในการดูดอากาศของเครื่อ งยนต์ = 85%

Actual Flow = 22.45 x 0.85 = 19 lbs/min
ก่อนใส่ค่าใน Compressor Map จะต้องทำให้เป็น Corrected Flow เสียก่อนดังนี้

Corrected Flow = Actual Flow x (T in /545)^0.5 x 13.949 /P in
T in = 548 Deg R
P in = - 0.5 + 14.7 = 14.2 psia

Corrected Flow = 19 x (548/545)^0.5 x 13.949 / 14.2
= 19 x 1.0027x 13.949 / 14.2
= 18.714 lbs/min ( ปอนด์/นาที)

อัตราส่วนกำลังอัด (Pressure Ratio) = P out / P in
ถ้าให้ที่ทางเข้ามีแรงดูดเล็กน้อย = -0.5 psig
บูสท์ 6 psig

PR = (6 + 14.7)/(-0.5+14.7) = 1.458

เมื่อลองใส่ค่าใน Map หลายๆรุ่นของ Garrett ก็พบว่า รุ่น T04B S-3 น่าจะมีความเหมาะสมพอสมควรเนื่องจากจุดตัดนั้นยังอยู ่ค่อนมาทางด้านขวาของจุดที่ Comp.มีประสิทธิภาพสูงสุดเล็กน้อย นั่นย่อมหมายความว่า ในอนาคตถ้าเราอยากแรงแบบเต็มๆ จึงไปเปลี่ยนใส้ เช่นลูกสูบ ก้านสูบ ฯลฯ แล้วเพิ่มความดันในการบูสท์ขึ้น เช่น 11 ปอนด์ ค่า PR จะเลื่อนขึ้นไปข้างบนได้อีก จนถึงค่าประมาณ 1.8 ได้อย่างสบาย และถ้ามีการปรับปรุงเครื่องยนต์ใหม่ให้ดูดอากาศได้คล ่องขึ้น เช่นการขัดช่องพอรท์ หรือทำท่อไอดีใหม่ อัตราการใหลของอากาศก็จะเพิ่มขึ้นอีกเล็กน้อย ก็ยังพื้นที่ด้านขวาเหลืออยู่ให้ Comp.ทำงานได้ในขอบเขตที่กำหนด

เมื่อคำนวณแรงม้าที่เพิ่มขึ้นคร่าวๆจากการ บูสท์ 6 ปอนด์/ตรน. ตาม Spreadsheet ในเวบนี้ http://www.gnttype.org/techarea/turbo/turbocalcs.xls
จะได้แรงม้า จากเดิม 188 แรงม้าจะได้เพิ่มอีก 41.2 แรงม้า เป็น 229.2 แรงม้า ที่ Brake Specific Fuel Consumption(BSFC) = 0.5 lb/HP/hr (ปอนด์/แรงม้า/ชม.) ทีเดียว และถ้าเปลี่ยนใส้แล้วเพิ่มบูสท์เป็น 11 ปอนด์ /ตรน. ละก็จะได้ถึง 261.8 แรงม้า และถ้าติด Intercooler ดีๆด้วยละก็ไปถึง 274.8 แรงม้าทีเดียว

ซีรีย์เกาหลี ฝากรูป

ซีรีย์เกาหลี ฝากรูป

เครดิต : คุณManit แห่ง http://www.benzowner.net

 

ลืมเรื่อง Turbine ไปเลย เพราะหอยมี 2 ด้าน และด้านนี้เป็นต้นกำลังในการปั่น Comp.เสียด้วย จึงขอต่อเรื่องโข่งไอเสียอีกหน่อยประเดี๋ยวจะไม่ครบเครื่อง

Turbine Map ไม่ค่อยมีอะไรซับซ้อนมาก

- Turbine Expansion Ratio (ER) คืออัตราการขยายตัวของแก๊สไอเสียในขณะที่ใหลผ่านกังห ัน Turbine ในโข่งไอเสีย
ตัวอย่าง
ความดันไอเสียที่ออกจาก Header ไอเสียก่อนเข้า Turbine = 15 psig
ความดันความดันไอเสียที่ทางออกจาก Turbine = 1 psig
ความดันบรรยากาศ = 14.7 psia

ER = (15 + 14.7)/(1 + 14.7) = 1.89

- Turbine Corrected Flow คือค่าการใหลของแก๊สไอเสียที่ท่อ Header ไอเสีย ก่อนเข้า Turbne โดยได้แก้ค่าของอุณหภูมิและความดันแล้ว
ตัวอย่าง
เครื่องยนต์ต้องการอากาศ (Actual Flow) = 50 lb/min
ความดันไอเสียที่ออกจาก Header ไอเสียก่อนเข้า Turbine = 25 psig
อุณหภูมิไอเสียที่ออกจาก Header ไอเสีย = 1,500 deg F
ความดันบรรยากาศ = 14.7 psia

Turbine Corrected Flow = Actual Flow ([อุณหภูมิไอเสีย + 460]/519)^0.5 x 14.7 /(14.7 + ความดันไอเสีย)
= 50 ([1500 + 460]/519)^0.5 x 14.7 /(14.7 + 25) = 36 lb/min

จากรูปข้างล่างเป็นกราฟของ Turbine ของ Garrett GT28R ที่ 62 Trim 0.64A/R โดยเลือกค่า A/R ให้เหมาะสมกับ Actual Flow ของไอเสียของเครื่องยนต์ครับ
ซีรีย์เกาหลี ฝากรูป

ซีรีย์เกาหลี ฝากรูป

เครดิต : คุณManit แห่ง http://www.benzowner.net

 

ขอบคุณครับ

 

แถมอีกนิดกับโบยอดนิยมโบmitsu มีการดูอยู่คับ

อย่างตัวนี้เลย TD06-20G กับ TD06-25G


ตัวชุดแรก TD06XX (SH,L2,S) หมายถึง ขนาดใบหลังคับ (แน้นว่าใบหลังนะคับไม่ใช่โข่ง)

ชุดที่2 20G,25G หมายถึงขนาดใบหน้าคับ (แน้นว่าใบหน้าอีกที ไม่ใช่โข่งหน้า)


ฉะนั้น 2 ตัวที่ยกตัวอย่างมา ต่างกันที่ใบหน้าคับ แต่จิงๆ TD06-20G ไม่ค่อยมีอ่ะคับ จะมี TD06S,SL2,SH-20G

ตัว 25G จะเป็น TD06SH-25G คับ

ใบ20G = 52.6mm // 68mm ใบ25G = 60.5 // 78mm

สเปกที่เคลมไว้ TD06S-20G ได้ม้า = 300~430 HP // TD06SH-25G ได้ม้า = 500~600 HP


ข้อมูลตัวนี้ เป็นของ GReddy นะคับ ก็รู้ๆอยู่ว่า Mitsu ทำให้ มันก็เลยมี code ของ Mitsu เองด้วย.... แล้วบางทีก็มีการโมโข่งใบกันเองใน Turbo mitsu (ยุ่นมันก็โม) ให้มันกลายเป็น Spec เดียวกับ GReddy

แล้วจะรู้ได้ไงว่าอะไรเป็นยังไง.... ก็วัดขนาดใบหน้า-หลังเอา แล้วมาเทียบกับตารางคับผม ก็จะรู้ว่าเราอ่ะเป็นอะไรกันแน่ ในกรณี โบ Mitsu นะคับ ถ้า GReddy แท้ก็ตามเพลทนั้นแหละ

โข่งหลังไม่ได้ FIX ตามโบนะคับ เราก็เลือกได้ตามปริมาณไอเสียที่ผลิตมาปั่นใบได้.....

ว่าแต่ถึงเทียบมาแล้วก็ใช่ว่าจะได้แรงม้าตามที่เคลมไว้นะคับ เพราะลักษณะใบ ใบถี่ไม่ถี่ กวักลม ใบซ้อน มันไม่เหมือนกัน