Verbrennungsmotoren, wie Sie wissen, benötigen Kraftstoff und Luft, um zu funktionieren. Der Kraftstoff wird im Kraftstofftank gespeichert und muss regelmäßig nachgefüllt werden. Luft wird reichlich von der uns umgebenden Atmosphäre bereitgestellt und erreicht uns auf Meereshöhe mit einem Druck von 14,7 lb/pi2.
Das funktioniert sehr gut, aber das ist der gesamte Druck, den Sie erhalten, um Luft in Ihren Motor zu drücken. Sie erhalten noch weniger (begleitet von ebenfalls geringerer Leistung), wenn Sie den Continental Divide auf einem hohen Bergpass in einem der vielen westlichen Bundesstaaten hinauffahren.
Wenn wir diesen Druck nur erhöhen könnten. Wenn wir nur mehr Luft mit mehr Kraftstoff in den Motor unseres Fahrzeugs pressen könnten. Ahhh. . . der Kompressor. Diese bemerkenswerten Geräte können mehr Luft in das Ansaugsystem Ihres Autos komprimieren und mit der richtigen Menge an Kraftstoff die Motorleistung um 50 bis 75 % steigern.
Was ist ein Kompressor? Wie entstand der Kompressor (manchmal auch Gebläse oder Verdichter genannt)? Wie viele Arten von Kompressoren gibt es? Beantworten wir diese Fragen.
Was ist ein Supercharger?
Ein Kompressor ist ein von einem Motor (oder einem Elektromotor) angetriebenes Gerät, das den Luftstrom zum Motor erhöht und somit die Leistung dieses Motors steigert. Seit den frühen Entwicklungsstadien von Verbrennungsmotoren zum Antrieb von Automobilen, Lastwagen und ja, Flugzeugen, sind Kompressoren Teil der Geschichte.
Der Grund dafür ist ziemlich offensichtlich. Aufladung ist eine relativ einfache Möglichkeit, die Leistung fast aller Verbrennungsmotorkonzepte erheblich zu steigern, ob Zweitakt oder Viertakt, Benzin oder Diesel. Welcher praktische Ingenieur oder begeisterte Autobesitzer könnte einer solchen Versuchung widerstehen?
Werfen wir einen Blick auf die Arten von Kompressoren, wie sie entstanden sind und wie sie funktionieren, um den Luftstrom zu einem Motor erheblich zu erhöhen.
Arten von Kompressoren
#1 – Roots-Gebläse
Gehen wir in der Geschichte zurück zu einer Zeit, als die Transportmittel der meisten Menschen große Vierbeiner für die Antriebskraft benötigten. Im Jahr 1860 entwarfen und patentierten die Gebrüder Roots eine mechanische Belüftungsvorrichtung für Hochöfen und mehrere andere Anwendungen. Es war einer der ersten Versuche, einen relativ effizienten Verdränger-Ventilator zu bauen.
Er verwendete zwei ineinandergreifende Dreiflügelräder, die auf einer parallelen Welle montiert waren. Es erwies sich als sehr effektiv für die Bewegung großer Luftmengen.
Der Roots-Ventilator entwickelte sich schnell weiter und tauchte erstmals in einem von Gottlieb Daimler um 1885 patentierten Motordesign auf. Seine Verwendung in Serienautomobilen erfolgte erstmals um 1921 mit deutschen Luxusautos, die von Mercedes hergestellt wurden.
Diese frühen Kompressoren erwiesen sich als fähig, bis zu 30-40% mehr Motorleistung zu liefern, mit wenigen anderen Änderungen an den Motoren dieser Zeit.
Die Daimler-Designs wurden schnell für Straßen- und Rennfahrzeuge populär. Mercedes, Alfa Romeo und Bugatti kommen in den Sinn für Rennerfolge mit dieser Technologie.
Das Design des Roots-Gebläses wurde von General Motors (Detroit Diesel) hauptsächlich für Zweitakt-Diesellastwagenmotoren Ende der 1930er Jahre verbessert. Diese Gebläse wurden später oft auf Automobilrennmotoren angewendet.
Solche Anwendungen sind auch heute noch weit verbreitet. Auf der Beschleunigungsstrecke zum Beispiel sieht man häufig Dragster, die Roots-Kompressoren auf riesigen Motoren verwenden.
#2 – Schraubenkompressor
Dem von den Gebrüdern Roots geebneten Weg folgend, patentierte der deutsche Designer Heinrich Krigar 1878 den Schraubenkompressor. Ähnlich dem Roots-Gebläse verwendete er zwei parallele Wellen, war aber in der Lage, einen viel höheren Druckaufbau durch die schraubenförmige Gestaltung seiner Rotoren zu erzeugen.
Allerdings verzögerte die Komplexität der Herstellung seine breite industrielle und automobile Nutzung für mehrere Jahrzehnte.
Ein schwedischer Ingenieur, Alf Lysholm, brachte Mitte der 1930er Jahre entscheidende Fertigungstechnologien ein, die die Kosten des Schraubendesigns reduzierten. Diese Art von Kompressor fand schnell eine Nische in der Welt der Klimaanlagen und in anderen Industrien, wo hocheffiziente Hochdruckausgänge erforderlich waren.
In der Automobilwelt werden Schraubenkompressoren heute manchmal als Twin-Screw-Kompressoren bezeichnet.
#3 – Zentrifugalkompressor
Die dritte Art von Kompressor ist der Zentrifugalkompressor. In den frühen 1900er Jahren patentierte der französische Designer Louis Renault den ersten Zentrifugalkompressor für den Automobilgebrauch. Innerhalb von etwa drei Jahren übernahm der amerikanische Rennwagenhersteller Lee Chadwick Renaults Design, stapelte drei Stufen (drei Rotoren) und begann eine erfolgreiche Karriere im Fahren von leistungsstarken Bergrennautos.
Die heutigen Zentrifugalkompressoren verwenden nur eine einzige Turbine mit komplexen gebogenen Schaufeln, die in einem spiralförmigen Gehäuse montiert sind. Luft tritt in das Laufrad in der Nähe der Mitte des Gehäuses ein. Das rotierende Schaufelrad schleudert sie zum äußeren Durchgang des Gehäuses und erhöht dabei die Luftgeschwindigkeit.
Die Luft wird dann durch einen Diffusor mit zunehmendem Durchmesser geleitet, der die Strömung verlangsamt und den Druck erhöht. Diese Hochdruckluft wird dann durch das Ansaugsystem zum Motor gezwungen.
Ein großer Vorteil dieser Art von Kompressor ist seine relative Einfachheit. Es hat im Wesentlichen ein bewegliches Teil, das Laufrad. Das Laufrad dreht sich in einem Gehäuse mit relativ großen Spielen, was seine Herstellungskosten recht niedrig macht.
Alle diese Arten von Kompressoren werden direkt vom Motor angetrieben. Die Verwendung eines Zahnradantriebssystems oder eines viel einfacheren Riemenantriebs ermöglicht es, dass die Geschwindigkeit des Kompressors und damit die Aufladung proportional zur Erhöhung der Motordrehzahl ansteigt.
Der Ausgangsdruck zum Motor kann je nach den Leistungsanforderungen des Fahrers durch die Verwendung eines Bypass-Ventils variiert werden, das sich öffnet, wenn Überdruck abgelassen werden muss. Die Luftstromausgänge dieser Kompressoren werden im Einklang mit dem Kraftstoffeinspritzstrom durch das Powertrain Control Module (PCM) des Fahrzeugs moduliert.
Serienautomobile, die von der Aufladetechnologie profitiert haben, umfassen historische Studebakers aus den frühen 50er Jahren, die Paxton-Gebläse verwendeten, Ford Shelby Mustangs und beliebte Dodge-Automobile mit Frontmotor.
Unter Verwendung kompakter Schraubenkompressoren produzieren einige der Dodge-Straßenfahrzeuge leicht über 800 BHP. Ein vorsichtiger rechter Fuß ist bei einem dieser erstaunlichen Autos angebracht.
#4 – Elektrisch angetriebener Kompressor
Eine vierte Art von Kompressor, die aufkommt, ist der elektrisch angetriebene. Jede der drei oben beschriebenen Gebläsekonfigurationen kann von einem hocheffizienten Permanentmagnet-Gleichstrommotor angetrieben werden. Diese Anordnung ermöglicht es, die Ladegeschwindigkeiten kontinuierlich an den Luftbedarf des Motors durch das PCM des Fahrzeugs anzupassen.
Ein Elektromotor zum Drehen der internen Teile des Kompressors ist ein viel einfacheres Antriebssystem als die komplexen Riemen oder Zahnräder, die bei mechanischen Antrieben verwendet werden. Dies könnte potenziell eine Kostenreduktion und eine Verbesserung der Zuverlässigkeit gegenüber älteren mechanisch angetriebenen Kompressoren sein.
Wie die Aufladung der Luftfahrtindustrie zugute kam
Obwohl teuer in Dollar und tragisch in Bezug auf schreckliche Menschenverluste, waren Kriege der Prüfstand für viele technologische Fortschritte. Das gilt auch für die Aufladung.
Der Zweite Weltkrieg sah die wachsende Notwendigkeit von Flugzeugen, die große Höhen erreichen konnten. Flugzeuge mit normal atmenden Kolbenmotoren konnten in der dünnen Luft weit über 20.000 Fuß nicht effektiv arbeiten.
Kompressoren wurden in diesen Kriegsjägern und -bombern üblich und ermöglichten Höhen von bis zu 50.000 Fuß. Mit solchen Höhen wurden auch Geschwindigkeit und Reichweite der Flugzeuge erheblich verbessert.
Die Motoren unter den Kompressoren
Aufladung kann die Verbrennungsdrücke und Leistungsabgaben vieler verschiedener Motortypen erhöhen. Diese Druck- und Leistungssteigerungen werden immer von deutlich höheren Motortemperaturen und internen strukturellen Belastungen begleitet sein.
Designer mussten dies durch verbesserte Motorkühlung und -schmierung, verbesserte Metallurgie für Motorblöcke und interne Teile sowie hochwertigere Kraftstoffe ausgleichen. Diese technologischen Fortschritte wurden an die Autos und Lastwagen weitergegeben, die wir heute fahren.