av Jim Middlebrook
Frågan dyker alltid upp: varför väljer biltillverkarna (OEs) nästan alltid en rotskompressor? Svaret är i ett ord: priset. Visst kan det finnas andra influenser, t.ex. leverantörens krav på tier-one-status eller de extrema marknadsföringsinsatser som ingen centrifugaltillverkare kan mäta sig med, på grund av stordriftsfördelar. Men det billiga priset för OEM:erna är tillräckligt övertygande för att kompensera för alla de brister som är förknippade med rotskompressorer. Observera att Roots-typen kan kallas kompressor, men inte kompressor, eftersom den inte är det; det är en luftrörelse.
En missuppfattning gäller luftflödesvägen för dessa Roots-kompressorer: Luften strömmar inte genom eller mellan rotorerna utan snarare runtomkring, på höljet sidorna inom hålrummen i rotorerna. Roots-kompressorerna fångar upp luft i en kammare mellan rotorn och höljet, i tomrummet mellan rotorns lober, och transporterar denna luft till utloppssidan, till motorns insugningsrör. Genom att flytta in luft i grenröret i högre takt än vad motorn förbrukar den byggs ett tryck upp. Varje gång kammaren med instängd luft öppnas mot insugningsröret strömmar den tidigare trycksatta luften från insugningsröret tillbaka in i kammaren tills trycket normaliserats, varefter kammaren stängs och släpps ut när rotorerna griper in i varandra. Denna ”omkastning”, plus det interna läckaget mellan varje rotor och höljet, i kombination med den snåriga flödesväg som luften måste följa, är anledningen till att rotskompressorn är den minst effektiva av de tillgängliga typerna. Dessutom resulterar denna pulsade leverans i ett högt och obehagligt skrik vid högre hastigheter. Även om den ovannämnda processen kan ge rimliga prestanda vid låga tryck, till exempel 5 till 6 psig, visar drift vid en atmosfär (14,7 psig) och högre tydligt på anordningens begränsningar. När en Roots-kompressor drivs vid högre tryck är det troligt att hälften av den tillförda effekten förbrukas för att skapa värme i stället för tryck. Detta skulle grovt sett innebära en mycket låg adiabatisk verkningsgrad på 50 % eller lägre. Det är möjligt att en centrifugalmotor fungerar så ineffektivt också, men det skulle bero på en exceptionellt dåligt konstruerad och dimensionerad installation och definitivt inte vara typiskt.
När vi använder begreppet kompressoreffektivitet menar vi adiabatisk effektivitet som ett uttryck för hur väl komprimeringsprocessen fungerar. Hela denna laddningsprocess handlar om att öka luftens densitet (trycksättning eller komprimering av luft) och en ineffektiv kompressor kommer att ge mer värme till luften under denna process, och därmed minska densiteten, än en effektiv kompressor. Vidare är den värmen inte gratis, den köptes genom ett parasitärt effektuttag på motorn.
En del tillverkare kommer att försöka vilseleda eller förvirra köparna genom att använda termen volymetrisk effektivitet i stället för adiabatisk, så att de kan visa upp en mycket gynnsam siffra, vanligen i nittioprocentsområdet. Termen volumetrisk verkningsgrad avser endast hur väl kamrarna fylls och har lite att göra med hur väl kompressorn fungerar; denna term gäller endast för förträngningsanordningar och inte för centrifugalmotorer. Andra, även stora OEM-leverantörer, kommer ibland att erbjuda försäljningsmaterial eller kompressorkartor som visar osannolika prestanda och/eller kompressoreffektivitet (de har definitivt ett sugrör i Kool-Aid).
Vissa är ivriga att påpeka att kompressorer av roots-typ kommer att ge boost vid mycket låga motorvarvtal1. Detta är sant; de ger mer laddning än en centrifugalmotor vid lågt varvtal och mindre vid högt varvtal, men denna egenskap är mycket mindre användbar än vad man först skulle kunna tro. För det första kan man inte använda sig av för mycket laddning vid dessa låga varvtal. På de flesta motorer måste tändningstidpunkten fördröjas avsevärt för att undvika destruktiv detonation så att det är mycket troligt att ingen nettoökning av effekten uppnås, särskilt med tanke på de parasitära drivningsförlusterna. För det andra har de nyare högpresterande motorerna med variabla ventiltider och inloppslöpare mer än tillräckligt med kraft vid låga varvtal för att överträffa den tillgängliga dragkraften i däcken. För det tredje är det inte vid låga varvtal som kraften skapas. För det fjärde, när förespråkare av rötter pekar på ”arean under kurvan” hänvisar de vanligen till en enorm felaktig framställning av hur kurvan bör se ut. De högre laddningsnivåer som är vanliga i dag visas inte och ingen kan förklara den matematiska betydelsen av detta fantomområde! Vidare ignorerar de värmesläckaget och den inneboende ”nosing over”-prestanda som roots-typen har vid högre motorvarvtal, just när ett högpresterande fordon ska dra det hårdaste.
För liknande effekt kommer en rotsladdare att väga flera gånger tyngre än en centrifugalladdare, och den kommer i allmänhet att kräva ett större och tyngre kylsystem för laddningen. Dessutom är den nödvändigtvis placerad på sämsta möjliga plats: långt upp och framåt, precis ovanpå all annan vikt. En kompetent kretsförare kan känna av denna ovälkomna vikt.
Om man lägger till en kompressor av Roots-typ till en motor som har ett inställt insugningssystem med löparspridare eller variabla löparspridare måste man vanligen ta bort det inställda systemet och förlora dessa kostnadsfria fördelar. En centrifugal kräver inte detta avlägsnande och all motoriserad inställning kan fortfarande uppskattas.
Den roterande massan hos en typisk rotskompressor för en V8-motor är stor, med mycket hög tröghet jämfört med de flesta centrifugalkompressorer. Den kraft som krävs för att accelerera denna tröghet, för att snabba upp den eller sakta ner den kan vara enorm, och detta är oberoende av om den faktiskt utför något användbart arbete.
Så, med en rotskompressor får man:
En bullrig, tung, hög tröghet, dåligt placerad, luftrörlig anordning som ger för mycket boost när man inte kan använda den och för lite när man kan, som är lika bra som värmare som kompressor, och som uppvisar ännu sämre prestanda efter en fullständig uppvärmning. Och när profilerna visar det stora antalet hästkrafter på You tube kan du satsa på två saker, det var en första ”dragning” med en kyld motor och de kommer inte att visa en andra ”dragning” eftersom den kommer att vara mycket lägre, och en tredje dragning, ännu sämre.
Centrifugalkompressorer är i en annan liga. De kan lätt åstadkomma mer tryck och flöde än en rötkompressor och är mycket effektivare, särskilt vid högre tryckförhållanden.
Från Car and Drivers februarinummer 2012 ”My Not-So-Little Pony” citerades Ford SVT:s chefsingenjör Jamal Hameedi: ”Vi hade redan ett större vridmoment i första växeln än vad vi behövde, så det här gör det lättare att starta bilen”. Detta med hänvisning till att höja slutväxelförhållandet på Mustang GT500.
Siffrorna
Testpunkt:
Flöde: 71,2 M/min (960 CFM)
Tryck: 21,72 PR (10,6 psig)
Ambient:
Temp. 70°F
Tryck: 29.83 In. Hg. (14.65 psia)
|
Ovanstående information hämtades från en större tillverkares tryckta kompressorkartor och Vortechs kompressorkartor för en V-3 Si-kompressor. Ovanstående testpunkt användes för att överensstämma med en GM LS7-installation som används i artikeln. En normal centrifugalkompressorinstallation skulle utnyttja V-3 Si-kompressorns överlägsna toppverkningsgrad på 78 %.
Men vänta, det finns mer!
I artikeln Road & Track (”Corvette Fever”, april 2012) jämfördes en Corvette Z06 med naturlig insugning med en ZR1 med roots-kompressor. Förutom motorn var bilarna praktiskt taget identiska, (däck, hjul, bromsar, tillval och så vidare). ZR1, på grund av kompressorn, vägde visserligen 95 pund mer än Z06, men den hade också en större frontsplitter. Bilarna kördes på samma bana av samma förare på samma dag. ZR1 ska ha 133 hästkrafter mer än Z06 (638 mot 505), men jag tror att detta ”betyg” måste vara innan det blir varmare. I artikeln: ”…Tommy Milner var ungefär 1 sek. snabbare runt Spring Mountain i Z06 än i ZR1.” Det säger i stort sett allt. Vänta lite, analysen av körningen i artikeln visar att Z06 var snabbare på den rakaste delen av banan, och det säger verkligen allt. Roots-kompressorn gjorde faktiskt bilen långsammare än den med naturlig insugning på grund av värmebrist. En centrifugalkompressor lider inte av någon av dessa brister.
Så, när du väljer ett kompressorsystem: Vill du ha kraft eller vill du ha en dekoration?