Roots-Lader

Roots-Schema der kämmenden Profile in einem Gehäuse

3-dimensionale Darstellung

Roots-Schema mit dreiflügligen Läufern

Roots-Gebläse in einem PKW Saturn (USA); in dem verrippten Aluminiumgehäuse rechts oberhalb des gelben Ölpeilstab-Griffs laufen die Roots-Zellenräder

Roots-Lader unter dem Kühlergrill eines der berühmten "Blower-Bentleys"

Roots-Gebläse sind Drehkolbengebläse ohne innere Verdichtung, die Zahnrad- und Drehschieberpumpen ähneln. Zwei meist dreiflügelige Läufer transportieren in den Lücken zwischen den Flügeln und der Außenwand ein Gas (meistens Luft) von der Saug- zur Druckseite, die dann von der Rückströmung des verdichteten Gases verdichtet wird. Sie werden bei kleinen bis mittleren Leistungen und meistens kleinen Druckunterschieden (ca. 1 bar) verwendet. Sie dienen als einfache Vakuumpumpen, in industriellen Trocknungs- und Absauganlagen, beim Laden und Löschen von Massengütern wie Getreide bei Schiffen, als Saugpumpen in Fäkalientankwagen oder als Auflade- oder Spülgebläse für Verbrennungsmotoren. Dort werden sie üblicherweise von der Kurbelwelle über einen Riemen angetrieben.

Geschichte

Der Name stammt von den Gebrüdern Philander und Francis Roots, die es sich 1860 patentieren ließen. Damals wurden Roots-Gebläse meistens als Winderzeuger für Hochöfen verwendet, aber auch in anderen Industrien.

Gottlieb Daimler baute 1900 als erster einen Roots-Lader in ein Auto ein.

Bauweise

Sie bestehen aus einem Gehäuse, in dem sich zwei Wellen drehen, die außerhalb des Gehäuses mit einer Zahnradstufe auf synchron gegenläufig gleicher Drehzahl verbunden sind. Jede Welle trägt einen Läufer, dessen Profil anfangs einer „8“ ähnelte; heute sind auch andere Profile bekannt. In der Lücke der einen Acht läuft jeweils eine Kopfspitze der anderen „8“; die beiden Profile „kämmen“ miteinander, wobei sie miteinander und zum Gehäuse zwar abdichten sollen, aber möglichst keine Reibung entstehen soll.

Fertigung

Die frühen Roots’schen Wind- und Wettergebläse waren aus Holz gezimmert mit ca. zwei Meter Läuferdurchmesser. Heutige Roots-Gehäuse und -Läufer sind hoch anspruchsvolle Bauteile, die mit erheblichen Anforderungen an die maßlichen Toleranzen, die Materialqualitäten und an die Bearbeitungverfahren gefertigt werden, und von daher sehr teuer herzustellen sind. Allerdings sind alle anderen vergleichbaren Kompressoren wie Schraubenlader oder Scrollkompressoren noch teurer, sodass auch für die einfachen Roots-Gebläse ein Marktanteil verbleibt.

Kritikpunkte

Die Wärmeausdehnung der Bauteile mit steigender Temperatur erfordert, im Kaltlauf ein Spiel zwischen ihnen zuzulassen, was die Abdichtung des Roots-Gebläses verschlechtert, solange die Maschine ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat. Bei Übertemperatur können die Läufer aus demselben Grund verklemmen oder fressen.

Roots-Gebläse reagieren stark auf Verschmutzungen, so können kleine Abweichungen am Verdichter den Ladedruck und damit die Leistung erheblich vermindern.

Roots-Gebläse müssen gegen Unwuchten geprüft werden; sie werden zudem bei maschinenbaulichen Einsatzfällen in der Regel mit 15 bis 20% Überdrehzahl auf einem Prüfstand probegefahren.

Einsatz

Zweitakt-Dieselmotoren hatten fast immer Roots-Gebläse (z.B. Commer TS 3 oder der Motor des Krupp Titan). Heutige Kraftfahrzeuge mit Kompressor verfügen anstelle eines Turboladers (Bentley, Mercedes-Benz 200 „Kompressor“ in C- und E-Klasse) über einen Schraubenlader, die sich von Roots-Gebläsen durch innere Verdichtung und damit besserem Wirkungsgrad unterscheiden. Bei den effizientesten Wärmekraftmaschinen überhaupt, den Zweitakt-Schiffsdieselantrieben, finden sich Roots-Gebläse oft als Hilfs- und Anfahrgebläse. (Hierzu können sie, statt über den Kurbeltrieb im festen Drehzahlverhältnis angetrieben zu werden, auch einen komplett eigenen, drehzahlentkoppelten Antrieb haben.)

Der Roots-Lader eines Motors wird mechanisch angetrieben und verbraucht daher einen Teil der Leistung, im Gegensatz zum Abgas-Turbolader, der seine Antriebsenergie aus dem Abgasstrom bezieht, und dabei die Pumpverluste ein wenig erhöht. Deshalb versehen einige Hersteller das Gebläseantriebsrad mit einer Magnetkupplung (Prinzip Klimakompressor), mit der das Gebläse im unteren Teillastbereich abgeschaltet werden kann. Vorteil der Kolbenladegebläse ist der bei Bedarf sofort verfügbare Ladedruck, während etwa beim Turbolader das System aus Turbine und Verdichter erst mit einer gewissen Verzögerung Druck aufbauen kann.

Wird das Gebläse als Lader verwendet, läuft es trocken; als Roots-Verdichter für größere Drücke ab 8 bar wird es ölgeschmiert, damit es seine Dichtwirkung erzielt.

Ein weiterer Einsatzpunkt waren und sind Belüftungsanlagen im explosions-geschützten Bereichen (z.B. Bergwerke und Bunker). Durch ihre Bauweise sind sie gut in der Lage, Druckstöße von der einen Seite auf die andere zu unterdrücken.

Rennfahrzeuge

Das Aufkommen der Roots-Lader im Rennsport Mitte der 1920er Jahre (Blower-Bentley gegen Mercedes SSK) war Auslöser für die Rennformel-Diskussionen: soweit Hubraum Rennklassen-Kriterium ist, wird seither oftmals der Hubraum eines aufgeladenen Motors mit einem Korrekturfaktor beaufschlagt, um ihm keinen Wettbewerbsvorteil gegen unaufgeladene Motoren zu verschaffen. Das bedeutet, ein aufgeladener Motor muss einen im Verhältnis zum Saugmotor kleineren Hubraum haben. Dieses gilt oftmals unabhängig vom Prinzip des Laders, ob nun Turbo oder Kompressor.

Hoch erfolgreiche Rennfahrzeuge waren neben den Kompressor-Rennwagen der 1920er die Auto-Union-Grand-Prix-Wagen zwischen 1934 und 1939. Auch die 500-cm³-BMW-Rennmotorräder der 1930er-Jahre fuhren mit Roots-Ladern zahlreiche Rennsiege ein. So gewann „Schorsch“ Meier 1939 als erster Ausländer überhaupt das 500er-Rennen bei der berühmten Tourist Trophy auf der Isle of Man.

Klassifizierung

Roots-Gebläse liefern kontinuierlich – wenn man von der Rückströmung absieht, die Ursache des für die Rennen der dreißiger Jahre typischen „Kompressorkreischens“ sind – und sind deshalb weder Strömungs- noch typische Kolbenmaschinen, weil sie keine innere Verdichtung haben. Der Bauform nach sind sie Drehkolbenmaschinen nach dem Verdrängerprinzip.

Alternativen, ähnliche andere Prinzipien

VW baute einige Zeit lang in den 1990er Jahren sogenannte G-Lader mit einem feststehenden und einem oszillierenden, „G“-förmigen Bauteil, der ebenso wie ein Kompressor oder der Roots-Lader mechanisch angetrieben wird. Allerdings hat dieses „G“ nur eine durchgehende Verdichtungsleiste, welche kaum Reibungsverluste erzeugt, aber bei Schmierfehlern als Defekt in Frage kommen könnte. Dieses Bauprinzip schien sich in der Ökonomie und Marktstrategie des VW-Konzerns nicht bewährt zu haben, und verschwand nach wenigen Jahren aus den Neufahrzeugen.

Unter den mechanisch angetriebenen Ladersystemen gibt es auch noch den sogenannten Comprex- (oder Druckzellen-) Lader. Dieser ist jedoch nicht im eigentlichen Sinne eine Verdrängermaschine, sondern der mechanische Antrieb hat lediglich Steuerungs-Funktion.

Siehe auch

Kreiskolbenpumpe

Weblinks

• Roots-Gebläse 3D-Explosionszeichnung