Von Jim Middlebrook
Die Frage stellt sich immer wieder: Warum entscheiden sich die Autohersteller (OEs) fast immer für einen Roots-Kompressor? Die Antwort lautet in einem Wort: der Preis. Sicherlich gibt es noch andere Gründe, wie z.B. die Forderung des Zulieferers nach dem Tier-One-Status oder die extremen Marketinganstrengungen, mit denen kein Zentrifugalhersteller mithalten kann, weil er Größenvorteile hat. Aber der günstige Preis für die Erstausrüster ist überzeugend genug, um alle mit dem Roots-Kompressor verbundenen Mängel auszugleichen. Bitte beachten Sie, dass der Roots-Lader als Kompressor bezeichnet werden kann, aber nicht als Kompressor, denn er ist kein Kompressor, sondern ein Lufttransporteur.
Ein Missverständnis betrifft den Luftstrom bei diesen Roots-Ladern: Die Luft strömt nicht durch die Rotoren oder zwischen ihnen hindurch, sondern um sie herum, an den Gehäuseseiten in den Hohlräumen der Rotoren. Der Roots-Lader schließt die Luft in einer Kammer zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein, im Hohlraum zwischen den Rotorflügeln, und transportiert diese eingeschlossene Luft zur Auslassseite, zum Ansaugkrümmer des Motors. Dadurch, dass mehr Luft in den Krümmer strömt, als der Motor verbraucht, wird Druck aufgebaut. Jedes Mal, wenn sich die Kammer mit der eingeschlossenen Luft zum Ansaugkrümmer hin öffnet, strömt die zuvor unter Druck stehende Luft aus dem Ansaugkrümmer in die Kammer zurück, bis sich der Druck wieder normalisiert hat; dann wird die Kammer geschlossen und entlüftet, wenn die Rotoren ineinander greifen. Diese „Umkehrung“ sowie die internen Leckagen zwischen den einzelnen Rotoren und dem Gehäuse in Verbindung mit dem gewundenen Strömungsweg, dem die Luft folgen muss, sind der Grund dafür, dass der Roots-Lader der am wenigsten effiziente Ladertyp ist. Außerdem führt diese pulsierende Förderung zu einem lauten und unangenehmen Kreischen bei höheren Geschwindigkeiten. Während das oben beschriebene Verfahren bei niedrigen Drücken, z. B. 5 bis 6 psig, eine vernünftige Leistung bieten kann, zeigt der Betrieb bei einer Atmosphäre (14,7 psig) und darüber deutlich die Grenzen des Geräts auf. Beim Betrieb eines Roots-Kompressors bei höheren Drücken wird wahrscheinlich die Hälfte der aufgenommenen Leistung zur Erzeugung von Wärme und nicht von Druck verbraucht. Dies würde grob auf einen sehr niedrigen adiabatischen Wirkungsgrad von 50 % oder weniger hindeuten. Es ist möglich, dass auch ein Zentrifugalkompressor so ineffizient arbeitet, aber das wäre auf eine außergewöhnlich schlecht konzipierte und dimensionierte Anlage zurückzuführen und sicherlich nicht typisch.
Wenn wir den Begriff Aufladewirkungsgrad verwenden, meinen wir den adiabatischen Wirkungsgrad als Ausdruck dafür, wie gut der Aufladeprozess funktioniert. Bei diesem Aufladeprozess geht es darum, die Luftdichte zu erhöhen (Luft unter Druck zu setzen oder zu komprimieren), und ein ineffizienter Lader gibt während dieses Prozesses mehr Wärme an die Luft ab und verringert somit die Dichte als ein effizienter. Außerdem ist diese Wärme nicht umsonst, sondern wurde durch einen parasitären Stromverbrauch des Motors erkauft.
Einige Hersteller versuchen, die Käufer in die Irre zu führen oder zu verwirren, indem sie den Begriff des volumetrischen Wirkungsgrads anstelle des adiabatischen Wirkungsgrads verwenden, damit sie eine sehr günstige Zahl angeben können, die gewöhnlich im Bereich von neunzig Prozent liegt. Der Begriff volumetrischer Wirkungsgrad bezieht sich nur darauf, wie gut die Kammern gefüllt werden, und hat wenig damit zu tun, wie gut der Lader arbeitet; dieser Begriff gilt nur für Verdrängergeräte und nicht für Zentrifugen. Andere, sogar große OEM-Lieferanten, bieten manchmal Verkaufsunterlagen oder Kompressorkennfelder an, die unwahrscheinliche Leistungen und/oder Kompressorwirkungsgrade zeigen (sie haben definitiv einen Strohhalm in der Kool-Aid).
Manch einer weist gerne darauf hin, dass der Roots-Kompressor bei sehr niedrigen Motordrehzahlen1 Ladedruck erzeugt. Das stimmt; sie erzeugen bei niedrigen Drehzahlen mehr Ladedruck als ein Zentrifugalgebläse und bei hohen Drehzahlen weniger, aber diese Eigenschaft ist viel weniger hilfreich, als es zunächst den Anschein hat. Erstens kann der übermäßige Ladedruck bei diesen niedrigen Drehzahlen nicht genutzt werden. Bei den meisten Motoren muss der Zündzeitpunkt erheblich verzögert werden, um zerstörerische Detonationen zu vermeiden, so dass es sehr wahrscheinlich ist, dass keine Nettoleistungssteigerung erzielt wird, insbesondere wenn man die parasitären Antriebsverluste berücksichtigt. Zweitens haben die neueren Hochleistungsmotoren mit variablen Ventilsteuerzeiten und Einlasskanälen mehr als genug Leistung bei niedrigen Drehzahlen, um die verfügbare Reifentraktion zu übertreffen. Drittens ist die niedrige Motordrehzahl nicht der Ort, an dem die Leistung erzeugt wird. Viertens: Wenn Roots-Befürworter auf die „Fläche unter der Kurve“ hinweisen, beziehen sie sich in der Regel auf eine völlig falsche Darstellung dessen, wie die Kurve aussehen sollte. Die heute üblichen höheren Ladedruckstufen werden nicht angezeigt, und niemand kann die mathematische Bedeutung dieses Phantombereichs erklären! Außerdem ignorieren sie die Hitzeentwicklung und die inhärente „Nosing-Over“-Leistung des Roots-Typs bei höheren Motordrehzahlen, genau dann, wenn ein Hochleistungsfahrzeug am stärksten ziehen sollte.
Bei ähnlicher Leistung ist ein Roots-Lader einem Zentrifugallader um ein Vielfaches überlegen und erfordert im Allgemeinen ein größeres, schwereres Ladeluftkühlsystem. Außerdem ist er zwangsläufig an der denkbar ungünstigsten Stelle platziert: weit oben und vorne, ganz oben auf all dem anderen Gewicht. Ein kompetenter Rennfahrer kann dieses unwillkommene Gewicht spüren.
Wenn man einen Roots-Lader zu einem Motor hinzufügt, der über ein Ansaugsystem mit abgestimmten Kanälen oder variablen Kanälen verfügt, muss man in der Regel das abgestimmte System entfernen, was zu einem Verlust dieser kostenlosen Vorteile führt. Bei einem Zentrifugalkompressor ist dieser Ausbau nicht erforderlich, und die eingebaute Abstimmung kann weiterhin genutzt werden.
Die rotierende Masse eines typischen Roots-Laders für einen V8-Motor ist groß und hat im Vergleich zu den meisten Zentrifugalkompressoren eine sehr hohe Trägheit. Die Leistung, die benötigt wird, um diese Trägheit zu beschleunigen, zu beschleunigen oder zu verlangsamen, kann enorm sein, und das ist unabhängig von der tatsächlich geleisteten Arbeit.
Mit einem Roots-Kompressor erhält man also:
Ein lautes, schweres, träges, schlecht platziertes, luftbewegendes Gerät, das zu viel Ladedruck erzeugt, wenn man es nicht gebrauchen kann, und nicht genug, wenn man es gebrauchen kann, das ein ebenso guter Heizer wie ein Kompressor ist, der nach einer vollen Aufwärmphase sogar noch weniger Leistung zeigt. Und wenn die Profiler diese große PS-Zahl auf You tube zeigen, können Sie auf zwei Dinge wetten, es war ein erster „Durchzug“ mit einem gekühlten Motor und sie werden keinen zweiten „Durchzug“ zeigen, weil er viel niedriger sein wird, und ein dritter Durchzug, sogar noch mehr.
Zentrifugalkompressoren sind in einer anderen Liga. Sie können leicht mehr Druck und Durchfluss erzeugen als ein Roots-Typ und sind viel effizienter, vor allem bei höheren Druckverhältnissen.
1Für die Februar2012-Ausgabe von Car and Driver „My Not-So-Little Pony“ wurde Ford SVT-Chefingenieur Jamal Hameedi zitiert: „Wir hatten bereits mehr Drehmoment im ersten Gang, als wir brauchten, so dass es einfacher ist, das Auto zu starten.“ Dies bezieht sich auf die Erhöhung der Achsübersetzung beim Mustang GT500.
Die Zahlen
Testpunkt:
Durchfluss: 71,2 M/min (960 CFM)
Druck: 21,72 PR (10,6 psig)
Umgebung:
Temp. 70°F
Druck: 29.83 In. Hg. (14.65 psia)
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Die obigen Informationen stammen aus dem gedruckten Kompressorkennfeld eines großen Roots-Herstellers und aus dem Kompressorkennfeld von Vortech für einen V-3 Si-Kompressor. Der oben genannte Testpunkt wurde verwendet, um mit einer GM LS7-Installation übereinzustimmen, wie sie in diesem Artikel verwendet wird. Eine normale Zentrifugalkompressor-Installation würde den überlegenen Spitzenwirkungsgrad des V-3 Si-Kompressors von 78% nutzen.
Aber warten Sie, da ist noch mehr!
In dem Road & Track-Artikel („Corvette Fever“, April 2012) wurde eine Corvette Z06 mit Saugmotor mit einer Roots-aufgeladenen ZR1 verglichen. Abgesehen vom Motor waren die Autos praktisch identisch (Reifen, Räder, Bremsen, Optionen und so weiter). Die ZR1 wog wegen des Kompressors 95 Pfund mehr als die Z06, aber sie hatte auch einen größeren Frontsplitter. Die Autos wurden auf der gleichen Strecke, vom gleichen Fahrer, am gleichen Tag gefahren. Die ZR1 soll 133 PS mehr haben als die Z06 (638 vs. 505), aber ich denke, diese „Bewertung“ muss vor der Erwärmung erfolgen. Aus dem Artikel: „…Tommy Milner war mit der Z06 etwa 1 Sekunde schneller um den Spring Mountain als mit der ZR1.“ Nun, das sagt eigentlich schon alles. Oh, warten Sie, die Überrundungsanalyse im Artikel zeigt, dass die Z06 auf dem geradesten Teil der Strecke schneller war, und das sagt eigentlich alles. Der Roots-Kompressor hat das Auto aufgrund der Hitzeentwicklung langsamer gemacht als ein Saugmotor. Ein Zentrifugalkompressor hat keinen dieser Nachteile.
So, wenn Sie ein Kompressorsystem auswählen: Wollen Sie Leistung, oder wollen Sie eine Dekoration?