Od Garretta do Greddy'ego - wyścigowa i uliczna przygoda rewolucji turbo

Turbosprężarka to mechaniczny przetwornik, który odzyskuje energię spalin i spręża do silnika więcej powietrza; pierwszy patent otrzymała w 1905 roku i, przechodząc przez tory wyścigowe, stała się dziś kręgosłupem seryjnie produkowanych samochodów. Na tej stronie historia zostanie przedstawiona w formie jednej osi czasu: od pierwszego zastosowania w samochodach ciężarowych w 1938 roku, przez pierwsze auta seryjne z 1962 roku, tysiąckonne potwory Porsche w Can-Am, erę turbo w Formule 1, aż po wzrost znaczenia małej pojemności turbosilników po kryzysie naftowym.

Historia turbosprężarki: pomysł zrodzony ze spalin

Podstawowa logika turbosprężarki jest prosta i inżyniersko bardzo elegancka: spaliny wydalane z silnika już niosą energię; turbina obraca się dzięki tej energii, a kompresor na tym samym wale spręża powietrze dolotowe. W przeciwieństwie do kompresora mechanicznego, ta moc nie pochodzi z wału korbowego silnika, lecz najczęściej ze zmarnowanego strumienia spalin. Pomysł został sformalizowany pierwszym patentem z 1905 roku, ale jego przejście do samochodu zajęło ponad czterdzieści lat.

Pierwsze komercyjne zastosowanie w pojeździe miało miejsce w pojeździe drogowym: szwajcarski producent Saurer zaprezentował w 1938 roku ciężarówkowy silnik z turbosprężarką. Turbodoładowane ciężarówki diesla w Europie pojawiały się u progu II. wojny światowej, a lotnictwo wojskowe dojrzało tę technologię. Turbodoładowane samoloty wojskowe, takie jak P-38, B-17 i P-47, mogły utrzymywać osiągi na dużych wysokościach dzięki wykorzystaniu energii spalin, w przeciwieństwie do mechanicznych kompresorów.

1962: Pierwsze seryjne samochody z turbosprężarką na drogach

Pierwsze spotkanie turbosprężarki z seryjnie produkowanymi samochodami miało miejsce w tym samym roku modelowym w dwóch różnych produktach GM: Chevrolet Corvair Monza Spyder i Oldsmobile Jetfire. Oldsmobile dzięki turbinie zwiększyło moc silnika V8 o pojemności 215 cali sześciennych ze 155 KM do 215 KM, a Chevrolet podniósł moc swojego rzędowego sześciocylindrowca o pojemności 145 cali sześciennych ze 98 do 150 KM. Oba systemy działały z doładowaniem około 5 psi i układem gaźnikowym typu "suck-through" - jak na dzisiejsze standardy wyjątkowo skromnie, ale jak na tamte czasy był to przełomowy wzrost mocy.

Droga Jetfire'a okazała się krótsza. Model wymagający układu wtrysku metanolu z wodą o nazwie Turbo-Rocket fluid do kontrolowania spalania stukowego, nieuniknionego w silnikach o niskim stopniu sprężania, zniknął z produkcji po dwóch latach modelowych, przy produkcji około 9.600 sztuk. Corvair sprzedawał się przez pięć lat, sprzedano ponad 50.000 egzemplarzy, a opcję wycofano po zakończeniu roku modelowego 1966. Krótko mówiąc, turbosprężarka w pierwszej próbie była pomysłem technologicznie słusznym, ale komercyjnie przedwczesnym.

Turbo na torach wyścigowych: Od Indy 500 po giganty Can-Am

Wejście turbośruby do sportu samochodowego nastąpiło jeszcze przed produkcją seryjną. W 1952 roku turbodiesel o pojemności 6,4 litra w specjalnym aucie Kurtis Kraft firmy Cummins, z Fredem Agabashianem za kierownicą, zdobył pole position w Indy 500; jednak po tym, jak filtr powietrza zassał gruzy z toru, auto odpadło z wyścigu. Prawdziwa eksplozja zaczęła się w 1966 roku, gdy na starcie pojawił się pierwszy turbodoładowany Offenhauser; w 1968 roku Bobby Unser wygrał Indy 500 turbo-Offym, a te silniki w sesjach kwalifikacyjnych mogły wytwarzać 1200 KM przy doładowaniu 54 psi. Po śmiertelnych wypadkach w 1973 roku doładowanie ograniczono do ~39 psi.

Porsche 917/10 i 917/30: 1500 koni z wydechu

Porsche nie mogło kontynuować z 4,5-litrowym silnikiem 917 z powodu przepisu 3-litrowego silnika. Pod przewodnictwem Ferdinanda Piëcha, z zespołem kierowanym przez Hansa Mezgera i Valentina Schäffera, doprowadzono silnik do 1000 PS (735 kW) dzięki bliźniaczej turbosprężarce na wydechu. 30 lipca 1971 Jo Siffert po raz pierwszy użył na Hockenheimringu turbodoładowanego 917/10. Późniejszy 917/30 ze swoim 5,4-litrowym flat-12 z podwójnym turbo wytwarzał w kwalifikacjach moc powyżej 1500 KM, a doładowanie rosło do 32 psi. Mark Donohue w sezonie Can-Am 1973 wygrał 6 z 8 wyścigów; w 1975 roku na Talladegi ustanowił rekord okrążenia wynoszący 221,160 mph. To auto, wyposażone także w sterowaną przez kierowcę regulację doładowania, pokazywało najbardziej radykalne oblicze opóźnienia turbo - reakcja gazu wersji z 1972 roku była opisywana jak "włącznik-wyłącznik".

Era turbo Formuły 1: od 1977 do 1988

Renault RS01 w 1977 roku na Silverstone rozpoczął erę turbo Formuły 1. Auto wyjeżdżające na tor z jednym turbo i 500 KM było wyśmiewane przez rywali jako "yellow teapot" - żółty czajnik. Lekceważenie nie trwało długo: W 1979 roku RS10 przyniósł bliźniacze turbo i intercooler, a zwycięstwo Jean-Pierre'a Jabouille'a w Dijon uczyniło z turbo poważną opcję. Do 1983 roku BMW, Honda, Renault, Alfa Romeo, Hart i TAG/Porsche dostarczały silniki turbo; w kwalifikacjach mówiono o doładowaniu 45 psi i mocy 700 KM. W 1985 roku wprowadzono limit 5,5 bara (~82 psi), mimo że szacowano moc około 1500 KM - 1000 koni na litr, dla aut ważących 1200 funtów.

Finał epoki był pokazem: W 1988 roku Senna i Prost, na McLarenie MP4/4 z twin-turbo V6 Honda RA168E, wygrali 15 z 16 wyścigów. FIA od sezonu 1989 zakazała silników turbo; dlatego jedni zamykają tę epokę w 1988 roku, inni w 1989 - w praktyce różnica to przesunięcie o jeden sezon między rokiem, w którym ścigały się ostatnie auta, a rokiem wejścia w życie zakazu.

Zejście do samochodów ulicznych: trudny wzlot lat 70. i złota era lat 80.

Powrót technologii wyścigowej na ulicę nie był prostą linią. BMW 2002 Turbo (1973-74) generował 170 KM i 240 lb-ft momentu obrotowego, wyprodukowano tylko 1672 egzemplarze ze stopniem sprężania 6,9:1 i nigdy nie był oficjalnie importowany do USA. W tym samym roku Porsche 911 Turbo (930) z rocznikiem 1975 oferowało 3.0 litra i 260 KM; wydajność pod charakterystycznym „whale tail", wraz z wyraźną turbodziurą i tendencją do gwałtownej nadsterowności, szła w parze. Pojazdy te pokazywały, że kwestia opóźnienia turbo i kontroli wciąż nie została rozwiązana.

Cichszy, ale trwalszy krok wykonało Mercedes: Turbodiesel OM617A w sedanie W116 w 1978 roku stał się pierwszym seryjnie produkowanym turbodieslem, otwierając epokę, w której turbocharging zaczęto łączyć z oszczędnością paliwa i niskimi emisjami. W latach 80. charakter się zróżnicował: Ferrari 288 GTO (1984) z podwójnie doładowanym V8 o pojemności 2.8 litra generowało 400 KM, wyprodukowano tylko 277 egzemplarzy, a auto położyło podwaliny pod F40. Buick Grand National / GNX (1987) w wersji GNX w liczbie 547 egzemplarzy zjeżdżał 0-60 w około 5 sekund, kończąc ćwierć milę w 13,2 sekundy, stając się najszybciej przyspieszającym produktem GM tamtej epoki. Po stronie Chryslera Dodge Daytona i Plymouth Laser z 1984 roku oferowały turbo Garrett o mocy 146 KM; W 1986 roku Shelby GLHS podniósł tę wartość do 175 KM. Pierwsze seryjne zastosowanie turbo o zmiennej geometrii (VGT) pojawiło się w 1989 roku w wariancie Chrysler CSX.

Eksplozja japońskich producentów w latach 80.

W latach 80. japońscy producenci przekraczali granice, łącząc podwozie turbo z technologią wywodzącą się z motorsportu; epokę tę nazywa się „złotą erą" z turbodoładowanymi Nissanami, rotacyjnymi Mazdami i wysokoodwrótnymi silnikami Hondy. Ten nurt trwał w latach 90. dzięki takim ikonom jak Nissan Skyline GT-R R32-R34, Honda NSX, Mazda RX-7 FD, Toyota Supra MK4 i Subaru Impreza WRX STI. Strona wyścigowa Porsche nie porzuciła turbo: 956 z 1982 roku, z podwójnie doładowanym silnikiem 2.8 litra, zapewniło Porsche potrójne zwycięstwo w Le Mans; Opracowany na rynek amerykański 962 od 1984 roku wygrywał 4 z rzędu w IMSA GTP.

Kryzys naftowy 89|Dlaczego turbo wszedł do produkcji seryjnej 90|Wiosna turbochargingu na autach ulicznych przyszła raczej z ekonomicznego przymusu niż z celu wydajnościowego. dlaczego turbo zdominowało produkcję seryjną?

Druga młodość turbo w samochodach osobowych przyszła bardziej z przymusu ekonomicznego niż z dążenia do osiągów. Po embargu OPEC w 1973 roku amerykańskie samochody doznały spadku mocy; Zmniejszanie rozmiarów silników rozpoczęło się bezpośrednio jako odpowiedź na ten kryzys i dało początek normom oszczędności paliwa CAFE. Choć przejście na mniejsze samochody rozpoczęło się jeszcze przed pierwszym embargiem, kryzys sprawił, że proces ten stał się trwały. Przed 1970 rokiem duże V8 o pojemnościach 5,7-7,5 litra i wysokich mocach były standardem; Ten obraz zaczął się zamykać.

W nowoczesnym downsizingu zamiast dużych silników wolnossących stosuje się mniejsze silniki turbo, uzyskując 20-30% poprawę oszczędności paliwa; Przewiduje się, że z EcoBoost będzie pracować większość floty Forda, co dobrze podsumowuje ten kierunek. Układ hot-vee, w którym turbosprężarka umieszczona jest między blokami cylindrów, również wyewoluował z Formuły 1 i po raz pierwszy w produkcji pojawił się w silniku BMW N63; BMW i Mercedes produkują w tym układzie moce powyżej 600 KM.

Czym jest turbo lag i jak inżynieria go pokonała?

Turbo lag to opóźnienie w dostarczaniu mocy wynikające z tego, że turbina nie osiąga wystarczających obrotów w momencie wciśnięcia gazu; w 911 Turbo z lat 70. to opóźnienie definiowało charakter jazdy. Inżynierska odpowiedź podążyła trzema głównymi ścieżkami:

• Twin-scroll turbo: kieruje strumienie spalin do turbiny osobnymi kanałami, co zmniejsza interferencję i przyspiesza reakcję; wymaga podzielonej obudowy turbiny i kolektora.
• Twin-turbo równoległy: Stosowane są dwie mniejsze turbosprężarki; każda z nich obsługuje mniejszą objętość, więc kręci się szybciej i opóźnienie przy tej samej mocy maleje.
• Mała turbina + wydajny przepływ: mniejsza turbina pracuje wydajnie przy niższych obrotach; projekt twin-scroll optymalizuje ten przepływ, wyraźnie obniżając opóźnienie.

Trzeba też pamiętać o historycznym rodowodzie: sterowana przez kierowcę regulacja doładowania w Porsche 917/30 była jednym z pierwszych sposobów opanowania opóźnienia w świecie wyścigów. Dziś układy twin-scroll i hot-vee zredukowały opóźnienie do poziomu niezauważalnego w codziennym użytkowaniu.

Wniosek: z toru na drogę, z drogi do silnika

Historia turbosprężarki to opowieść nie o komponencie, lecz o podejściu: nie tracić energii. Linia ciągnąca się od ciężarówki Saurer przez Jetfire, od silników Offy do RS01, od 917/30 do MP4/4, na każdym etapie stosowała tę samą zasadę fizyczną w różnych skalach. Fala downsize'u po kryzysie naftowym zmieniła tę technologię z opcji w standard. Dziś nawet w silnikach hot-vee o mocach przekraczających 600 koni działa ta sama idea z 1905 roku - jedynie znacznie cichiej, wydajniej i bezdymniej.

Źródła

• 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