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Comprex™ Technologie

Prinzip des Comprex™ Laders für einen Verbrennungsmotor

Der Lader besteht aus einem zylinderförmigen Gehäuse (Mantelgehäuse) in welchem sich ein Zellrad dreht und Gehäusen auf jeder Stirnseite des Mantelgehäuses, welche je einen oder mehrere Einlässe und Auslässe für heiße Abgase (Abgasgehäuse) und Frischluft (Frischluftgehäuse) besitzen. Diese drei grundlegenden Gehäuseteile werden zu einer Einheit verschraubt.

Das Zellrad wird von einem Keilriemen oder Zahnriemen mechanisch angetrieben und läuft mit einer höheren Drehzahl als die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors (typischerweise 3:1).

Auch Varianten mit elektrisch angetriebenen Rotor stehen inzwischen zur Verfügung, da die optimale Drehzahl für das Zellrad bei langsam drehender Kurbelwelle eher bei 5:1 liegt ist dies von Vorteil. Somit kann der elektrische Antrieb gegenüber einem fix gekoppelten Riementrieb immer eine optimale Rotordrehzahl garantieren. Auch ist die Flexibilität bezüglich Einbauort wesentlich größer als bei einem Riemenantrieb. Der Lader kann auch schräg oder senkrecht positioniert werden. Die Lagerung des Rotors geschieht mit dauergeschmierten Rollenlagern welche bei den älteren Generationen beide im Luftgehäuse untergebracht sind (Rotor fliegend gelagert).

Die neuste Variante des Comprex™ besitzt ein wassergekühltes Gasgehäuse welches es ermöglicht dort ein Lager einzusetzen was in der Folge erlaubt konstant sehr enge Spiele zwischen Rotor und Gehäuse zu fahren. Der Rotor besteht bei dieser Variante aus zwei Hälften welche die Wärmeausdehnung der Bauteile durch einen kleinen Spalt in der Mitte ermöglicht.

Alle früheren Probleme die für den Wirkungsgrad äußerst wichtigen Spiele klein zu halten ohne dass der Rotor anstreift sind damit zuverlässig gelöst. Insbesondere auch das Kaltstartproblem bei Benzinmotoren mit Comprex™ die wegen der heisseren Abgase größere Wärmedehnungen des Rotors verursachten und daher mit größerem Rotorspiel ausgestattet werden mussten. Auch die Nachentzündung von heissen Abgasen bei zur Abgaskühlung angefettet (Lambda=0.75) laufenden Benzinmotoren im Abgastrakt ist dank der Wasserkühlung Vergangenheit. Da die neue Abgas Gesetzgebung allerdings durchweg einen stöchiometrischen Lambda=1 Betrieb vorsieht hat sich dieser Punkt praktisch erledigt. Aber die aus dem stöchiometrischen Betrieb des Motors resultieren hohen Abgastemperaturen machen der neuen Ladergeneration dank der Wasserkühlung nichts aus und auch die mechanische Haltbarkeit bei Comprex™ Ladern ist hoch, da die Umfangsgeschwindigkeiten des Läufers mit 80–100 m/s weit unter denen eines Turboladers liegen bei welchen heute z. B. 550 m/s keine Seltenheit sind. Zudem haben Messungen gezeigt, dass allein die Anwesenheit eines Comprex™ Laders dazu geführt hat dass die Abgastemperaturen um bis zu 80 °C gesunken sind im Vergleich zu einem baugleichen Turbomotor.

Der Lade-Druckaufbau geschieht mithilfe der Energie der einströmenden Auspuffgase. Die Abgase werden jeweils in eine einzelne oder mehrere Zellen des Zellenrades gelenkt und komprimieren die darin befindliche Frischluft (Prinzip eines Drucktauschers). Durch ein passendes Drehzahl- Timing des Zellenrades wird bewirkt, dass der Auspuff-Druckstoß eine Frischluftpartie in einer jeweils gerade angesteuerten Zelle verdichtet. Dann wird durch Weiterdrehen des Zellenrades der Frischluftdruck in der Zelle gehalten, und kurz darauf wird die so verdichtete Luft dem Ansaugtrakt zugeführt. Um einem weit verbreitetem Irrtum vorzugreifen, dass der Comprex™ seine Druckwellen vom Motor bekommt sei hier bemerkt, dass der Comprex™ sich seine Druckwellen selbst generiert in dem Moment in welchem eine Zelle durch weiterdrehen vom Niederdruckteil mit Frischluft bestückt vor den unter hohem Druck stehenden Abgaskanal kommt. Es ist zwar richtig, dass Druckstösse vom Motor kommen, diese sind aber für den sauberen Betrieb des Laders nicht nötig oder schlimmstenfalls sogar hinderlich. Der Lader kann auch auf einem Turboladerprüfstand mit konstant strömendem Heissgas betrieben werden. Allerdings muss dieser mit einem ROOTS-Gebläse ausgestattet werden welches die Ladeluft der Brennkammer zuführt, um einen Betrieb ähnlich dem Motorbetrieb zu garantieren. Ist dies nicht möglich kann man auch ohne Rootsgebläse messen muss aber die Konsequenzen dieses Betriebes kennen.

Der Antrieb des Zellen-Rads überträgt im Gegensatz zu einem Kompressor oder Roots-Gebläse keine mechanische Energie zum Druckaufbau und muss außer der Lagerreibung keine Kräfte überwinden; es geht beim Antrieb des Comprex™ -Zell-Rades nur um eine Drehzahlsynchronisation um die Gasdynamischen Vorgänge im Lader optimal zu Takten. Die Druckwellen müssen immer im richtigen Moment an einem bestimmten Ort im Lader ankommen damit schlussendlich eine Saugwelle entsteht welche die Abgase aus der Rotorzelle heraus befördert und Frischluft in die betreffende Zelle hineinzieht. Diese steht dann für die nächste Kompression zur Verfügung. Üblicherweise kann ein Rotor im Automotive Bereich aus Platzgründen betreffend der Anschlussleitungen zwei gasdynamischen Zyklen pro Umdrehung bedienen, bei größeren Ladern für z. B. schnelllaufende Dieselmotoren mit 1000 kW und mehr können es auch drei oder vier Zyklen sein. Typische Rotordurchmesser starten bei 70 mm und können über 200 mm erreichen. Als Faustregel gilt, dass Rotor Durchmesser und Länge gleich sind.

Der Comprex™-Lader erhält die Energie zum Druckaufbau der Ladeluft durch das Abgas. Er stellt einen Strömungswiderstand im Abgasstrang dar, ähnlich einem Turbolader und generiert damit eine sogenannte Aufstaufläche aus der ein Druckanstieg zwischen Motor und Lader resultiert. Analog zum Turbolader generiert eine große Aufstaufläche wenig Druck und umgekehrt. Zur Regelung des Ladedruckes hatten die Comprex™-Lader von BBC/ABB ein Waste Gate Ventil durch welches überschüssiger Druck abgeblasen werden konnte, was sich auch analog zum Turbolader verhält. Neuere Lader besitzen sogenannte variable Gastaschen, dies sind Vertiefungen im Abgasgehäuse durch welche das Abgas normalerweise in Richtung Luftgehäuse umgelenkt wird. Bei den neueren Generationen sind diese Taschen auch mit dem Abgasstrang vom Motor her verbunden und können mittels eines Walzenventils mehr oder weniger geöffnet werden. Daraus resultiert analog zu einer Variablen Turbinengeometrie (VTG) beim Turbolader auch eine mehr oder weniger große Aufstaufläche mit welcher der resultierende Ladedruck sehr genau und schnell geregelt werden kann. Mit diesem Typ Lader ist es auch möglich die Leistung von Benzinmotoren über weite Strecken bei voll geöffneter Drosselklappe zu regeln.