Greddy của Garretten: Hành trình đua xe và đường phố của cuộc cách mạng turbo

Turbo sạc được cấp bằng sáng chế năm 1905 đã biến sức mạnh lãng phí của khí thải thành những cỗ máy khủng khiếp 1.000 mã lực trong các môn thể thao cơ khí, rồi kéo dài đến tận đường phố.
Turbo sạc được cấp bằng sáng chế năm 1905 đã biến sức mạnh lãng phí của khí thải thành những cỗ máy khủng khiếp 1.000 mã lực trong các môn thể thao cơ khí, rồi kéo dài đến tận đường phố.

Chia sẻ trang này

Turbos bịt là một bộ máy biến cơ khí, thu hồi năng lượng của khí xả để nén nhiều không khí hơn vào động cơ; nhận bằng sáng chế đầu tiên vào năm 1905 và đi qua các đường đua để ngày nay trở thành xương sống của những chiếc ô tô sản xuất hàng loạt. Trên trang này, bạn sẽ theo dõi câu chuyện dưới dạng một dòng thời gian duy nhất, trải dài từ ứng dụng xe tải đầu tiên năm 1938 đến những chiếc ô tô sản xuất đầu tiên năm 1962, từ những con quái vật Can-Am 1.000 mã lực của Porsche đến thời đại turbo của Formula 1 và sự trỗi dậy của các động cơ turbo dung tích nhỏ sau khủng hoảng dầu mỏ.

Điểm nổi bật

  • Những chiếc ô tô sản xuất đầu tiên có turbo: 1962 Chevrolet Corvair Monza Spyder và Oldsmobile Jetfire
  • Porsche 917/30 Can-Am: trên 1.500 mã lực trong vòng phân hạng, áp lực tăng áp 32 psi
  • Thời đại turbo của Formula 1: 1977–1988, ước tính đạt đỉnh 1.000 mã lực mỗi lít
  • Kỷ lục vòng tại Talladega với Porsche 917/30 đạt 221,160 mph (1975)
  • Cải thiện tiết kiệm nhiên liệu 20–30% trên các động cơ turbo nhỏ nhờ downsizing hiện đại

Lịch sử của turbo: một ý tưởng được sinh ra từ khí xả

Logic cơ bản của turbo rất đơn giản và vô cùng thanh tao về mặt kỹ thuật: khí xả thải ra từ động cơ vốn đã mang theo năng lượng; dùng một tua-bin để biến năng lượng đó thành chuyển động quay, rồi nén không khí nạp bằng máy nén đặt trên cùng một trục. Khác với supercharger, nguồn công suất này không đến từ trục khuỷu của động cơ mà chủ yếu từ dòng khí xả vốn bị lãng phí. Ý tưởng được chính thức hóa với bằng sáng chế đầu tiên có niên đại 1905, nhưng phải mất hơn bốn mươi năm mới đến được ô tô.

Ứng dụng thương mại đầu tiên trên một phương tiện đường bộ: Nhà sản xuất Thụy Sĩ Saurer ra mắt động cơ xe tải tăng áp vào năm 1938. Tại châu Âu, xe tải diesel tăng áp xuất hiện ở ngưỡng Chiến tranh Thế giới thứ hai, trong khi hàng không thời chiến đã giúp công nghệ này trưởng thành. Những máy bay quân sự tăng áp như P-38, B-17 và P-47 có thể duy trì hiệu suất ở độ cao lớn nhờ tận dụng năng lượng khí xả, khác với supercharger cơ khí.

1962: Những chiếc ô tô sản xuất đầu tiên có turbo lên đường

Cuộc gặp gỡ đầu tiên của turbo với ô tô sản xuất hàng loạt diễn ra trong cùng năm mẫu trên hai sản phẩm khác nhau của GM: Chevrolet Corvair Monza Spyder và Oldsmobile Jetfire. Oldsmobile đưa động cơ V8 215 inch khối kết hợp turbo từ 155 mã lực lên 215 mã lực; trong khi Chevrolet nâng động cơ sáu xi-lanh đối xứng 145 inch khối từ 98 lên 150 mã lực. Cả hai hệ thống đều hoạt động với áp lực tăng khoảng 5 psi và bố cục "suck-through" dùng bộ chế hòa khí - theo thước đo ngày nay là vô cùng khiêm tốn, nhưng là một bước đột phá về công suất vào thời điểm đó.

Con đường của Jetfire kết thúc sớm hơn. Mẫu xe này cần một hệ thống phun hỗn hợp metanol-nước có tên Turbo-Rocket fluid để kiểm soát hiện tượng kích nổ vốn khó tránh ở động cơ có tỷ lệ nén thấp, và sau hai năm mẫu với sản lượng khoảng 9.600 chiếc thì bị dừng sản xuất. Riêng Corvair được bán trong năm năm, tiêu thụ hơn 50.000 chiếc, và tùy chọn này bị loại bỏ vào cuối năm mẫu 1966. Nói ngắn gọn, ở lần thử đầu tiên, turbo là một ý tưởng đúng về mặt công nghệ nhưng sớm về mặt thương mại.

Turbo trên đường đua: Từ Indy 500 đến các ông lớn 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.

Turbo gia nhập thể thao ô tô trước cả sản xuất hàng loạt. Năm 1952, chiếc xe đặc biệt Kurtis Kraft của Cummins với động cơ turbodiesel 6.4 lít cùng Fred Agabashian đã giành pole position tại Indy 500; nhưng phải bỏ cuộc sau khi bộ lọc khí nuốt phải mảnh vỡ trên đường đua. Cuộc bùng nổ thực sự bắt đầu năm 1966 khi chiếc xe turbo đầu tiên của Offenhauser xuất hiện trên lưới xuất phát; năm 1968, Bobby Unser thắng Indy 500 với turbo-Offy, và những động cơ này có thể sản xuất 1.200 mã lực với mức boost 54 psi trong vòng phân hạng. Sau những tai nạn chết người năm 1973, mức boost bị giới hạn còn ~39 psi.

Porsche 917/10 và 917/30: 1.500 mã lực từ ống xả

Porsche không thể tiếp tục với động cơ 4.5 lít của 917 do quy định động cơ 3 lít. Dưới sự dẫn dắt của Ferdinand Piëch, đội do Hans Mezger và Valentin Schäffer điều hành đã nâng động cơ lên 1.000 PS (735 kW) với tăng áp kép từ ống xả. Ngày 30 tháng 7 năm 1971, Jo Siffert lần đầu sử dụng chiếc 917/10 turbo tại Hockenheimring. Chiếc 917/30 ra mắt sau đó, với flat-12 turbo kép 5.4 lít, sản xuất công suất trên 1.500 mã lực trong vòng phân hạng, boost tăng lên 32 psi. Mark Donohue thắng 6 trong 8 chặng của mùa giải Can-Am 1973; năm 1975, ông lập kỷ lục vòng đua 221,160 mph tại Talladega. Chiếc xe này, vốn có cả hệ thống điều chỉnh boost do người lái kiểm soát, thể hiện góc nhìn cực đoan nhất của turbo lag khi phản ứng ga của phiên bản 1972 được mô tả như một "công tắc bật-tắt".

Kỷ nguyên turbo của Formula 1: Từ 1977 đến 1988

Renault RS01 đã khai mở kỷ nguyên turbo của Formula 1 tại Silverstone năm 1977. Xe lên đường đua với một turbo và 500 mã lực, bị đối thủ chế giễu là "yellow teapot" - ấm trà vàng. Sự coi thường không kéo dài lâu: Năm 1979, RS10 mang đến turbo kép và intercooler, chiến thắng của Jean-Pierre Jabouille tại Dijon biến turbo thành một lựa chọn nghiêm túc. Đến năm 1983, BMW, Honda, Renault, Alfa Romeo, Hart và TAG/Porsche đều cung cấp động cơ turbo; người ta bàn tán về mức boost 45 psi và 700 mã lực trong vòng phân hạng. Năm 1985, mức boost đạt 5,5 bar (~82 psi) và ước tính 1.500 mã lực - 1.000 mã lực mỗi lít, trên những chiếc xe nặng 1.200 pound.

Chung kết của kỷ nguyên là một màn trình diễn: Năm 1988, với McLaren MP4/4 và Honda RA168E V6 turbo kép, Senna và Prost thắng 15 trên 16 chặng đua. FIA cấm động cơ turbo bắt đầu từ mùa giải 1989; vì vậy một số lịch trình khép lại kỷ nguyên vào năm 1988, một số vào năm 1989 - thực tế khác biệt chỉ là một mùa giải, giữa năm cuối cùng các chiếc xe còn thi đấu và năm lệnh cấm có hiệu lực.

Bước xuống những chiếc xe đường phố: Cuộc vươn lên gian khó của thập niên 70 và thời hoàng kim của thập niên 80

Hành trình của công nghệ đua trở về đường phố không phải là một đường thẳng. BMW 2002 Turbo (1973-74) sản xuất 170 mã lực và mô-men xoắn 240 lb-ft, chỉ được sản xuất 1.672 chiếc với tỷ số nén 6,9:1 và không được nhập khẩu chính ngạch vào Mỹ. Cùng năm đó, Porsche 911 Turbo (930) với phiên bản mẫu 1975 mang lại 3,0 lít và 260 mã lực; hiệu suất dưới cánh gió "đuôi cá voi" đi kèm với độ trễ ga rõ rệt và xu hướng văng đuôi bất ngờ. Những chiếc xe này cho thấy vấn đề trễ turbo và khả năng kiểm soát vẫn chưa được giải quyết.

Một bước đi êm thấm hơn nhưng bền vững hơn đến từ Mercedes: Động cơ turbo diesel OM617A trên sedan W116 vào năm 1978 trở thành chiếc ô tô turbo diesel sản xuất hàng loạt đầu tiên, mở ra kỷ nguyên mà turbocharger bắt đầu được nhắc đến cùng với hiệu suất nhiên liệu và từ khóa khí thải thấp. Đến thập niên 80, tính cách trở nên đa dạng hơn: Ferrari 288 GTO (1984) sản xuất 400 mã lực với động cơ V8 twin-turbo IHI dung tích 2,8 lít, chỉ được sản xuất 277 chiếc và đặt nền móng cho F40. Buick Grand National / GNX (1987) với phiên bản GNX 547 chiếc đưa 0-60 xuống khoảng 5 giây, hoàn thành-quarter mile trong 13,2 giây, trở thành sản phẩm GM tăng tốc nhanh nhất thời kỳ đó. Về phía Chrysler, Dodge Daytona và Plymouth Laser năm 1984 trang bị turbo Garrett 146 mã lực; năm 1986, Shelby GLHS nâng con số này lên 175 mã lực. Ứng dụng turbo hình học biến thiên (VGT) sản xuất đầu tiên xuất hiện năm 1989 trên một biến thể Chrysler CSX.

Cơn bùng nổ của các nhà sản xuất Nhật Bản thập niên 80

Trong thập niên 1980, các nhà sản xuất Nhật Bản đã đẩy giới hạn bằng cách kết hợp turbocharger với khung gầm nhẹ và công nghệ bắt nguồn từ motorsport; thời kỳ này được gọi là "thời kỳ hoàng kim" với những chiếc Nissan turbo, Mazda động cơ rotary và các động cơ vòng tua cao của Honda. Dòng chảy này tiếp tục trong thập niên 90 với những biểu tượng như Nissan Skyline GT-R R32-R34, Honda NSX, Mazda RX-7 FD, Toyota Supra MK4 và Subaru Impreza WRX STI. Mặt đua của Porsche cũng không rời xa turbo: Chiếc 956 ra mắt năm 1982 với động cơ twin-turbo 2,8 lít đã đạt về đích một-hai-ba tại Le Mans; Trong khi đó, chiếc 962 được phát triển cho thị trường Mỹ đã giành 4 chức vô địch IMSA liên tiếp kể từ năm 1984.

Khủng hoảng dầu mỏ và downsizing: tại sao turbocharger thống trị sản xuất hàng loạt?

Mùa xuân thứ hai của turbocharger trên ô tô đường phố đến từ một sức ép kinh tế hơn là mục tiêu hiệu suất. Sau vụ cấm vận OPEC năm 1973, công suất của ô tô Mỹ sụt giảm; việc thu nhỏ dung tích bắt đầu như một phản ứng trực tiếp trước cuộc khủng hoảng này và dẫn đến các tiêu chuẩn kinh tế nhiên liệu CAFE. Mặc dù quá trình chuyển sang ô tô nhỏ đã bắt đầu trước vụ cấm vận đầu tiên, nhưng cuộc khủng hoảng đã khiến nó trở thành hiện trạng vĩnh viễn. Trước năm 1970, các động cơ V8 cỡ lớn với dung tích 5,7-7,5 lít và công suất cao là tiêu chuẩn; bảng đó bắt đầu khép lại.

Trong xu hướng thu nhỏ động cơ hiện đại, thay thế các động cơ hút khí tự nhiên cỡ lớn bằng động cơ turbo nhỏ mang lại lợi ích kinh tế nhiên liệu 20-30%; Dự đoán rằng phần lớn dòng xe Ford sẽ chạy bằng EcoBoost tóm tắt được phương hướng này. Kiểu bố trí hot-vee đặtturbo giữa hai khối xy-lanh cũng được tiến hóa từ Formula 1 và lần đầu xuất hiện trong sản xuất với động cơ BMW N63; BMW và Mercedes đang sản xuất công suất trên 600 mã lực với kiểu bố trí này.

Turbo lag là gì và kỹ thuật đã chế ngự nó như thế nào?

Turbo lag là độ trễ khi công suất tăng lên do tuabin không đạt đủ tốc độ quay ngay tại thời điểm đạp ga; trên 911 Turbo thập niên 70, độ trễ này là yếu tố quyết định tính cách lái xe. Câu trả lời kỹ thuật đã phát triển theo ba hướng chính:

  • Twin-scroll turbo: Dòng khí xả được dẫn đến tuabin qua các kênh riêng biệt giúp giảm nhiễu và tăng tốc độ phản hồi; đòi hỏi thân tuabin và ống góp có cổng chia đôi.
  • Twin-turbo song song: Sử dụng hai turbo nhỏ hơn; vì mỗi turbo nạp một thể tích nhỏ hơn nên quay nhanh hơn và độ trễ giảm cho cùng công suất.
  • Turbo nhỏ + dòng chảy hiệu quả: Tuabin nhỏ hơn làm việc hiệu quả ở vòng tua thấp hơn; thiết kế twin-scroll tối ưu hóa dòng chảy này giúp giảm rõ rệt độ trễ.

Cũng đừng quên nguồn gốc lịch sử của nó: Cơ chế boost do lái xe điều khiển trên Porsche 917/30 là một trong những cách quản lý độ trễ đầu tiên trong thế giới đua xe. Ngày nay, các bố trí twin-scroll và hot-vee đã đưa độ trễ xuống mức không thể cảm nhận trong sử dụng hằng ngày.

Kết luận: từ đường đua ra đường phố, từ đường phố vào động cơ

Lịch sử tăng áp turbin là câu chuyện của một cách tiếp cận chứ không phải của một bộ phận: không để năng lượng bị lãng phí. Hành trình từ xe tải Saurer đến Jetfire, từ các động cơ Offy đến RS01, từ 917/30 đến MP4/4, ở mỗi bước đều áp dụng cùng một nguyên lý vật lý ở những quy mô khác nhau. Làn sóng thu nhỏ động cơ sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ đã biến công nghệ này từ một lựa chọn thành tiêu chuẩn. Ngày nay, ngay cả những động cơ hot-vee vượt 600 mã lực vẫn vận hành theo cùng ý tưởng năm 1905 - chỉ là êm hơn, hiệu quả hơn và không còn độ trễ hơn rất nhiều.

Nguồn tham khảo