Vermogen en koppel

[Luthart]

Hallo,

Ik wil een topic starten met wat meer tech talk. Ik ben zelf werktuigbouwkundige en vind onderwerpen over motoren en dergelijke machtig interessant en vind eraan rekenen nog mooier.
Ook heb ik gemerkt dat niet iedereen kan waarderen dat sommige topics wat afdwalen naar wat meer diepgang over bepaalde onderwerpen, dus vandaar dit topic. Gewoon een potje techtalk waarmee ik zou willen beginnen.

Op dit forum wordt veel gepraat over tuning, pk’s en koppel. Maar wat is het en hoe komt het tot stand?

Voorbeeld is een B204L motor. Welke potentie heeft deze en waarom komt de volle potentie er niet uit?

Heel simplistisch gezien kan een brandstofmotor gezien worden als een luchtpomp. De truc is om zoveel mogelijk lucht er in te krijgen om een zo hoog mogelijk vermogen te krijgen. De cilinderinhoud is in dit geval 1,985 liter.
Omdat het een 4-takt is, zijn er 2 omwentelingen nodig om deze inhoud te ‘verpompen’. Dus 1,985/2=0,993
We gaan uit van 5500tpm: 0,993x5500=5.461,5 liter per minuut. Dat is 5461,5x60=327.690 liter per uur. De lucht heeft een dichtheid van 1,2041kg/m3 bij 20 gr.C bij 1013mbar (zeeniveau). Dus 327,69x1,2041=394,57kg/uur.
Omdat de motor draait op drukvulling is de uiteindelijke vulling afhankelijk van de turbodruk.
Als je kijkt naar de efficiency map van de Garrett T25, dan is het meest efficiente gebied (74%) het middelste ‘eiland’. De pressure ratio is dan maximaal 2,2 en de turbo levert dan maximaal 20lb/min aan lucht. Stel we hebben een drukval (veroorzaakt door het inlaat traject) van 50mbar bij 5500tpm dan is de turbodruk (1013-50)x2,2=2.118,6mbar absoluut.
We komen dan uit op 394,57x2,1186=835,936kg lucht per uur. Dit ligt ver boven de 20lb/min (544,3kg per uur) die de turbo maximaal kan leveren bij deze druk. De ‘choke grens’ ligt bij 28lb/min maar dit zal geen betrouwbaar vermogen geven en de hardware wordt (thermisch) te hoog belast en kan schade oplopen (oa. pingelen). Dus het maximaal haalbare met deze turbo is 544,3kg per uur met een zo min mogelijke opwarming van de gecomprimeerde inlaatlucht.

We weten dat de ideale verbranding een verhouding kent van 14,7delen lucht op 1 deel brandstof.
544,3 kg lucht geeft een behoefte van 544,3/14,7=37 kg brandstof.
De energieinhoud van 1 kg benzine is ongeveer 44MJ. 1 pk is gelijk aan 736Watt. Watt is Joule per seconde. Dus 37kg benzine geeft de energie voor 615,3pk.

Het potentieel van deze motor bij deze turbodruk is 615pk! Maar helaas dit zit er in de praktijk niet in.

Helaas heeft het otto-princiepe een bepaalde mate van inefficiëntie afhankelijk van de compressieverhouding. In dit geval hebben we een 9,2:1. Dit betekent een rendement van 58,8% (1-(1/(9,2^(1,4-1)))=0,588).

Dan houden we over, 615x0,588=361,62pk

Daarnaast hebben we ook te maken met verliezen, volumetrisch, thermisch (temp olie en koelwater), mechanisch (oa. wrijving) rendement. Gemakshalve is dit samen ergens rond de 25-40%. Dit kost nog eens 144,6pk

Dus van de aanvankelijk beschikbare vermogen van 615pk houden we 217pk over (al met al een rendement van 35%). Maw we hebben een brandstofbehoefte van 615pk nodig om 217pk over te houden.

Het tunen van een motor is in feite het beperken van deze verliezen.

Als we de 544,3 kg per uur delen door het werkelijke vermogen, dan kunnen we uitgaan dat we ca. 2,72kg lucht per uur nodig hebben om 1pk te genereren. Garrett geeft aan dat er 1lb/min nodig is aan lucht per 10-11pk. Feitelijk komt dat op hetzelfde neer.

Alleen aan vermogen heb je niks, het gaat om de arbeid die de motor levert. Dit is de kracht die een motor kan leveren over een bepaalde afstand binnen een bepaalde tijd (zo is ooit gestelt dat 1 pk gelijk is aan het verplaatsen van een massa van 75kg over een afstand van 1 meter in 1 seconden.
We kunnen dus zeggen dat vermogen, koppel en toeren aan elkaar gerelateerd zijn. Het vermogen vertelt ons hoevaak het koppel kan worden geleverd! Het vermogen kan ook gezien worden als koppel per tijdseenheid… hoe meer toeren hoe vaker het koppel geleverd kan worden hoe krachtiger de motor.
Enige is, dat een motor bij maximaal vermogen niet het maximaal aan koppel levert. Het toerental waar de motor het maximale koppel levert, daar is de vullingsgraad het hoogst! De koppelkromme vertelt het verloop van de vullingsgraad. Er wordt gezegd dat de beste motoren het maximale koppel bij een relatief hoog toetental hebben liggen (NA motoren). Echter bij een geblazen motor is het maximale koppel al bij een veel lager toerental beschikbaar en over een groter toerenbereik.
De standaard B204L levert zijn maximale koppel van 263Nm vanaf 2100tpm tot ca. 4000tpm. 2100/60=35 omwentelingen per seconden. Het vermogen dat daarbij hoort is 2x3.14x35x263=5.780.740watt, dus al bij 79pk wordt het maximale koppel geleverd. Bij 4000tpm is het vermogen ca.150pk.
Na de 4000tpm wordt de vulling van de cilinders slechter, maar omdat het toerental toeneemt blijft de vermenigvuldiging oplopen! Bij 5500tpm is het vermogen gestegen tot 185pk.

Ik heb enkele bronnen gebruikt voor deze informatie.

Ik zie graag jullie reacties, op of aanmerkingen want dan kan ik er ook nog iets van leren. Hopelijk vinden jullie het leuk om over dit soort dingen te hebben.

[evo]

Dag Daniel,

Da's veel text... Maar ik lees 3 vragen:
1. Hoe het theoretische maximale vermogen berekend kan worden
2. Waarom dit vermogen in de praktijk niet gehaald wordt (door verschillende verliezen)
3. Hoe vermogen, koppel en toerental met elkaar samenhangen

Om te beginnen met punt 3: Vermogen (kW) = (2π × toeren per minuut × koppel (N)) / 60000 , en wil je pk's moet je dit vermenigvuldigen met 1.36

Wat betreft 1 en 2.... da's je toch wel duidelijk?

Of wil je een topic starten over hoe je efficentie kunt verhogen? Of hoe je opbrengst kunt verhogen? Of beide? Want dan zit je op de goede plek, in het turbo en tuning sub-forum

[Luthart]

Of wil je een topic starten over hoe je efficentie kunt verhogen? Of hoe je opbrengst kunt verhogen? Of beide? Want dan zit je op de goede plek, in het turbo en tuning sub-forum

Juist, dat is meer mijn bedoeling. De inleiding heb ik al geschreven

[MVE]

Maarreh, nog geen stage 1 tuning op je Talladega of ondertussen wel?

[Luthart]

Maarreh, nog geen stage 1 tuning op je Talladega of ondertussen wel?

Nee. Ik heb nu de T8 apc erop en ik heb een RON98 mapping. Verder niks.

De auto doet het nu erg goed. Dus in principe zou het nu wel kunnen.
Maar ik heb een paar dingen wat mij tegenhoud.. de koppakking zweet iets op de bekende hoek, de turbo is nu ook 223k oud en ik heb sensonic. Dus wat is wijsheid…

Ik wil het wel origineel houden. Dus geen grotere IC (past niet achter 900ng bumper), andere turbo en grotere remmen etc.

[simon_bergman]

Dag Lufthart,

Mooi om te zien dat er meer meer WTBers op het forum zitten! Ik moet zeggen dat ik het ietswat aan de vroege kant vind voor thermodynamica, maar het is en blijft een geweldig vakgebied

Hoewel het rekenen aan maximale vermogens grappig is, wordt het natuurlijk pas echt leuk wanneer je de hele koppelcurve kunt benaderen, met turbogat, toerental en choke. Zeker leuk als je gaat kijken naar verschillende turbos. (Lees: minder turbogat is vaak 'sneller' dan de aller grootste turbo) Ook is het natuurlijk relevant wat je intercooler doet, het verhogen van je dichtheid en het verlagen van inlaat temperatuur. Dat geeft natuurlijk ook weer meer vermogen... Heerlijk dit.

Zelf ben ik bezig met een B202L in mijn Saab 99, met trionic 5 aansturing en een TD04, vloeistof gekoelde intercooler.... Etc. Ik ben dus de laatste tijd heel wat aan het rekenen haha

[evo]

Jep, rekenen is leuk. Ook veel gedaan. Zo ben ik o.a. tot de 19T#7 gekomen. Toen die nog niet op de markt als zodanig werden aangeboden. Of mijn 276gr 10mm lift nokkenassen (apk waardig) die ik heb laten slijpen. Maar nog belangrijker dan rekenen is... meten. Dus als je niet in de blinde weg maar wat wilt mappen. investeer ook in een WBL en EGT. Dan krijg je het pas echt goed onder controle. Als je ze goed plaats, super aanwinst. en met wat handige schakelingen kun je dan extreem leuk dingen doen, zoals lean burn, etc.

[Luthart]

Sorry Evo, maar wat bedoel je met WBL?

EGT is een thermokoppel in de downpipe toch? Dat is ook inderdaad een mooie aanvulling.

Het is wel fijn om te kunnen monitoren of je de boel thermisch niet teveel belast…
Temperaturen van 850-900 graden vind zo’n turbo niet heel fijn (tenminste bij een diesel is het dan al snel over. Maar daar draai je ook meer boost dan op benzine).

Is het eenvoudig te doen zo’n ETG plaatsen? Of moet je al een draadsok lassen op de uitlaatbocht van de turbo?

[Viggenblue]

Hoi Luthart,

Denk dat WBL voor Wide band Lambda staat. Volgens mij is een egt ook een thermokoppel, maar dan pre-turbo niet in de downpipe. Althans als ik het internet moet geloven.

Ik studeer momenteel werktuigbouwkunde. Leuk om te zien dat er meerdere WB'ers op het forum actief zijn.
Ik vraag mij wel af hoe je een thermodynamisch model maakt en zo kan kiezen welke turbo je gaat kopen. Je kan namelijk erg veel variëren (rpm en de daarbij behorende hoeveelheid lucht die in de cilinder komt welke daar niet recht evenredig van afhankelijk is en je weet heel veel niet?). Thermodynamica is voor mij alweer 3 jaar geleden dus een beetje weggezakt.

Groeten,
Erben

[Luthart]

Ah juist, ja daar kun je weer een air feul ratio mee aflezen.

De E van EGT staat voor exhaust, dus vandaar. Maar de inlaat heeft al een temperatuur sensor…

Thermodynamica is een mooi vak! Het enige thermodynamica is het otto principe. Je rendement is afhankelijk van je compressie (zie de formule in mijn begin post).
Ander ding is pingelen. Waar de grens ligt is per type motor afhankelijk. Ik denk dat tuners dit proefondervindelijk hebben ontdekt bij welke inlaattemperatuur/turbodruk de ontsteking ‘over zijn nek gaat’. Ik weet niet in hoeverre de inspuitduur bij een indirect ingespoten motor een rol speelt. De grootte van de injectoren is wel een ding want je wil op top vermogen geen arm mensel hebben… maar dat weet Evo allemaal beter. Ik lees dit soort dingen omdat ik het vooral interessant vindt en het voor mezelf allemaal wil begrijpen.

Het formaat turbo is te bepalen door te kijken hoeveel lucht deze maximaal kan leveren. Dat is weer afhankelijk wat je doel is qua vermogen.
Te dicht bij de surge line is de turbo te groot, zit je te dicht bij de choke line dan is je turbo te klein.
Het mooiste is dat de turbo in zijn meest efficiente gebied werkt. Je hebt ook wat marge nodig, want als je bijvoorbeeld in de bergen rijd in Italië (Stelvio pas) dan gaat je pressureratio behoorlijk omhoog. En als je turbo minder efficiënt draait dan warm je de lucht zover op dat dat ook pingelen oplevert.
Ander ding is ook dat de verhouding turbodruk en vermogenwist is balans moet zijn. Op de site van Garrett staat wel wat uitleg hierover. Ook de site van Squadra tuning uit Nuspeet is best heel informatief.

Wat ook een niet heel onbelangrijk ding is, wat kan het blok maximaal aan. Dit wordt vaak ook proefondervindelijk ontdekt. Er wordt bij tuner echt wel eens tot het uiterste gegaan (blok in de soep draaien) om te kijken waar de grens ligt bij een bepaalde set-up.

Bij een B204 is het drijfwerk veel sterker dan in een B205. Maar een cilinderkop van een B205 schijnt weer beter te flowen…

[evo]

viewtopic.php?f=22&t=82456

Al wat jaartjes terug

Wat betreft EGT, wisten jullie dat daar in T7 mapping voor is? We zijn ooit begonnen dit in T7Suite te schrijven. Zodat je naast koppel, vermogen, Inj DC, onsteking, etc, etc... ook een geschatte EGT kon zien. Maar da's erg lastig goed te krijgen met formules. En als je HW gaat varieren zit je er zeker naast.

Wat betreft je turbo... de compressorkant is maar de helft van het verhaal... Garrett had vroeger super informatieve info over hun turbo's. Misschien nog wel steeds.

Maar naast de turbo is alles er om heen ook van belang. inlaat traject, verbranding, uitlaat traject.

Tot nog niet zo lang geleden gaf ik wel eens presentaties over wat er zoal komt kijken bij nette tuning. Daar kwamen dan de relevante sensoren, actuatoren, heel het lucht traject, etc aan bod. Korte versie duurde dan 2 uurtjes... als ik snel sprak Heb 'em meerdere malen in meerdere vormen bij SAAB bijeenkomsten in NL en BE gegeven. Wellicht is het er weer eens tijd voor.

[Luthart]

Dat zou ik zeer interessant vinden!

Wat ik mij ook wel eens heb laten vertellen, is dat de compressor zijde en de turbine zijde van de turbo qua drukken ook in evenwicht moeten zijn… klopt dat?

Boren in het spruitstuk… gaat deze dan juist daar niet op den duur scheuren? En de turbo moet er wel af zijn neem ik aan, anders heb je er allemaal spanen in, of valt dat mee?

[Luthart]

PS. Had de Saab 900ng pikes peak ook daar de thermokoppel? Op de foto’s zie je daar ook ergens een thermokoppel draad naartoe lopen…

[Super72]

Is dat echt de motor(ruimte) van de Pikes Peak-racer? Kan het me nauwelijks voorstellen.

[Luthart]

Is dat echt de motor(ruimte) van de Pikes Peak-racer? Kan het me nauwelijks voorstellen.

Volgens mij wel. Zij deden toen in een standaard klasse geloof ik met minimale aanpassingen.

De latere versie was al een 9-3 met een B204 motor. Die had 750pk geloof ik. Toen hebben ze het wat groter aangepakt… met Per Eklund