Mechanikus feltöltés – a Roots-fúvó

Korábban általános értelemben jellemeztük a belső égésű motorok mechanikus feltöltésének általános jellemzőit. A technológia mostanra visszaszorult a turbófeltöltők térnyerésének köszönhetően, ám színes múltjuk és a rengeteg műszaki megoldás, mellyel gyarapították az autóipar tudástárát, mégis megérdemli, hogy technikai cikkekkel megemlékezzünk róluk.

Ezúttal a motortól függő feltöltési módszerek egyik leglátványosabb változatát, a Roots-fúvót vagy Roots típusú feltöltőt mutatjuk be.

Történeti áttekintés

Európában talán nem is feltétlenül széles körben ismert az eszköz, az pedig pláne nem, hogy a neve honnan származik.

A Roots nevet két amerikai mérnök, Philander Higley Roots és Francis Marion Roots birtokolta – 1854-ben ők ketten alapították meg a Roots Blower Companyt, melyhez ez a találmány is fűződik.

A fejlesztést sok legenda övezte, de abban a legtöbb történész egyetért, hogy eredetileg nem belső égésű motorokhoz készült a cikkünk tárgya.

A legáltalánosabban ismert történet a vízenergia kihasználásával kapcsolatos. A Roots fivérek Connersville-ben kezdték el a cég működtetését Indiana államban, és a telephez közel helyezkedett el a Whitewater csatorna. Ez azért volt fontos, mert a csatorna lejtése, amely közelítőleg 3,4 méter, elegendőnek bizonyult egy vízimalom üzemeltetéséhez – áramfejlesztési célból. A meglévő malom kereke azonban nem bizonyult hatékonynak, ráadásul fából készült, mely nem bizonyult kellően alaktartónak, vetemedése pedig a motor elakadását okozta.

Miközben a Roots fivérek tanulmányozták a kereket, az egyikük megforgatott egy tengelyt, ami akkor a levegőben állt, és a szárazon megpördülő járókerekek lefújták a testvére kalapját. Ekkor a helyi vasöntöde felügyelője hívta fel rá a figyelmet, hogy ez segíthetne nekik az üzemben a vas olvasztásánál. Ennek hatására tervezték meg az első Roots-fúvót- 1860-ban szabadalmaztatták.

Az első járműipari kapcsolat 1900-ban történt meg, amikor Gottlieb Daimler szabadalmi kérelmet nyújtott be Roots fúvóra belső égésű motorokhoz.

1931-ben a céget felvásárolta a Derrick and Equipment Company, mely aztán a második világháborúban csavarkompresszorokat gyártott tengeralattjárókhoz az Egyesült Államok haditengerészetének.

Felépítés, működés

Általános értelemben a Roots típusú feltöltő egy térfogatkiszorításos elven működő, különleges fogazású fogaskerék-szivattyú. A különleges fogazás csak a közeg szállításáért felel, direkt mechanikus kapcsolat nincs közöttük – a két forgódugattyút külön fogaskerékpár kapcsolja össze.

Az eszköz különlegessége, hogy a belsejében igazából nincs sűrítés. A fogak csak keresztültolják a foghézagokba szorult közeget a nagynyomású térben – a sűrítés létrejötte a már korábban odaszállított levegőnek, víznek, vagy bármilyen egyéb közegnek köszönhetően jön létre.

A lapátok számának több szempontból is jelentősége van. Minél kisebb a lapátok száma a rotorokon, annál nagyobb a hatása a periodikusan visszatérő közeg lengésfolyamatainak – most szorítkozzunk a levegőre, mint releváns autós közegre. Ez egyenlőtlen szállítást és kimondottan kellemetlen zajhatást okozhat.

További probléma, hogy a forgóegységnek nem csak a beszívott levegő mennyiségét kell továbbítania a torlónyomás ellenében, hanem azt a levegőt is, amely a sűrítés során visszaáramlott. Ez természetesen további veszteségeket okoz.

Hőtechnikai szempontból nem feltétlen a Roots típusú feltöltők a leghatékonyabbak. A mechanikus, motorról hajtott feltöltők közül a Roots-fúvó rendelkezik a legrosszabb termikus hatásfokkal, és ez tovább fokozódik azzal, ha a nyomásviszonyok egyre magasabb értékeket érnek el.

Ebből következően találkozhatunk olyan összeépítésekkel, melyekben a Roots-fúvó mellett egy intercooler is helyet kap – noha ezt a berendezést inkább turbófeltöltőknél szokhattuk meg, a rossz hőmenedzsment indokolja a jelenlétét.

Gyakori megoldás, hogy egy nagyon vékony hőcserélőt tesznek a rotor és a motor közé. A vizet a jármű orrába elhelyezett második egységbe juttatják, ahol a ventilátor és a környezet levegője fogja elvezetni a fölösleges hőt.

Általánosan elmondható, hogy a Roots típusú feltöltők legideálisabb alkalmazási területei azok a feladatok, ahol sok levegőt (nagy mennyiségű közeget) kell megmozgatni, viszonylag kis nyomáskülönbség mellett. Ebbe beleértendők az alacsony vákuumú alkalmazások is, ahol a Roots-fúvó akár más szivattyúkkal együtt is működhet egy nagyobb rendszer részeként.

Az autóipar ugyan már kevésbé alkalmazza, de sok ipari területen még mindig közkedvelt. Ilyenek például a pneumatikus szállítórendszerek, a polgári védelmi szirénák, gázáramlás-mérő berendezések, sőt, korábban repülőgépek kabinjában is használták nyomáskiegyenlítésre.

A kialakítás lényege

A Roots-fúvók rotorjai sajátos geometriával rendelkeznek. A legegyszerűbb rotorkialakítások cikloidálisak, melyek hipocikloidális és epicikloidális görbék szakaszaiból állnak. A valóságban ennél jellemzően összetettebben a formák, ugyanis a profil döntő jelentőséggel bír a feltöltő hatékonyságát illetően.

A külön fogaskerékhajtásra azért van szükség, mert a rotorok lapátjai nem hajtják meg egymást minden helyzetben – még egészen kicsi játék mellett sem. Ráadásul a folyamatos működés érdekében valamennyi hézagot is muszáj fenntartani közöttük. Ebből pedig következik a fent említett állítás, miszerint a Roots-fúvó csak korlátozott nyomáskülönbséget képes felépíteni. Amennyiben ezt túllépjük, extrém módon megnő a hőfejlődés, aminek következtében a rotorlapátok összeérnek, és a feltöltő végérvényesen károsodik.

Sok iparágban viszont komoly előny, hogy a Roots-fúvó nem igényel külön kenést a belső felületein, így képesek olyan körülmények között is működni, ahol más feltöltési/szivattyúzási módszer szóban sem jöhet.