Tuning-Menüs und Dyno-Protokolle geben Ladedruck in psi oder bar an, und die Zahlen klingen klein neben der Leistung, die sie erzeugen. Der Grund ist einfach, sobald du die beiden beteiligten Drücke trennst. Die Werte unten sind Lehrbuchphysik für einen Benzinmotor, keine Messungen an einem bestimmten Auto. Die Grundlagen, wie ein Turbo oder Kompressor den Druck liefert, findest du in dem Beitrag zu Turbo und Kompressor; dieser hier handelt davon, was jedes psi wert ist.
Überdruck und das Druckverhältnis
Eine Ladedruckanzeige zeigt den Druck über der umgebenden Luft. Die Außenluft drückt auf Meereshöhe bereits mit 14.7 psi (1.013 bar), daher ist der Druck im Ansaugkrümmer der Messwert plus 14.7. Die entscheidende Zahl ist das Druckverhältnis:
Druckverhältnis = (14.7 + Ladedruck) ÷ 14.7
Bei 10 psi sind das 24.7 ÷ 14.7 = 1.68. Der Motor sieht nicht „10 mehr“, er sieht 68% mehr Druck als bei null Ladedruck. In metrischen Einheiten gilt dieselbe Rechnung: 1 psi sind 0.0689 bar, und 1 bar sind etwa 14.5 psi.
Was ein psi wert ist
Ein Zylinder hat ein festes Volumen, daher folgt die Luftmasse darin der Dichte, und die Dichte folgt dem absoluten Druck, wenn sich die Temperatur nicht ändert. Ein Motor verbrennt Kraftstoff im Verhältnis zur Luft, die er hat, daher steigt die Leistung im Idealfall im Gleichschritt mit dem Druckverhältnis. Ein zusätzliches psi erhöht das Verhältnis um 1 ÷ 14.7 = 0.068, was etwa 6.8% mehr Luft pro psi gemessen am Motor ohne Ladedruck.
Diese 6.8% gelten als Regel für die ersten paar psi, und sie werden gegen die Basis gemessen, nicht gegen den vorherigen Schritt. Jedes zusätzliche psi addiert dieselben 0.068 zum Faktor, aber der Prozentsatz auf den bereits erhöhten Wert wird kleiner. Der Sprung von 20 auf 21 psi addiert 0.068 zu 2.36, das ist ein Anstieg von 2.9% gegenüber dem vorherigen Stand.
Lies es als Obergrenze. Die Luft zu verdoppeln braucht etwa 14.7 psi, und 15 psi bringen dich auf 2.02. Kein Motor liefert bei 30 psi das 3.04-Fache seiner Leistung, aus den unten genannten Gründen.
Verdichtung erwärmt die Luft
Ein Gas zu komprimieren erwärmt es. Bei einem idealen Verdichter, der keine Wärme verliert, beträgt die Austrittstemperatur
T₂ = T₁ × PR^((γ − 1) ÷ γ)
mit γ = 1.4 für Luft, also ist der Exponent 0.2857, und Temperaturen in Kelvin. Nimm 20 °C (293.15 K) Ansaugluft und 15 psi, wobei PR = 2.02 ist:
- 2.02^0.2857 = 1.2226
- T₂ = 293.15 × 1.2226 = 358.4 K, das sind 85.2 °C
Echte Verdichter leisten mehr Arbeit an der Luft als der ideale. Ist der Wirkungsgrad des Verdichters η, ist der tatsächliche Temperaturanstieg der ideale Anstieg geteilt durch η. Der ideale Anstieg beträgt hier 65.2 K. Bei einem angenommenen Wirkungsgrad von 70% beträgt der Anstieg 65.2 ÷ 0.70 = 93.1 K, daher verlässt die Luft den Verdichter mit 113.2 °C. Die 70% sind eine Veranschaulichung, keine Angabe für einen bestimmten Verdichter.
Die Dichte ist proportional zum Druck geteilt durch die absolute Temperatur, daher ist die heiße Luft dünner, als das Druckverhältnis vermuten lässt: 2.02 × 293.15 ÷ 386.4 = 1.53. Of the 2.02 the pressure promised, 1.53 arrives as density, about 24% less than ideal.
Ladeluftkühlung holt etwas zurück
Ein Ladeluftkühler entzieht der verdichteten Luft Wärme, bevor sie in den Motor gelangt. Bringt er die Füllung auf 40 °C (313.15 K) herunter, beträgt die Dichte bei 15 psi 2.02 × 293.15 ÷ 313.15 = 1.89, das sind 23% mehr als die ungekühlten 1.53 bei gleichem Ladedruck. Deshalb kann dieselbe Anzeige in zwei Autos ganz unterschiedliche Luftmengen bedeuten.
Bei 15 psi: ideales Druckverhältnis 2.02, Dichte mit einem Verdichter mit 70% Wirkungsgrad und ohne Kühlung 1.53, Dichte mit Ladeluftkühlung auf 40 °C 1.89. Der Druck ist in allen drei Fällen gleich. Nur die Temperatur unterscheidet sich.
Warum reale Gewinne noch kleiner ausfallen
Die Dichte ist nur die erste Grenze. Heiße, dichte Luft im Zylinder erhöht die Temperatur während der Verdichtung, und wenn das Ende des Gemischs sich selbst entzündet, bevor die Flamme es erreicht, entsteht Klopfen, ein scharfer Druckspitzenwert, der Kolben beschädigen kann. Motoren beherrschen das, indem sie den Zündzeitpunkt zurücknehmen, Kraftstoff zur Kühlung der Füllung einspritzen oder das Verdichtungsverhältnis senken, und jede dieser Maßnahmen gibt etwas von der Leistung auf, die die zusätzliche Luft hätte erzeugen können. Kraftstoffversorgung, die Festigkeit der Motorteile und der Grip an den Reifen setzen weitere Grenzen, wofür sich ein bestimmter Ladedruck nutzen lässt.
Der ideale Faktor ist also ein Anhaltspunkt für Richtung und Größenordnung, keine Prognose. Vernünftig ist die Erwartung, dass die ersten psi nahe an die 6.8% je psi herankommen und spätere pro psi weniger bringen, besonders ohne Kühlung.
Im Spiel
Pink Slip Kings führt Ladedruck unter den Werten auf, die du beim Tuning anpassen kannst, neben Getriebeübersetzungen, Achsübersetzung und Startdrehzahl, und es hat einen Dyno zum Vergleich von PS und Drehmoment. Der Eintrag sagt nicht, wie Ladedruck, Hitze oder Klopfen modelliert werden, daher ist alles oben reale Physik und keine Beschreibung der Spielregeln. Um zu sehen, wie sich eine Leistungsänderung in einer Kurve zeigt, lies dem Prüfstandsdiagramm-Beitrag, und dafür, wie das Drehmoment auf die Reifen trifft, dem Beitrag zur Start-Drehzahl.
Pink Slip Kings: Drag Racing ist ein 3D-Drag-Racing-Spiel mit manueller Start- und Schaltsteuerung, detailliertem Tuning von Getriebeübersetzungen, Achsübersetzung, Ladedruck und Startdrehzahl sowie einem Dyno. Es läuft offline, hat keine Werbung und keine In-App-Käufe, und sein Spielgeld und seine Autos können nicht für echtes Geld gekauft oder getauscht werden.