Know How: Turbo Part XIII

Όλα όσα χρειαζόμαστε πριν πάμε στο χάρτη

Είδαμε στο Part XII το τι αντιπροσωπεύουν οι δύο άξονες του χάρτη του συμπιεστή, δηλαδή τα δύο βασικά μεγέθη του, αυτό του λόγου πίεσης και αυτό της παροχής. Πάμε στο ζουμί τώρα: πώς θα βρούμε τις αντίστοιχες τιμές των δύο αυτών μεγεθών για τον τελικό μας στόχο, που δεν είναι άλλος από την τιμή της ιπποδύναμης, που θέλουμε να πετύχουμε. Και αφού βρούμε τι χρειαζόμαστε για τα x μας επιθυμητά (και αφού έχουμε φροντίσει για την απαραίτητη υποδομή σε τροφοδοσία και εντόσθια) άλογα, πώς τα πετάμε μέσα στο χάρτη για να δούμε αν μας κάνει το συγκεκριμένο τούρμπο ή αν προχωράμε στο επόμενο υποψήφιο..? Συνεχίζουμε, λοιπόν, ακριβώς από εκεί που μείναμε πριν, οπότε όσοι (ελάχιστοι και ασυγχώρητοι) χάσατε το προηγούμενο τεύχος, καλά θα κάνετε πρώτα να καλέσετε το περιοδικό για να το παραγγείλετε, άντε παλιόπαιδα.

Αρκεί, λοιπόν, η ιπποδύναμη που θέλουμε σκέτη? Όχι, επιπλέον πρέπει φυσικά να ξέρουμε τον κυλινδρισμό του κινητήρα μας και τις μέγιστες στροφές λειτουργίας του (άρα ουσιαστικά ξέρουμε και τη ροπή του). Επίσης πρέπει να ξέρουμε τις συνθήκες περιβάλλοντος σε θερμοκρασία και πίεση, αφού επηρεάζουν τα πάντα, όπως αρχίσαμε να λέμε τον προηγούμενο μήνα. Γνωρίζοντας, λοιπόν, αυτά πρέπει τώρα να υπολογίσουμε τα ακόλουθα:

Ογκομετρικός βαθμός απόδοσης (VE) του κινητήρα: Όσο κι αν εμείς λέμε ότι στους κυλίνδρους πρέπει να εισέλθει τόσος αέρας, γιατί τόσος χωράει και άρα τόσο πρέπει να παρέχει ο συμπιεστής, στην πράξη δεν θα πετύχουμε σχεδόν ποτέ να γεμίσει πλήρως. Όπως είδαμε και στις πρώτες συνέχειες της σειράς μας, ο βαθμός αυτός για μοντέρνες πολυβάλβιδες κεφαλές ξεπερνάει το 95% (παλιότερα διβάλβιδα καπάκια έπαιζαν στο 90%, βία 95% τα αγωνιάρικα), ενώ μόνο σε ατμοσφαιρικά με φουλ tuned εισαγωγές-εκκεντροφόρους, ram-air κλπ και σε συγκεκριμένο μόνο εύρος στροφών, μπορούμε να φτάσουμε ή και να ξεπεράσουμε το 100%. Ο βαθμός απόδοσης πάει χέρι-χέρι με την καμπύλη ροπής μας, άρα στις rpm, που έχουμε τη μέγιστη ροπή μας (για το αντίστοιχο ατμοσφαιρικό μοτέρ), μπορούμε με πολύ καλή ακρίβεια να πούμε ότι έχουμε και το μέγιστο VE.

Θερμοκρασία εισερχόμενου αέρα στην πολλαπλή εισαγωγής: Τα νησιά βαθμού απόδοσης του συμπιεστή, που αναφέραμε στο Part XII, δεν είναι απλά κάποια «νουμεράκια»: μικρότερος βαθμός απόδοσης σημαίνει πολύ απλά ότι ο συμπιεστής θερμαίνει περισσότερο τον αέρα (αντί να του προσδίδει ανάλογα πίεση) και αέρας θερμότερος σημαίνει αέρας με μικρότερη πυκνότητα. Η θερμοκρασία αέρα εισαγωγής εξαρτάται φυσικά και από το intercooler-chargecooler μας, αλλά -κατά τους υπολογισμούς για την επιλογή τουρμπίνας- πρέπει να ξέρουμε, που κυμαινόμαστε: είμαστε σχετικά δροσερά στους 38-55 βαθμούς Κελσίου ή ξεπερνάμε τους 100 βάζοντας πλώρη ακόμα και για 150 βαθμούς π.χ. σε εφαρμογή με μηχανοστάσιο-κόλαση χωρίς καν intercooler?

Ειδική κατανάλωση καυσίμου (BSFC): Είναι το αγαπημένο θερμοδυναμικό μέγεθος όσων ασχολούνται με τις ΜΕΚ, όταν πρώτο κριτήριο είναι η κατανάλωση καυσίμου, αφού μας δείχνει την ποσότητα του καυσίμου, που πρέπει να παρέχουμε για να βγει καθένα από τα αλόγατά μας, είναι δηλαδή αντίστοιχο του «επί του πρακτέου» βαθμού απόδοσης. Με τις αγγλοσαξονικές μονάδες, που είδαμε τον προηγούμενο μήνα, το BSFC μετριέται σε lb/(HP x hr) και σε υπερτροφοδοτούμενα μοτέρ βενζίνης ξεκινάει από 0,50 μέχρι 0,60 ή ακόμα υψηλότερα. Φυσικά, όσο μικρότερο τόσο το καλύτερο, ακόμα κι αν δεν είμαστε οικολόγοι (αφού σημαίνει μικρότερες απαιτήσεις παροχής τρόμπας, μπεκ κλπ.): 0,50 BSFC σημαίνει απλά ότι θέλουμε 0,5 λίβρες (275 ml) την ώρα παροχή καυσίμου ανά παραγόμενο άλογο. Εδώ, όμως, μιλάμε για συμπιεστές και όχι μπεκ, οπότε μας ενδιαφέρει να υπολογίσουμε την αντίστοιχη ποσότητα αέρα, που χρειαζόμαστε και επομένως στον υπολογισμό της παροχής αέρα μπαίνει στο παιχνίδι και η αναλογία αέρα/καυσίμου, το γνωστό μας A/F:

Παροχή αέρα σε lb/min (Wa) = HP  x A/F x BSCF/60, όπου HP είναι η ιπποδύναμη-στόχος μας στο στρόφαλο (αφού αυτή θα πρέπει να βγάλει το τούρμπο μας, δεν το νοιάζει φυσικά τι χάνουμε στη μετάδοση) και η διαίρεση με το 60 γίνεται για να πάρουμε την παροχή μας ανά λεπτό, αφού ανά ώρα, ποιός ζει ποιός πεθαίνει. Έτσι, με συγκεκριμένα νούμερα, π.χ. 400 άλογα, έναν λογικά πλούσιο λόγο A/F της τάξεως του 12 και ένα BSFC στο 0,55 παίρνουμε (τα άλογα ως μονάδα ισχύος δεν θέλουν μετατροπή, αν το BSFC είναι ήδη σε άλογα):

Wa = 400  x 12 x 0,55/60 = 44 lb/min

Έτσι λοιπόν έχουμε μία πρώτη ιδέα για το που να ψάξουμε στους χάρτες των υποψήφιων τούρμπο: στον οριζόντιο άξονα της παροχής θέλουμε περιοχή λειτουργίας για τουλάχιστον 44 lb/min για την εν λόγω ιπποδύναμη. Παρατηρήσατε ήδη κάτι? Χρησιμοποιήσαμε μόνο τα άλογα, χωρίς να μας ενδιαφέρει το πως βγαίνουν αυτά, δηλαδή από τι ροπή (κυβικά και VE) και τι rpm (θυμίζουμε ότι ισχύς = ροπή x rpm): όντως για την παροχή μας νοιάζει μόνο η ιπποδύναμη και αυτός είναι ο λόγος που ένα μικρό πολύστροφο μοτέρ φυσικά μπορεί και απαιτεί το ίδιο ακριβώς τούρμπο από πλευράς παροχής με ένα μεγαλύτερο μοτέρ, που στροφάρει λιγότερο για την επίτευξη ίδιας ιπποδύναμη. Έτσι βγάζανε 1500 άλογα από 1,5 λίτρα παλιά στην F1 και έτσι ένας, π.χ. F20C, μπορεί να σηκώσει τούρμπο, που κανονικά θα προοριζόταν για τρίλιτρα+ μοτέρ: συγκεκριμένα άλογα θέλουν συγκεκριμένο τούρμπο ως προς την παροχή κι ας γίνεται ό,τι θέλει με το μοτέρ. 

Φυσικά, όμως, για να πετύχει ένας μικρότερος κινητήρας την ίδια ιπποδύναμη θα πρέπει να έχει υψηλότερο συνδυασμό πίεσης υπερπλήρωσης / rpm, δηλαδή να κρατάει περισσότερη πίεση σε μεγαλύτερες rpm από τον μεγαλύτερο. Και έτσι εδώ μπαίνει στο παιχνίδι ο δεύτερος μεγάλος παράγοντας, που είδαμε, η απαιτούμενη απόλυτη πίεση λειτουργίας, MAP(req) σε psi(a) του συμπιεστή για τη δεδομένη ιπποδύναμη και την οποία τελικά θα χρησιμοποιήσουμε πιο κάτω στον κάθετο άξονα του χάρτη:

MAP(req) = Wa x R x (460+Tm) / (VE x N/2 x Vd), όπου R = 639,6 η παγκόσμια θερμοδυναμική σταθερά αερίων σε αγγλοσαξονική βερσιόν, Tm η θερμοκρασία αέρα στην πολλαπλή εισαγωγής (σε Fahrenheit), Ν ο ρυθμός περιστροφής του κινητήρα σε rpm και Vd ο συνολικός κυλινδρισμός του κινητήρα μας (σε κυβικές ίντσες / CI προκύπτει πολλαπλασιάζοντας τα λίτρα με 61,02, π.χ. ένα δίλιτρο μοτέρ είναι 122 CI, έτσι π.χ. τα Cobra «427», που ακούτε, είναι 7λιτρα κλπ). Πάμε να βάλουμε νούμερα ως παράδειγμα στον τύπο (δίλιτρο μοτέρ, τα 44 lb/min παροχής, που είδαμε για τα 400 άλογα, 55C βαθμούς εισαγωγής / 130F, VE πες στο 92% και όλα αυτά στις λογικές -για τούρμπο μοτέρ- 7.200rpm μέγιστης ισχύος) για να δούμε τι απόλυτη πίεση προκύπτει:

MAP(req) = 44 x 639,6 x (460+130) / (0,92 x 7200/2 x 122)  = 41,1 psi(a) απόλυτης πίεσης, που, όπως είδαμε, αν αφαιρέσουμε την τυπική ατμοσφαιρική πίεση, 14,7 psi(a), παίρνουμε τη μανομετρική αντίστοιχη πίεση 41,1 – 14,7 = 26,4 psi(g), δηλαδή 1,82 bar, ζωή να ‘χει το εργαλείο, ως ένδειξη υπερπλήρωσης στο μπαρόμετρό μας.

Είδαμε για το δίλιτρο, ας δούμε τώρα πόση αντίστοιχη πίεση, για τα ίδια άλογα / παροχή, θα χρειαζόταν ένα 5λιτρο (302CI) κτήνος με μικρότερο ογκομετρικό βαθμό π.χ. 85% και το οποίο στροφάρει λιγότερο, πες 6.000rpm:

MAP(req) = 44 x 639,6 x (460+130) / (0,85 x 6000/2 x 302)  =21,6 psi(a) απόλυτης πίεσης – 6,9 psi μανομετρικής, δηλαδή μόλις 0,48 bar στο μπαρόμετρό μας.

Αυτό που βλέπουμε εδώ συνολικά λοιπόν είναι με νούμερα αυτό, που ήδη ξέρουν όλοι εμπειρικά, ότι ένα μεγαλύτερο μοτέρ για τα ίδια άλογα απαιτεί πολύ λιγότερη πίεση τούρμπο (και άρα αναλογικά λιγότερο βαρβάτα εντόσθια) από μία «ραμπτομηχανή» ίδιας ισχύος. Τα δύο αυτά άνισα μοτέρ δεν θα έχουν ιδανικά το ίδιο τούρμπο, αφού -παρά την κοινή παροχή- θα θέλουμε άλλα χαρακτηριστικά πίεσης στον κάθετο άξονα του χάρτη, σε κάθε, όμως, περίπτωση θα ανήκουν τουλάχιστον στην ίδια «υποοικογένεια» τούρμπο βάσει παροχής και επομένως μεγέθους. Φυσικά, όλα τα παραπάνω υπολογίζονται και αντίστροφα, αν «λύσουμε» τους τύπους για τα μεγέθη, που έχουμε, ψάχνοντας αυτά που δεν έχουμε: αν ξέρουμε την παροχή και την πίεση του χάρτη μας (π.χ. έχουμε αβάντζα ένα τούρμπο, που ξέμεινε και απλά θέλουμε να δούμε σε τι μοτέρ από το στοκ του παλιατζή θα μπορούσε να μπει) μπορούμε να υπολογίσουμε τι άλογα θα έβγαζε, σε τι στροφές κλπ.

Έχουμε, λοιπόν, τώρα παροχή υπολογισμένη, έχουμε και πίεση στην πολλαπλή, τι μένει? Η διαφορά (πτώση) πίεσης (ΔP.loss) μεταξύ της πίεσης, που υπολογίσαμε πιο πάνω (στην πολλαπλή) και της πίεσης στο χάρτη μας, δηλαδή της πίεσης που φεύγει από το συμπιεστή: μεταξύ των δύο μεσολαβούν ένα σωρό πράγματα, τα οποία δημιουργούν απώλειες πίεσης, όπως κολάρα με περισσότερες ή λιγότερες γωνίες, ιντερκούλερ, πεταλούδα... Πόση είναι αυτή? Χοντρικά από 1 έως 4 psi, 0,07 bar έως 0,3 bar, ανάλογα με το πόσο καλά σχεδιασμένο είναι το σύστημα εισαγωγής μετά το τούρμπο σε επίπεδο aftermarket ή/και πόσο περισσότερη παροχή -πέραν της εργοστασιακής- αναγκάζουμε ένα μαμά σύστημα να έχει, π.χ. σε ένα απλό πρώτο στάδιο με επαναπρογραμματισμό της πίεσης. Αν πούμε ότι είμαστε κάπου στη μέση, 2 psi, τότε η πίεση στην έξοδο του συμπιεστή (P2c) θα πρέπει να ισούται με την πίεση της πολλαπλής συν αυτά τα δύο προαναφερθέντα:

P2c = MAP + ΔP.loss = 41,1 +2 = 43,1 psi(a) / 3 bar απόλυτα για το δίλιτρο μοτέρ και 21,6 + 2 = 23,6 psi(a) / 1,63 bar απόλυτη πίεση για το 5λιτρο μοτέρ.

Δεν τελειώσαμε όμως με τους υπολογισμούς στις πιέσεις του συμπιεστή, θέλει αρετή και τόλμη η επιλογή τούρμπο και ακόμα δεν είπαμε καν για το στρόβιλό του...Θυμάστε τον προηγούμενο μήνα, μιλώντας για το λόγο πίεσης του χάρτη είδαμε την πτώση πίεσης από το μέρος του κυκλώματος πριν το συμπιεστή από φίλτρο, παππά, καλσόν κλπ.? Εδώ ήρθε η ώρα να την βάλουμε κι αυτή μέσα: όπως είχαμε δει, συμβατικά για ένα νορμάλ σύστημα φίλτρου εισαγωγής θεωρούμε ότι έχουμε περίπου 1psi πτώση πίεσης (ΔP.loss) πριν το inducer του συμπιεστή και η οποία πρέπει να αφαιρεθεί εδώ από την απόλυτη ατμοσφαιρική πίεση P.amb (αφού δεν φτάνει στη φτερωτή η ατμοσφαιρική, όπως θα ήταν, με άλλα λόγια είναι σαν να είμασταν σε μεγαλύτερο υψόμετρο, αλλά με μηδενικές απώλειες εισαγωγής). Οπότε για την απόλυτη πίεση εισαγωγής του συμπιεστή (P1c) έχουμε:

P1c = P.amb - ΔP.loss = 14,7 – 1 = 13,7 psi(a) / 0,95 bar απόλυτης πίεσης στην είσοδο του συμπιεστή.

Οπότε εν τέλει (υπόσχομαι..!) για το λόγο πίεσης, Πc = P2c / P1c, που είδαμε στο Part XII, και λαμβάνοντας υπόψη όλες τις απώλειες πίεσης πριν και μετά το συμπιεστή, έχουμε για το δίλιτρο μοτέρ:

Πc = 43,1 / 13,7 = 3,14 (χωρίς μονάδες, θυμίζω είναι αδιάστατο μέγεθος) και για το 5λιτρο:

Πc = 23,6 / 13,7 = 1,72

Παρεμπιπτόντως και μιλώντας για λόγο πίεσης, μιλάμε πάντα για ολικές πιέσεις εισόδου και εξόδου και όχι στατικές: με άλλα λόγια λαμβάνουμε υπόψη και τη δυναμική πίεση (ταχύτητα) της ροής εκτός από το πόσο πιέζει κάθετα τα τοιχώματα της σωλήνωσης και όχι μόνο το δεύτερο (που είναι η στατική πίεση). Έτσι, και λόγω νόμου Μπερνούλι-Βεντούρι, είμαστε σίγουροι ότι συγκρίνουμε μήλα με μήλα, όταν συγκρίνουμε πιέσεις σε σημεία της σωλήνωσης με διαφορετική διατομή (τα οποία θα είχαν διαφορετική στατική και δυναμική πίεση, άλλα ίδια ολική, εννοείται ότι και τα δύο είναι είτε πριν είτε μετά το συμπιεστή). Για να μετρήσουμε ολικές πιέσεις, η είσοδος του στομίου του σωληνακίου του μπαρόμετρου πρέπει να είναι παράλληλη ως προς τον άξονά της στη ροή της σωλήνωσης, δηλαδή το στόμιο να στρίβει και να «βλέπει» τη ροή, που μετράει (για να μετρήσουμε στατική, θα έπρεπε να μπαίνει κάθετα προς τα κάτω στη ροή, χωρίς να στρίβει-βλέπει προς τη ροή, που μετράμε). Όποιος μάγκας έχει βάλει pitot tube στο Uno Turbo του και μετράει και τα δύο, παρακαλείται να επικοινωνήσει με τη διεύθυνση για να παραλάβει το δώρο του.

Ώρα να πάμε στο χάρτη

Με τα παραπάνω, δηλαδή τελικό λόγο πίεσης Πc και παροχή Wa, είμαστε τώρα πανέτοιμοι να πάμε στο χάρτη μας (στους χάρτες μας βασικά, αφού ακόμα δεν έχουμε διαλέξει τούρμπο) και να χρησιμοποιήσουμε τις δύο αυτές μεταβλητές ως συντεταγμένες για τα εκάστοτε σημεία λειτουργίας μας. Για τα παραδείγματα εδώ και δεδομένου ότι για να είναι συγκρίσιμα μεταξύ τους πρέπει να είναι από την ίδια πηγή ως προς τη μορφή μονάδων του χάρτη, ας χρησιμοποιήσουμε χάρτες της Garrett.

Πάμε, λοιπόν, στο συνοδευτικό σχήμα του Χάρτη 1, που είναι από μία ρουλεμανάτη GT2860RS, με exducer συμπιεστή 60mm και 60άρι trim: με συντεταγμένες 44 lb/min στον οριζόντιο άξονα παροχής και 1,72 λόγο πίεσης στον κάθετο άξονα βλέπουμε που κάθεται η κόκκινη βούλα για το πεντάλιτρο μοτέρ. Ομοίως για το δίλιτρο μοτέρ με 44 lb/min και λόγο πίεσης 3,14 παίρνουμε το δεύτερο κόκκινο σημείο, στην ίδια ευθεία παροχής με το 5λιτρο αλλά πολύ πιο ψηλά ως προς τον κατακόρυφο άξονα. Είναι σαφές ότι και για τα δύο μοτέρ η GT2860RS πέφτει μικρή, αφού τα σημεία βρίσκονται κατά πολύ εκτός (δεξιότερα) της γραμμής στραγγαλισμού-choke (βλ. Part XII).

Ένα πιο μεγάλο τούρμπο είναι αυτό που πρέπει να δούμε τώρα και το που κάθονται τα σημεία μας: υποδεχτείτε την GT3076R (exducer συμπιεστή 76mm, 56 trim) στο συνοδευτικό Χάρτη 2. Αμέσως φαίνεται ότι αυτό είναι πιο σωστό τούρμπο και για τα δύο μοτέρ: και τα δύο σημεία είναι μέσα σε νησιά. Ξεκινώντας με το δίλιτρο (το πιο πάνω σημείο από τα δύο κόκκινα), είναι ανάμεσα στα βαθμού απόδοσης 76% και 74% νησιά λειτουργώντας στις 125.000 περίπου rpm, δηλαδή σε πολύ αποδοτικό σημείο του χάρτη. Το πρόβλημα ωστόσο εδώ είναι ότι μιλάμε -μην ξεχνάτε- για σημείο, που αντιστοιχεί ψηλά στο φάσμα των στροφών, δηλαδή κοντά στη φουλ παροχή: ο ίδιος συνδυασμός μοτέρ-τούρμπο, αλλά σε χαμηλότερο φάσμα στροφών, κινδυνεύει να πέσει αριστερότερα της καμπύλης πάλμωσης-surge (βλ. Part XII), δηλαδή να της πέσει το συγκεκριμένο τούρμπο πολύ μεγάλο για το υπόλοιπο φάσμα στροφών και πρέπει να το δούμε ως προς άλλα μοντέλα. Αν φυσικά μας νοιάζει μόνο το συγκεκριμένο powerband ψηλά σε legal ή illegal motorsport εφαρμογές, τότε πάσο, επικεντρωνόμαστε μόνο σε αυτό το σημείο του χάρτη. Συμπερασματικά, για εφαρμογές πιο δρομίσιες, το δίλιτρο εδώ θέλει μικρότερη φτερωτή.

Γενικώς, πρέπει να παίρνουμε το χάρτη και τα σημεία όχι ως μεμονωμένα και στατικά, αλλά ως ένα κινητό σημείο, το οποίο συνεχώς κινείται (ανεβαίνει και κατεβαίνει, πάει αριστερά και δεξιά), καθώς λειτουργούμε το μοτέρ σε διαφορετικούς συνδυασμούς φορτίου (άνοιγμα πεταλούδας και rpm), όπου αντίστοιχα διαφορετικό είναι και το εκάστοτε «φούσκωμα». Σε γενικές γραμμές, αν πατήσουμε τέρμα γκάζι από το ρελαντί και μέχρι τον κόφτη σε ένα τουρμπάτο μοτέρ, η «πορεία» μας στο χάρτη του συμπιεστή θα είναι η εξής: ξεκινάμε από κάτω αριστερά, ακολουθούμε μία σχετικά διαγώνια ευθεία γραμμή με κατεύθυνση προς τα πάνω και δεξιά (δηλαδή περνώντας διαδοχικά από αυξανόμενου βαθμού απόδοσης νησιά και τέμνοντας αυξανόμενων rpm χαρακτηριστικές καμπύλες σταθερού ρυθμού περιστροφής του τούρμπο, βλ. σχετικό σχήμα) και σε κάποιο σημείο, που φτάνουμε τη μέγιστη προκαθορισμένη γραμμή πίεσης τούρμπο από τη wastegate είτε μηχανικά είτε βάσει προγράμματος/boost controller, «στρίβουμε» ξαφνικά δεξιά παράλληλα με τον άξονα της παροχής, η οποία συνεχίζει να αυξάνεται, αλλά για σταθερή πλέον πίεση. Σε περίπτωση που έχουμε έντονο οverboost, η πορεία μας πέφτει απότομα προς τα κάτω και δεξιά αντί για μόνο δεξιά, ενώ στην περίπτωση που το τούρμπο δεν μπορεί να κρατήσει σταθερή (ct) πίεση και ψηλά αρχίζει και αυτή να μειώνεται, η πορεία μας είναι σταδιακά προς τα κάτω και δεξιά. Ως προς το βαθμό απόδοσης, μας νοιάζει από που περνάει όλη αυτή η γραμμή λειτουργίας και όχι μόνο μεμονωμένα σημεία στο χάρτη. Με άλλα λόγια και θέλοντας να δούμε συνολικά τη λειτουργία μας σε ένα χάρτη-τούρμπο, δεν αρκεί να μιλάμε για συγκεκριμένα σημεία-συντεταγμένες, αλλά για μία -συνεχώς- κινητή γραμμή: επειδή όμως κάτι τέτοιο θα απαιτούσε ειδικά software κλπ., στην πράξη και σε «χειροκίνητο» συνήθως αρκεί να ενώσουμε απλά 4-5 διακριτά και σημαντικά σημεία, για τα οποία  αρκούν φυσικά μόνο 4-5 αντίστοιχα ζεύγη παροχής-πίεσης. Ποια είναι αυτά τα 4-5? Σίγουρα το σημείο που αρχίζει δειλά να τουρμπίζει το πράγμα, σίγουρα το σημείο μέγιστης πίεσης-ροπής, σίγουρα το σημείο μέγιστης ισχύος και σίγουρα το σημείο μέγιστων rpm. Από εκεί και μετά, όσο περισσότερα ενδιάμεσα τόσο το καλύτερο, όρεξη και μπαταρία στο laptop να έχετε (ευτυχώς που τα τελευταία χρόνια πολλοί κατασκευαστές τούρμπο διαθέτουν online εφαρμογές γι’ αυτήν τη δουλειά, όπου απλά, δίνοντας τα χαρακτηριστικά του μοτέρ-εφαρμογής μας, γυρνάνε το ιδανικό τούρμπο από τη γκάμα τους έχοντας αυτόματα πλοτάρει τα σημεία στους χάρτες απόδοσης. Φυσικά αυτό απλά διευκολύνει τη ζωή μας, δεν αναιρεί το γεγονός ότι πρέπει να ξέρουμε επιπλέον το τι αντιπροσωπεύει η κάθε παράμετρος: αν δεν ξέρεις το πως βγαίνουν αυτά με χαρτί και μολύβι, τότε δεν μπορείς και να κατανοήσεις σωστά τα αποτελέσματα του αυτοματοποιημένου λογισμικού…).

Γυρνάμε τώρα στο Χάρτη 2 και στο δεύτερο σημείο (το κάτω από τα δύο), αυτό του 5λιτρου μοτέρ. Εκεί έχουμε καταλήξει σε βαθμό απόδοσης μικρότερο απ’ ότι στο δίλιτρο, κοντά στο 65% αλλά το συγκεκριμένο 65% μόνο κακό δεν είναι, το αντίθετο: έχει από αριστερά του πολύ μεγάλα περιθώρια-απόσταση από την καμπύλη του surge, κάτι που σημαίνει ότι για να φτάσει σε αυτό το 65% έχει περάσει από όλα τα υψηλής απόδοσης νησιά. Για εφαρμογές καθημερινές, όχι κοντράκηδες, αυτό είναι μία πολύ καλή προσέγγιση. Το ανησυχητικό όμως εδώ είναι άλλο: ότι δεν υπάρχει περιθώριο προς τα δεξιά / προς μεγαλύτερες παροχές, δηλαδή για παροχές πάνω από το ανώτατο όριο rpm του κινητήρα (μην ξεχνάτε ότι, σε αντίθεση με τα ατμοσφαιρικά μοτέρ, στα τούρμπο ο κόφτης από τις στροφές μέγιστης ισχύος πολύ συχνά απέχει πολύ). Το ιδανικό για το 5λιτρο εδώ θα ήταν μία κατιτίς μεγαλύτερη φτερωτή συμπιεστή, είμαστε στο σωστό δρόμο, αλλά όχι ακριβώς εκεί που πρέπει. Ας δούμε λοιπόν ένα λίγο μικρότερο συμπιεστή από αυτόν της GT3076R για το δίλιτρο και ένα λίγο μεγαλύτερο για το 5λιτρο.

Ας βάλουμε το δίλιτρο σε μία GT3071R, με 71mm exducer και 56 trim, στο συνοδευτικό Χάρτη 3: εδώ βλέπουμε ότι ψηλά, στις 7200rpm, είμαστε πιο κοντά από πριν στο όριο του choke, αφού, όμως, δεν το φτάνουμε, αυτό σημαίνει τα εξής θετικά, 1. ότι είμαστε πιο μακριά από τη γραμμή του surge και 2. ότι για να φτάσουμε εκεί, έχουμε περάσει από νησιά μεγάλης απόδοσης στις χαμηλότερες rpm μας. Είναι μία πολύ καλή φτερωτή για λειτουργία σε μεσαίες στροφές, δηλαδή για ρεπρίζ, έξοδο στροφών κλπ. Για να το επιβεβαιώσουμε αυτό μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τους τύπους πάνω για να δούμε που μεταφερόμαστε στο χάρτη για στροφές κάτω από τις 7.200, π.χ. στις μεσαίες 5.000rpm. Αν λύσουμε τον τύπο της πίεσης πολλαπλής MAP πιο πάνω ως προς την παροχή Wa και αντικαταστήσουμε τις στροφές Ν με 5.000rpm, η πίεση και τα υπόλοιπα μείνουν τα ίδια, τότε παίρνουμε μία παροχή Wa κοντά στις 34 lb/min, που είναι το κόκκινο σημείο αριστερά από το πρώτο και είναι το σημείο μέγιστης πίεσης υπερπλήρωσης: δεν υπάρχει κίνδυνος να πάμε πιο αριστερά προς το surge, αφού σε χαμηλότερες στροφές η πίεση είναι χαμηλότερη και η πορεία μας μένει εντός χάρτη. Η GT3071R είναι η πιο σωστή τουρμπίνα από τις τρεις, που δοκιμάσαμε στα χαρτιά.

Τέλος, πρέπει να τσεκάρουμε και τη μεγαλύτερη φτερωτή για το 5λιτρο μοτέρ, που είδαμε ότι ιδανικά χρειαζόμαστε. Πάμε, λοιπόν, σε μία ωραιοτάτη GT3582R των 82mm exducer και 56 trim, όπως στο σχήμα 4: σε σύγκριση με την GT3076R, βλέπουμε ότι απομακρυνθήκαμε όσο πρέπει από την καμπύλη του choke και είναι ό,τι πρέπει για λειτουργία στις μεσαίες. Μία ακόμα πιο μεγάλη φτερωτή θα βελτίωνε την απόδοση ψηλά, αλλά θα χάναμε σίγουρα κάτω από εκεί. Με άλλα λόγια, δεν υπάρχει ποτέ η μία, θεϊκή και τέλεια φτερωτή συμπιεστή για ένα συγκεκριμένο μοτέρ έτσι γενικά, παρά μόνο μία διαφορετική, κάθε φορά ιδανική για κάθε συγκεκριμένο συνδυασμό μοτέρ + επιθυμητού εύρους λειτουργίας.

Παντρεύεται ο δούλος του Θεού συμπιεστής, το δούλο του Θεού στρόβιλο

Καταρχήν, γιατί ξεκινήσαμε να βρούμε πρώτα συμπιεστή και ερχόμαστε τώρα ακολούθως να παντρέψουμε τον αντίστοιχα σωστό στρόβιλο κι όχι το αντίθετο..? Δεν θα μπορούσαμε να βρούμε στρόβιλο και μετά συμπιεστή..? Θεωρητικά ναι και όχι μόνο θεωρητικά, αλλά θερμοδυναμικά ίσως να είχε και περισσότερο νόημα…Στην πράξη, ωστόσο, οι κατασκευαστές -κατά βάσει- δίνουν περισσότερους από έναν στροβίλους να διαλέξουμε για ένα συγκεκριμένο συμπιεστή και όχι περισσότερους από έναν συμπιεστές για ένα συγκεκριμένο στρόβιλο.

Δείτε τα συνοδευτικά διαγράμματα των στροβίλων (εδώ περνάμε σε BorgWarner, αφενός γιατί είχαμε πάρει μονότερμα την Garrett πιο πάνω και αφετέρου γιατί έχει πιο αναλυτικούς και πλήρεις χάρτες στροβίλων στους καταλόγους της): το πρώτο, που πρέπει να παρατηρήσει κανείς, είναι ότι, όπως και σε τόσα άλλα μεγέθη, που είδαμε στις πρώτες συνέχειες της σειράς μας και εδώ οι άξονες αντιστρέφονται, δηλαδή έχουμε στον οριζόντιο άξονα το λόγο πιέσεων και στον κάθετο άξονα μέγεθος σχετικό με παροχή. Συνολικά, τα διαγράμματα των στροβίλων φαίνονται (αλλά τα φαινόμενα απατούν, όπως θα δούμε πιο κάτω) πιο απλά και πιο συντεταγμένα σε σχέση με τα πολύ πιο πολύπλοκα (φαινομενικά!) των συμπιεστών: δεν έχουμε περίεργα νησιά, δεν έχουμε ξώφαλτσα νουμεράκια παντού από δω κι από κει και οι υποψήφιες καμπύλες κάθε διαθέσιμου στροβίλου είναι στιβαγμένες αρμονικά μεταξύ τους.

Σχετικά με το λόγο πίεσης (πιο σωστά «λόγο εκτόνωσης», αφού μιλάμε για στρόβιλο) P3/P4, εδώ έχουμε στον αριθμητή την πίεση εισόδου-inducer του στροβίλου και στον παρονομαστή την (μικρότερη) πίεση εξόδου-exducer, έτσι ώστε  κι εδώ να έχουμε πάντα λόγο μεγαλύτερο της μονάδας.

Σχετικά με την παροχή και τον κάθετο άξονα, εδώ είτε έχουμε μία σκέτη «απλή» (όσο απλή είναι από τύπους αντίστοιχους σαν του Wa πάνω) διορθωμένη παροχή μάζας, όπως με το συμπιεστή, είτε ακόμα -πιο επιστημονικά- έχουμε την παράμετρο παροχής Φ/Phi, που ονομάζεται και «shallowing capacity», δηλαδή ικανότητα αναρρόφησης καυσαερίων (που ουσιαστικά αυτό είναι η παροχή, όταν μιλάμε για στροβίλους γενικότερα). Το Phi είναι συνάρτηση της παροχής μάζας, διορθωμένης και εδώ με την απόλυτη θερμοκρασία εισόδου (σε τετραγωνική ρίζα) αμέσως πριν το στρόβιλο και την απόλυτη πίεση επίσης πριν το στρόβιλο:

Phi = παροχή μάζας x (απόλυτη θερμοκρασία)^(1/2) / απόλυτη πίεση.

Γνωρίζοντας την παράμετρο Phi για το στρόβιλό μας και συγκρίνοντάς την με την αντίστοιχη τιμή στην έξοδο της πολλαπλής εξαγωγής, μπορούμε να δούμε, αν ο στρόβιλος μας είναι σε θέση να αναρροφήσει όλα τα καυσαέρια, που παράγει το μοτέρ: η διαφορά της παροχής μεταξύ των δύο αυτών παραμέτρων (πόσο παραπάνω παροχή έρχεται από το μοτέρ σε σχέση με την παροχή βάσει Phi από τον παραπάνω τύπο), αν η παροχή από το μοτέρ είναι μεγαλύτερη από αυτήν του στροβίλου, μας δείχνει ποια πρέπει να είναι η παροχή της wastegate! Υπάρχει περίπτωση να είναι μεγαλύτερη η παροχή-αναρρόφηση του στροβίλου από τον τύπο πάνω σε σχέση με αυτήν του μοτέρ..? Ναι, υπάρχει και σε αυτήν την περίπτωση πολύ απλά σημαίνει ότι ο στρόβιλος μας είναι πιο μεγάλος από ό,τι πρέπει, με άλλα λόγια δεν θα πετύχουμε τη στοχευμένη μας πίεση υπερπλήρωσης στο προκαθορισμένο μας εύρος στροφών και φορτίου, αλλά πολύ ψηλότερα. Και εδώ για να βρούμε τον κατάλληλο στρόβιλο χρειαζόμαστε σειρά σημείων, που έχουμε υπολογίσει (πειραματικά ή υπολογιστικά καθαρά) για κάθε σημείο λειτουργίας του μοτέρ και τα οποία βάζουμε πάνω στο χάρτη προσπαθώντας να συμπέσουν αυτά με κάποιον διαθέσιμο στρόβιλο από τα διάφορα διαφορετικά A/R και τις διαμέτρους φτερωτών, που έχει η εκάστοτε γκάμα (βλ. συνοδευτικό Χάρτη 5): μόνο που εδώ, αντί για όλα αυτά τα στοιχεία εισερχόμενου αέρα, όπως στο συμπιεστή, έχουμε στοιχεία καυσαερίων και η όλη διαδικασία είναι πολύ πιο χρονοβόρα και δύσκολη υπολογιστικά-ρευστομηχανικά-θερμοδυναμικά σε σχέση με την αντίστοιχη ενός χάρτη συμπιεστή. Τώρα ξέρετε γιατί πολλοί κατασκευαστές τούρμπο δεν μπαίνουν καν στη διαδικασία να βγάζουν ανοικτά έξω σε εμπορικό επίπεδο χάρτες στροβίλων με την ίδια ευκολία που το κάνουν για τους συμπιεστές, με αποτέλεσμα η σωστή επιλογή στροβίλου να θεωρείται συχνά στους κύκλους της βελτίωσης ως «μαύρη μαγεία».

Πως παντρεύουμε τώρα το στρόβιλο με το συμπιεστή, χωρίς να είμαστε Harry Potter? Θεωρητικά, για να είμαστε απόλυτα τυπικοί, πρέπει να ακολουθήσουμε παράλληλη διαδικασία για συμπιεστή και στρόβιλο για καθένα από τα σημεία λειτουργίας του μοτέρ, όπως εμείς τα έχουμε προκαθορίσει. Με άλλα λόγια, πρακτικά, για κάθε σημείο που βρίσκουμε στο χάρτη του συμπιεστή με τη διαδικασία, που περιγράψαμε αναλυτικά πάνω, θα πρέπει να βρίσκουμε-μαρκάρουμε και το αντίστοιχο στο χάρτη των στροβίλων, που προτείνεται γι’ αυτόν το συμπιεστή: κάθε σημείο στο χάρτη του συμπιεστή αντιστοιχεί σε ένα στο χάρτη του στροβίλου, είναι δηλαδή ζεύγη που αντιπροσωπεύουν το ίδιο σημείο παραμέτρων λειτουργίας του μοτέρ, μόνο που το ένα έχει να κάνει με τη μία πλευρά του τούρμπο και το άλλο με την άλλη. Αν πλοτάρουμε έξι σημεία στο χάρτη του συμπιεστή (τούρμπισμα, μέγιστη πίεση, μέγιστη ισχύς, κόφτης και δύο ενδιάμεσά τους), τα έξι αυτά σημεία έχουν εξ΄ ορισμού τα αντίστοιχα τους έξι στο χάρτη του στροβίλου. Δείτε επ’ αυτού το συνοδευτικό Χάρτη 6: οι έξι κόκκινες τελείες στα αριστερά είναι τα έξι σημεία λειτουργίας στο συμπιεστή, ακριβώς όπως είδαμε νωρίτερα σήμερα και οι έξι κόκκινες τελείες στο χάρτη του στροβίλου δεξιά είναι τα αντίστοιχα σημεία λειτουργίας από την πλευρά της εξαγωγής. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα, ο σωστός στρόβιλος είναι λοιπόν αυτός, στον οποίο φαίνεται στο σχήμα ότι πέφτουν «κουτί» τα κόκκινα σημεία.

Διαλέξατε συμπιεστή, διαλέξατε και στρόβιλο, άρα διαλέξατε κομπλέ σωστό τούρμπο, συγχαρητήρια. Από τον επόμενο μήνα πρέπει να διαλέξετε και intercooler, σκάστρα και wastegate. Μην μας βρει και το καλοκαίρι έτσι γυμνούς…