Garretten Greddy: การปฏิวัติเทอร์โบในสนามแข่งและถนน

เทอร์โบชาร์จเป็นเครื่องกลไกที่นำพลังงานจากไอเสียกลับมาใช้ใหม่ แล้วอัดอากาศเข้าสู่เครื่องยนต์มากขึ้น; ได้รับสิทธิบัตรครั้งแรกในปี 1905 และผ่านจากสนามแข่งมาจนถึงวันนี้ กลายเป็นแกนหลักของรถยนต์ผลิตจำนวนมาก ในหน้านี้ คุณจะได้ติดตามเรื่องราวในรูปแบบเส้นเวลาเดียว ตั้งแต่การใช้งานครั้งแรกบนรถบรรทุกในปี 1938 รถยนต์ผลิตครั้งแรกของปี 1962 อสูร Can-Am พลัง 1,000 แรงม้าของ Porsche ไปจนถึงยุคเทอร์โบของ Formula 1 และการก้าวขึ้นมาของเครื่องยนต์เทอร์โบเล็กหลังวิกฤตน้ำมัน

ประวัติศาสตร์ของเทอร์โบชาร์จ: แนวคิดที่ถือกำเนิดจากไอเสีย

หลักการพื้นฐานของเทอร์โบชาร์จนั้นเรียบง่ายและทางวิศวกรรมช่างงดงามยิ่ง: ไอเสียที่ถูกขับออกจากเครื่องยนต์นั้นมีพลังงานอยู่แล้ว; นำพลังงานนี้มาหมุนกังหัน แล้วใช้คอมเพรสเซอร์บนเพลาเดียวกันอัดอากาศเข้าเครื่องยนต์ ต่างจากซูเปอร์ชาร์จตรงที่พลังงานนี้ไม่ได้มาจากเพลาข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์ แต่มาจากกระแสไอเสียที่ส่วนใหญ่สูญเปล่าไป แนวคิดนี้กลายเป็นทางการด้วยสิทธิบัตรฉบับแรกในปี 1905 แต่กว่าจะลงมาอยู่บนรถยนต์ได้ก็ใช้เวลานานกว่าสี่สิบปี

การใช้งานยานพาหนะเชิงพาณิชย์ครั้งแรกเกิดขึ้นบนยานพาหนะขนส่ง: ผู้ผลิตชาวสวิส Saurer เปิดตัวเครื่องยนต์รถบรรทุกเทอร์โบชาร์จในปี 1938 รถบรรทุกดีเซลเทอร์โบในยุโรปปรากฏตัวช่วงก่อนสงครามโลกครั้งที่ สอง ขณะที่สงครามทางอากาศทำให้เทคโนโลยีนี้เติบโตเต็มที่ เครื่องบินทหารเทอร์โบชาร์จอย่าง P-38, B-17 และ P-47 สามารถรักษาสมรรถนะไว้ได้ในระดับความสูงมาก โดยใช้พลังงานไอเสียแทนซูเปอร์ชาร์จแบบกลไก

1962: รถยนต์ผลิตเทอร์โบชาร์จครั้งแรกออกวิ่งบนถนน

การพบกันครั้งแรกระหว่างเทอร์โบชาร์จกับรถยนต์ผลิตจำนวนมากเกิดขึ้นในปีรุ่นเดียวกันบนรถ GM สองรุ่นที่แตกต่างกัน: Chevrolet Corvair Monza Spyder และ Oldsmobile Jetfire Oldsmobile ใช้เทอร์โบกับ V8 215 ลูกบาศก์นิ้ว เพิ่มกำลังจาก 155 เป็น 215 แรงม้า ส่วน Chevrolet ยกระดับเครื่องยนต์ 6 สูบเรียง 145 ลูกบาศก์นิ้ว จาก 98 เป็น 150 แรงม้า ทั้งสองระบบทำงานด้วยบูสต์ประมาณ 5 psi และระบบ "suck-through" แบบคาร์บูเรเตอร์ - ถ่อมตัวมากเมื่อวัดด้วยมาตรฐานปัจจุบัน แต่เป็นการเพิ่มกำลังที่ก้าวสำคัญสำหรับยุคนั้น

เส้นทางของ Jetfire สิ้นสุดเร็วกว่า โมเดลนี้ต้องใช้ระบบฉีดเมทิลแอลกอฮอล์-น้ำที่เรียกว่า Turbo-Rocket fluid เพื่อควบคุมการระเบิดก่อนเวลาอันหลีกเลี่ยงไม่ได้ในเครื่องยนต์อัตรากำลังอัดต่ำ จึงหยุดผลิตหลังจากสองปีรุ่น ด้วยยอดผลิตเพียงประมาณ 9,600 คัน ส่วน Corvair ขายต่อไปอีกห้าปี ขายได้ มากกว่า 50,000 คัน และทางเลือกนี้ถูกยกเลิกเมื่อสิ้นสุดปีรุ่น 1966 โดยสรุป เทอร์โบชาร์จในความพยายามครั้งแรกเป็นแนวคิดที่ถูกทางเทคโนโลยี แต่เร็วเกินเวลาในเชิงพาณิชย์

เทอร์โบบนสนามแข่ง: จาก Indy 500 สู่ยักษ์ใหญ่แห่ง Can-Am

การเข้ามาของเทอร์โบชาร์จเจอร์สู่กีฬายานยนต์เกิดขึ้นก่อนการผลิตแบบใช้งานทั่วไป ในปี 1952 รถพิเศษ Kurtis Kraft ของ Cummins ที่ใช้เครื่องยนต์เทอร์โบดีเซล 6.4 ลิตร คว้าโพลโพซิชันใน Indy 500 ร่วมกับ Fred Agabashian; แต่ต้องออกจากการแข่งขันหลังแอร์ฟิลเตอร์ดูดซากบนสนามเข้าไป การระเบิดที่แท้จริงเริ่มต้นในปี 1966 เมื่อ Offenhauser เทอร์โบชาร์จรุ่นแรกปรากฏตัวบนกริด; ในปี 1968 Bobby Unser ชนะ Indy 500 ด้วยเทอร์โบ-Offy และเครื่องยนต์เหล่านี้สามารถผลิตกำลังได้ถึง 1,200 แรงม้า ด้วยบูสต์ 54 psi ในรอบคัดเลือก หลังจากอุบัติเหตุถึงแก่ชีวิตในปี 1973 บูสต์จึงถูกจำกัดไว้ที่ ~39 psi

Porsche 917/10 และ 917/30: 1,500 แรงม้าจากท่อไอเสีย

Porsche ไม่สามารถใช้เครื่องยนต์ 4.5 ลิตรของ 917 ต่อได้เนื่องจากกฎเครื่องยนต์ 3 ลิตร ภายใต้การนำของ Ferdinand Piëch ทีมที่นำโดย Hans Mezger และ Valentin Schäffer ได้พัฒนาเครื่องยนต์ด้วยเทอร์โบชาร์จเจอร์ไอเสียคู่ให้ทะยานสู่ 1,000 PS (735 kW) ในวันที่ 30 กรกฎาคม 1971 Jo Siffert ได้ใช้ 917/10 เทอร์โบชาร์จเป็นครั้งแรกที่ Hockenheimring ต่อมา 917/30 ที่ตามมา ด้วยเครื่องยนต์ flat-12 เทอร์โบคู่ 5.4 ลิตร ผลิตกำลังเกิน 1,500 แรงม้า ในรอบคัดเลือก โดยบูสต์สูงถึง 32 psi Mark Donohue ชนะ 6 จาก 8 การแข่งขันในซีซัน Can-Am ปี 1973; และทำสถิติรอบที่ 221.160 mph ที่ Talladega ในปี 1975 รถลำนี้ซึ่งมีระบบปรับบูสต์ควบคุมโดยผู้ขับขี่ด้วย พร้อมกับที่รุ่นปี 1972 ถูกกล่าวขวัญว่าการตอบสนองคันเร่งเหมือน "สวิตช์เปิด-ปิด" ได้แสดงให้เห็นด้านที่รุนแรงที่สุดของ turbo lag

ยุคเทอร์โบของ Formula 1: ตั้งแต่ปี 1977 ถึง 1988

Renault RS01 เปิดศักราชเทอร์โบของ Formula 1 ที่ Silverstone ในปี 1977 รถที่ลงสนามด้วยเทอร์โบเดี่ยวและกำลัง 500 แรงม้า ถูกคู่แข่งล้อเลียนว่า "yellow teapot" - กาน้ำชาสีเหลือง การดูถูกไม่นานนัก: ในปี 1979 RS10 นำเสนอเทอร์โบคู่และอินเตอร์คูลเลอร์ และชัยชนะที่ Dijon ของ Jean-Pierre Jabouille ทำให้เทอร์โบกลายเป็นตัวเลือกระดับจริงจัง เมื่อถึงปี 1983 BMW, Honda, Renault, Alfa Romeo, Hart และ TAG/Porsche ต่างจัดหาเครื่องยนต์เทอร์โบ; ในรอบคัดเลือกมีการพูดถึงบูสต์ 45 psi และกำลัง 700 แรงม้า ในปี 1985 บูสต์ที่ 5.5 bar (~82 psi) และกำลังโดยประมาณ 1,500 แรงม้า - 1,000 แรงม้าต่อลิตร บนรถน้ำหนัก 1,200 ปอนด์

บทส่งท้ายของยุคสมัยคือการแสดงระดับตำนาน: ในปี 1988 กับ McLaren MP4/4 และ Honda RA168E เทอร์โบคู่ V6 Senna และ Prost ชนะ 15 จาก 16 การแข่งขัน FIA สั่งห้ามเครื่องยนต์เทอร์โบตั้งแต่ซีซัน 1989 เป็นต้นไป; ด้วยเหตุนี้ปฏิทินบางเล่มจึงปิดฉากยุคนี้ในปี 1988 บางเล่มในปี 1989 - ในทางปฏิบัติแล้วความต่างคือการเลื่อนไปเพียงหนึ่งซีซัน ระหว่างปีที่รถรุ่นสุดท้ายลงแข่งกับปีที่ข้อห้ามมีผลบังคับใช้

การก้าวลงสู่รถยนต์นั่งทั่วไป: การแผ่ขยายอันยากลำบากในยุค 70s และยุคทองของยุค 80s

การกลับสู่ถนนของเทคโนโลยีการแข่งขันไม่ใช่เส้นตรงที่ราบเรียบ BMW 2002 Turbo (1973–74) ผลิตกำลัง 170 แรงม้า และแรงบิด 240 lb-ft ผลิตได้เพียง 1.672 คัน ด้วยอัตรากระชับเพียง 6,9:1 และไม่ได้นำเข้าอย่างเป็นทางการไปยังสหรัฐอเมริกา ในปีเดียวกันนั้น Porsche 911 Turbo (930) รุ่นปี 1975 ให้มาพร้อมเครื่องยนต์ 3.0 ลิตร กำลัง 260 แรงม้า ประสิทธิภาพใต้อากาศพลศาสตร์แบบ "whale tail" มาพร้อมกับอาการท่อไอเสียหน่วงที่เห็นได้ชัดและแนวโน้มหางปัด (snap oversteer) รถเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าประเด็นเรื่อง turbo lag และการควบคุมยังคงไม่ได้รับการแก้ไข

ก้าวที่เงียบกว่าแต่ยั่งยืนกว่ามาจากทางฝั่งเมอร์ซีเดส: เครื่องยนต์ดีเซลเทอร์โบ OM617A ใน ปี 1978 พร้อมรถซีดาน W116 กลายเป็นรถดีเซลเทอร์โบผลิตแบบซีรีส์รุ่นแรก และเปิดประตูสู่ยุคที่เทอร์โบชาร์จเริ่มถูกกล่าวถึงควบคู่กับคำว่าประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงและการปล่อยมลพิษต่ำ ส่วนในยุค 80s ความหลากหลายของตัวละครก็เพิ่มขึ้น: Ferrari 288 GTO (1984) ผลิตกำลัง 400 แรงม้า ด้วยเครื่องยนต์ V8 เทอร์โบคู่ IHI ขนาด 2.8 ลิตร ผลิตเพียง 277 คัน และวางรากฐานให้กับ F40 Buick Grand National / GNX (1987) ด้วยรุ่น GNX จำนวน 547 คัน ลดเวลา 0-60 ลงเหลือประมาณ 5 วินาที และจบการแข่งขัน quarter mile ใน 13,2 วินาที กลายเป็นรถ GM ที่เร่งเร็วที่สุดในยุคนั้น ฝั่ง Chrysler ใน ปี 1984 Dodge Daytona และ Plymouth Laser ให้เทอร์โบ Garrett กำลัง 146 แรงม้า ในปี 1986 Shelby GLHS ดันกำลังขึ้นไปเป็น 175 แรงม้า ส่วนการใช้งานเทอร์โบเรขาคณิตผันแปร (VGT) ในการผลิตครั้งแรกปรากฏใน ปี 1989 บนรุ่นหนึ่งของ Chrysler CSX

ระเบิดยุค 80s ของผู้ผลิตชาวญี่ปุ่น

ในยุค 1980s ผู้ผลิตชาวญี่ปุ่นผลักดันขีดจำกัดโดยผสมผสานเทอร์โบชาร์จเข้ากับแชสซีเบาและเทคโนโลยีจากมอเตอร์สปอร์ต ยุคสมัยนี้ถูกเรียกว่า "ยุคทอง" ด้วย Nissan เทอร์โบชาร์จ Mazda แบบโรตารี และเครื่องยนต์รอบสูงของ Honda สายเลือดนี้ดำเนินต่อไปในยุค 90s กับไอคอนอย่าง Nissan Skyline GT-R R32–R34, Honda NSX, Mazda RX-7 FD, Toyota Supra MK4 และ Subaru Impreza WRX STI ฝั่งแข่งขันของ Porsche ก็ไม่ปล่อยเทอร์โบ: 956 ใน ปี 1982 คว้าชัยแบบหนึ่ง-สอง-สามที่ลู มองด้วยเครื่องยนต์เทอร์โบคู่ 2.8 ลิตร ส่วน 962 ที่พัฒนาสำหรับตลาดสหรัฐอเมริกาคว้าแชมป์ IMSA 4 สมัยติดต่อกันตั้งแต่ ปี 1984

วิกฤตน้ำมันและ downsizing: ทำไมเทอร์โบชาร์จจึงครองตลาดรถผลิตแบบซีรีส์?

ยุคฟื้นฟูครั้งที่สองของเทอร์โบชาร์จในรถยนต์ใช้งานทั่วไปมาจากแรงกดดันด้านเศรษฐกิจ มากกว่าเป้าหมายด้านสมรรถนะ หลังการห้ามส่งออกน้ำมันของ OPEC ใน ปี 1973 รถยนต์อเมริกันต้องเผชิญกับการลดลงของกำลัง การย่อขนาดเครื่องยนต์เริ่มต้นขึ้นโดยตรงในฐานะการตอบสนองต่อวิกฤตครั้งนี้ และนำไปสู่มาตรฐานประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง CAFE แม้การเปลี่ยนไปใช้รถขนาดเล็กจะเริ่มก่อนการห้ามส่งออกครั้งแรก แต่วิกฤตทำให้กระบวนการนี้กลายเป็นสิ่งถาวร เครื่องยนต์ V8 ขนาดใหญ่ก่อนปี 1970 เป็นมาตรฐานด้วยความจุ 5,7–7,5 ลิตร และกำลังม้าสูง ภาพตรงนั้นเริ่มปิดฉากลง

ในการย่อขนาดเครื่องยนต์ยุคใหม่ เครื่องยนต์เทอร์โบขนาดเล็กถูกใช้แทนเครื่องยนต์ธรรมชาติขนาดใหญ่ ให้ผลประหยัดเชื้อเพลิง %20–30 การคาดการณ์ว่า Ford Filtos จำนวนมากจะทำงานด้วย EcoBoost สรุปแง่มุมนี้ได้เป็นอย่างดี เลย์เอาต์ hot-vee ที่วางเทอร์โบไว้ระหว่างบล็อกกระบอกสูบ วิวัฒนาการมาจาก Formula 1 และปรากฏครั้งแรกในการผลิตกับเครื่องยนต์ BMW N63 BMW และ Mercedes ผลิตกำลังในเลย์เอาต์นี้ได้เกิน 600 แรงม้า

Turbo lag คืออะไร และวิศวกรรมเอาชนะมันได้อย่างไร?

Turbo lag คือความล่าช้าขณะกำลังกำลังมา เนื่องจากกังหันไม่สามารถไปถึงรอบที่เพียงพอได้ในทันทีที่เหยียบคันเร่ง ใน 911 Turbo ยุค 70s ความล่าช้านี้เป็นตัวกำหนดลักษณะการขับขี่ คำตอบทางวิศวกรรมดำเนินไปในสามแนวทางหลัก:

• Twin-scroll turbo: ส่งกระแสไอเสียไปยังกังหันผ่านช่องทางแยกกันเพื่อลดการรบกวนและเร่งการตอบสนอง ต้องใช้เฮาส์ซิ่งกังหันและแมนิโฟลด์แบบแยกช่อง
• Paralel twin-turbo: ใช้เทอร์โบขนาดเล็กกว่าสองตัว เนื่องจากแต่ละเทอร์โบป้อนปริมาตรน้อยลง จึงหมุนได้เร็วขึ้น และความล่าช้าสำหรับกำลังเท่าเดิมก็ลดลง
• เทอร์โบขนาดเล็ก + การไหลที่มีประสิทธิภาพ: กังหันขนาดเล็กกว่าทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพที่รอบต่ำกว่า การออกแบบ twin-scroll เพิ่มประสิทธิภาพการไหลนี้ ทำให้ความล่าช้าลดลงอย่างชัดเจน

ต้องไม่ลืมรากทางประวัติศาสตร์ด้วย: การควบคุมบูสต์โดยผู้ขับขี่ใน Porsche 917/30 เป็นหนึ่งในวิธีจัดการความล่าช้าครั้งแรกในโลกการแข่งขัน ปัจจุบันเลย์เอาต์ twin-scroll และ hot-vee ได้ลดความล่าช้าลงจนแทบไม่รู้สึกในการใช้งานประจำวัน

บทสรุป: จากสนามแข่งสู่ถนน จากถนนสู่เครื่องยนต์

ประวัติศาสตร์ของเทอร์โบชาร์จเจอร์คือเรื่องราวของแนวคิด ไม่ใช่ชิ้นส่วนหนึ่ง: การไม่สูญเสียพลังงาน เส้นทางที่ยาวไกลจากรถบรรทุก Saurer สู่ Jetfire จาก Offy สู่ RS01 จาก 917/30 สู่ MP4/4 ได้ประยุกต์ใช้หลักทางฟิสิกส์เดียวกันในหลายขนาดในทุกก้าว คลื่นการลดขนาดหลังวิกัยน้ำมันได้เปลี่ยนเทคโนโลยีนี้จากทางเลือกให้กลายเป็นมาตรฐาน ปัจจุบันแม้ในเครื่องยนต์ hot-vee ที่เกิน 600 แรงม้า แนวคิดปี 1905 เดียวกันก็ยังทำงานอยู่ - เพียงแต่เงียบกว่า มีประสิทธิภาพมากกว่า และไร้ความล่าช้า

แหล่งอ้างอิง

• 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