เทอร์โบ ตัวช่วยอัพพลังเครื่องยนต์ จากไอเสียที่ไม่ใช้สู่แรงม้าที่เร้าใจ
โลกของเครื่องยนต์สันดาปภายใน โดยเฉพาะในรถยนต์ยุคปัจจุบัน คำว่า "เทอร์โบ" หรือชื่อเต็มๆ คือ เทอร์โบชาร์จเจอร์ (Turbocharger) กลายเป็นคำที่คุ้นหูและพบเห็นได้บ่อยครั้ง ไม่ว่าจะเป็นรถยนต์ขนาดเล็กสำหรับคนเมือง ไปจนถึงรถกระบะแรงสูง หรือแม้กระทั่งรถสปอร์ตสมรรถนะจัดจ้าน เทอร์โบคือหนึ่งในเทคโนโลยีสำคัญที่เข้ามาปฏิวัติประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ ทำให้รถยนต์มีพละกำลังเพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดด แต่ในขณะเดียวกันก็สามารถรักษาประสิทธิภาพการประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิงไว้ได้ด้วย แล้วเจ้าเทอร์โบนี้คืออะไร ทำงานอย่างไร มีข้อดีข้อเสียแบบไหนบ้าง เรามาทำความรู้จักกันครับ
ข่าวที่เกี่ยวข้อง
เทอร์โบ คืออะไร?
เทอร์โบ คืออุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ อัดอากาศ เข้าสู่ห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ให้มีปริมาณและความดันสูงกว่าปกติ เครื่องยนต์สันดาปภายในจะสร้างกำลังได้เมื่อมีการเผาไหม้เชื้อเพลิงกับอากาศ ยิ่งมีอากาศเข้าไปในห้องเผาไหม้ได้มากเท่าไหร่ ก็ยิ่งสามารถฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงเข้าไปได้มากขึ้นเท่านั้น ซึ่งจะส่งผลให้การเผาไหม้สมบูรณ์และได้พละกำลังเพิ่มขึ้น
หลักการทำงานของเทอร์โบมีความน่าสนใจตรงที่มันใช้ พลังงานจากไอเสีย ที่ถูกปล่อยทิ้งออกมาจากเครื่องยนต์มาใช้ประโยชน์ โดยปกติแล้ว ไอเสียเหล่านี้จะถูกปล่อยออกไปโดยเปล่าประโยชน์ แต่เทอร์โบจะนำพลังงานจลน์และความร้อนของไอเสียมาหมุนกังหัน (Turbine) เพื่อขับเคลื่อนอุปกรณ์อีกชิ้นหนึ่งที่เรียกว่าคอมเพรสเซอร์ (Compressor) ซึ่งมีหน้าที่ดูดอากาศจากภายนอกเข้ามาอัดให้มีความดันสูง ก่อนที่จะส่งอากาศอัดนี้เข้าสู่ท่อร่วมไอดีและเข้าสู่ห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ต่อไป
หลักการทำงานของเทอร์โบ
เทอร์โบชาร์จเจอร์ประกอบด้วยส่วนประกอบหลักๆ 2 ส่วน ที่เชื่อมต่อกันด้วยแกนเพลาเดียวกัน และติดตั้งอยู่คนละฝั่งของตัวเทอร์โบ
- โข่งไอเสีย (Turbine Housing) และ ใบพัดเทอร์ไบน์ (Turbine Wheel):เมื่อเครื่องยนต์ทำงาน ไอเสียที่มีทั้งแรงดันและความร้อนสูงจะถูกส่งออกมาจากท่อไอเสียของเครื่องยนต์และไหลเข้าสู่โข่งไอเสียไอเสียจะไปกระทบกับใบพัดเทอร์ไบน์ ทำให้ใบพัดหมุนด้วยความเร็วสูงมาก (บางครั้งสูงถึง 200,000 รอบต่อนาที)พลังงานจากการหมุนของใบพัดเทอร์ไบน์นี้จะถูกส่งผ่านแกนเพลาไปยังอีกฝั่งหนึ่ง
- โข่งไอดี (Compressor Housing) และ ใบพัดคอมเพรสเซอร์ (Compressor Wheel):ใบพัดคอมเพรสเซอร์ ซึ่งเชื่อมต่ออยู่กับแกนเพลาเดียวกัน จะหมุนไปพร้อมกับใบพัดเทอร์ไบน์เมื่อใบพัดคอมเพรสเซอร์หมุน มันจะดูดอากาศจากภายนอกเข้ามา และอัดอากาศให้มีความดันสูงขึ้นอากาศอัดที่มีความดันสูงและอุณหภูมิสูงขึ้นเล็กน้อยนี้จะถูกส่งผ่านท่อต่อไปยังอินเตอร์คูลเลอร์ (Intercooler) (ถ้ามี) เพื่อลดอุณหภูมิ ก่อนจะเข้าสู่ท่อร่วมไอดีและเข้าสู่ห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์
เมื่ออากาศอัดที่มีความหนาแน่นสูงและเย็นลงถูกส่งเข้าสู่ห้องเผาไหม้ร่วมกับน้ำมันเชื้อเพลิงที่ถูกฉีดเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนที่เหมาะสม (ควบคุมโดย ECU หรือกล่องควบคุมเครื่องยนต์) จะทำให้การเผาไหม้มีประสิทธิภาพมากขึ้นอย่างมหาศาล ส่งผลให้เครื่องยนต์สร้างกำลัง แรงม้า และแรงบิดได้สูงกว่าเครื่องยนต์ที่มีขนาดเท่ากันแต่ไม่มีเทอร์โบ
ข้อดีของเทอร์โบ
- เพิ่มพละกำลังและแรงบิด นี่คือข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุด เทอร์โบช่วยให้เครื่องยนต์ขนาดเล็กลงสามารถสร้างพละกำลังและแรงบิดได้เทียบเท่าหรือมากกว่าเครื่องยนต์ขนาดใหญ่ที่ไม่มีเทอร์โบ ทำให้รถมีอัตราเร่งที่ดีขึ้นและขับขี่สนุกขึ้น
- ประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิง (ในบางสภาวะ) เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์ไร้เทอร์โบที่ให้กำลังเท่ากัน เครื่องยนต์ที่มีเทอร์โบมักจะมีขนาดเล็กลง ทำให้โดยรวมแล้วประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิงได้ดีกว่าในการขับขี่ที่ความเร็วคงที่หรือในสภาวะที่ไม่ได้เค้นกำลังสูงสุด
- ลดมลพิษ การเผาไหม้ที่สมบูรณ์ขึ้นจากอากาศที่มีความหนาแน่นสูง ช่วยลดปริมาณการปล่อยมลพิษ เช่น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และเขม่า (ในเครื่องยนต์ดีเซล) ลงได้
- สมรรถนะที่ดีขึ้นในที่สูง ในพื้นที่ที่มีความสูงจากระดับน้ำทะเลมาก อากาศจะเบาบางลง ทำให้เครื่องยนต์ปกติมีกำลังตก เทอร์โบจะช่วยชดเชยปริมาณอากาศที่เบาบางนี้ ทำ ให้เครื่องยนต์ยังคงรักษาสมรรถนะได้ดี
ข้อเสียของเทอร์โบ
- อาการรอรอบ (Turbo Lag) เป็นอาการที่ผู้ขับขี่บางคนอาจไม่ชอบ เมื่อกดคันเร่งกระทันหัน เครื่องยนต์จะไม่มีกำลังตอบสนองในทันที เพราะต้องรอให้ไอเสียมีแรงดันมากพอที่จะปั่นใบพัดเทอร์ไบน์ให้หมุนจนถึงรอบที่เหมาะสมก่อน เครื่องยนต์ถึงจะตอบสนองเต็มที่ อาการนี้พบมากในเทอร์โบขนาดใหญ่ แต่เทอร์โบสมัยใหม่มีการพัฒนาให้ลดอาการรอรอบลงไปมาก (เช่น เทอร์โบแปรผัน, Twin-Scroll Turbo)
- ความร้อนสะสม เทอร์โบเป็นอุปกรณ์ที่ทำงานภายใต้อุณหภูมิสูงมาก (จากไอเสีย) และหมุนด้วยความเร็วสูง ทำให้เกิดความร้อนสะสมสูง ซึ่งอาจส่งผลต่ออายุการใช้งานของน้ำมันเครื่องและชิ้นส่วนอื่นๆ หากไม่มีการระบายความร้อนที่เหมาะสม
- ความซับซ้อนและค่าบำรุงรักษา ระบบเทอร์โบมีความซับซ้อนกว่าเครื่องยนต์ปกติ ทำให้การบำรุงรักษาและการซ่อมแซมอาจมีค่าใช้จ่ายสูงกว่า หากเทอร์โบเสียหายอาจต้องใช้เงินจำนวนมากในการซ่อมหรือเปลี่ยน
- อายุการใช้งาน ชิ้นส่วนที่หมุนด้วยความเร็วสูงและอุณหภูมิสูงย่อมมีการสึกหรอมากกว่าปกติ หากขาดการดูแลรักษาที่เหมาะสม เช่น การเปลี่ยนน้ำมันเครื่องตรงเวลาและใช้น้ำมันเครื่องที่ได้มาตรฐานสำหรับเครื่องยนต์เทอร์โบ อาจทำให้อายุการใช้งานของเทอร์โบสั้นลง
ประเภทของเทอร์โบที่นิยมใช้ในรถยนต์
แม้เทอร์โบจะมีหลักการทำงานพื้นฐานเหมือนกัน แต่ก็มีการพัฒนาและแบ่งย่อยออกไปหลายประเภทเพื่อแก้ไขข้อจำกัดต่างๆ
- Single Turbo (เทอร์โบเดี่ยว) เป็นเทอร์โบมาตรฐานทั่วไปที่ใช้เทอร์โบเพียงตัวเดียว
- Twin-Scroll Turbo (เทอร์โบ Twin-Scroll) โข่งไอเสียถูกแบ่งออกเป็นสองช่อง เพื่อรับไอเสียจากท่อไอเสียที่แยกกัน ทำให้ไอเสียไม่รบกวนกัน ช่วยลดอาการรอรอบและเพิ่มการตอบสนองในรอบต่ำ
- Variable Geometry Turbo (VGT) / Variable Nozzle Turbo (VNT) / Variable Turbine Geometry (VTG) / VG Turbo (เทอร์โบแปรผัน) มีครีบหรือใบพัดขนาดเล็กที่สามารถปรับมุมได้ภายในโข่งไอเสีย เพื่อควบคุมทิศทางและความเร็วของไอเสียที่กระทบใบพัด ทำให้เทอร์โบสามารถสร้างแรงอัดได้ดีทั้งในรอบต่ำและรอบสูง ช่วยลดอาการรอรอบได้อย่างมีประสิทธิภาพ
- Twin Turbo (เทอร์โบคู่) ติดตั้งเทอร์โบสองตัวในเครื่องยนต์เดียวกัน โดยอาจแบ่งการทำงานเป็น:Parallel Twin Turbo: เทอร์โบสองตัวทำงานพร้อมกัน โดยแต่ละตัวรับผิดชอบไอเสียจากกระบอกสูบส่วนหนึ่งของเครื่องยนต์ (เช่น เครื่องยนต์ V6 หรือ V8)Sequential Twin Turbo: เทอร์โบสองตัวทำงานแบบอนุกรม ตัวเล็กจะทำงานก่อนในรอบต่ำเพื่อลดอาการรอรอบ และตัวใหญ่จะทำงานร่วมกันหรือทำงานเดี่ยวในรอบสูงเพื่อเพิ่มกำลังสูงสุด
เทอร์โบชาร์จเจอร์ คือหัวใจสำคัญของเครื่องยนต์ยุคใหม่ที่เน้นทั้งสมรรถนะและประสิทธิภาพการประหยัดน้ำมัน ด้วยการนำพลังงานจากไอเสียที่เหลือทิ้งมาใช้ประโยชน์ในการอัดอากาศเข้าสู่เครื่องยนต์ ทำให้รถยนต์มีพละกำลังที่น่าประทับใจยิ่งขึ้น แม้จะมีข้อควรพิจารณาเรื่องอาการรอรอบและการดูแลรักษา แต่ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยี ทำให้ข้อจำกัดเหล่านี้ลดน้อยลงไปมาก และเทอร์โบยังคงเป็นเทคโนโลยีที่สำคัญและได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมยานยนต์ต่อไป
