Wie der Kompressor schafft, was der Turbo nicht kann?

Ein Kompressor ist ein System der erzwungenen Induktion, das die in den Motor eintretende Luft verdichtet, damit aus demselben Motorvolumen mehr Leistung gewonnen werden kann; der Unterschied zum Turbo besteht darin, dass er seine mechanische Kraft nicht aus den Abgasen, sondern direkt von der Kurbelwelle bezieht. Dank dieser Verbindung liefert er Leistung ohne Verzögerung, sofort und linear; dafür verbraucht er jedoch ständig einen Teil der eigenen Motorleistung und ist beim Kraftstoffverbrauch in der Regel weniger effizient als ein Turbo.

Wie funktioniert ein Kompressor: Die Kraft von der Kurbelwelle

Die grundlegende Grenze der Leistung, die ein Verbrennungsmotor erzeugen kann, bestimmt sich danach, wie viel Sauerstoff in die Zylinder gelangt. Bei einem Saugmotor strömt die Luft durch den Unterdruck des Ansaughubs und den Druck der Atmosphäre ein. Der Kompressor verändert dieses Gleichgewicht: Er pumpt die Luft mit einem Druck (Ladedruck), der über dem Atmosphärendruck liegt, in die Zylinder. Mehr Sauerstoff bedeutet, dass mehr Kraftstoff verbrannt werden kann; das führt bei jedem Zyklus zu einer stärkeren Explosion, also zu höherer PS-Leistung und Drehmoment.

Mechanisch gesehen ist die Kraftquelle der entscheidende Punkt. Der Kompressor ist direkt über Riemen, Kette oder Zahnrad mit der Kurbelwelle verbunden; je schneller der Motor dreht, desto schneller dreht sich auch der Kompressor. Der Turbo hingegen dreht sich mit der kinetischen Energie der Abgase und gewinnt einen Teil dieser Energie zurück. Allein dieser Unterschied bestimmt den gesamten Charakter der beiden Technologien: Der eine reagiert sofort, bezahlt dafür aber mit Kraftstoff, der andere nutzt die ansonsten verpuffende Abgasenergie, lässt aber anfangs warten.

Der Verdichtungsvorgang hat noch einen weiteren Preis: die Wärme. Die komprimierte Luft erwärmt sich, die Dichte der warmen Luft sinkt und der Leistungsgewinn wird begrenzt. Deshalb wird in ernsthaften Kompressorsystemen ein Ladeluftkühler vom Typ Luft-Luft oder Luft-Wasser verwendet; die komprimierte Luft wird abgekühlt und dadurch dichter und sauerstoffreicher. Zudem steigt bei hohen Ladedrücken das Risiko von Klopfen; hochoktaniger Kraftstoff ist klopfresistenter und erlaubt daher aggressivere Abstimmungen.

Unterschied zwischen Turbo und Kompressor: Gasannahme gegen Effizienz

Die Frage, die die beiden Technologien trennt, lautet eigentlich: Woher beziehen Sie die Energie? Der Turbo gewinnt die Abgasenergie, die normalerweise ungenutzt entweichen würde, über die Turbine zurück; daher ist er theoretisch effizienter. Aber die Turbine braucht Zeit, um in Schwung zu kommen. Bei niedrigen Drehzahlen ist der Abgasstrom unzureichend, und bis sich die Turbine füllt, verhält sich der Motor wie ein Saugmotor; diese Wartezeit wird Turboloch genannt.

Beim Kompressor gibt es keine solche Wartezeit. Da der Verdichter mechanisch mit der Kurbelwelle verbunden ist, ist der Ladedruck schon im Leerlauf vorhanden und die Leistungskurve verläuft linear: Je mehr Gas Sie geben, desto mehr Antwort erhalten Sie. Diese Vorhersehbarkeit bietet auf der Rennstrecke einen Kontrolvorteil; in großen Höhen über dem Meeresspiegel erhält sie zudem die Leistung, indem sie die dünne Luft verdichtet.

Der Preis dafür ist nicht transparent, aber messbar: Der Kompressor kann bis zu 20% der Gesamtleistung des Motors für seinen eigenen Betrieb verbrauchen. Das nennt man Schleifleistung. Der Turbolader trägt diese Last nicht; er zahlt den Preis als Antriebsbremse im Abgassystem. Auch bei der Verrohrung gibt es einen Unterschied: Beim Kompressor ist die Rohrleitung einfach, die Luft geht vom Verdichter zum Motor. Beim Turbolader ist eine komplexe Rohrleitung erforderlich, durch die der Abgasstrom die Turbine passieren muss, und da heiße Abgaskomponenten neben der Ansaugleitung liegen, ist das Überhitzungsrisiko hoch.

Die drei Kompressortypen und ihr Charakter

Kompressoren werden je nachdem, wie sie den Ladedruck mit der Motordrehzahl verknüpfen, in zwei Hauptfamilien unterteilt: Verdrängungskompressoren liefern über nahezu den gesamten Drehzahlbereich konstanten Ladedruck; bei dynamischen Kompressoren steigt der Ladedruck proportional zur Drehzahl. Alle drei Haupttypen fallen in eine dieser beiden Familien.

Roots: Der Älteste, der Sofortigste

Der Roots-Typ ist die Übertragung eines 1860 für die Grubenbewetterung patentierten Designs in die Motorwelt. Zwei gegenläufig rotierende Lobes (Flügel) halten die Luft im Spalt zum Gehäuse und drücken sie in den Ansaugtrakt. Der entscheidende Punkt ist: Roots verdichtet die Luft nicht selbst; sie transportiert sie nur. Deshalb wird sie eher als Gebläse denn als Kompressor bezeichnet. Sie liefert über den gesamten Drehzahlbereich Ladedruck und ist mit ihrem klassischen, auf dem Motor montierten Erscheinungsbild ein Symbol der Muscle-Car-Kultur. Bei hohen Ladedrücken liegt der Wirkungsgrad jedoch nur bei etwa 40-50% und es entsteht erhebliche Wärme. Die Gebläse-Klassifizierung von GMC spiegelt diese Tradition bis heute wider: Ein 6-71-Gebläse ist darauf ausgelegt, pro Zylinder eines 426 Kubikzoll (7,0 L) großen Motors ein Volumen von 71 Kubikzoll zu verdrängen.

Doppelschraube (Twin-Screw): Interne Verdichtung

Der als Lysholm bekannte Doppelschrauben-Typ verwendet zwei ineinandergreifende spiralförmige Schrauben und verdichtet die Luft intern in sich verengenden Kanälen. Dieses eine Detail bestimmt den Unterschied zum Roots-Typ: höherer thermischer Wirkungsgrad, weniger Wärme. In einem schmalen Last- und Drehzahlbereich kann er einen Wirkungsgrad erreichen, der an dynamische Kompressoren heranreicht. Das moderne Design wurde 1935 von Alf Lysholm patentiert; das grundlegende Schraubenkompressor-Patent geht auf das Jahr 1878 und auf Heinrich Krigar zurück. Es ist der bevorzugte Typ für Anwendungen, die das unmittelbare Roots-Verhalten beibehalten, aber ihre Wärmeentwicklung senken möchten.

Zentrifugal: Turboartiger Charakter, mechanischer Antrieb

Der Zentrifugalkompressor ähnelt im Design einem Turbolader, funktioniert jedoch nicht mit Abgas, sondern mit mechanischem Antrieb. Das sich mit hoher Drehzahl drehende Impeller beschleunigt die Luft nach außen und wandelt diese Geschwindigkeit in Druck um. Im Gegensatz zu positiv verdrängenden Typen steigt der Ladedruck mit der Motordrehzahl; das Ergebnis ist ein Charakter, der einem Saugmotor ähnelt, aber bei hohen Drehzahlen zusätzliche Leistung liefert. Sein Wirkungsgrad ist der höchste der drei Typen: im Bereich von 70-85 % Erzeugt auch weniger Wärme, und sein kompaktes Gehäuse erleichtert den Einbau in enge Motorräume. Sein Schwachpunkt ist klar: Bei niedrigen Drehzahlen liefert er nicht so viel Leistung wie Roots- oder Twin-Screw-Lader.

Wie stark ist die Auswirkung auf den Kraftstoffverbrauch?

Die Auswirkung des Kompressors auf den Kraftstoffverbrauch ist eine klare Tatsache: In der Regel erhöht er den Verbrauch. Mehr Luft bedeutet mehr Kraftstoff, der verbrannt werden muss; der Motor muss laufen, ohne das Luft-Kraftstoff-Gleichgewicht zu stören. Bei einem Fahrzeug mit eingebautem Kompressor-Kit kann sich der Verbrauch je nach Fahrstil und Abstimmung typischerweise um 15-30 % verschlechtern; bei aggressiver Fahrweise kann sich der Verbrauch verdoppeln.

Auch die Wahl des Typs verändert dieses Bild. Der Roots-Typ belastet den Verbrauch aufgrund seiner erheblichen Geräuschentwicklung am stärksten; Zentrifugal-Designs heben sich dank ihres hohen Wirkungsgrads als das wirtschaftlichste Mitglied der Familie hervor. Aber kein Kompressor kann effizienter sein als ein Turbolader, der die Abgasenergie zurückgewinnt. Genau das ist der Hauptgrund, warum sich die Hersteller im 21. Jahrhundert turbobezogenen Motoren mit kleinem Hubraum zuwandten: Mercedes ersetzte seine als Kompressor bezeichneten kompressorgeladenen Motoren um 2010 durch Turbomotoren. Es gibt auch Ausnahmen: Audis 3.0-TFSI-Motor blieb ab 2009 und Jaguars AJ-V8 Gen III Einheit ab demselben Jahr kompressorgeladen.

In welchen Fahrzeugen und warum wird der Kompressor bevorzugt?

Die Wahl hängt davon ab, wie kritisch das Ansprechverhalten des Gaspedals ist. In Disziplinen wie Drag-Racing und Tractor Pulling, bei denen der Sieg im zehntel Sekundenbereich gewonnen wird, ist der Kompressor weit verbreitet; es gibt keine Ladedruckverzögerung, und die Leistung skaliert sofort mit dem Gaspedal. Die Tradition des amerikanischen Muscle Cars beruht auf derselben Logik: Die Vorherrschaft des Kompressors in den Hochleistungsmodellen von GM, Dodge und Ford lässt sich dadurch erklären, dass sofortiges Drehmoment und Leistung bei niedrigen Drehzahlen kulturell bevorzugt werden. Zu den Gründen, warum Ford den Kompressor für den GT500 wählte, zählen die Traditionstreue, das sofortige Gasansprechen und die Hochdrehzahlperformance.

Möglich ist auch die umgekehrte Wahl. Der Twincharging-Ansatz, der beide Technologien kombiniert, aktiviert bei niedrigen Drehzahlen den Kompressor, bei mittleren Drehzahlen beide und bei hohen Drehzahlen nur den Turbolader. Der Lancia Delta S4 setzte diese Anordnung in der WRC-Saison 1985-86 mit elektromagnetischer Kupplung und Bypass-Ventilen ein. In der Serienproduktion wandten der VW 1.4 TSI (2005-2013) und Volvo B4204T 2.0 als Beispiele diese duale Aufladung an. Komplexität und Zuverlässigkeitsprobleme hielten den Ansatz in einer Nische.

Kompressor oder Turbo: Was ist besser?

Die ehrlichste Antwort auf eine Frage ohne einzige Antwort ist, den Vergleich auf zwei Optionen zu reduzieren: Bei niedriger Drehzahl und spontaner Antwort punktet der Kompressor, bei Spitzenleistung und Effizienz der Turbo. Die Schwachstelle des Kompressors ist die Effizienz, die Schwachstelle des Turbos das Aufladedelay; welches besser ist, hängt vom Nutzungsszenario ab. Suchen Sie im Stadtverkehr spontane Reaktion oder auf langen Strecken Effizienz? Im ersten Fall ist der Kompressor, im zweiten der Turbo die rationale Wahl.

Eine der häufig gestellten Fragen betrifft die Geschwindigkeit: Welches ist schneller? Eine allgemeine Regel wäre irreführend; die Spitzenleistung des Turbos ist meist höher, aber bei den Dimensionen Messwert, Dauer und Distanz sind die Kalibrierung des Fahrzeugs, die Typenwahl und die Abstimmung entscheidend. Der typische Bereich der Leistungssteigerung beim Kompressor liegt bei 30-75 %, bei einem gut konstruierten Kit 50-85 % ; beide müssen so abgestimmt sein, dass sie innerhalb der Belastungsgrenzen des Motors und der Klopftoleranz bleiben.

Fazit: Eine simple Ingenieursentscheidung

Der Kompressor ist keine Alternative gegen, sondern neben dem Turbo überdenkenswert. Die mechanische Verbindung, die direkt von der Kurbelwelle gespeist wird, bietet Leistung ohne Verzögerung und vorhersehbar; der Preis dafür ist, dass ein Teil der eigenen Leistung des Motors ständig verbraucht wird. Die spontane Charakteristik des Roots-Verdichters über den gesamten Drehzahlbereich, das thermische Gleichgewicht des Schraubenkompressors und der hohe Wirkungsgrad des Radialkompressors bei hohen Drehzahlen sind drei verschiedene ingenieurstechnische Wege zum selben Ziel. Die richtige Frage ist nicht, welches absolut besser ist, sondern in welchem Nutzungsszenario welcher Charakter mit höherer Wahrscheinlichkeit funktioniert.

Quellen

• Was ist ein Kompressor
• Kompressor
• Kompressor vs. Turbolader: Was ist besser?
• Worin unterscheiden sich Kompressor- und Turbolader-Motoren?
• Auswirkung eines Kompressor-Kits auf den Kraftstoffverbrauch
• Kompressor vs. Turbolader - JEGS
• Roots- vs. Schrauben- vs. Radialkompressor
• Roots- vs. Radial- vs. Schraubengebläse-Aufladung
• Kompressoren vs. Turbolader
• Wie Kompressoren funktionieren