Garretten Greddy: Революция турбо в гонках и на улицах

Запатентованный в 1905 году турбонаддув, превращая теряемую энергию выхлопных газов в 1000-сильных монстров в автоспорте, дошёл и до обычных дорог.
Запатентованный в 1905 году турбонаддув, превращая теряемую энергию выхлопных газов в 1000-сильных монстров в автоспорте, дошёл и до обычных дорог.

Поделиться этой страницей

Турбонагнетатель - это механический преобразователь, который рекуперирует энергию выхлопных газов и нагнетает в двигатель больше воздуха; он получил первый патент в 1905 году и, пройдя через гоночные трассы, сегодня стал становым хребтом серийных автомобилей. На этой странице вы проследите историю в единой временной шкале: от первого применения на грузовике в 1938 году до первых серийных автомобилей 1962-го, от 1000-сильных монстров Porsche в Can-Am до турбоэры Formula 1 и взлёта малообъёмных турбомоторов после нефтяного кризиса.

Основные вехи

  • Первые серийные автомобили с турбонаддувом: 1962 Chevrolet Corvair Monza Spyder и Oldsmobile Jetfire
  • Porsche 917/30 Can-Am: более 1 500 л.с. в квалификационных заездах, наддув 32 psi
  • Турбоэпоха Formula 1: 1977–1988, на пике - около 1 000 л.с. с литра
  • Рекорд круга 221,160 mph в Талладеге на Porsche 917/30 (1975)
  • Прибавка к топливной экономичности 20–30% у малых турбомоторов благодаря современному даунсайзингу

История турбонаддува: идея, родившаяся из выхлопа

Базовая логика турбонаддува проста и с инженерной точки зрения очень изящна: выхлопные газы, покидающие двигатель, уже несут в себе энергию; эта энергия раскручивает турбину, а расположенный на том же валу компрессор сжимает поступающий воздух. В отличие от механического нагнетателя, эта мощность берётся не от коленчатого вала двигателя, а в основном из выхлопного потока, который в противном случае пропадал бы впустую. Идея была официально оформлена первым патентом 1905 года, но до применения в автомобилях прошло более сорока лет.

Первое коммерческое применение в транспортном средстве произошло на автомобиле для дорог общего пользования: швейцарский производитель Saurer в 1938 году представил грузовик с турбонаддувным двигателем. Турбодизельные грузовые автомобили появились в Европе на пороге Второй мировой войны, а военная авиация довела технологию до зрелости. Турбонаддувные военные самолёты, такие как P-38, B-17 и P-47, в отличие от механических нагнетателей использовали энергию выхлопа и могли сохранять высокие характеристики на больших высотах.

1962: Первые серийные автомобили с турбонаддувом на дорогах

Первая встреча турбонаддува с серийными автомобилями произошла в одном и том же модельном году на двух разных моделях GM: Chevrolet Corvair Monza Spyder и Oldsmobile Jetfire. Oldsmobile с помощью турбины поднял отдачу 215-кубового дюйма V8 со 155 до 215 л.с.; Chevrolet же увеличил мощность своего 145-кубового дюйма рядного шестицилиндрового двигателя с 98 до 150 л.с.. Обе системы работали с наддувом около 5 psi и по карбюраторной схеме «suck-through» - по нынешним меркам крайне скромно, но по тем временам это был революционный прирост мощности.

Путь Jetfire оказался короче. Для контроля детонации, неизбежной в двигателях с низкой степенью сжатия, модели требовалась система впрыска метаноло-водяной смеси под названием Turbo-Rocket fluid, и после примерно 9 600 экземпляров и двух модельных лет она сошла со сцены. Corvair же продавался пять лет, было продано более 50 000 штук, а опция была снята с производства в конце модельного 1966 года. Короче говоря, в своей первой попытке турбонаддув был технологически правильной, но коммерчески преждевременной идеей.

Турбо на гоночных трассах: От Indy 500 до гигантов Can-Am

Porsche 917/10 ve 917/30, Can-Am serisinde egzozdan yaklaşık 1.500 beygire ulaşan ikiz turboşarjıyla dönemin en güçlü yarış araçlarından biri oldu.

Турбонаддув пришёл в автоспорт раньше серийного производства. В 1952 году Kurtis Kraft с 6,4-литровым турбодизельным двигателем от Cummins, за рулём которой сидел Фред Агабашян, заняла поул-позицию на Indy 500; однако после того, как воздухозаборник заглотил обломки с трассы, машина сошла с гонки. Настоящий взрыв начался в 1966 году, когда на стартовой решётке появился первый турбированный Offenhauser; в 1968 году Бобби Ансер выиграл Indy 500 на turbo-Offy, а эти двигатели в квалификационных заездах могли выдавать 1200 л.с. при наддуве 54 psi. После смертельных аварий 1973 года наддув был ограничен до ~39 psi.

Porsche 917/10 и 917/30: 1500 лошадиных сил из выхлопа

Из-за правила о 3-литровых двигателях Porsche не могла продолжать с 4,5-литровым мотором 917. Под руководством Фердинанда Пиеха команда во главе с Хансом Мецгером и Валентином Шеффером подняла мощность двигателя с двойным выхлопным турбонаддувом до 1000 PS (735 кВт). 30 июля 1971 года Йо Зифферт впервые использовал турбированную 917/10 на Hockenheimring. Появившаяся позже 917/30 со своим 5,4-литровым оппозитным 12-цилиндровым мотором с двойным турбонаддувом выдавала в квалификациях мощность свыше 1500 л.с., а наддув поднимался до 32 psi. Марк Донахью в сезоне Can-Am 1973 года выиграл 6 из 8 гонок; в 1975 году на Талладеге он установил рекорд круга - 221,160 mph. Эта машина, оснащённая управляемой водителем регулировкой наддува, чей отклик на газ в версии 1972 года описывали как «выключатель вкл-выкл», демонстрировала самую радикальную сторону турбоямы.

Турбоэра Formula 1: с 1977 по 1988

Renault RS01 в 1977 году на Silverstone запустил турбоэру Formula 1. Выйдя на трассу с одним турбонагнетателем и 500 л.с., машина подвергалась насмешкам соперников, прозвавших её «yellow teapot» - жёлтый чайник. Пренебрежение длилось недолго: В 1979 году RS10 получил двойной турбонаддув и интеркулер, а победа Жан-Пьера Жабуя в Дижоне сделала турбо серьёзным вариантом. К 1983 году BMW, Honda, Renault, Alfa Romeo, Hart и TAG/Porsche поставляли турбомоторы; в квалификациях говорили о наддуве 45 psi и мощности 700 л.с.. В 1985 году - наддув 5,5 бар (~82 psi) и расчётные 1500 л.с. - 1000 лошадиных сил на литр у машин весом 1200 фунтов.

Финал эпохи был шоу: В 1988 году на McLaren MP4/4 с двигателем Honda RA168E с двойным турбонаддувом V6 Сенна и Прост выиграли 15 из 16 гонок. FIA с сезона 1989 года запретила турбомоторы; поэтому одни календари закрывают эпоху 1988 годом, другие - 1989-м; на практике разница - сдвиг всего на один сезон между годом, когда последние машины участвовали в гонках, и годом вступления запрета в силу.

Спуск на серийные автомобили: трудный взлёт 70-х и золотой век 80-х

Переход гоночных технологий на улицы не был прямой линией. BMW 2002 Turbo (1973-74) развивает 170 л.с. и 240 фунт-футов крутящего момента, было выпущено всего 1.672 экземпляра со степенью сжатия всего 6,9:1, и официально в США он не импортировался. В том же году Porsche 911 Turbo (930) в версии 1975 модельного года предложил 3,0 литра и 260 л.с.; производительность под "китовым хвостом" антикрыла сочеталась с заметной турбоямой и склонностью к резкой избыточной поворачиваемости. Эти автомобили показывали, что вопросы турбоямы и управляемости всё ещё не были решены.

Более тихий, но более прочный шаг сделал Mercedes: Турбодизель OM617A в седане W116 в 1978 году стал первым серийным турбодизельным автомобилем и открыл эпоху, когда о турбонаддуве стали говорить в связи с топливной экономичностью и низкими выбросами. В 80-е годы характер турбонаддува стал разнообразнее: Ferrari 288 GTO (1984) с 2,8-литровым V8 с двойными турбинами IHI выдавал 400 л.с., было выпущено всего 277 экземпляров, и он заложил основу для F40. Buick Grand National / GNX (1987) с версией GNX тиражом 547 экземпляров разгонялся до 0-60 примерно за 5 секунд и проходил четверть мили за 13,2 секунды, став самым быстрым разгоняющимся автомобилем GM своего времени. У Chrysler в 1984 году Dodge Daytona и Plymouth Laser предлагали турбо Garrett с 146 л.с.; в 1986 году Shelby GLHS поднял этот показатель до 175 л.с.. Первое серийное применение турбины с изменяемой геометрией (VGT) появилось в 1989 году на варианте Chrysler CSX.

Взрыв японских производителей в 80-е

В 1980-е японские производители довели турбонаддув до предела, сочетая его с лёгкими шасси и технологиями из автоспорта; эта эпоха известна как "золотой век" турбированных Nissan, роторных Mazda и высокооборотных моторов Honda. Эта линия продолжилась в 90-е с такими иконами, как Nissan Skyline GT-R R32-R34, Honda NSX, Mazda RX-7 FD, Toyota Supra MK4 и Subaru Impreza WRX STI. Гоночное подразделение Porsche тоже не отказалось от турбо: 956 1982 года с 2,8-литровым мотором с двойным турбонаддувом финишировал на Le Mans первым-вторым-третьим; а 962, разработанный для рынка США, с 1984 года выиграл 4 чемпионата IMSA подряд.

Нефтяной кризис и даунсайзинг: почему турбонаддув стал доминировать в серийном производстве?

Второе рождение турбонаддува на дорожных автомобилях пришло скорее из экономической необходимости, чем из погони за производительностью. После нефтяного эмбарго ОПЕК 1973 года мощность американских автомобилей снизилась; уменьшение размеров началось как прямой ответ на этот кризис и породило стандарты топливной экономичности CAFE. Переход к компактным автомобилям начался ещё до первого эмбарго, но именно кризис сделал этот процесс необратимым. До 1970 года большие V8 со 5,7-7,5 литрами рабочего объёма и высокой мощностью были стандартом; та картина начала закрываться.

В современном даунсайзинге вместо крупных атмосферных двигателей используются небольшие турбомоторы, что даёт выигрыш в топливной экономичности на 20-30%; Прогноз, что значительная часть линейки Ford будет работать на EcoBoost, хорошо отражает эту тенденцию. Компоновка hot-vee, где турбонагнетатель размещён между блоками цилиндров, также эволюционировала из Формулы 1 и впервые появилась в серийном производстве с двигателем BMW N63; BMW и Mercedes в этой компоновке получают мощность свыше 600 л.с..

Что такое турбояма и как инженеры её победили?

Турбояма - это задержка при наборе мощности из-за того, что турбина не успевает набрать достаточные обороты в момент нажатия на газ; на 911 Turbo 70-х эта задержка определяла характер вождения. Инженерное решение развивалось по трём основным направлениям:

  • Twin-scroll турбина: подаёт потоки выхлопных газов к турбине по раздельным каналам, снижая помехи и ускоряя отклик; требует разделённого корпуса турбины и коллектора.
  • Параллельный twin-turbo: используются две турбины меньшего размера; каждая турбина обслуживает меньший объём, поэтому раскручивается быстрее и при той же мощности задержка снижается.
  • Маленькая турбина + эффективный поток: Меньшая турбина эффективно работает на более низких оборотах; конструкция twin-scroll оптимизирует этот поток и заметно снижает задержку.

Не стоит забывать и об исторических истоках: регулируемый водителем буст на Porsche 917/30 был одним из первых способов управления задержкой в гоночном мире. Сегодня же twin-scroll и компоновки hot-vee снизили задержку до уровня, который не ощущается в повседневной эксплуатации.

Вывод: от трассы к дороге, от дороги к двигателю

История турбонаддува - это история не компонента, а подхода: не терять энергию. Линия, протянувшаяся от грузовика Saurer до Jetfire, от Offy до RS01, от 917/30 до MP4/4, на каждом шаге применяла один и тот же физический принцип в разных масштабах. Волна даунсайзинга после нефтяного кризиса превратила эту технологию из опции в стандарт. Сегодня даже в двигателях hot-vee мощностью свыше 600 л.с. работает та же идея 1905 года - лишь гораздо тише, эффективнее и без задержки.

Источники