Turbotryck: bar, psi och tryckförhållande förklarat
Laddtryck kan anges på flera sätt, och det avgörande är att skilja övertryck från absolut tryck innan du räknar på kompressorns arbete.
Laddtryck, eller turbotryck, är ett av de mest centrala talen för en överladdad motor, men det anges på flera olika sätt som lätt blandas ihop. Ibland talar man om bar, ibland om psi, och ibland om tryckförhållande. Därtill skiljer man på övertryck och absolut tryck, vilket får enorma följder för hur en kompressor egentligen arbetar. Den här guiden reder ut begreppen, visar hur du omvandlar mellan enheterna och förklarar varför höjd över havet och kompressionsförhållande hänger ihop med laddtrycket.
Övertryck mot absolut tryck
Den vanligaste förvirringen gäller vad noll egentligen betyder. När en laddtrycksmätare visar noll bar betyder det inte att det råder vakuum, utan att trycket är lika med det omgivande atmosfärtrycket. Den siffran är ett övertryck, alltså trycket relativt atmosfären. Det absoluta trycket är i stället mätt från ett verkligt vakuum, och det inkluderar atmosfärtrycket.
Sambandet mellan de två är enkelt: man lägger till atmosfärtrycket, som vid havsyta är ungefär 1,013 bar:
absolut = overtryck + 1,013
En mätare som visar ett övertryck på 1,0 bar motsvarar alltså ett absolut tryck på ungefär 2,013 bar. Skillnaden är inte akademisk, eftersom alla beräkningar på kompressorns arbete bygger på det absoluta trycket. Vår turbotryckskalkylator låter dig växla mellan övertryck och absolut tryck och slippa räkna fel.
Bar mot psi
Bar är den enhet som dominerar i Europa, medan psi, pund per kvadrattum, är vanligt i den engelskspråkiga tuningvärlden. Omvandlingen är rak:
psi = bar x 14,504
Ett övertryck på 1,0 bar motsvarar alltså ungefär 14,5 psi, och 0,5 bar blir runt 7,25 psi. Åt andra hållet delar du psi-värdet med 14,504 för att få bar. Det är bra att kunna båda, eftersom datablad, mappar och forumdiskussioner ofta blandar enheterna. Kom ihåg att omvandlingen gäller lika för övertryck och absolut tryck, men att man måste hålla isär vilket av dem en angiven siffra avser.
Tryckförhållande och kompressorkarta
För att förstå hur hårt en turbo arbetar räcker det inte med övertrycket. Det centrala måttet är tryckförhållandet, ofta förkortat PR efter engelskans pressure ratio. Det är det absoluta trycket efter kompressorn delat med det absoluta trycket före, alltså det atmosfärtryck turbon suger ifrån:
PR = absolut tryck ut / atmosfartryck in
Vid havsyta med ett övertryck på 1,0 bar blir PR ungefär 2,013 delat med 1,013, alltså runt 2,0. Tryckförhållandet är just det värde man läser av på en kompressorkarta, den graf som visar hur mycket luft en viss turbo kan leverera vid olika tryckförhållanden och med vilken verkningsgrad. Kartan har tryckförhållande på den ena axeln och massflöde på den andra, omgivna av öar av konstant verkningsgrad. Genom att placera motorns driftpunkter på kartan ser man om turbon arbetar i sitt effektiva område eller om den pressas mot pumpgräns eller stryptryck.
Höjdens påverkan
Eftersom tryckförhållandet utgår från det omgivande trycket får höjd över havet stor betydelse. Högre upp är atmosfärtrycket lägre än de 1,013 bar som gäller vid havsyta. Vill turbon hålla samma absoluta tryck i insuget måste den därför arbeta med ett högre tryckförhållande på hög höjd, eftersom den startar från ett lägre ingångstryck.
Det förklarar varför en sugmotor tappar mycket effekt på hög höjd medan en turbomotor klarar sig bättre: turbon kan helt enkelt snurra fortare och kompensera för den tunnare luften, så länge den har marginal kvar på sin kompressorkarta. Samtidigt belastas turbon hårdare, eftersom samma övertryck kräver ett större tryckförhållande när utgångsläget är lägre. Hur mycket luft motorn faktiskt kan svälja beror också på fyllnadsgraden, som du kan utforska i vår kalkylator för volymetrisk verkningsgrad.
Samspel med kompressionsförhållande och knackning
Laddtrycket lever inte ensamt, utan samspelar tätt med motorns kompressionsförhållande. Båda höjer trycket och temperaturen i cylindern före tändning. En motor med högt geometriskt kompressionsförhållande har redan ett högt sluttryck utan laddning, och lägger man därtill ett kraftigt laddtryck blir det totala trycket så högt att blandningen riskerar att självantända, vilket ger knackning.
Det är därför överladdade motorer byggs med lägre geometriskt kompressionsförhållande än sugmotorer. Ju högre laddtryck man planerar, desto lägre måste det geometriska kompressionsförhållandet vara för att hålla det totala sluttrycket inom det som bränslet och oktantalet tål. Det är i grunden samma fysik som styr en sugmotor, men med en extra tryckkälla. Sambandet mellan slagvolym, kammarvolym och kompression kan du räkna på i vår kompressionsförhållandekalkylator, och hur bränsleleverans skalas med tryck och flöde i vår insprutarkalkylator.
Laddluftens temperatur och varför mellankylare behövs
När luften komprimeras stiger inte bara dess tryck utan också dess temperatur. Det följer direkt av gaslagarna: att pressa ihop en gas tillför energi som höjer temperaturen. Det innebär att luften som lämnar turbon är betydligt varmare än den som sögs in, och varm luft är tunnare. En del av den extra luftmängd man tjänar på laddtrycket går därmed förlorad om luften får stanna het.
Det är därför en mellankylare, eller intercooler, nästan alltid sitter mellan turbon och insuget. Den kyler den komprimerade luften innan den når cylindern, vilket ökar dess densitet och därmed syremängden vid ett givet tryck. En effektiv mellankylare ger alltså mer luft per tryckenhet och sänker dessutom risken för knackning, eftersom kallare luft ger lägre förbränningstemperatur. Tryckförhållandet på kompressorkartan beskriver bara tryckökningen, så temperaturen och kylningen är en separat men minst lika viktig del av hur mycket effekt ett visst laddtryck verkligen ger.
Pumpgräns och stryptryck
En kompressorkarta begränsas av två ytterligheter som är viktiga att förstå. Vid för lågt massflöde i förhållande till tryckförhållandet hamnar man i pumpgränsen, där luftströmmen genom kompressorn blir instabil och börjar pulsera bakåt. Det hörs som ett karakteristiskt fladdrande ljud och är skadligt för turbon i längden. Det inträffar typiskt när man stänger gasen hastigt medan turbon fortfarande snurrar fort.
I andra änden ligger stryptrycket eller choke, där luften når ljudets hastighet i kompressorhjulet och flödet inte kan öka mer hur mycket varvtal man än lägger på. Mellan dessa två gränser ligger turbons användbara arbetsområde, och målet vid val av turbo är att motorns vanligaste driftpunkter ska hamna mitt i det område där verkningsgraden är som högst. En för liten turbo når stryptrycket tidigt, medan en för stor riskerar pumpgränsen och svarar trögt. Hur mycket luft motorn drar vid olika varvtal beror i sin tur på slagvolym och fyllnadsgrad.
Sammanfattning
Laddtryck anges som övertryck eller absolut tryck, där det absoluta är övertrycket plus runt 1,013 bar. Mellan bar och psi gäller faktorn 14,504. Tryckförhållandet, absolut ut delat med atmosfär in, är det värde du läser på kompressorkartan, och det växer på hög höjd. Den komprimerade luften blir varm och behöver kylas i en mellankylare för full effekt, och kompressorns arbetsområde begränsas av pumpgräns och stryptryck. Slutligen samspelar laddtrycket med kompressionsförhållandet, vilket är anledningen till att överladdade motorer behöver lägre geometriskt CR för att undvika knackning.