Eaton M45 Pro(ject)

Nach einem erfolgreichen Einsatz eines Eaton M45 Kompressors an einem C20NE-Motor, kam die Frage auf, ob noch Potenzial in dem kleinen Pumpenzwerg steckt.

Der Eaton M45 Kompressor - oder auch Supercharger genannt - ist häufig in Mercedes-Motorräumen anzutreffen.

In Wirklichkeit ist er aber ein Roots-Gebläse und kein Kompressor, da er die Luft nicht komprimiert, sondern eher die Luft in den Motor pumpt. Um Leistung zu erzeugen benötigt er Leistung. Und genau da ist der Ansatz, um aus der Luftpumpe einen Kraft-Zwerg zu machen.

Viele würden jetzt sagen: „Nimm doch einen größeren Kompressor“, aber das ist nicht unsere Intention. Also was machen mit dem M45? Ganz klar: Effizienter machen.

Das heißt, die Leistung, die er benötigt verringern und die Drehzahl erhöhen. Dazu gibt es vier Ansatzpunkte: 1. das Gewicht der rotierenden Massen verringern; 2. die Lagerung verbessern, 3. die Strömung verbessern und 4. die Temperaturen senken.

Schritt 1: Der Speck muss weg!

Das erste, was in Angriff genommen wurde, war das Riemenrad oder auch umgangssprachlich Pulley genannt. Hierzu wurde ein Pulley aus hochfestem Aluminium entwickelt, das einen kleineren Durchmesser von 70 mm hat und nur noch 240 g wiegt. Das originale Riemenrad ist aus Stahl, hat einen Durchmesser von 81 mm und wiegt stolze 476 g.

Als nächstes musste die Antriebswelle dran glauben. Hier wurden alle unnötigen Massen entfernt und die Welle hohl gebohrt. Natürlich darf die Welle nicht komplett durchgebohrt werden, sonst tritt später Öl aus.

Somit kommt die Antriebswelle von 227 g auf 187 g.

Danach kam die Kupplung dran. So konnten nochmal 48 g abspeckt werden.

Anschließend eine Diät für die Zahnräder. Hier wurden Langlöcher im Radius gefräst. Gewichtsverlust in Summe 60 g.

Auch die Wellen der Rotoren (Roots) mussten dran glauben. Hier konnten in Summe bei beiden Wellen 200 g eingespart werden. Die Wellen wurden in der Mitte des Schaft ausgedünnt und hohl gebohrt. Hier darf auch nicht komplett durchgebohrt werden, sonst tritt Kompressor- Öl in die Nadellager. Dies gestaltete sich als sehr schwierig, da die Gefahr bestand, den langen Bohrer abzureißen.

Zu guter Letzt kamen die Roots dran. Diese sind aus Aluminium, aber Einsparungspotenzial war dennoch da. Durch die Bohrungen an beiden Rotoren ging das Gewicht nochmals um 320 g runter. Dies wird mittels einer 5-Achs-Fräsmaschine bewerkstelligt aufgrund der komplizierten Geometrie. Anschließend werden die Bohrungen wieder mit Stopfen versiegelt

Das macht in der Gesamtsumme eine Reduzierung der rotierenden Massen um sage und schreibe 952 g. Fast ein Kilo weniger die angetrieben, geschweige durch die Gegend gefahren werden müssen. Die Lagerung freut sich ebenfalls über die weniger dynamische Belastung und erfreut sich einer längeren Lebensdauer.

Schritt 2: Die Lagerung

Die hintere Lagerung der Rotoren ist bei einigen Kompressoren ziemlich dürftig. Teilweise findet man hier normale Nadellagerbüchsen, die je nach Anwendungsfall eine zulässige max. Drehzahl von 16.000 U/min haben. Bei einer Dauerbelastung kann das schon zu einem Problem werden. Z.B. in einem Lotus Elise s2. Hier kann der Kompressor schon mal auf 18.000 U/min kommen, was natürlich extrem an der Haltbarkeit des Lagers nagt. Daher haben wir ein Highspeed-Lager entwickelt, das es uns erlaubt, auf 22.000 U/min zu gehen und welches gegen einen erhöhten Ladedruck gewappnet ist. Durch den höheren Ladedruck kann es zu Fettausspülung kommen.

Nicht nur die schlechte Lagerung macht hier Probleme, sondern auch die extrem schlechte werkseitige Auswuchtung. Wir haben hier teilweise eine Güte von 14 bis 91 gemessen, hauptsächlich bei den M62 Kompressoren. Manchmal ist sie gar nicht vorhanden. Über die erhöhte Unwucht freuen sich die Lager überhaupt nicht. Wir konnten die Güte hier bis auf 2,5 erhöhen. Die Fein-Auswuchtung erfolgt mittels Materialentnahme. Das sind die kleinen Bohrungen, die auf dem Bild zu sehen sind.

Schritt 3: Geräuschkulisse

Gegen die markante Geräuschkulisse, das sogenannte "whining", kann wenig getan werden. Es sei denn man verbaut schrägverzahnte Zahnräder. Auch die Luftführung macht hier Geräusche. Um diese etwas zu reduzieren gibt es an einigen Modellen die Backflow-Ports, diese reduzieren das Geräusch der Aufladung. Eine andere Möglichkeit ist, die Farbe an den Rotoren zu entfernen, was die Leistungsausbeute etwas verringert, aber bei hochgezüchteten Kompressoren unabdingbar ist. Warum? Durch die Anhebung der Drehzahl, sprich durch Pulley-Tuning, haben wir durch Wärmeeinfluss eine höhere Ausdehnung der Bauteile. Dieses Verfahren findet man auch in einem Mini Cooper Works vor. Um eine Kollision zu vermeiden, wird die Farbe entfernt. 

Entgegen der Annahme, dass Entfernen der Farbe sei negativ, kann ich nur sagen, das Roots-Kompressoren keine Verdichter sind, sondern Gebläse oder Pumpen. Dies ist ein großer Unterschied. Hier wird die Luft gefördert, nicht verdichtet. 

Schritt 4: Die Luftführung (porting)

Zuerst habe ich einen optimierten Schalldämpfer-Einsatz entwickelt und in 3D drucken lassen. Er ist strömungsoptimiert und angepasst an den Eaton M45 Kompressor. Die Einlass-Öffnung wurde an die Dichtungs-Öffnung angepasst.

Schritt 5: Validieren der Modifikationen (Leistungsmessungen)

Sooo... nachdem unser Testwagen nun endlich läuft, konnten wir endlich unsere Eingangsmessung durchführen. Auf Grund der Außentemperaturen war das gar nicht so leicht, einen Termin zu bekommen. 

19.07.2023: Heute wurden wir mit einer Überraschung belohnt: Wir haben unser W202 (T-Modell)  bei der Firma CAMTEC Design messen lassen. Der Wagen befindet sich absolut in Serien-Trim, hat 240.000 Km genau, noch die Winterbereifung drauf, ESP war ausgeschaltet und wir hatten 28°C beim Messen. Getankt haben wir Super Plus 100 Oktan. Er sollte im Ideal-Fall 163 PS und 230 Nm haben, aber seht selbst:

Uns ist es ein Rätsel, warum wir hier mehr Leistung haben. Das Einzige, was mir einfällt: Wir haben den Power-Grip-Riemen verbaut, der etwas kürzer ist und somit eventuell die Vorspannung an der Spannrolle erhöht. Vielleicht ist der Riemen weniger durchgerutscht. Auf jeden Fall sehr witzig. :) 

Schön zu sehen ist auch die Leistungsentfaltung. Man könnte fast meinen, wir fahren ein E-Antrieb. Dabei ist es aber ein Kompressor.

Als Nächstes werden wir die optimierte Ansaugbrücke mit einem anderen Schalldämpfer einbauen und messen; siehe Schritt 4.