De Porsche turbo en zijn voorgeschiedenis
Hakse Straatsma
In 1975 kijk ik vanuit mijn werkkamer bij een ingenieursbureau in Nijmegen uit op de Sint Annastraat. Even verderop woont een heerschap die zijn geld verdient met “arbeidsbemiddeling“, in die tijd noemden wij dat een koppelbaas. Daarmee kon men in die jaren zeg maar royaal geld verdienen en als de eerste Porsche Turbo in dat jaar op de markt verschijnt met een prijskaartje van ongeveer 90.000 gulden, staat daar dan ook al snel zo’n zilvergrijs exemplaar voor de deur. Ik ben er getuige van hoe de Porsche Turbo in luttele seconden van 0 tot 100 km/h door de Sint Annastraat richting het Keizer Karelplein accelereert. Uiterst indrukwekkend, zonder al teveel kabaal en met een fluitende turbo…
Porsche Turbo 1975
Geschiedenis
Al vroeg in de ontwikkeling van de verbrandingsmotor begrijpt men dat het vermogen kan worden verhoogd als er meer lucht in de cilinder wordt gepompt. Met meer lucht (zuurstof) kan er ook meer brandstof verbrand worden, waardoor bij het ontsteken van het mengsel de druk in de cilinder hoger wordt en de zuiger dus met meer kracht naar beneden wordt gedrukt. Gottlieb Daimler kreeg al in 1885 een patent op een soort drukvulling waarbij de zuigeronderzijde als pomp werkte. Ook Rudolf Diesel houdt zich al in 1896 met een dergelijke drukvulling bezig. Uiteindelijk blijken beide prille experimenten niet succesvol. Meer succes hebben pogingen om drukvulling te realiseren met een rechtstreeks door de motor aangedreven compressor, bijvoorbeeld een rootsblower of centrifugaal compressor. Al in 1906 doet in de USA de eerste raceauto met zo’n centrifugaal compressor mee aan wedstrijden. De door dit compressortype opgewekte drukvulling heeft het voordeel dat het motorvermogen aanzienlijk kan worden verhoogd maar tegelijkertijd ook min of meer geregeld kan worden. Het nadeel is dat de aandrijving van de compressor vermogen kost. Al vanaf de eerste wereldoorlog wordt vooral bij vliegtuigmotoren drukvulling toegepast waardoor deze bovendien minder last hebben van de verminderde luchtdichtheid op grotere hoogte. Ook wordt dan al een koeler voor de gecomprimeerde lucht toegepast. Bij dieselmotoren komt in de jaren ‘20 de mechanische drukvulling in zwang, vooral bij grote motoren voor schepen en treinen. Vanaf het midden van de jaren ’20 van de vorige eeuw tot na de tweede wereldoorlog worden autoraces overheerst door raceauto’s met “compressormotoren”. Voorbeelden zijn de Grand Prix auto’s van Auto-Union (ontwikkeld door de oude professor Ferdinand Porsche) en Mercedes.
Auto Union GP auto type D met twee rootsblowers
Niet alleen bij racemotoren wordt mechanische drukvulling toegepast, ook bij de duurdere personenauto’s van de jaren ‘20 en ’30 is dit het geval. Voorbeelden zijn de Mercedes SSK en de Bentley 4,5 liter. In de jaren ‘50 verdwijnt de compressor door het veranderen van de reglementen uit de racerij, met uitzondering van de drag races. Bij de personenauto’s zien we in de jaren ‘70 en ‘80 weer mechanische compressoren opduiken, onder meer bij Aston Martin, Jaguar, Mercedes, Volkswagen (G-lader) en Fiat.
De uitlaatgas turbocompressor
Hoewel de turbocompressor, waarbij gebruik gemaakt wordt van de energie van de uitlaatgassen voor de aandrijving van een centrifugaal compressor, bijna net zo oud is als de verbrandingsmotor zelf, heeft de toepassing bij personenauto’s lang op zich laten wachten. In 1905 heeft de Zwitserse ingenieur Alfred Büchi het principe van de turbocompressor bedacht en vastgelegd in patenten.
Werking turbo compressor
De opbouw van een turbo is in principe eenvoudig; het geheel bestaat uit een turbinehuis met het turbinewiel dat via een as verbonden is met het compressorwiel dat in het compressorhuis zit. Door de hoge temperatuur van de uitlaatgassen hebben vooral het turbinedeel, de verbindingsas tussen turbine en compressor, de afdichtingen en de lagering het thermisch zwaar te verduren. De uitlaatgastemperatuur bedraagt bij diesels ca 650˚C maar kan bij benzinemotoren oplopen tot boven de 1.000˚C. Ook de smering van de verbindingsas – die bij de huidige turbo’s tot boven de 200.000 (!) toeren per minuut maakt – geeft de nodige problemen onder die thermische omstandigheden. Pas met de komst van nieuwe materialen zoals die in straalmotoren worden toegepast, is het mogelijk geworden compacte turbo’s te bouwen geschikt voor auto en vrachtauto’s. In eerste instantie worden turbocompressor alleen bij dieselmotoren voor schepen en treinen toegepast. Pas in 1938 wordt de eerste dieselvrachtauto met een turbo door het Zwitserse merk Saurer op de markt gebracht.
Turbocompressoren op personenauto’s
Bij een benzinemotor wordt het vermogen geregeld op basis van de cilindervulling; de hoeveelheid brandstof is afhankelijk van de hoeveelheid lucht. De hoeveelheid lucht wordt geregeld door de gasklep (of beter gezegd; smoorklep). De regeling van de turbodruk bij benzinemotoren heeft de nodige hoofdbrekens gekost, meer specifiek het probleem met het “turbogat”. Als het gaspedaal ingedrukt wordt, duurt het enige tijd voordat de turbine op toeren komt, druk gaat leveren en het motorvermogen toeneemt; het “turbogat”. Pas in 1962 waagt General Motors het om twee turbomodellen op de markt te brengen: de Chevrolet Corvair Monza en de Oldsmobile Jetfire. Bij de Corvair maakt GM bij de 6 cilinder boxermotor gebruik van een bypass en de Jetfire beschikt al over een in de turbo geïntegreerde regelklep voor het begrenzen van de laaddruk. Na een jaar zijn beide modellen evenwel geschrapt vanwege de grote storingsgevoeligheid, het “turbogat “en het hoge brandstofverbruik. De Zwitserse ingenieur Michael May – hij heeft zich eerder bij Porsche en Ferrari met benzine-inspuiting bezig gehouden – komt in 1967 met een turbokit op de markt die specifiek is ontwikkeld voor Ford V6 carburatiemotoren. Daarmee stijgt het vermogen van de 2,3 liter motor van 108 naar 180 pk. De druk in het inlaatkanaal wordt beperkt door een klep in het inlaatkanaal tussen de turbo en de carburateur. Dit “pop-off ventiel” laat bij het bereiken van een vooraf ingestelde overdruk het teveel aan lucht ontsnappen.
BMW 2002 Turbo
Ook de BMW 2002 Turbo – vooral herkenbaar aan het opschrift “Turbo 2002” in spiegelschrift aan de voorzijde – die in 1973 op de markt komt, is uitgerust met een dergelijke regeling. Met een Kugelfischer benzine inspuiting levert de motor 170 pk tegen 130 pk bij de versie zonder turbo. Deze BMW was echter met slechts 1.672 exemplaren geen groot verkoopsucces, vooral door de technische (on)betrouwbaarheid en de energiecrisis. Bij de personenauto’s zijn de turbomotoren tot halverwege de jaren ‘70 nog geen succes maar bij de racerij intussen wel.
Porsche Can-Am turbo’s
Het turbo tijdperk van Porsche begint in 1969 met de beslissing mee te gaan doen met het sportwagen kampioenschap in de Canadian-American Challenge Cup (Can-Am). Bij deze in 1966 gestarte serie zijn er geen beperking in de soort aandrijving, cilinderinhoud en dergelijke. In de eerste jaren worden de races gedomineerd door auto’s van Bruce McLaren die zijn uitgerust met V8 motoren van Chevrolet. Porsche bouwt in 1969 de nieuwe 917PA (Porsche + Audi) met een 4,5 liter twaalfcilinder motor met 580 pk. Maar in de races is deze niet opgewassen tegen de V8 motoren met vermogens boven de 600 pk. Porsche vergroot de cilinderinhoud voor het volgende seizoen naar 5 liter (630 Pk) en later nog naar 5,4 liter met 660 pk. Ook dit is echter niet voldoende om de McLarens van de overwinning af te houden. Meer vermogen is noodzakelijk. Eerst wordt geprobeerd door de twaalfcilinder te voorzien van 4 extra cilinders: de zestien(!)cilinder Porsche motor is geboren. In 6,5 liter uitvoering levert deze motor 760 pk maar men schat in dat dit vermogen in combinatie met het hogere gewicht van de motor en het langere en zwaardere chassis niet voldoende zal zijn.
De 12 cilinder motor met twee turboladers
Uiteindelijk wordt besloten de twaalfcilinder motor van turbo’s te voorzien om zodoende minimaal 800 pk te kunnen bereiken. De resultaten bij Europese toerwagenraces, die Michael May met de turbo Ford en BMW motoren behaalt, hebben aan deze beslissing bijgedragen. Zo wordt in 1968 een BMW 2002 turbo winnaar bij de Europese toerwagen kampioenschappen. Bij Porsche is op dat moment evenwel nog niet veel kennis van turbomotoren aanwezig. Wel heeft men in het verleden ervaring opgedaan met het opladen van motoren met rootsblowers. Zo zijn daar bijvoorbeeld de Auto Union GP auto’s van voor de tweede wereldoorlog, de op een Volkswagen motor gebaseerde buitenboordmotor voor het leger en de Cisitalia GP auto. Het team van Hans Metzger en Valentin Schäfer gaat aan de slag. Men voorziet de twaalfcilinder motor van twee Eberspächer turbo’s die oorspronkelijk bij dieselmotoren worden toegepast. Eerst tracht men de turbodruk te regelen door, net als bij de May turbo’s, de druk in de inlaat te beperken. Een overdru klep verhindert dat de druk in het inlaatspruitstuk te hoog wordt. Met deze regeling is de auto moeilijk te beheersen; een aanzienlijk “turbogat” bij gas geven en bij gas loslaten draait de turbo nog door en neemt het vermogen niet snel genoeg af. In de USA ontdekte Schäfer dat een Offenhauser turbo Indy motor met een klep in de uitlaat (wastgate of bypass) is uitgerust, waardoor de uitlaatdruk voor de turbo wordt beperkt en de overtollige uitlaatgassen naar de uitlaat worden afgevoerd. Schäfer koopt een klep en past dit systeem bij de twaalfcilindermotor toe waardoor de regeling van de turbo wordt verbeterd. Na veel detailwerk is in de loop van 1972 de motor gereed om ingezet te worden bij de Can-Am. Het vermogen van de 5,0 litermotor is dan al gestegen tot 920 pk. In het jaar daarop is vermogen van de 5,4 liter motor tot ca. 1.200 pk toegenomen, maximaal zelfs boven de 1.500 pk. Porsche domineert de Can-Am totdat voor 1974 de reglementen worden gewijzigd en onder meer het brandstofgebruik beperkt wordt. Dat brengt het einde van de turbomotoren bij de Can-Am met zich mee.
Porsche 930
Door de komende reglementveranderingen van de FIA besluit Porsche eind november 1973 met een turbo 911 mee te gaan doen in de Groep 4 “Special GT” en de daarvoor vereiste 400 eenheden te bouwen. Het is een moedig besluit van Ernst Fuhrmann om midden in de oliecrisis een dergelijke auto te gaan ontwikkelen. De auto krijgt het interne typenummer 930. Bij Porsche is men voor die tijd ook al met een turbomotor voor de 911 bezig geweest. De eerste pogingen daartoe dateren al van 1969 / 1970. In 1972 installeert men een 2,7 liter motor met turbo in een auto. Bij rijproeven in het ontwikkelingscentrum van Porsche in Weissach blijkt dat er met 250 pk vermogen genoeg is, maar dat het beheersen daarvan nog te wensen overlaat. Bovendien blijkt dit vermogen voor het standaard 911 onderstel teveel van het goede. Pas in het voorjaar van 1974 heeft men een de grootste problemen opgelost. De uiteindelijke motor van de 930 (type 930/50) is ontwikkeld uit de motor van de RS 3.0. Samengevat hetzelfde motorblok uit een aluminium-silicium legering, voorzien van Nikasil cilinders met 95 mm boring en aangepaste koelribben. Gewijzigd zijn onder anderen de hoek tussen de inlaat- en uitlaatklep, de aanzuigkanalen, de nokkenaslagers en het nokkenprofiel. Alleen de krukas en de drijfstangen stammen nog uit de “gewone” 911. Vlakke zuigers verlagen de kompressieverhouding tot 6,5:1. Voor de brandstofinspuiting valt de keuze op het K-Jetronic systeem van Bosch dat sinds modeljaar 1974 bij de 911 wordt toegepast. De luchthoeveelheidmeter van het bij de 911 toegepaste K-Jetronic systeem is echter ongeschikt voor de veel grotere luchthoeveelheden van de turbomotor. Gelukkig heeft Bosch nog een K-Jetronic systeem voor achtcilinder motoren dat luchthoeveelheden tot 400 pk aan kan. Dit systeem wordt toegepast, waarbij twee uitgangen van de K-Jetronic worden afgesloten. Deze oplossing heeft tot 1994 stand gehouden. Het basissysteem van de inspuiting is geheel mechanisch en eenvoudig van opbouw. De continue benzine inspuiting (6,7 bar) is in het inlaatspruitstuk op korte afstand van de inlaatklep. De regeling van de hoeveelheid brandstof geschiedt door een luchthoeveelheidmeter.
Porsche 930 3,0 liter Turbo motor
1975 KKK turbo type 3LDZ
Bij de ontwikkeling van het turbogedeelte wordt gretig gebruik gemaakt van de opgedane kennis bij de Can-Am turbomotoren. Daarnaast heeft men geleerd van de ontwikkeling van de 2.1 liter turbomotor met ca. 500 pk voor de Groep-5 RSR turbo voor het raceseizoen van 1974. Voor de turbo wordt gekozen voor het type 3LDZ van de firma KKK (Kühnle, Kopp und Kausch). Deze firma die sinds 1952 turbo’s produceert, heeft in 1972 de turbo tak van Eberspächer overgenomen. Voor de turbo is in de toch al volle motorruimte nog net plek gevonden, links onder naast de uitlaat. Door deze laaggelegen positie kan de olie van de turbo niet vanzelf in het smeersysteem teruglopen waardoor een extra oliepomp nodig is om de olie terug in de olietank te pompen.
Werking turbo gedeelte
De maximale turbodruk wordt op 0,8 bar begrensd door een bypassklep in de uitlaat. Om het toerental van de turbine bij gas terugnemen niet teveel te laten dalen, zit tussen de aanzuigleiding en de persleiding een verbindingleiding met een klep. Deze klep opent bij onderdruk in het inlaatspruitstuk waardoor een kortsluiting tussen de in- en uitgang van de compressor ontstaat en de lucht rondgepompt wordt. Om motorschade te voorkomen als de laaddruk onverhoopt boven de 1,0 á 1,2 bar stijgt, verbreekt een veiligheidsschakelaar de stroomtoevoer naar de benzinepomp. Het vermogen van de turbomotor is met opzet beperkt tot 260 pk omdat men een hoger vermogen voor een “normale” automobilist niet veilig acht. Om dit vermogen de baas te kunnen, is een nieuw vierversnellingsbak nodig (type 930/30) en een sterkere koppeling. Ook de gehele wielophanging , torsieveren en stabilisatoren worden aan het hogere vermogen aangepast.
Vermogen en koppel Porsche 930 Turbo versus 911 Carrera
In 1974 gaat men er vanuit dat er geen grote aantallen van de turbo verkocht zullen worden. Alle nodige componenten worden dan ook in Weissach gefabriceerd. Dat geldt bijvoorbeeld ook voor de achterspatbordverbredingen die met de hand (!) worden ingelast omdat nieuwe carrosseriemallen te duur zijn voor een kleine serie. De vraag naar de turbo overtreft echter alle verwachtingen en met besluit in het voorjaar van 1976 dan ook tot de ontwikkeling van de 3,3 liter Turbo (type 930/60). Voor deze motor met een boring van 97,0 mm en een slag van 74,4 mm zijn o.a. een nieuwe drijfstangen, zuigers en cilinders nodig. Ook een nieuwe krukas en oliepomp worden ontwikkeld. Door het comprimeren van de lucht bedraagt de luchttemperatuur voor de inlaatklep meer dan 140˚C. Hierdoor neemt de thermische belasting van de motor toe en vermindert de hoeveelheid lucht die de cilinders ingepompt kan worden. Door het toepassen van een luchtkoeler (intercooler) kan de luchttemperatuur met 50˚C à 60˚C verlaagd worden en de lucht hoger gecomprimeerd in de cilinder worden gepompt. De luchtkoeler vind een plek onder de nieuwe vleugel op de motorkap. Dankzij al deze ingrepen stijgt het motorvermogen van de 3,3 liter tot 300 pk.
Porsche 930 Turbo 3.3
Porsche 930 3.3 liter Turbo met intercooler
De Porsche 930 motoren markeren het begin van een lange weg van de ontwikkeling van turbomotoren voor personenauto’s. Porsche is een van de voorlopers geweest, andere autofabrikanten volgen zoals Saab, Audi en BMW. Bij dieselmotoren is de turbo nu standaard geworden en bij benzine motoren zal deze in de toekomst ook niet meer weg te denken zijn. Ook de tot voor kort altijd met atmosferische motoren uitgeruste “standaard” 911’jes gaan vanaf dit modeljaar met drukvulling door het leven.
Referenties:
- Turbo- und Kompressormotoren, Hack/ Langkabel
- Porsche Geschicte und technik der Renn und Sportwagen , Carl Ludvigsen
- Porsche 911 Der luftgekühlte Boxermotor, Tobias Aichele
- Porsche Forever young, Tobias Aichele
- Monografie Porsche 911, Der Dauer-Renner , Motor Presse
- Oldtimermarkt, Heft 8/99