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Sep 09, 2023

Wie Kompressoren funktionieren

Seit der Erfindung des Verbrennungsmotors suchen Automobilingenieure, Geschwindigkeitsjunkies und Rennwagenkonstrukteure nach Möglichkeiten, seine Leistung zu steigern. Eine Möglichkeit, die Leistung zu erhöhen, besteht darin, ein zu bauen

Seit der Erfindung des Verbrennungsmotors suchen Automobilingenieure, Geschwindigkeitsjunkies und Rennwagenkonstrukteure nach Möglichkeiten, seine Leistung zu steigern. Eine Möglichkeit, die Leistung zu steigern, besteht darin, einen größeren Motor zu bauen. Aber größere Motoren, die mehr wiegen und mehr in Bau und Wartung kosten, sind nicht immer besser.

Eine andere Möglichkeit, die Leistung zu steigern, besteht darin, einen Motor normaler Größe effizienter zu machen. Sie können dies erreichen, indem Sie mehr Luft in die Brennkammer drücken. Mehr Luft bedeutet, dass mehr Kraftstoff hinzugefügt werden kann, und mehr Kraftstoff bedeutet eine größere Explosion und mehr Leistung. Der Einbau eines Kompressors ist eine großartige Möglichkeit, eine Zwangsluftansaugung zu erreichen. In diesem Artikel erklären wir, was Kompressoren sind, wie sie funktionieren und wie sie im Vergleich zu Turboladern aussehen.

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Ein Kompressor ist ein Gerät, das den Lufteinlass auf einen Druck über dem Atmosphärendruck erhöht. Dies tun sowohl Kompressoren als auch Turbolader. Tatsächlich ist der Begriff „Turbolader“ eine verkürzte Version des offiziellen Namens „Turbo-Supercharger“.

Der Unterschied zwischen den beiden Geräten liegt in ihrer Energiequelle. Turbolader werden durch Abgase angetrieben, die eine Turbine antreiben. Kompressoren werden mechanisch über einen Riemen- oder Kettenantrieb angetrieben, der mit der Kurbelwelle des Motors verbunden ist.

Im nächsten Abschnitt schauen wir uns an, wie ein Kompressor seine Aufgabe erfüllt.

Hinweis: In diesem Artikel geht es natürlich um Kompressoren in benzinbetriebenen Motoren. Es geht nicht um Teslas proprietäre Ladestationen für Elektroautos, die tatsächlich Supercharger genannt werden.

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Ein gewöhnlicher Viertaktmotor benötigt einen Takt für die Luftansaugung. Während dieses Prozesses passieren drei Dinge:

Sobald Luft in den Motor gesaugt wird, muss sie mit Kraftstoff kombiniert werden, um die Ladung zu bilden – ein Paket potenzieller Energie, das durch eine chemische Reaktion, die als Verbrennung bezeichnet wird, in nützliche kinetische Energie umgewandelt werden kann. Die Zündkerze leitet diese chemische Reaktion ein, indem sie die Ladung zündet. Bei der Oxidation des Kraftstoffs wird viel Energie freigesetzt. Die über dem Zylinderkopf konzentrierte Kraft dieser Explosion treibt den Kolben nach unten. Die durch die Bewegung des Kolbens erzeugte Bewegung wird schließlich auf die Räder übertragen.

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Mehr Treibstoff in die Ladung zu bringen, würde zu einer stärkeren Explosion führen. Aber Sie können nicht einfach mehr Kraftstoff in den Motor pumpen, da Sie eine bestimmte Menge Sauerstoff benötigen, um eine bestimmte Kraftstoffmenge zu verbrennen. Im Leerlauf oder bei konstanter Geschwindigkeit beträgt das Gemisch 14,7 Teile Luft auf 1 Teil Kraftstoff. Wenn Sie mehr Leistung benötigen, beispielsweise zum Beschleunigen auf der Autobahn, liegt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eher bei 12:1. Wenn Sie jedoch Rekorde in der Viertelmeile aufstellen möchten, müssen Sie mehr Luft hinzufügen, damit Sie mehr Kraftstoff nachfüllen können.

Das ist die Aufgabe des Kompressors. Kompressoren erhöhen die Aufnahme, indem sie Luft über den atmosphärischen Druck hinaus verdichten, ohne ein Vakuum zu erzeugen. Dadurch wird mehr Luft in den Motor gedrückt, was für einen Boost sorgt. Durch die zusätzliche Luft kann der Ladung mehr Kraftstoff zugeführt werden und die Leistung des Motors erhöht sich. Durch die Aufladung werden durchschnittlich 46 Prozent mehr PS und 31 Prozent mehr Drehmoment erzielt. In Höhenlagen, in denen die Motorleistung abnimmt, weil die Luft eine geringe Dichte und einen geringen Druck hat, liefert ein Kompressor Luft mit höherem Druck an den Motor, damit dieser optimal arbeiten kann.

Im Gegensatz zu Turboladern, die die bei der Verbrennung entstehenden Abgase nutzen, um den Kompressor anzutreiben, beziehen Kompressoren ihre Energie direkt von der Kurbelwelle. Die meisten werden von einem Hilfsriemen angetrieben, der sich um eine Riemenscheibe wickelt, die mit einem Antriebszahnrad verbunden ist. Das Antriebszahnrad wiederum dreht das Kompressorzahnrad. Der Rotor des Kompressors kann in verschiedenen Ausführungen vorliegen, seine Aufgabe besteht jedoch darin, Luft anzusaugen, in einen kleineren Raum zu pressen und in den Ansaugkrümmer auszustoßen.

Um die Luft unter Druck zu setzen, muss sich ein Kompressor schnell drehen – schneller als der Motor selbst. Wenn das Antriebszahnrad größer als das Kompressorzahnrad ist, dreht sich der Kompressor schneller. Kompressoren können Geschwindigkeiten von bis zu 50.000 bis 65.000 Umdrehungen pro Minute (U/min) erreichen.

Ein Kompressor, der sich mit 50.000 U/min dreht, führt zu einer Steigerung von etwa 6 bis 9 Pfund pro Quadratzoll (psi). Das sind 6 bis 9 zusätzliche psi gegenüber dem Atmosphärendruck in einer bestimmten Höhe. Der Atmosphärendruck auf Meereshöhe beträgt 14,7 psi, sodass ein typischer Ladedruck durch einen Kompressor etwa 50 Prozent mehr Luft in den Motor befördert.

Wenn die Luft komprimiert wird, wird sie heißer. Heißere Luft hat eine geringere Dichte und kann sich bei der Explosion nicht so stark ausdehnen wie kühlere Luft. Das bedeutet, dass es bei der Zündung durch die Zündkerze nicht so viel Strom erzeugen kann. Damit ein Kompressor mit maximaler Effizienz arbeitet, muss die aus der Auslasseinheit austretende Druckluft gekühlt werden, bevor sie in den Ansaugkrümmer eintritt. Für diesen Kühlvorgang ist der Ladeluftkühler verantwortlich. Ladeluftkühler gibt es in zwei grundlegenden Ausführungen: Luft-Luft-Ladeluftkühler und Luft-Wasser-Ladeluftkühler. Beide funktionieren wie ein Heizkörper, wobei kühlere Luft oder Wasser durch ein Rohrsystem geleitet wird. Wenn die aus dem Kompressor austretende heiße Luft auf die Kühlerrohre trifft, kühlt sie sich ebenfalls ab. Durch die Senkung der Lufttemperatur erhöht sich die Dichte der Luft, wodurch eine dichtere Ladung in die Brennkammer gelangt.

Als nächstes schauen wir uns die verschiedenen Arten von Kompressoren an.

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Es gibt drei Arten von Kompressoren: Roots-, Doppelschnecken- und Zentrifugallader. Der Hauptunterschied besteht darin, wie sie Luft zum Ansaugkrümmer des Motors transportieren. Der Roots-Kompressor ist derjenige, den man manchmal oben auf der Motorhaube eines Drag-Cars sitzen sieht. Es verwendet zwei Rotoren, die ineinandergreifen und die einströmende Luft verdichten, bevor sie zum Motor geleitet wird. Der Doppelschneckenkompressor verfügt, wie Sie vielleicht schon vermutet haben, über zwei Rotoren, die wie zwei Schrauben zusammengewickelt sind, statt über Zahnräder. Die Schrauben komprimieren Luft, wenn sie sich drehen. Ein Radialkompressor sieht aus wie ein Schneckenhaus mit einem Laufrad, das die Luft komprimiert. Obwohl alle diese Konstruktionen einen Schub liefern, unterscheiden sie sich erheblich in ihrer Effizienz. Jeder Kompressortyp ist in unterschiedlichen Größen erhältlich, je nachdem, ob Sie Ihrem Auto einfach nur Auftrieb geben oder an einem Rennen teilnehmen möchten.

Der Roots-Kompressor ist das älteste Design. Philander und Francis Roots patentierten das Design 1860 als Maschine, die bei der Belüftung von Minenschächten helfen sollte. Im Jahr 1900 baute Gottleib Daimler einen Roots-Kompressor in einen Automotor ein.

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Während sich die ineinandergreifenden Rotoren drehen, wird Luft, die in den Taschen zwischen den Flügeln der Rotoren eingeschlossen ist, zwischen der Füllseite und der Auslassseite transportiert. Große Luftmengen gelangen in den Ansaugkrümmer und „stauen“ sich, um einen Überdruck zu erzeugen. Aus diesem Grund sind Roots-Kompressoren eigentlich nichts anderes als Luftgebläse, und der Begriff „Gebläse“ wird immer noch häufig zur Beschreibung aller Kompressoren verwendet.

Roots-Kompressoren sind normalerweise groß und sitzen oben auf dem Motor. Sie sind in Muscle-Cars und Hot Rods beliebt, weil sie aus der Motorhaube des Autos herausragen. Allerdings sind sie aus zwei Gründen die am wenigsten effizienten Kompressoren: Sie erhöhen das Gewicht des Fahrzeugs und bewegen die Luft in einzelnen Stößen statt in einem gleichmäßigen und kontinuierlichen Strom.

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Ein Doppelschneckenkompressor saugt Luft durch ein Paar ineinandergreifender Rotoren, die sich nebeneinander drehen. Wie beim Roots-Kompressor wird die Luft im Inneren eines Doppelschneckenkompressors in Taschen eingeschlossen, die durch die Rotorflügel gebildet werden. Doch ein Doppelschneckenkompressor verdichtet die Luft im Rotorgehäuse. Das liegt daran, dass die Rotoren eine konische Verjüngung haben, was bedeutet, dass die Lufteinschlüsse kleiner werden, wenn sich die Luft von der Füllseite zur Auslassseite bewegt. Wenn die Lufteinschlüsse schrumpfen, wird die Luft in einen kleineren Raum gedrückt.

Dadurch werden Doppelschneckenlader zwar effizienter, kosten aber auch mehr, da die Schraubenrotoren eine höhere Präzision im Herstellungsprozess erfordern. Einige Arten von Doppelschneckenkompressoren sitzen über dem Motor, wie der Roots-Kompressor. Sie machen auch viel Lärm. Die aus dem Auslass austretende Druckluft erzeugt ein Heulen oder Pfeifen, das durch Geräuschunterdrückungstechniken gedämpft werden muss.

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Ein Zentrifugalkompressor treibt ein Laufrad – eine einem Rotor ähnliche Vorrichtung – mit sehr hoher Geschwindigkeit an, um schnell Luft in ein kleines Kompressorgehäuse zu saugen. Die Laufradgeschwindigkeiten können 50.000 bis 60.000 U/min erreichen. Wenn die Luft an der Nabe des Laufrads angesaugt wird, bewirkt die Zentrifugalkraft, dass die Luft nach außen strahlt. Das bedeutet, dass die Luft das Laufrad mit hoher Geschwindigkeit, aber niedrigem Druck verlässt. Ein Diffusor – ein Satz feststehender Flügel, die das Laufrad umgeben – wandelt die Luft mit hoher Geschwindigkeit und niedrigem Druck in Luft mit niedriger Geschwindigkeit und hohem Druck um. Luftmoleküle werden beim Auftreffen auf die Flügel langsamer, wodurch die Geschwindigkeit des Luftstroms verringert und der Druck erhöht wird.

Zentrifugallader sind die effizientesten und gebräuchlichsten aller Aufladungssysteme. Sie sind klein, leicht und werden an der Vorderseite des Motors statt an der Oberseite befestigt. Außerdem geben sie beim Hochdrehen des Motors ein charakteristisches Heulen von sich – eine Eigenschaft, die auf der Straße für Aufsehen sorgen kann. Zu den Modellen des Jahres 2021 mit OEM-Kompressoren gehören der Jaguar XF, der Dodge Charger, der Volvo S90 und der Ford Mustang.

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Jeder dieser Kompressoren kann als After-Market-Erweiterung zu einem Fahrzeug hinzugefügt werden. Mehrere Unternehmen bieten Bausätze an, die alle notwendigen Teile enthalten, um einen Kompressor als Do-it-yourself-Projekt zu installieren. In der Welt der lustigen Autos und Benzinrennfahrer ist eine solche Individualisierung ein wesentlicher Bestandteil des Sports. Mehrere Automobilhersteller bauen in ihren Serienmodellen auch Kompressoren ein.

Als nächstes erfahren wir mehr über die Vorteile der Aufladung Ihres Autos.

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Der größte Vorteil eines Kompressors ist die höhere Leistung. Wenn Sie einen Kompressor an ein ansonsten normales Auto oder einen LKW anbauen, verhält es sich wie ein Fahrzeug mit einem größeren, leistungsstärkeren Motor.

Was aber, wenn jemand versucht, sich zwischen einem Kompressor und einem Turbolader zu entscheiden? Diese Frage wird von Autoingenieuren und Autoenthusiasten heftig diskutiert, aber im Allgemeinen bieten Kompressoren einige Vorteile gegenüber Turboladern.

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Kompressoren unterliegen keiner Verzögerung – ein Begriff, der beschreibt, wie viel Zeit zwischen dem Betätigen des Gaspedals durch den Fahrer und der Reaktion des Motors vergeht. Bei Turboladern kommt es zu Verzögerungen, da es einige Augenblicke dauert, bis die Abgase eine ausreichende Geschwindigkeit erreichen, um die Turbine anzutreiben. Kompressoren haben keine Verzögerungszeit, da sie direkt von der Kurbelwelle angetrieben werden. Bestimmte Kompressoren sind bei niedrigeren Drehzahlen effizienter, während andere bei höheren Drehzahlen effizienter sind. Roots- und Doppelschneckenlader beispielsweise liefern mehr Leistung bei niedrigeren Drehzahlen. Zentrifugalkompressoren, die effizienter werden, wenn sich das Laufrad schneller dreht, liefern mehr Leistung bei höheren Drehzahlen.

Der Einbau eines Turboladers erfordert umfangreiche Modifikationen an der Abgasanlage, Kompressoren können jedoch oben oder an der Seite des Motors angeschraubt werden. Dadurch sind sie kostengünstiger zu installieren und einfacher zu warten und zu warten.

Jahrzehntelang mussten Autos mit Turbolader etwa 30 Sekunden lang im Leerlauf laufen, bevor sie abgeschaltet wurden, damit sie richtig abkühlen konnten. Aber moderne Turbomotoren verfügen über automatisierte Systeme, die das für Sie erledigen, sodass Sie einen Turbomotor wie einen normalen Motor – oder einen aufgeladenen Motor – behandeln können. Dennoch ist ein gutes Aufwärmen für Kompressoren wichtig, da sie bei normalen Betriebstemperaturen am effizientesten arbeiten.

Kompressoren sind übliche Ergänzungen zu Verbrennungsmotoren von Flugzeugen. Dies macht Sinn, wenn man bedenkt, dass Flugzeuge die meiste Zeit in großen Höhen verbringen, wo deutlich weniger Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung steht. Mit der Einführung von Kompressoren konnten Flugzeuge höher fliegen, ohne an Triebwerksleistung einzubüßen.

Kompressoren für Flugzeugmotoren funktionieren genauso wie die in Autos. Sie beziehen ihre Kraft direkt aus dem Motor und blasen über einen Kompressor Druckluft in den Brennraum. Die obige Abbildung zeigt den Grundaufbau für ein Flugzeug mit Kompressoraufladung.

Als nächstes lernen wir einige Nachteile von Kompressoren kennen.

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Der größte Nachteil von Kompressoren ist auch ihr charakteristisches Merkmal: Da sie von der Kurbelwelle angetrieben werden, müssen sie dem Motor einen Teil der PS entziehen. Ein Kompressor kann bis zu 20 Prozent der Gesamtleistung eines Motors verbrauchen. Da ein Kompressor aber bis zu 46 Prozent mehr PS erzeugen kann, denken die meisten, dass sich der Kompromiss lohnt.

Das Aufladen stellt eine zusätzliche Belastung für den Motor dar, der stark sein muss, um den zusätzlichen Schub und die größeren Explosionen zu bewältigen. Die meisten Hersteller tragen diesem Umstand Rechnung, indem sie bei der Konstruktion eines Motors, der für den aufgeladenen Einsatz vorgesehen ist, Hochleistungskomponenten spezifizieren. Dadurch wird das Fahrzeug teurer. Auch die Wartung von Kompressoren ist teurer und die meisten Hersteller empfehlen hochwertiges Benzin mit hoher Oktanzahl.

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Trotz ihrer Nachteile sind Kompressoren immer noch die kostengünstigste Möglichkeit, die Leistung zu steigern. Kompressoren können zu einer Leistungssteigerung von 50 bis 100 Prozent führen und eignen sich daher hervorragend für Rennen, das Ziehen schwerer Lasten oder einfach nur für die Steigerung der Spannung beim typischen Fahrerlebnis.

Um mehr über Kompressoren und verwandte Themen zu erfahren, schauen Sie sich die Links auf der nächsten Seite an.

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