Turbo Techniek voor benzine

Turbo’s zijn tegenwoordig een onmisbaar onderdeel op een motor. Het vergroot relatief makkelijk het koppel en vermogen van een motor. Voor de huidige generatie downsize motoren een onmisbaar onderdeel. Voor tuners biedt een turbo ook behoorlijke voordelen. Door de vuldruk van de turbo te verhogen verhoogt men feitelijk de hoeveelheid lucht die de motor toegediend krijgt. Zodoende stijgt het koppel en vermogen van de motor. De grote vraag is alleen hoe ver men daarin kan gaan. Een turbo is feitelijk een luchtpomp met een bepaalde maximale capaciteit. Men kan dat proefondervindelijk vaststellen maar men kan ook iets wetenschappelijker te werk gaan. Met behulp van technische informatie over de turbo kan men behoorlijk goed inschatten waartoe een bepaalde turbo in staat is. Turbo fabrikanten geven daarover informatie in de vorm van zogenaamde “efficiency maps”. Vanuit zo’n efficiency map kan men precies herleiden wat de turbo, of om precies te zijn het compressor gedeelte (inlaat schoepenwiel) kan. Andersom kan het ook. Wanneer men een bepaald vermogen voor ogen heeft voor een bepaalde motor kan men met hulp van een aantal berekeningen de turbo kiezen die aan de behoefte zal voldoen.

In dit artikel leggen we uit hoe een efficiency map moet worden gelezen en lichten een voorbeeld uit de praktijk toe. Delen van dit artikel zijn vertaald uit het Engels en kunnen terug gevonden worden op de website van www.turbobygarrett.com Garrett is één van de meest bekende turbo fabrikanten die ook veel informatie vrijgeeft voor de geïnteresseerde techneut.

In een efficiency map zijn 4 grootheden opgenomen:

1. Turbodruk of eigenlijk de drukverhouding over de turbo
2. Luchthoeveelheid
3. “Surge line”
4. “Choke line”
5. De efficiency eilanden
6. Turbotoerental

Efficiency map

Turbodruk of drukverhouding

Een turbo is feitelijk een verschildruk pomp. Dat drukverschil heerst tussen de inlaat en de uitlaatzijde van het compressorwiel, de drukzijde van de turbo. De drukverhouding is het quotiënt van de druk aan de inlaatzijde van de compressor en de uitlaatzijde van de compressor. Bij de bepaling van de drukverhouding is het belangrijk de drukken als absolute drukken te interpreteren. Dat wil zeggen ten opzichte van absoluut vacuüm. Zeeniveau wordt altijd aangenomen als 1013 mBar. Maar is bijvoorbeeld al afhankelijk van het weer. Het kan gemakkelijk 970 tot 1030 mBar zijn in Nederlands.
Ieder inlaattraject heeft een bepaalde mate van restrictie waardoor er een drukval/verschil ontstaat tussen de buitenlucht en de ingang van de turbo..Een te kleine of vervuild luchtfilter kan al gemakkelijk zorgen voor een kleine onderdruk bij de inlaatzijde van de compressor, zeker bij vol vermogen. Ook een te krap inlaatsysteem zorgt voor een bepaalde mate van onderdruk. Het is bijvoorbeeld redelijk normaal dat een inlaatsysteem 0.05 bar onderdruk veroorzaakt bij vol vermogen.

Stel we willen 2.2 bar turbodruk. Zonder correcte is de drukverhouding 2.200/1.013 = 2.17. Met correcte 2.200/(1.013 – 0.05) = 2.28

In Nederland kan de drukverhouding dus gemakkelijk variëren tussen 2.30 bij 970 mBar en 2.15 bij 1030 mBar.
Dit is alvast iets om rekening mee te houden. Maar wat nu als we niet op zeeniveau zitten? Bovenop de Stelvio pas (2700 meter) is de luchtdruk ongeveer 650 mBar. Om dan 2.2 bar turbodruk te krijgen moet de drukverhouding 2.200/(650-0.05) = 3.4 zijn.
Vergeleken met de ongeveer 2.2 op zeeniveau is dit een enorm verschil.

De luchthoeveelheid

De luchthoeveelheid is simpelweg de hoeveelheid lucht die door het compressorwiel verpompt wordt per tijdseenheid en dus door de motor verbruikt wordt. Hier worden veel verschillende eenheden voor gebruikt. In veel efficiency maps ziet men lbs/min, een Amerikaanse eenheid. Vaak omdat het over Garrett turbo’s gaat en die komen uit Amerika. In Europa werken we met gram/seconde, kg/seconde of kg/uur. De omrekening is: 1 lbs/min = 0.00755987 kg/sec = 7.55987 gram/sec = 27.22 kg/uur.

Er zijn ook diagrammen die werken met een volume stroom. CFM of cubic feet per minute. Men verrekent dan feitelijk de hoogte correcte en atmosferische omstandigheden er in mee. Op hoogte is de lucht namelijk kleiner van dichtheid dan op zeeniveau. Dat geeft dan een andere bepaling van de drukverhouding.

Maar wat is dan de hoeveelheid lucht die mijn motor aanzuigt? Dat is betrekkelijk makkelijk te bepalen. Er geldt een hele algemene regel dat bij BENZINE motor er voor iedere lbs/min lucht er 9.5 tot 10.5 pk aan het vliegwiel geleverd wordt. Omgerekend betekent dat 1 pk tussen 2.60 en 2.85 kg/uur lucht nodig is.Voor het gemak middelen we dat even tot 10 pk per lbs/min wat resulteert in 2.72 kg/uur voor iedere pk.

Dus voor 200 pk is er ongeveer 544 kg/uur lucht nodig. Dit gegeven is een zeer belangrijke parameter bij de keuze van een turbo.

De “Surge line”

De “Surge line” is de linker grenslijn van het diagram. Als de motor in dit gebied functioneert kan er sprake zijn van een stromings instabiliteit. Dit gebied wordt gekarakteriseerd als mild fladderen tot wild fluctueren van de druk en “blaffen” van de compressor. Wanneer een turbo continue in dit gebied wordt gedwongen te werken kan het leiden tot turboschade als gevolg van stotende drukgolven.

Surge komt het meest voor bij 2 verschillende situaties. De eerste en meest gevaarlijke is surge onder belasting. Goed beschouwd betekent het gewoon dat de turbo dan te groot is voor de toepassing. Surge komt ook voor wanneer de gasklep snel gesloten wordt vlak na maximale turbodruk. De luchtstroom neemt dan zeer snel af omdat de gasklep gesloten wordt terwijl de turbo nog op volle toeren draait. In de efficiency map schiet men dan direct naar de linkerkant van de grafiek.

De surge stopt wanneer het turbotoerental zover is gedaald dat men weer in het werkgebied van de turbo terecht komt. Precies dit effect wordt opgevangen door de zogenaamde Blow Off Valve (BOV) of ontlastklep. Deze klep is gemonteerd tussen de drukzijde van de inlaat en de ingang van het luchtfilter of de buitenlucht. Zodra er onderdruk in de inlaat wordt gemeten (omdat de gasklep dicht is) wordt de BOV open getrokken en zo kan de luchtstroom weglekken.

Door een bepaalde bewerking te maken aan de inlaatzijde van de compressor kan men de surge lijn naar links verleggen. Men noemt dit een “ported shroud”. In de tekening en het plaatje hieronder is dat te zien. Hiermee wordt het werkgebied van de bestaande compressor vergroot. Of men kan een groter compressorwiel monteren voor meer vermogen zonder concessies te doen aan de surge grens Doorgaans heeft een “ported shroud” weinig effect op de efficiency van de compressor.

De “choke line”

De Choke lijn is de rechter grens van de efficiency map. Garrett heeft deze lijn gedefinieerd als de lijn waarbij de efficiency kleiner is dan 58% Rechts van deze lijn neemt de efficiency zo snel af dat het toerental van de turbo zo hoog moet zijn dat deze de grens van het toelaatbare overschrijd. Behalve dat neemt door de efficiëntie afname de inlaattemperatuur veel te veel toe waardoor de motor weer extra gevoelig wordt voor pingelen. Wanneer men zich hier bevindt is het verstandiger een grotere turbo te kiezen. Zo niet dan is een korte levensduur van de turbo gegarandeerd.

De efficiëntie eilanden

De compressor efficiëntie is gedefinieerd als de verhouding tussen de hoeveelheid energie die nodig is om druk op te bouwen en de totale hoeveelheid energie die de compressor ingaat. Oftewel wanneer de efficiëntie 62% bedraagt dan wordt er 62% gebruikt om druk op te bouwen en 100 – 62% = 38% wordt omgezet in warmte in de vorm van inlaatlucht opwarming.

De Efficiëntie eilanden zijn de concentrische gebieden in de grafiek welke de efficiëntie van het compressor wiel voorstellen Het kleinste eiland ligt in het midden en is het meest efficiënte werkgebied van de turbo, de inlaatlucht wordt minimaal opgewarmd. Steeds verder naar buiten neemt de efficiency af tot men de Surge en Choke lijnen bereikt. De buitenste werkgrens van de turbo. In die buitenste gebieden wordt de inlaattemperatuur snel te hoog.

De toerental lijnen

De turbo toerental lijnen zijn de lijnen van constant turbo toerental. Punten tussen deze lijnen kunnen gemakkelijk via interpolatie geïnterpreteerd worden. Wanneer het toerental toeneemt neemt zowel de het drukverschil als de luchthoeveelheid toe. Zoals eerder aangegeven in de beschrijving van de choke lijn liggen de toerentallijnen daar dicht bij elkaar. Wanneer een turbo in dat gebied terecht komt neemt de snelheid zeer snel toe en zal een toerental overschrijding plaats vinden. Met alle desastreuse gevolgen van dien.

Een rekenvoorbeeld uit de praktijk

Nu we weten hoe een efficiency map moet worden gelezen kunnen we bepalen hoeveel een bepaalde motor precies aan maximaal vermogen zou kunnen leveren zonder serieuze risico’s te lopen.

Als voorbeeld pakken we een GT1446 turbo. Dit is een turbo die op veel modellen van Alfa en Fiat wordt toegepast. Onder andere de 165/170 pk MultiAir motoren en de 180 pk Abarth motoren. Hieronder is de efficiency map afgedrukt.

De Abarth 500 Euro 6 levert standaard 180 pk. De turbodruk bij deze auto staat softwarematig ingesteld op 2120 mBar bij 5500 toeren. De cilinder inhoud in 1368 cc.

Hoeveel lucht verbruikt deze motor bij 5500 toeren en 2120 mBar vuldruk?
Omdat het een 4-takt motor is zijn er 2 omwentelingen nodig om 1.368 liter te verpompen. Dus per omwenteling 1.368/2 = 0.684 liter lucht. Bij 5500 omw/min is dat 0.684 x 5500 = 3762 liter/min = 225720 liter/uur = 225.72 m^3/uur. De dichtheid van lucht bij 20 graden = 1.3 kg/m^3. 225.72 m^3 weegt dus 293 kg/uur. Maar de motor draait met 2.12 bar vuldruk. Dan komen we uit op 293 x 2.12 = 622 kg/uur.

Echter een verbrandingsmotor vult zichzelf nooit voor 100% met verse lucht. Het percentage van het slagvolume wat wel gevuld wordt noemt men het volumetrisch rendement. In vaktermen “Volumetric Efficiency” of VE. Er gelden voor de VE een aantal ervaringsgetallen afhankelijk van inlaat- en uitlaataanpassingen:

1. Geen aanpassingen geldend voor een 4-takt motor: 75%
2. Milde inlaat aanpassing: 80%
3. Milde in- en uitlaat aanpassing: 90%
4. Flinke aanpassingen: 95%
5. Volledige aanpassing: 100%
6. Alle mogelijke technische trucs toegepast: 110%

Bij het toerental van maximum koppel is de VE groter. Gemiddeld zo’n 5%

De inlaat is mild aangepast (BMC filter, aanpassing filterhuis) maar de uitlaat is nog voorzien van de standaard kat maar beschikt alleen over een einddemper. Voor deze motor stellen het VE op 85%.

We gaan er vanuit dat de inlaattemperatuur met 20 graden toeneemt als gevolg van de turbo drukvulling
Bij een VE van 0.85 resulteert dat in 529 kg/uur. De inlaattemperatuur correctie wordt altijd berekend ten opzichte van het absolute nulpunt: (273+20)/(273+40) = 0.936. Wat neer komt op 0.936 x 529 = 495 kg/uur = 0.1375 kg/s..
Met de vuistregel van 1 pk per 2.72 kg/uur volgt uit 495 kg/uur een vermogen tussen 495/2.72 = 182 pk.
Abarth beloofd 180 pk. Klopt mooi!

Standaard meten wij echter slechts 177 pk voor deze auto. Zeer aannemelijk wanneer men zich realiseert dat de in- en uitlaat mogelijk nog een kleine restricties in zich hebben. Een meting ZONDER luchtfilter liet 2 pk meer zien. Daarbij weten we tevens dat het standaard mengsel veel te rijk staat ingesteld. Dat kost vermogen.

Is de GT1446 de juiste turbo voor deze motor?

Daarvoor berekenen we eerst de drukverhouding. Wanneer we het standaard luchtfilter toepassen en een standaard uitlaat met kat nemen we aan dat de drukval in de inlaat 0.05 bar zal zijn. Het is mooi weer met een buitenluchtdruk van 1020 mBar. De drukverhouding komt uit op 2120/(1020-0.05) = 2.09.

De luchthoeveelheid is 0.1375 kg/uur. In de grafiek laat de kruising van de blauwe lijnen zien waar de turbo werkt. Dat zit nog mooi rond de 63% efficiëntie met een turbotoerental van zo’n 190.000 toeren. Prima dus. De GT1446 past keurig voor het standaard vermogen. Maar er zal weinig marge zijn.

Onze tuning stelt de turbodruk in op 2300 mBar bij 5500 toeren. Vanwege de hogere druk liep de inlaattemperatuur iets hoger op. 25 ipv 20 graden verschil. Dit zou een luchtbehoefte betekenen van 529 kg/uur = 0.147 kg/s. 529 kg/uur zou in theorie 194 pk. Wij meten gemiddeld 192 pk.

1. Daarbij was de ontsteking mooi strak zonder pingel correcties op hoger octaan brandstof.
2. Standaard Abarth/BMC luchtfilter met een aanpassing aan het luchtfilterhuis
3. Uitlaat standaard
4. Standaard intercooler
5. Geen mechanische motoraanpassingen.

In de efficiency map komen we uit op 60% efficiency en 220.000 toeren.

Kan er 220 pk gehaald worden?

Na berekening blijkt dat voor 220 pk er ongeveer 600 kg/uur = 0.167 kg/sec nodig. Dit valt buiten de efficiency map wat betekent dat deze turbo geen 600 kg/uur aan lucht kan leveren.

Maar wat kan er dan theoretisch maximaal gehaald worden?

Daarvoor kijken we naar het meest rechtse punt in de grafiek. Recht naar beneden leest men dan 0.153 af. 0.153 kg/sec = 551 kg/uur. Wat neer komt op een vermogen tussen 551/2.72 = 203 pk. Echter dit is bij een drukverhouding van 2.87. Teruggerekend naar een turbodruk is dat ongeveer 2.9 bar. Wij weten zeker dat de ontsteking dat niet aan kan. Deze zal heftig gaan corrigeren op pingel detectie. Waardoor de uitlaattemperatuur zeer hoog zal oplopen en mechanische schade snel een einde zal maken aan de pret. Behalve dat feit ziet men dus dat men voor 9 pk extra de druk maar liefst 0.6 bar moet verhogen. De verhouding tussen vuldrukstijging en vermogensstijging is volledig zoek.

Wij houden het op ons punt in de grafiek. De turbo levert dan zo’n 530 kg/uur. Afhankelijk van de rest van de motor/in-/uitlaat kan dat dan 186 tot 204 pk opleveren.

Waar is er dan nog wel winst te behalen?

1) Turbodruk net zover verhogen totdat de ontsteking net niet begint te corrigeren als gevolg van pingel correcties.
2) Inlaat optimaliseren (zo min mogelijk drukval).
3) Uitlaat optimaliseren (iets dikker).
4) Inlaatlucht temperatuur zo veel mogelijk koelen (grotere intercooler).
5) Volumetrisch rendement van de motor optimaliseren door mechanische aanpassingen aan de motor.

Wanneer men de efficiency map van deze turbo bekijkt kan men eigenlijk alleen maar concluderen dat een echt serieuze vermogensstijging er niet in zit. De rechter choke grens loopt behoorlijk horizontaal op. Wanneer men met alleen vuldruk verhoging aan de gang gaat, zal men deze flink moeten verhogen om een serieuze toename in luchthoeveelheid voor elkaar te kunnen krijgen. Maar vanwege met name ontstekingsproblemen zal dit niet mogelijk zijn.

Wanneer men een iets grotere turbo monteert ziet er alweer heel anders uit. Een GT2056 bijvoorbeeld. Hieronder is de efficiency map afgedrukt.

We weten al dat de motor bij 2300 mBar en 5500 toeren zo’n 530 kg/uur lucht vraagt wat iets over de 192 pk oplevert. 530 kg/uur komt overeen met 19.5 lbs/min. Deze turbo levert dat met het grootste gemak omdat men dan precies in het maximale efficiency eiland zit van 78%. Een heel mooi uitgangspunt om verder te gaan. Het vermogen zal sowieso al hoger zijn omdat de inlaatlucht minder opwarmt door de hogere efficiency (78% in plaats vavn 60%).

Bovenstaande draaide allemaal om vermogen. Koppel is weer een heel ander verhaal. Daarvoor is het met name belangrijk vanaf welk toerental de turbo in staat is druk te gaan leveren. Het toeren gebied waarbij de turbo niet op druk wil komen noemt men het turbogat. Hoe kleiner een turbo hoe kleiner het turbogat. Zeker bij downsize motoren kiest men voor relatief kleine turbo’s voor een zo klein mogelijk turbogat. Dat betekent dat de turbo bij hogere toeren snel buiten adem is. Dat is ook juist wat we hier zien. Standaard zit de GT1446 is behoorlijk op de rand van z’n kunnen.

Rond 3500 toeren wordt maximaal koppel geleverd. Daar is de luchtbehoefte veel kleiner dan bij 5500 toeren. Maar omdat de turbodruk doorgaans dan hoger is (2400 mBar), het VE hoger (90%) en de opwarming van de lucht minder (nihil). Na berekening komen we uit op ongeveer 320 kg/uur = 0.0089 kg/uur = 11.8 lbs/min. Men ziet dan dat de GT1446 turbo daar wel volledig in z’n element is. De GT2056 heeft het onder die omstandigheden nog net niet naar z’n zin. Het punt 11.8 lbs/min met 2.4 drukverhouding valt net buiten de het diagram.

Het was het vroeger ?

Een beroemde turbo uit het verleden was de Garrett T03. Die is er in vele varianten. De Alfa 155 Q4 was bijvoorbeeld voorzien van een T03 met “50 Trim’. Hieronder in de efficiency map afgedrukt. Deze motor levert 190 pk bij ongeveer 1.7 bar vuldruk. De drukverhouding stellen we op 1.8 Om 190 pk te leveren is tussen 18 en 19 lbs/min nodig. We zien dat dat punt ruim binnen de grafiek ligt. Dat betekent dat de marge behoorlijk is. Wanneer men lineair omhoog klimt van een drukverhouding van 1.8 naar 2.2 komt men uit op 24,4 lbs/min. Goed voor zo’n 240 pk en nog steeds 65% efficiency. Kortom, 20% vermogenwinst en zelfs dan is de koek nog niet op. Met een goede intercooler en wat grotere injectoren hebben we een dergelijk motor in het verleden wel eens tot 270 pk getuned.

Wat kan men leren van dit verhaal?

De turbo is essentieel voor de prestaties van een motor. Men wil snel te veel en de leek gaat er vanuit dat zodra een motor over een turbo beschikt er grote winsten mogelijk zijn. Dat is al lang niet meer zo. De praktijk leert dat voor hedendaagse motoren 10 tot 12% vermogenswinst gebruikelijk is. Vroeger was dat 20 tot 30%. De koppelwinst is nog wel ruim juist omdat er tegenwoordig kleinere turbo’s worden toegepast.

Als toegift de efficiency map van een 80/85 pk Twin Air motor, voorzien van een Mitsubishi TD02 turbo.

Een TA 85 pk versie is voorzien van de TD02 turbo. Deze geeft een maximale luchtopbrengst van 0.056 m^3/sec bij een drukverhouding van 2.0. Dat is omgerekend 0.073 kg/s = 262 kg/uur. Wat goed is voor maximaal 96 pk.

Hieronder de 2 diagrammen van de 140 pk en 170 pk MultiAir motoren. Links de 140 pk is voorzien van een GT1238 variant. Rechts de 170 pk welke is voorzien van een GT1446 variant.

GT1238
GT1446

Kort uitgelegd. Men gaat op zoek naar de grens aan de rechterkant van de grafiek. Men kan aflezen dat een turbodruk stijging alleen maar zorgt voor een hogere druk maar niet meer zorgt voor meer lucht. Dus ook niet voor meer vermogen. Waar het wel voor zorgt is meer stress in de ontsteking. Drukverhoging zorgt namelijk voor ontstekingsproblemen.
Voor de GT1238 is de het punt op ongeveer 2.05 bar drukverschil en 0.11 kg/s luchtopbrengst bij een turbotoerental van 240.000 toeren/min. Voor de GT1446 is dat ongeveer 2.4 drukverschil en 0.15 kg/s lucht en een turbotoerental van 210.000 toeren/min.