Volumetric efficency= (v.e.) e scelta del turbo

[munro]

VOLUMETRIC EFFICENCY (V.E.) e SCELTA DEL TURBO



Salve a tutti cari amici tempo fa sul forum postai un post abbastanza simile a questo in sezione off limits anche se
era un pò piu "grezzo" di questo a ****llo matematico diciamo che da allora mi sono un pò evoluto anche aritmicamente ed
essendo che nemmeno piu io posso accedere piu a tale sezione ho deciso di riscrivere due righe su un argomento forse poco
conosciuto e poco compreso o addirittura oserei dire compreso da pochi e sconosciuto da molti che spero resti fruibile
per tutti queli chi hanno voglia è tempo di imparare cose nuove...

partendo dal presupposto che non sono un professore, ne tanto meno un ingegnere,non ho la pretesa o la presunzione di
insegrare nulla a nessuno,anzi se qualcuno vuol correggere concetti che ritiene sbagliati sono prontissimo a rettificare quanto
scritto qui ma comunque dato che credo che nella vita ci sia sempre da imparare e apprendere nozioni nuove,
voglio mettere a disposizione dei concetti,e delle formule basilari,
che a qualche persona potrebbero pure sembrare interessanti e utili...
parto con lo specificare che in tutti i calcoli e le equazioni si usano unità di misura IMPERIALI,
che sono le unità inglesi...poi successivamente si possono convertire nel nostro sistema METRICO tramite equivalenze.
per cominciare vi fornisco le equivalenze tra misure imperiali e misure metriche e la spiegazione
delle abbreviazioni usate nel testo:
--------------------------------------------------------------------------
Cui (cubic inch = pollice cubo) = 16,39cm3; 1cm3=0,061cui

Psi (pounds on square inch = libbre su pollice quadrato) = 0,068bar; 1bar=14,7psi

°F (degree Fahrenheit = grado Fahrenheit) = 32+1,8*x°C; °C=(°F-32)/1,8; ad esempio 0°C=32°F e 100°C=232°F.

R (degree Rankine = grado Rankine) = °F+460 = °C+273,15; è la scala assoluta
(ovvero che ha origine alla temperatura dello zero assoluto)
usata in alcuni paesi anglosassoni al posto della scala Kelvin. Ad esempio: O°C=273,15K=32°F=492R

Cu ft (cubic feet = piede cubo) = 28.317 cm3 = 28,317l

Cfm (cubic feet per minute = piedi cubi al minuto) = 28.317cm3/min = 28,317l/min

Lbs (pounds = libbre) = 0,454kg; 1kg=2,2lbs

Mph (miles per hour = miglia orarie) = 1,6093km/h; 1km/h=0,62mph

Psig = psi gauge (psi relativi misurati dal manometro)

Psia = psi absolute (psi assoluti, ottenuti sommando la pressione atmosferica, pari ad 1bar=14,7psi,
alla sovrappressione fornita dalla turbina)

R (costante universale dei gas perfetti) = 8,315 J/(mol*K)

Tin = temperatura in ingresso
Tout = temperatura in uscita
Pin = pressione in ingresso
Pout = pressione in uscita


questo non tanto breve post cerca di spiegare in modo semplice(per quanto breve si possa riassumere)
utilizzando come esempio un motore Lampredi, nello specifico FIAT 1582CC 8Valvole turbizzato

il significato di:
• rendimento volumetrico,
• portata massica (quantità, non sempre costante) ,
• portata volumetrica (volume, sempre costante),
• importanza dell'intercooler, ovvero quanto influisce il raffreddamento dell'aria in entrata nel motore e
come ne influisce il rendimento.

un po' di formule essenziali....
conversione da centimetri cubici a CUI:
CUI= c.c. * 0,061
CUI=1600cc * 0,061 =97,6CUI

Equazione della portata volumetrica del motore:
Questa equazione serve per trovare il volume d'aria (portata volumetrica)
che il nostro motore ingurgita ogni due giri dell'albero motore,
(2 in quanto il nostro motore è 4 tempi, e la valvola di aspirazione si apre ogni 2 giri)

Volume di aria (cfm) = [(RPM del motore)*(cilindrata in CUI)]/(1728*2)
(“1728” è una costante,
il “2” serve per tener conto del fatto che l’aria viene aspirata solamente ogni due giri di motore
dato che siamo di fronte ad un motore 4 tempi)

Una volta calcolato il volume, che e' sempre costante, dobbiamo calcolarci la portata massica,
ovvero le LB/MIN (MASSA),che può variare in base a pressione e temperatura dell'aria.

Legge dei gas perfetti / portata massica di aria:
La legge dei gas perfetti è un equazione molto comoda.
Essa mette in relazione la pressione, la temperatura, il volume e la massa (cioè le libbre) di aria.
Conoscendo tre di queste grandezze, se ne può calcolare la quarta. L’equazione è:

P*V = n*R*T
dove:
P è la pressione assoluta (NON la pressione misurata dal manometro),
V è il volume,
n è il numero di moli d’aria (è l’unità di massa in questo caso),
R è una costante
T è la temperatura assoluta.

Cosa rappresentano la temperatura e la pressione assolute?
pressione assoluta(psia)= pressione gauge(psig) + pressione atmosferica
La pressione assoluta è la pressione in un condotto (misurata tramite un manometro che segna 0 quando questa è atmosferica)
sommata alla pressione atmosferica. La pressione atmosferica al ****llo del mare è approssimativamente 14,7psi.=100kpa=1bar

Esempio:
"pressione turbo 1,5bar + pressione atmosferica di dove abitate 0,97bar =2,47bar assoluti"

La scala del manometro può essere psia o psig. La “a” sta per “assoluto”, “g” per “gauge” (quella misurata dal manometro).
Il vuoto perfetto è 0psia, ovvero -14,7psig.

La temperatura assoluta è la temperatura espressa in gradi Fahrenheit + 460.
Questo ci dà i gradi Rankine, indicati con R. Se la temperatura esterna è di 80°F, la temperatura assoluta è di 80+460=540R.

La Legge dei gas perfetti può essere riscritta per calcolare una qualunque delle variabili.
Ad esempio, conoscendo pressione, temperatura e volume d’aria, possiamo calcolare le libbre (massa) di aria:
n = (P*V)/(R*T)

Queste ci servono dal momento che conosciamo la pressione (o meglio, la sovrappressione),
il volume, e possiamo fare una buona stima della temperatura.
In questo modo possiamo calcolare quante libbre di aria il motore sta elaborando.
E maggiore è la massa d’aria elaborata, maggiore è la potenza che si può ricavare.

Formule inverse:
Per calcolare la massa d’aria:
n[lbs/min] = {P[psia]*V[cfm]*29}/{10,73*T[R]}

Per calcolare il volume d’aria:
V[cfm] = {n[lbs/min]*10,73*T[R}]/{29*P[psia]}

(come prima, “29” è la costante di equivalenza, 10,73 invece serve a convertire le moli di aria in libbre di aria)

rendimento volumetrico del motore o volumetric efficensy:
Espressa in percentuale, indica la quantità reale di aria che può entrare nei cilindri,
e cambia in funzione della conformità del motore, 2valvole/4 valvole/5valvole,
condotti, tubi, e varie restrizioni,elaborare la testa motore in maniera efficace,
tende ad aumentare il rendimento volumetrico

Per un motore LAMPREDI, questo valore è quantificabile in 0,85 (85%).
Valvole più grandi, alberi a camme, lavorazione della testa, sovralimentazione dinamica ecc.
avvicinano questo valore ad 1 (100%).
quando calcoliamo la quantità di aria che entra nel motore,
bisogna moltiplicare la quantità d’aria ideale per il rendimento per ottenere il valore reale.

Quantità d’aria reale = (quantità d’aria ideale in LB/MIN)*(rendimento volumetrico in %)

Esempio: calcoliamo le libbre di aria che fluiscono nei motori di due vetture differenti,
una dotata di intercooler ed una senza intercooler.

Assumiamo un rendimento volumetrico di 0,85 per entrambi i motori.
Supponiamo di effettuare il calcolo a 5000RPM. Qual è il volume d’aria elaborato da entrambi?

Volume [cfm] = (5000*97)/(1728*2) = 140,34cfm (3974l/min)

Questo valore è valido per entrambi i motori, sia per quello dotato di intercooler sia per quello che ne è sprovvisto.

A 5000RPM ciascuno elabora 140,34cfm di aria al minuto.

Prendiamo il modello senza intercooler:
La temperatura dell’aria nel collettore di aspirazione è circa 212°F (100°C).
La sovrappressione fornita dal compressore è di 19psi (1,3bar).
Che massa d’aria sta elaborando il motore?
Temperatura assoluta = 212°F+460 = 672R
Pressione assoluta = 19psig+14,7 = 33,7psia
n [lbs/min] = (33,7psia*140,34cfm*29)/(10,73*672R) = 19,02 libbre di aria al minuto (ideale)
quantità d’aria effettiva = (lbs/min ideali)*(rendimento volumetrico) = 19,02*0,85 = 16,167lbs/min (7,35kg di aria)

Passiamo ora al modello dotato di intercooler:
In questo caso la temperatura dell’aria nel collettore di aspirazione è di soli 77°F (25°C).
Questo motore è sovralimentato con 17psi (1,15bar).
Temperatura assoluta = 77°F+460 = 537R
Pressione assoluta = 17psig+14,7=31,7psia
n [lbs/min] = (31,7psia*140,34cfm*29)/(10,73*537R) = 22,39 libbre di aria al minuto (ideale)
quantità d’aria effettiva = (lbs/min ideali)*(rendimento volumetrico) = 22,39*0,85 = 19,032lbs/min (8,65kg di aria,)

Cosa si denota da una prima occhiata a questi due esempi?
che il nostro motore dotato di intercooler, pur avendo pressioni turbo più basse,
elabora una maggiore massa di aria, siccome temperature più basse aiutano a respirare più ossigeno..
e più ossigeno si traduce in più potenza.

[munro]

Parte 2

IL COMPRESSORE E LA SUA EFFICENZA:
Il compressore è la parte del turbocompressore che comprime l’aria e la pompa nel collettore di aspirazione.
Questo ne aumenta la pressione.
Per far avvenire ciò, c’è bisogno di potenza. La potenza arriva dalla parte calda del turbocompressore, detta turbina.
Non tutta la potenza che proviene dalla turbina serve a creare sovrappressione.
Una parte della potenza “serve” a scaldare l’aria.
E’ la stessa cosa di quando sfreghiamo i palmi delle mani fra di loro.
L’attrito tra di essegenera calore, così come l’attrito tra il compressore e l’aria,
e l’attrito tra le molecole di aria genera a sua volta calore.
Dividendo la quantità di potenza che serve a creare sovrappressione
per la quantità di potenza che viene trasmessa al compressore si ottiene il rendimento (efficienza) del compressore.
questo concetto si puo applicare anche ai compressori volumetrici ma li per forza di cose ovvero per come è conformato
il compressore stesso le sue efficienze saranno molto basse che vuol dire appunto con alti ****lli di sovrapressione
le temperature dell'aria si scalderranno molto al tal punto che nemmeno intercooler molto efficienti riusciranno a sottrarre
efficaciemente calore all'aria.

Ad esempio, se un compressore ha un rendimento del 70%, significa che il 70% della potenza trasmessa al compressore
serve a creare sovrappressione. Il restante 30% di potenza scalda l’aria.
E’ questo il motivo per cui bisogna preferire compressori a rendimento elevato;
più potenza viene utilizzata per creare sovrappressione, meno ne viene sprecata per scaldare l’aria.
Se la temperatura si alza di molto incrementando la sovrappressione può succedere che ci si ritrovi
addirittura con meno aria che entra nel motore, e ciò causa una perdita di potenza.

QUANTO CALDA E’ QUINDI L’ARIA USCENTE DAL COMPRESSORE?:
Ottima domanda. L’equazione da usare per calcolare la temperatura d’uscita è:

Tout = Tin+{Tin*[(Pout/Pin)0,263-1]/(rendimento)}

Esempio: la temperature d’ingresso è 70°F (21°C), la pressione in ingresso è -0,5psig (una leggera depressione),
la pressione d’uscita è 19psig, ed il rendimento è pari al 72%. Qual è la temperatura d’uscita?

Tin = 70°F+460=530R
Pin = 14,7-(-0,5)=15,2psia
Pout = 19psig+14,7=33,7psia
Pout/Pin = 33,7/15,2 = 2,21 (questo è il PRESSURE RATIO)

Tout = 530+[530*(2,210,263-1)/0,72] = 700R-460 = 240°F = 115°C

Pertanto la temperatura d’uscita teorica è di 240°F. Sarebbe ovviamente preferibile avere un intercooler
che raffreddi l’aria prima che questa entri nel motore!
I compressori non sempre lavorano con la stessa pressione d’uscita.
Questa infatti dipende dalla portata volumetrica che vi entra
(non le libbre d’aria, ma i CFM di aria, il volume quindi) e dal regime di rotazione del motore.
Le prestazioni di un compressore possono essere riassunte su un grafico tramite una serie di curve.

Ecco come leggere il grafico che troverete in allegato:

Calcolatevi le libbre di aria che il vostro motore elabora,
lo dovete fare per ogni regime di giri da voi interessato,se volete ottenere un grafico finale piu dettagliato possibile,
la teoria dice che, bisogna trovare un turbo con il rendimento migliore più vicino possibile al punto di coppia massimo
del vostro motore (ricordando che ogni regime di giri ha una portata d'aria diversa)

esempio:
teniamo per buono di avere un motore con coppia massima a 5000 rpm
1. Siccome stiamo analizzando un motore 1600cc, andiamo a convertire questo valore in "cui"
1582cc * 0,061cui =96,502 (97cui)

2. troviamo il volume d'aria:
Volume di aria (cfm) = [(5000rpm)*(97cui)]/(1728*2)=140,34cfm (3974l/min)

3. calcoliamo le LB/MIN. (portata massica):
n = (P*V)/(R*T)

4. sviluppiamo l'equazione:
• P conosciamo la pressione assoluta del turbo perche la impostiamo noi
• V conosciamo il volume perche lo abbiamo calcolato in precedenza
• R la conosciamo perche e' una costante dei gas perfetti(10,73)
• T ci manca di sapere la temperatura assoluta nel collettore, ma se non abbiamo modo di misurarla con strumentazioni,
possiamo piu o meno definirla avvicinandoci con una formula,
ricordo che la temperatura assoluta si calcola sommando "F°+460"..vediamola

5. calcolo temperatura assoluta:
Tout = Tin+{Tin*[(Pout/Pin)0,263-1]/(rendimento)}
Esempio:
• la temperature d’ingresso esterna è 50°F (10°C),
• la pressione in ingresso a monte del turbo è -0,5psig (una leggera depressione),
• la pressione d’uscita è 21,75psig,(1,50bar)
• ed il rendimento del turbo è pari al 77%.(lo trovate scritto all'interno dei grafici garrett)
• Qual è la temperatura d’uscita?
Tin = 50°F+460=510R
Pin = 14,06psi-(-0,5psig)=14,56psia (depressione + pressione atmosferica)
Pout = 21,75psig+14,06psi=35,81psia (pressione nel collettore + pressione atmosferica)
Pout/Pin = 35,81/14,56 = 2,46 (questo è il PRESSURE RATIO)

svolgimento:
Tout = 510+[510*(2,460,263-1)/0,77] = 686,92R-460 = 227°F = 108°C(temperatura fuori dal compressore)

però avendo un intercooler, le temperature si abbasserebbero ulteriormente,
dipende anche da che tipo di intercooler si utilizza, se aria/aria oppure aria/acqua..
noi simuliamo di averne uno aria/acqua, dove riusciamo ad abbassare le temperature anche dell'80% (rendimento dell'ic)

6. svolgimento dell'equazione per il calcolo delle LB/MIN:
n [lbs/min] = (35,81psia*140,34cfm*29)/(10,73*529R) = 25,68 libbre di aria al minuto (ideale)

7. ora calcoliamoci la quantità massica effettiva:
quantità d’aria effettiva = (lbs/min ideali)*(rendimento volumetrico) = 25,72*0,85 = 21,88 lbs/min (9,95kg di aria,)

8. risultato:
LB/MIN/5000RPM =21,88
PRESSURE RATIO =2,46

ora basterà incrociare questi dati sul MAP FLOW o COMPRESSOR MAP (come in foto) da voi scelto per vedere in che zona
di rendimento del turbo siete, e capire se quel turbo possa o meno fare al caso vostro..

Conclusioni:
Da questo post, si denota, che le teorie non sono solo calcoli incomprensibili e insignificanti scritti su un foglio bianco,
o parolone per riempirsi la bocca, ma (ovviamente) se usate nel modo corretto, compilando le equazioni con dei dati
il più possibile vicini alla realtà, "la mela non cadrà molto distante dall'albero".Cè da dire però che
basta solo un piccolo cambiamento di un dato, per far cambiare completamente il risultato finale,
e sballare la lettura del grafico..
Sostanzialmente, piu è elevato il numero di giri che si ottiene dal proprio motore, più sono le lb/min che si ingurgitano,
e piu potenza si ottiene.
Più bassa e' la temperatura d'aria in circolo nel motore, più ne ingurgiterà il motore, traducendosi in maggior potenza,in
quanto ovviamente si potra immettere piu combustibile,
una temperatura esterna più alta, cambierà la temperatura nel collettore, di conseguenza, si otterranno meno potenze,
se si sbaglia il valore della VE del motore nel punto di picco massimo di coppia, si otterrà un dato falsificato..
tutto questo per dire che le variabili in gioco qui sono molteplici ma non avendo strumentazioni,
ne sala prova motore come in F1, non potremmo avere dati perfetti, ma quanto meno,
si potranno ottenere delle indicazioni quanto meno veritiere...

Buon lavoro a tutti.

Munro

[munro]

per completezza di info aggiungo il link della garrett che oltre alle formule sopra descritte semplificate che io uso molto quando devo scegliere un turbo vi si trova tutta una serie di spiegazioni utili su come leggere una compressor map.
è in inglese ma è tutto abbastanza comprensibile.
https://www.******.it/url?sa=t&rct=j...53F3gfMkctWQYQ

[flamingsn3Ak3r]

Buonasera,

mi sto imbattendo ora nella modifica e lettura
del rendimento volumetrico dei motori e mi sono trovato di fronte
ad un dubbio.

Ho trovato nella mappa della mia auto le curve del debimetro e sapendo
che nel motore diesel lavora per eccesso di aria ho provato ad aumentare
le curve, il risultato è che l'auto era molto più reattiva, ma purtroppo man mano
che si scaldava cominciava a dare problemi di RPM altalenanti (800/ 2000 RPM)
dallo strumento mi dava però che l'efficienza volumetrica era aumentata da 91% (EGR chiusa)
a 220%.

è possibile che questo problema fosse dovuto ad un amento eccessivo dell'efficienza volumetrica?

Secondo voi basterebbe far arrivare l'E.V. al 100% per ottenere il massimo dal debimetro?

Saluti.