گارتت گرِدی، انقلاب توربو در ماجراهای مسابقه و خیابان

توربوشارژ، مبدلی مکانیکی که انرژی گازهای اگزوز را بازیابی کرده و هوای بیشتری را به موتور تزریق میکند؛ نخستین ثبت اختراع خود را در سال 1905 دریافت کرد و پس از گذر از پیستهای مسابقه، امروز به ستون فقرات خودروهای تولید انبوه تبدیل شده است. در این صفحه، داستانی را که از نخستین کاربرد در کامیونها در سال 1938 تا نخستین خودروهای تولیدی سال 1962، از هیولاهای 1000 اسب بخاری Can-Am پورشه تا عصر توربوی فرمول 1 و ظهور موتورهای توربوی کمحجم پس از بحران نفت ادامه دارد، در قالب یک خط زمانی واحد دنبال خواهید کرد.

تاریخچه توربوشارژ: ایدهای که از اگزوز زاده شد

منطق اصلی توربوشارژ ساده و از نظر مهندسی بسیار ظریف است: گاز اگزوزی که از موتور بیرون رانده میشود از پیش انرژی دارد؛ این انرژی با یک توربین به چرخش درمیآید و کمپرسورِ روی همان شفت، هوای ورودی را متراکم میکند. برخلاف سوپرشارژر، این توان از میللنگ موتور نمیآید، بلکه عمدتاً از جریان اگزوزی میآید که در غیر این صورت به هدر میرود. این ایده با نخستین ثبت اختراع در سال 1905 رسمی شد، اما راه یافتنش به خودرو بیش از چهل سال طول کشید.

نخستین کاربرد تجاری در یک وسیله نقلیه جادهای رخ داد: سازنده سوئیسی زائر در سال 1938 موتور کامیون توربوشارژدار را عرضه کرد. در حالی که کامیونهای دیزلی توربوشارژدار در اروپا در آستانه جنگ جهانی دوم پدیدار شده بودند، هوانوردی جنگی این فناوری را بالغ کرد. هواپیماهای نظامی توربوشارژدار مانند P-38، B-17 و P-47، برخلاف سوپرشارژر مکانیکی، با بهرهگیری از انرژی اگزوز میتوانستند عملکرد خود را در ارتفاعات زیاد حفظ کنند.

1962: نخستین خودروهای تولیدی توربوشارژدار در جادهها

نخستین دیدار توربوشارژ با خودروهای تولید انبوه در همان سال مدل، در دو محصول متفاوت جنرال موتورز رخ داد: شورولت کورویر مونزا اسپایدر و اولدموبیل جت‌فایر. اولدموبیل موتور V8 با حجم 215 اینچ مکعب را با توربو از 155 اسب بخار به 215 اسب بخار رساند؛ شورولت نیز شش سیلندر خطی 145 اینچ مکعب خود را از 98 به 150 اسب بخار ارتقا داد. هر دو سیستم با بوست حدود 5 psi و آرایش کاربراتوری "ساک-ترو" کار میکردند - با استانداردهای امروزی بسیار فروتنانه، اما برای آن دوران جهشی تاریخساز در توان.

مسیر جت‌فایر کوتاهتر بود. این مدل برای کنترل احتراق خودزنی که در موتورهای با نسبت تراکم پایین اجتنابناپذیر است، به سیستم تزریق آب-متانولی به نام Turbo-Rocket fluid نیاز داشت و پس از دو سال مدل با تولیدی حدود 9600 دستگاه از خط تولید کنار رفت. کورویر اما پنج سال فروخته شد، بیش از 50000 دستگاه فروش داشت و این گزینه در پایان سال مدل 1966 حذف شد. خلاصه اینکه توربوشارژ در نخستین تجربه خود، از نظر فناوری درست اما از نظر تجاری زودهنگام بود.

توربو در پیست‌های مسابقه: از ایندی ۵۰۰ تا غول‌های Can-Am

ورود توربوشارژر به ورزش‌های خودرویی پیش از تولید انبوه بود. در سال 1952، خودروی خصوصی Kurtis Kraft با موتور توربودیزل ۶.۴ لیتری ساخت Cummins با رانندگی Fred Agabashian پول پوزیشن ایندی ۵۰۰ را کسب کرد؛ اما پس از آنکه فیلتر هوا خرده‌های پیست را مکید، از مسابقه کنار رفت. انفجار واقعی در سال 1966 با دیده شدن اولین Offenhauser توربوشارژر در گرید آغاز شد؛ در سال 1968، Bobby Unser با موتور turbo-Offy ایندی ۵۰۰ را برد و این موتورها در تمرین‌های تایم‌گیری با بوست 54 psi توان تولید 1.200 اسب بخار را داشتند. پس از تصادفات مرگبار 1973، بوست به ~39 psi محدود شد.

پورشه 917/10 و 917/30: ۱.۵۰۰ اسب بخار از اگزوز

پورشه به دلیل قانون موتور ۳ لیتری نتوانست با موتور ۴.۵ لیتری 917 ادامه دهد. تحت رهبری Ferdinand Piëch، تیمی به سرپرستی Hans Mezger و Valentin Schäffer موتور را با توربوشارژر دوگانه اگزوز به ۱.۰۰۰ PS (735 kW) رساند. در تاریخ ۳۰ ژوئیه 1971، جو سیفرت برای اولین بار از 917/10 توربوشارژر در هوکنهایمرینگ استفاده کرد. 917/30 که بعداً معرفی شد، با فلت-۱۲ دوموربوی ۵.۴ لیتری خود در تمرین‌های تایم‌گیری بیش از ۱.۵۰۰ اسب بخار قدرت تولید می‌کرد و بوست به 32 psi می‌رسید. Mark Donohue در فصل 1973 Can-Am شش برد از هشت مسابقه به دست آورد؛ در سال 1975 در تالادگا رکورد دور 221,160 mph را ثبت کرد. این خودرو که کنترل بوست به‌دست راننده نیز داشت و پاسخ گاز نسخه 1972 آن مانند یک «کلید روشن-خاموش» توصیف می‌شد، رادیکال‌ترین چهره تاخیر توربو را به نمایش می‌گذاشت.

عصر توربوی فرمول ۱: از 1977 تا 1988

رنو RS01 در سال 1977 در سیلورستون عصر توربوی فرمول ۱ را آغاز کرد. خودرویی که با یک توربو و 500 اسب بخار به پیست آمد، توسط رقبا «قوری زرد» (yellow teapot) مسخره شد. تحقیر طولانی نکشید: در سال 1979، RS10 توربو دوقلو و اینترکولر آورد و پیروزی ژان-پیر ژابوی در دیژون توربو را به گزینه‌ای جدی تبدیل کرد. تا سال 1983، BMW، هوندا، رنو، آلفا رومئو، هارت و TAG/پورشه موتور توربو تأمین می‌کردند؛ در تمرین‌های تایم‌گیری از بوست 45 psi و 700 اسب بخار صحبت می‌شد. در سال 1985، بوست ۵.۵ بار (~82 psi) و قدرت تخمینی ۱.۵۰۰ اسب بخار - هزار اسب بخار به ازای هر لیتر، روی خودروهای ۱.۲۰۰ پوندی.

پایان آن دوران یک نمایش بود: در سال 1988، سنا و پروست با مک‌لارن MP4/4 و موتور توربوی دوقلوی V6 هوندا RA168E، ۱۵ مسابقه از ۱۶ مسابقه را بردند. فیا از فصل 1989 موتورهای توربو را ممنوع کرد؛ به همین دلیل برخی تقویم‌ها این دوره را در 1988 و برخی در 1989 می‌بندند - در عمل تفاوت، تنها یک فصل فاصله بین سالی که آخرین خودروها مسابقه دادند و سالی که ممنوعیت اجرایی شد است.

فرود به خودروهای سواری: صعود دشوار دهه ۷۰ و عصر طلایی دهه ۸۰

بازگشت فناوری مسابقه‌ای به خیابان یک خط مستقیم نبود. BMW 2002 Turbo (1973–74) با 170 اسب بخار و گشتاور 240 پوند-فوت ، تنها با نسبت تراکم 6,9:1 ساخته می‌شد و تنها 1.672 دستگاه از آن تولید شد و به‌طور رسمی به آمریکا صادر نمی‌شد. در همان سال پورشه 911 توربو (930) با مدل 1975 خود 3 لیتر حجم و 260 اسب بخار ارائه کرد؛ عملکرد زیر بال «دم نهنگی» همراه با تاخیر گاز محسوس و تمایل به واژگونی ناگهانی (snap oversteer) عرضه می‌شد. این خودروها نشان می‌دادند که مسئله تاخیر توربو و قابلیت کنترل هنوز حل نشده است.

گامی آرام‌تر اما ماندگارتر از سمت مرسدس آمد: دیزل توربوی OM617A در سال 1978 با سدان W116 نخستین خودروی دیزل توربوی تولید انبوه شد و دروازه دوره‌ای را گشود که توربوشارژ با بازده سوخت و آلایندگی پایین همراه می‌شد. در دهه ۸۰ تنوع شخصیت‌ها بیشتر شد: فراری 288 GTO (1984) با موتور V8 توربوی دوقلوی 2.8 لیتری خود 400 اسب بخار تولید می‌کرد، تنها 277 دستگاه ساخته شد و پایه F40 را بنا گذاشت. بویک گرند نشنال / GNX (1987) با نسخه GNX به تعداد 547 دستگاه شتاب 0-60 را به حدود ۵ ثانیه رساند و با طی یک‌چهارم مایل در 13,2 ثانیه ، شتاب‌گیرترین محصول GM آن دوران شد. در سمت کرایسلر، دوج دی‌تونا و پلیموث لیزر در سال 1984 توربوی گرت با 146 اسب بخار عرضه کردند؛ شلبي GLHS در سال 1986 این رقم را به 175 اسب بخار رساند. نخستین کاربرد تولیدی توربوی هندسه متغیر (VGT) نیز در سال 1989 روی یک مدل از کرایسلر CSX دیده شد.

انفجار دهه ۸۰ خودروسازان ژاپنی

در دهه 1980 خودروسازان ژاپنی با ترکیب توربوشارژ با شاسی سبک و فناوری‌های برگرفته از ورزش‌های موتوری مرزها را جابه‌جا کردند؛ این دوره با نیسان‌های توربوشارژ، مزدهای روتاری و موتورهای پرقدرت دور بالا هوندا، «عصر طلایی» نامیده می‌شود. این رشته در دهه ۹۰ با آیکون‌هایی مانند نیسان اسکایلاین GT-R R32–R34، هوندا NSX، مازدا RX-7 FD، تویوتا سوپرا MK4 و سوبارو ایمپرزا WRX STI ادامه یافت. جنبه مسابقه‌ای پورشه هم از توربو دست نکشید: 956 در سال 1982 با موتور دوقلوی توربوی 2.8 لیتری خود در لومان به پایان یک-دو-سه رسید؛ 962 که برای بازار آمریکا توسعه یافته بود، از سال 1984 چهار قهرمانی پیاپی IMSA به دست آورد.

بحران نفت و کوچک‌سازی: چرا توربوشارژ بر تولید انبوه مسلط شد؟

بهار دوباره توربوشارژ در خودروهای سواری نه از هدف عملکردی، بلکه از یک اجبار اقتصادی سرچشمه گرفت. پس از تحریم اوپک در 1973 قدرت خودروهای آمریکا کاهش یافت؛ کوچک‌سازی مستقیماً به‌عنوان پاسخی به این بحران آغاز شد و استانداردهای اقتصاد سوخت CAFE را زایید. اگرچه گذار به خودروهای کوچک‌تر پیش از نخستین تحریم آغاز شده بود، روند بحران آن را دائمی کرد. V8های بزرگ پیش از 1970 با حجم‌های 5,7 تا 7,5 لیتری و قدرت‌های اسب بخاری بالا استاندارد بودند؛ آن تصویر به‌تدریج بسته شد.

در کوچک‌سازی موتور مدرن، با جایگزینی موتورهای کوچک توربو به‌جای موتورهای بزرگ تنفس طبیعی، تا %20–30 صرفه‌جویی در مصرف سوخت حاصل می‌شود؛ پیش‌بینی می‌شود که بخش بزرگی از ناوگان فورد با EcoBoost کار خواهد کرد و همین نکته این جهت‌گیری را خلاصه می‌کند. چیدمان hot-vee که توربو میان بلوک‌های سیلندر قرار می‌گیرد نیز از فرمول ۱ تکامل یافت و برای نخستین بار در تولید با موتور BMW N63 دیده شد؛ بی‌ام‌و و مرسدس در این چیدمان قدرت‌هایی بیش از ۶۰۰ اسب بخار تولید می‌کنند.

توربو لگ چیست و مهندسی چگونه بر آن غلبه کرد؟

توربو لگ تأخیری است هنگام رسیدن توان، به این دلیل که در لحظه فشار دادن گاز، توربین به دور کافی نمی‌رسد؛ در 911 Turbo دهه ۷۰، این تاخیر تعیین‌کننده شخصیت رانندگی بود. پاسخ مهندسی در سه محور اصلی پیش رفت:

• توربو twin-scroll: با رساندن جریان‌های گاز اگزوز در کانال‌های جداگانه به توربین، اینرسی را کاهش می‌دهد و واکنش را سریع‌تر می‌کند؛ بدنه توربین با ورودی تقسیم‌شده و منیفولد می‌طلبد.
• توئین‌توربوی موازی: از دو توربوی کوچک‌تر استفاده می‌شود؛ چون هر توربو حجم کمتری را تغذیه می‌کند، سریع‌تر می‌چرخد و تاخیر برای همان قدرت کاهش می‌یابد.
• توربوی کوچک + جریان کارآمد: توربین کوچک‌تر در دور پایین‌تر کارایی دارد؛ طراحی twin-scroll این جریان را بهینه می‌کند و تأخیر را به‌طور محسوسی کاهش می‌دهد.

نباید خاستگاه تاریخی آن را نیز فراموش کرد: تنظیم بوست کنترل‌شده توسط راننده در پورشه 917/30 یکی از نخستین شیوه‌های مدیریت تأخیر در دنیای مسابقه بود. امروز اما چیدمان‌های twin-scroll و hot-vee تأخیر را در استفاده روزمره به سطحی غیرقابل حس رسانده‌اند.

نتیجه: از پیست به جاده، از جاده به موتور

تاریخ توربوشارژ، داستان یک قطعه نیست، داستان یک رویکرد است: هدر ندادن انرژی. خطی که از کامیون Saurer به Jetfire، از Offyها به RS01 و از 917/30 به MP4/4 می‌رسد، در هر گام یک اصل فیزیکی واحد را در مقیاس‌های متفاوت به کار برد. موج کوچک‌سازی پس از بحران نفت این فناوری را از یک گزینه خارج کرد و به استاندارد بدل ساخت. امروز حتی در موتورهای hot-vee بالای ۶۰۰ اسب بخار، همان ایده 1905 کار می‌کند - فقط بسیار آرام‌تر، کارآمدتر و بدون تاخیر.

منابع

• History of the Turbocharger
• Turbo vision: a revolution in engine construction
• Turbocharger
• Downsize (automobile)
• Hot vee turbocharged engine
• Turbo Lag: Causes, Effects and Solutions
• The Lost Scrolls of Turbocharging: How Twin-Scrolls Work
• The First Turbocharged Mass-Market Production Car
• Boost Isn't New! A History of Turbocharged Cars
• History of the turbo