เทอร์โบเพิ่มแรงม้าให้กับเครื่องยนต์ได้อย่างไร

ในอดีต หลังจากที่คิดค้นเครื่องยนต์สันดาปภายในได้ไม่นาน ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและเพิ่มกำลังของเครื่องยนต์อย่างต่อเนื่อง การเพิ่มปริมาตรกระบอกสูบ หรือพูดง่ายๆ คือ การเพิ่มปริมาตรของเครื่องยนต์เพื่อเผาไหม้อากาศและเชื้อเพลิงให้มากขึ้น  เป็นหนึ่งในความก้าวหน้าในการเพิ่มแรงม้า อีกวิธีหนึ่งคือ การคงปริมาตรกระบอกสูบไว้เท่าเดิม แต่ใช้วิธีอัดอากาศและเชื้อเพลิงเข้าไปมากขึ้น ผ่านระบบเทอร์โบชาร์จหรือซูเปอร์ชาร์จ 

เทอร์โบ ระบบอัดอากาศที่เพิ่มแรงม้าแรงบิดให้กับเครื่องยนต์ มีการทำงานโดยเชื่อมต่อกับท่อไอเสียด้านบนที่มีไอเสียไหลผ่านจากกระบอกสูบ โดยอาศัยแรงดันไอเสียไปหมุนครีบเทอร์ไบน์หรือกังหันไอเสียและปล่อยไอเสียไปยังท่อระบาย ในขณะที่ปลายอีกด้านของแกนกังหันไอเสียจะมีครีบใบพัดของไอดีซึ่งหมุนไปพร้อมๆกันและดูดอากาศเข้ามาในห้องคอมเพรซเซอร์ เพื่อทำการอัดไอดีหรืออากาศบริสุทธิ์เข้าสู่กระบอกสูบของเครื่องยนต์ ผสมกับเชื้อเพลิง และทำการจุดระเบิด คายออกมาเป็นแรงบิด แน่นนอนว่า อากาศที่ผสมกับเชื้อเพลิง ยิ่งเข้าไปที่กระบอกสูบมากเท่าไหร่ก็จะได้แรงม้ามากขึ้น 

ทุกวันนี้ เครื่องยนต์สันดาปภายในติดตั้งระบบอัดอากาศเทอร์โบชาร์จเจอร์กลายเป็นที่นิยมและมีความสำคัญอย่างยิ่งในการเพิ่มกำลังแรงม้า เครื่องยนต์เทอร์โบยุคใหม่นอกจากจะเพิ่มประสิทธิภาพให้กับเครื่องยนต์ขนาดเล็กแล้ว ยังช่วยทำให้อัตราสิ้นเปลืองลดลงอีกด้วย แรงม้าที่เพิ่มเข้ามา ฟังดูดี นั่นเป็นคุณสมบัติที่ทำให้เทอร์โบได้รับความนิยมในวงการรถแข่งและรถสปอร์ตสมรรถสูงลุกลามมายังรถบ้านทั้งดีเซลและเบนซิน คำถามที่ว่า "เทอร์โบเพิ่มกำลังม้าได้เท่าไหร่?"ทุกวันนี้ บริษัทรถยนต์ที่ผลิตเครื่องเทอร์โบ ไม่ได้หมายถึงแค่เรื่องกำลังอีกต่อไป เทอร์โบไฟฟ้าสมัยใหม่ยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพด้านอัตราเร่งตีนต้น การประหยัดน้ำมัน ทำให้เครื่องยนต์ขนาดเล็ก ความจุ 1.6 -2.0 ลิตร มีประสิทธิภาพสูงมาก 

เทอร์โบชาร์จเจอร์คืออะไร?

เทอร์โบชาร์จเจอร์เป็นระบบอัดอากาศชนิดหนึ่ง ทำหน้าที่อัดอากาศที่ไหลเข้าสู่เครื่องยนต์ของรถยนต์ ข้อดีของการอัดอากาศ คือ ช่วยให้เครื่องยนต์สามารถบีบอากาศเข้าไปในกระบอกสูบได้มากขึ้น  อากาศที่มากขึ้นหมายความว่าสามารถเติมเชื้อเพลิงเข้าไปผสมได้มากขึ้น  ได้กำลังมากขึ้น จากการระเบิดแต่ละครั้ง ในแต่ละกระบอกสูบ

เครื่องยนต์เทอร์โบชาร์จเจอร์ผลิตกำลังโดยรวมได้มากกว่าเครื่องยนต์ขนาดเดียวกันที่ไม่มีระบบอัดอากาศ ซึ่งสามารถปรับปรุงอัตราส่วนแรงม้าต่อน้ำหนักของเครื่องยนต์ได้อย่างมาก นอกจากนี้ เครื่องยนต์ขนาดเล็กยังกลายเป็นขุมกำลังที่ผลิตแรงม้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งหมายความว่าไม่ต้องแวะปั๊มน้ำมันบ่อย เพื่อให้ได้กำลังที่เพิ่มขึ้น  เทอร์โบชาร์จเจอร์ ใช้ไอเสียจากเครื่องยนต์ไปหมุนกังหันเทอร์ไบน์ ซึ่งจะหมุนปั๊มอากาศต่อไป กังหันในเทอร์โบชาร์จเจอร์ หมุนด้วยความเร็วรอบ ระหว่าง 80,000 ถึง 200,000 รอบต่อนาที (rpm) เร็วกว่ารอบเครื่องยนต์ถึง 30 เท่า แต่การเชื่อมต่อกับท่อไอเสีย กังหันทำงานที่อุณหภูมิสูงอย่างต่อเนื่อง ทำให้รถเทอร์โบมีอุณหภูมิการทำงานสูงกว่ารถยนต์ที่ไม่มีระบบอัดอากาศ  

หนึ่งในวิธีที่แน่นอนที่สุด ในการปรับปรุงสมรรถนะเครื่องยนต์ เพิ่มกำลังให้กับเครื่องยนต์ คือ การเพิ่มปริมาณอากาศและเชื้อเพลิงที่สามารถเผาไหม้ได้อย่างหมดจดและรวดเร็ว  หนึ่งในการทำให้เครื่องยนต์แรงขึ้นก็คือ การเพิ่มกระบอกสูบหรือขยายขนาดกระบอกสูบที่มีอยู่ แต่การปรับแต่งแบบนั้นทำได้ยาก เทอร์โบ เป็นทางลัดในการเพิ่มกำลัง และเป็นวิธีการเอาเปรียบเชิงกลที่ง่ายกว่าและกะทัดรัดกว่า  

เทอร์โบชาร์จเจอร์ช่วยให้เครื่องยนต์เผาไหม้เชื้อเพลิงและอากาศได้มากขึ้นด้วยการอัดอากาศและเชื้อเพลิงเข้าไปในกระบอกสูบ แรงดันบูสต์ทั่วไปของเทอร์โบชาร์จเจอร์ อยู่ที่ 6 ถึง 8 ปอนด์ ต่อตารางนิ้ว (psi) เนื่องจากความดันบรรยากาศปกติอยู่ที่ 14.7 psi ที่ระดับน้ำทะเล เห็นได้ว่าเครื่องยนต์รับอากาศเพิ่มขึ้นประมาณ 50 เปอร์เซ็นต์ ดังนั้นเราคาดหวังว่าจะได้กำลังเพิ่มขึ้น 50 เปอร์เซ็นต์ แต่จริงๆแล้วไม่ใช่ เนื่องจากเทอร์โบชาร์จเจอร์ ไม่ได้มีประสิทธิภาพสมบูรณ์แบบเสมอไป กำลังที่เพิ่มเข้ามา 30 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ ถือว่าน่าจะเพียงพอต่อการใช้งานในชีวิตประจำวัน 

กำลังแรงม้าที่เพิ่มขึ้นจากเทอร์โบชาร์จเจอร์ ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย หลายตัวแปร เช่น ขนาดของเทอร์โบ ประเภทของเครื่องยนต์ การปรับแต่งเทอร์โบ  เมื่อเครื่องยนต์พื้นฐานผลิตกำลัง 200 แรงม้า เทอร์โบชาร์จเจอร์อาจเพิ่มกำลังได้ถึง 240-280 แรงม้า หรือมากกว่านั้น สาเหตุหนึ่งของความไม่ eficiente มาจากข้อเท็จจริงที่ว่า พลังงานที่ใช้ในการหมุนกังหัน ไม่ได้มาฟรีๆ การมีกังหันอยู่ในกระแสไอเสีย เพิ่มแรงต้านในระบบไอเสีย หมายความว่า ในจังหวะไอเสีย เครื่องยนต์ต้องดันต้านแรงดันย้อนกลับสูงขึ้น ทำให้กำลังของกระบอกสูบที่ทำงานพร้อมกันลดลง (เล็กน้อย)

เทอร์โบชาร์จเจอร์ในรถยนต์ส่วนใหญ่มีวาล์วระบายไอเสีย (wastegate)  ลดอาการหน่วงในเทอร์โบชาร์จเจอร์ขนาดเล็ และป้องกันไม่ให้ใบพัดหมุนเร็วเกินไปที่ความเร็วรอบเครื่องยนต์สูง วาล์วระบายไอเสียเป็นวาล์วที่ปล่อยให้ไอเสียไหลผ่านครีบใบพัดเทอร์ไบน์ วาล์วระบายไอเสีย จะตรวจจับแรงดันบูสต์ หากแรงดันสูงเกินไป ทำให้ใบพัดหมุนเร็วจัด  วาล์วระบายไอเสียจะเปิดให้ไอเสียบางส่วนรอบๆ ใบพัดไหลผ่าน เพื่อทำให้ใบพัดหมุนช้าลง

เทอร์โบชาร์จเจอร์บางรุ่นใช้ ตลับลูกปืนแทนของเหลวหล่อลื่นเพื่อรองรับแกนเทอร์ไบน์  ไม่ใช่ตลับลูกปืนธรรมดาสามัญทั่วไป เป็นตลับลูกปืนที่มีความแม่นยำสูงมาก ทำจากวัสดุขั้นสูง เพื่อรองรับความเร็วและอุณหภูมิของเทอร์โบชาร์จเจอร์ แบริ่งแบบใช้ของเหลวช่วยให้แกนเทอร์ไบน์หมุนได้โดยมีแรงเสียดทานน้อยกว่าแบริ่งแบบใช้ของเหลวที่ใช้ในเทอร์โบชาร์จเจอร์ส่วนใหญ่ นอกจากนี้ ยังสามารถใช้แกนเทอร์ไบน์ขนาดเล็กและเบา ช่วยให้เทอร์โบชาร์จเจอร์เร่งความเร็วได้เร็วขึ้น ลดอาการเทอร์โบแล็กหรืออาการรอรอบได้อีกด้วย

อินเตอร์คูลเลอร์ หรือ ตัวระบายความร้อนอากาศอัด เป็นส่วนประกอบเพิ่มเติมที่มีลักษณะคล้ายหม้อน้ำ แต่แตกต่างตรงที่อากาศจะไหลผ่านทั้งภายในและภายนอกของอินเตอร์คูลเลอร์ อากาศที่เข้าสู่ระบบจะไหลผ่านช่องทางที่ปิดสนิทภายในตัวระบายความร้อน ในขณะที่อากาศเย็นจากภายนอกจะถูกเป่าผ่านครีบโดยพัดลมระบายความร้อนของเครื่องยนต์

อินเตอร์คูลเลอร์ช่วยเพิ่มกำลังของเครื่องยนต์ โดยการระบายความร้อนของอากาศอัดที่ออกมาจากคอมเพรสเซอร์ก่อนที่จะเข้าสู่เครื่องยนต์ ซึ่งหมายความว่าหากเทอร์โบชาร์จเจอร์ทำงานที่แรงดัน 7 psi ระบบอินเตอร์คูลเลอร์จะส่งอากาศเย็นเข้าไป 7 psi ซึ่งมีความหนาแน่นมากกว่าและมีโมเลกุลอากาศมากกว่าอากาศที่อุ่นกว่า

ระบบฉีดเชื้อเพลิงในรถยนต์ปัจจุบันอาศัยเซ็นเซอร์ออกซิเจนในท่อไอเสียเพื่อตรวจสอบว่าอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงถูกต้องหรือไม่ ดังนั้นระบบจะเพิ่มปริมาณการไหลของเชื้อเพลิงโดยอัตโนมัติหากมีการติดตั้งเทอร์โบชาร์จเจอร์ แต่หากติดตั้งเทอร์โบชาร์จเจอร์ที่มีแรงดันสูงเกินไปในรถยนต์ระบบฉีดเชื้อเพลิง ระบบอาจจ่ายเชื้อเพลิงไม่เพียงพอ อาจเป็นเพราะซอฟต์แวร์ที่ตั้งโปรแกรมไว้ในตัวควบคุมไม่อนุญาต หรือปั๊มและหัวฉีดไม่สามารถจ่ายเชื้อเพลิงได้เพียงพอ ในกรณีนี้ จะต้องทำการดัดแปลงอื่นๆ เพื่อให้ได้ประโยชน์สูงสุดจากเทอร์โบชาร์จเจอร์

สำหรับอินเตอร์คูลเลอร์ หรือตัวลดอุณหภูมิไอดี เป็นส่วนประกอบที่มีลักษณะคล้ายหม้อน้ำ แต่แตกต่างตรงที่อากาศจะไหลผ่านทั้งภายในและภายนอกของอินเตอร์คูลเลอร์ อากาศที่เข้าสู่ระบบ จะไหลผ่านช่องทางที่ปิดสนิทภายในตัวระบายความร้อน ในขณะที่อากาศเย็นจากภายนอก จะถูกเป่าผ่านครีบโดยพัดลมระบายความร้อนของเครื่องยนต์

อินเตอร์คูลเลอร์ เพิ่มกำลังของเครื่องยนต์โดยการระบายความร้อนของอากาศอัดที่ออกมาจากคอมเพรสเซอร์ก่อนที่จะเข้าสู่เครื่องยนต์ หมายความว่าหากเทอร์โบชาร์จเจอร์ทำงานที่แรงดัน 7 psi  อินเตอร์คูลเลอร์จะส่งอากาศเย็นเข้าไป 7 psi ซึ่งมีความหนาแน่นมากกว่า มีโมเลกุลอากาศมากกว่าอากาศร้อนที่ไม่ได้ผ่านการลดอุณหภูมิ

 ระบบฉีดเชื้อเพลิงในรถยนต์ปัจจุบันใช้ออกซิเจนเซนเซอร์ ติดตั้งในท่อไอเสีย เพื่อตรวจสอบอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงขณะทำงานว่าถูกต้องหรือไม่  ระบบจะเพิ่มปริมาณการไหลของเชื้อเพลิงโดยอัตโนมัติ หากมีการติดตั้งเทอร์โบชาร์จเจอร์ แต่หากติดตั้งเทอร์โบชาร์จเจอร์ที่มีแรงดันสูงเกินไปในรถยนต์ระบบฉีดเชื้อเพลิง ระบบอาจจ่ายเชื้อเพลิงไม่เพียงพอ อาจเป็นเพราะซอฟต์แวร์ที่ตั้งโปรแกรมไว้ในตัวควบคุม หรือปั๊มและหัวฉีดไม่สามารถจ่ายเชื้อเพลิงได้เพียงพอ ในกรณีนี้  ต้องทำการดัดแปลงส่วนอื่นๆ เพื่อให้ได้ประโยชน์สูงสุดจากการติดตั้งเทอร์โบชาร์จเจอร์

เทอร์โบคู่ vs. เทอร์โบเดี่ยว แบบไหนให้ประสิทธิภาพดีกว่ากัน?

สำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพเครื่องยนต์นั้น ระบบเทอร์โบคู่และเทอร์โบเดี่ยวเป็นสองตัวเลือกยอดนิยม ในการพิจารณาว่าตัวเลือกใดเหมาะสมที่สุดสำหรับรถของคุณ ควรพิจารณาปัจจัยต่อไปนี้:

 เป้าหมายด้านกำลัง: การใช้เทอร์โบเดี่ยวอาจเป็นวิธีที่จะได้กำลังม้าเพิ่มขึ้นมากที่สุด เทอร์โบขนาดใหญ่สามารถสร้างกำลังได้มากกว่า แต่ก็อาจมีอาการหน่วงมากกว่าเช่นกัน

สไตล์การขับขี่: เทอร์โบคู่เป็นที่ต้องการมากกว่าสำหรับการขับเคลื่อนที่ต้องการประสิทธิภาพสูงสุด (ในสนามแข่ง) เนื่องจากให้กำลังและอัตราเร่งที่ดีกว่าในรอบต่ำ เทอร์โบขนาดเล็กจะหมุนเร็วขึ้นและให้กำลังและอัตราเร่งที่ดีกว่าในรอบต่ำ

งบประมาณ:  เทอร์โบคู่มีราคาแพงกว่าระบบเทอร์โบเดี่ยว  ต้องใช้เทอร์โบสองตัวและชิ้นส่วนอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องอีกเพียบ

ความง่ายในการติดตั้ง:  เทอร์โบเดี่ยวติดตั้งง่ายกว่า เนื่องจากมีโครงสร้างที่เรียบง่าย ในขณะที่เทอร์โบคู่มีความซับซ้อนของระบบมากกว่า.

อาคม รวมสุวรรณ
E-Mail chang.arcom@thairath.co.th
Facebook https://www.facebook.com/chang.arcom
https://www.facebook.com/ARCOM-CHANG-Thairath-Online-525369247505358/