Liian pieni wastegate näkyy yleensä vasta silloin, kun auto on penkissä tai radalla: ahtopaine nousee yli tavoitteen, vaikka solenoidi on kokonaan auki ja säätökartasta on jo otettu kaikki pois. Ongelmaa ei korjata vahvemmalla jousella eikä suuremmalla ahtopyynnöllä. Wastegaten koon laskeminen turboautoon alkaa siitä, kuinka paljon pakokaasua turbiinin ohi on pystyttävä ohjaamaan pahimmassa käyttötilanteessa.
Tämä on erityisen kriittistä moottorissa, jossa halutaan suhteellisen matala peruspaine isolla turbolla, hyvä keskialueen vaste tai laaja ahtopainealue esimerkiksi Link ECU- tai ECUMaster-ohjauksella. Wastegate ei ole pelkkä venttiili pakosarjassa. Se on osa koko turbiinipuolen virtaus- ja painehallintaa.
Mitä wastegaten koon laskeminen turboautoon tarkoittaa?
Wastegate mitoitetaan pakokaasun ohivirtauskapasiteetin, ei pelkän moottorin iskutilavuuden tai tavoitehevosvoimien perusteella. Kun pakokaasu johdetaan turbiinin läpi, se pyörittää kompressoria ja muodostaa ahtopainetta. Kun tavoitepaine on saavutettu, osa pakokaasusta täytyy ohjata turbiinin ohi. Mitä enemmän pakokaasua moottori tuottaa suhteessa turbiinin tarvitsemaan virtaan, sitä enemmän wastegaten on kyettävä ohittamaan.
Pahin tilanne ei välttämättä ole huipputehoalueella. Usein vaikein kohta on keskikierroksilla, kun moottorin tilavuushyötysuhde on hyvä, turbiini on jo tehokkaasti hereillä ja tavoiteahtopaine on matala. Esimerkiksi 2,0-litrainen nelisylinterinen moottori, joka käyttää suurta turbokokoa mutta 0,7-1,0 barin painetavoitetta, voi vaatia yllättävän paljon ohivirtausta. Jos turbiinikotelo on pieni tai pakopesä ahdas, vaatimus kasvaa edelleen.
Siksi lause "44 mm riittää kaksilitraiseen" ei ole mitoituslaskelma. Se on korkeintaan lähtökohta, joka voi toimia yhdessä rakennelmassa ja epäonnistua täysin toisessa.
Kolme asiaa määrittää todellisen tarpeen
Ensimmäinen tekijä on moottorin pakokaasuvirta. Se kasvaa kierrosluvun, sylinteritäytöksen, ahtopaineen, polttoainemäärän ja pakolämmön mukana. E85:llä, bensiinillä ja metanolilla kokonaismassavirta sekä pakolämpö käyttäytyvät eri tavoin. Myös nokka-akseleiden ajoitus, pakonokan kesto ja venttiilien päällekkäisyys muuttavat sitä, kuinka paljon energiaa turbiinille päätyy.
Toinen tekijä on turbiinin kapasiteetti. Turbiinin koko, A/R-suhde, turbiinipyörä, pakopesän rakenne ja pakosarjan pulssit määrittävät, kuinka suuri osa energiasta turbiini käyttää. Pieni pakopesä parantaa usein vasteita, mutta se myös nostaa turbiinin edeltävää painetta. Tällöin wastegaten läpi virtaaminen vaikeutuu, vaikka venttiilin nimellishalkaisija olisi suuri.
Kolmas tekijä on paine-ero wastegaten yli. Wastegate virtaa vain, jos pakosarjan tai turbiinikotelon paine on riittävästi suurempi kuin ulostulopuolen paine. Jos hukkaportti palautetaan liian ahtaaseen downpipeen, ulostulopaine voi pienentää tätä eroa merkittävästi. Erillinen dump tube antaa yleensä wastegatelle parhaat olosuhteet, mutta melu, katsastusvaatimukset ja kilpailuluokan säännöt on huomioitava rakentamisessa.
Venttiilin halkaisija ei yksin ratkaise
Wastegaten ilmoitettu koko, kuten 38 mm, 44 mm, 45 mm tai 60 mm, kertoo venttiilin nimellishalkaisijan. Se ei suoraan kerro todellista virtauspinta-alaa. Venttiilin nostokorkeus, venttiililautasen muoto, istukan rakenne, jousen esijännitys, kalvon ohjaus ja itse pakosarjan haara vaikuttavat kaikki lopputulokseen.
Myös asennuskulma on ratkaiseva. Wastegaten haara kannattaa ottaa kollektorin tai turbiinilaipan läheltä siten, että pakokaasulla on luonnollinen reitti venttiiliin. Jyrkkä 90 asteen sivuhaara pakottaa virtauksen kääntymään juuri siinä kohdassa, jossa paine-eroa tarvitaan eniten. Tällöin suuri 44 mm wastegate voi käyttäytyä käytännössä pienempänä kuin hyvin toteutettu 38 mm venttiili.
Twin-scroll-turbossa ratkaisu riippuu pakosarjasta ja turbiinikotelosta. Yksi wastegate yhteisestä keräimestä voi toimia, jos pulssierottelu menetetään vasta hallitussa kohdassa. Jos halutaan säilyttää sylinteriryhmien pulssijako turbiinille asti, voidaan käyttää kahta erillistä wastegatea, yhtä kummallekin scrollille. Tämä nostaa kustannusta ja valmistustyötä, mutta parantaa ohjattavuutta rakennelmissa, joissa pakopaine ja pulssidynamiikka ovat keskeisiä.
Käytännön kokoluokat ovat vain lähtöpisteitä
Kevyessä katuautossa, jossa on pieni tai keskikokoinen turbo ja ahtopainetta käytetään selvästi turbon tehokkaan alueen yläpuolella, 38-40 mm ulkoinen wastegate voi olla täysin toimiva. Kun rakennetaan 1,8-3,0-litraista moottoria, käytetään suurempaa turboa ja halutaan säätää painetta laajalla alueella, 44-45 mm on usein turvallisempi perusvalinta.
60 mm wastegate tulee vastaan, kun pakokaasuvirta on suuri, tavoitepaine voi olla matala tai turbiinipuoli on tarkoituksella hyvin ahdas vasteen vuoksi. Se ei kuitenkaan korjaa väärää haaroitusta, liian pientä dump tubea tai turbiinikotelon aiheuttamaa vastapaineongelmaa. Suuri venttiili väärässä paikassa on edelleen väärin toteutettu järjestelmä.
Sisäinen wastegate sopii hyvin moneen katu- ja OEM-tyyppiseen turboprojektiin, kun turbon oma läppä ja kanava on suunniteltu käyttöalueelle. Sen raja tulee vastaan tavallisesti silloin, kun turboa ajetaan matalalla paineella, moottorin virtaus kasvaa selvästi alkuperäisestä tai ahtopainetta halutaan säätää tarkasti kilpailukäytössä. Ulkoinen wastegate tuo enemmän kapasiteettia ja paremmat sijoitusmahdollisuudet, mutta vaatii pakosarjalta, putkitukselta ja lämmönhallinnalta enemmän.
Laske ensin järjestelmä, varmista sitten datalla
Tarkka laskenta tarvitsee turbiinin virtausdataa, pakopaineen, imupuolen massavirran sekä tiedon siitä, millä ahtopaineella moottoria halutaan ajaa eri kierrosluvuilla. Käytännössä turbiinikarttoja ei aina ole saatavilla riittävällä tarkkuudella. Siksi toimiva mitoitus tehdään yhdistämällä komponenttien tunnettu kapasiteetti, vastaavista moottoreista saatu kokemus ja mittausdata.
Rakennusvaiheessa kannattaa jättää wastegatelle mahdollisimman suora, riittävän suuri haara ja käyttää laadukasta venttiiliä, jolle on saatavilla eri jousia ja varaosia. Perusjousen paine asetetaan yleensä lähelle alinta käytettävää ahtopainetta. Elektroninen ahtopaineohjaus nostaa painetta tästä ylöspäin, mutta se ei pysty laskemaan painetta luotettavasti alle mekaanisen jousipaineen.
Ahtopaineohjaussolenoidin letkutus on tarkistettava yhtä huolellisesti kuin venttiilin koko. Väärin kytketty MAC-tyyppinen solenoidi, vuotava paineletku tai väärä ohjauslogiikka voi näyttää samalta kuin alimitoitettu wastegate. Ohjainlaitteen logista kannattaa seurata ainakin ahtopainetta, dutyä, imuilman lämpöä, kierroslukua ja mahdollisuuksien mukaan turbiinin edeltävää pakopainetta.
Kun ahtopaine karkaa tavoitteen yli
Jos ahtopaine nousee kierroksilla hallitsemattomasti, aloita mekaanisista perusasioista. Varmista, että wastegate todella avautuu paineella, jousi on oikea, kalvo ehjä ja paineohjaus on kytketty oikein. Tämän jälkeen tarkista, ettei dump tube tai downpipe rajoita ulostuloa.
Seuraavaksi arvioidaan pakosarjan haara. Onko se liian pieni, liian pitkä tai huonossa kulmassa kollektorista? Jos kaikki muu on kunnossa, kapasiteetti ei yksinkertaisesti riitä ja ratkaisu on suurempi wastegate, toinen wastegate tai pakosarjan uudelleenrakennus. Pelkkä ahtopainekarttojen muuttaminen ei tee fyysisesti riittämättömästä ohivirtauksesta riittävää.
TPW Partsilla tällaiset kokonaisuudet kannattaa suunnitella turbon, pakosarjan, ahtopaineohjauksen ja moottorinohjauksen yhtenä järjestelmänä - erityisesti silloin, kun auto rakennetaan penkki-, rata- tai driftikäyttöön. Oikea wastegate ei ole näyttävä yksittäinen osa, vaan komponentti, joka antaa turbolle ja ECU:n säätöstrategialle mahdollisuuden tehdä työnsä ilman ahtopaineen karkaamista.
