ความรู้เบื้องต้นเรื่องเทอร์โบ - ทำความเข้าใจพื้นฐานของระบบเทอร์โบ ส่วนประกอบ หลักการทำงาน
ถึงแม้ว่าระบบเทอร์โบชาร์จ จะเป็นเทคโนโลยีด้านระบบอัดอากาศที่ขาดความแพร่หลายในเมืองไทย อันมีเหตุมาจาการปิดกั้นเทคโนโลยีที่มีมาหลายทศวรรษ แต่ระบบเทอร์โบชาร์จในตลาดรถยนต์ต่างประเทศกลับได้รับความนิยมแพร่หลาย เพราะระบบเทอร์โบชาร์จเป็นเทคโนโลยีที่เปรียบเสมือน “ทางลัด” ในการเพิ่มสมรรถนะของเครื่องยนต์
ระบบเทอร์โบชาร์จ เป็นเทคโนโลยีที่สามารถเพิ่มสมรรถนะของเครื่องยนต์ได้อย่างคุ้มค่า จนผู้ผลิต และผู้บริโภคให้การยอมรับอย่างต่อเนื่อง ระบบเทอร์โบชาร์จ จึงเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับการพัฒนาอย่างไม่หยุดนิ่ง แต่ในเมืองไทยกลับเคยมีรถยนต์รุ่นเทอร์โบจำหน่ายอยู่ไม่ถึง 5 รุ่น
ถึงแม้ว่าจะถูกจำกัดความก้าวหน้าและความแพร่หลายไว้ด้วยกลไกแห่งธุรกิจ แต่แนวโน้มในขณะนี้ เริ่มแสดงให้เห็นว่าคลื่นแห่งเทคโนโลยีนี้กำลังมาแรง หลังจากที่ร้านท่อไอเสียทั่วเมืองมีการรับติดตั้งเทอร์โบดีเซลกันมาตั้งนาน จนผู้ผลิตปิกอัพบางรายต้องทำเครื่องดีเซลเทอร์โบออกมา
หลักการทำงานของระบบเทอร์โบชาร์จ
เทอร์โบเป็นระบบอัดอากาศชนิดหนึ่ง ทำหน้าที่อัดไอดีเข้าสู่กระบอกสูบด้วย แรงดัน ในอัตราที่สูงกว่าประสิทธิภาพการดูดของลูกสูบ
เครื่องยนต์ที่ไม่มีระบบอัดอากาศจะไม่สามารถมีอัตราการประจุไอดีเกิน 100% ของปริมาตรกระบอกสูบเลย และไม่ว่าจะมีประสิทธิภาพการประจุไอดีสูงสุดในอัตราเท่าใด ก็จะเป็นแค่ช่วงแคบ ๆ ของรอบการทำงานเท่านั้น เมื่อรอบการทำงานของเครื่องยนต์สูงหรือต่ำกว่าจุดนั้น ประสิทธิภาพของการประจุไอดีก็จะลดลงตามจังหวะการเปิดปิดวาล์วตามแคมชาฟท์ เครื่องยนต์ที่ติดตั้งระบบอัดอากาศเทอร์โบ จะมีประสิทธิภาพการประจุไอดีสูงในช่วงรอบเครื่องยนต์ที่กว้างกว่าเครื่องยนต์ปกติ เพราะมีการอัดไอดีด้วยแรงดันอย่างต่อเนื่อง
เทอร์โบ ประกอบด้วย =ชุดเทอร์ไบน์ (Turbine) และคอมเพรสเซอร์ (Compressor) มีลักษณะคล้ายกังหันทั้งสองข้างติดตั้งอยู่บนแกนเดียวกัน หมุนพร้อมกันตลอด มีระบบหล่อลื่นแกนกังหันด้วยน้ำมันหล่อลื่นที่ไหลเวียนจากเครื่องยนต์
ชุดเทอร์ไบน์ และคอมเพรสเซอร์ จะทำงานต่อเนื่องกันโดยที่เทอร์ไบน์ (กังหันไอเสีย) จะถูกติดตั้งอยู่กับท่อร่วมไอเสีย เทอร์ไบน์จะหมุนด้วยการไหลและการขยายตัวของไอเสีย ซึ่งเป็นต้นกำลังในการทำงาน อัตราความเร็วของกังหันเทอร์ไบน์ เป็นอัตราส่วนโดยตรงกับความร้อน และปริมาณไอเสียทั้งหมดที่กระทำกับเทอร์ไบน์ เมื่อกังหันไอเสียหรือเทอร์ไบน์ หมุนด้วยต้นกำลังจากไอเสีย กังหันไอดีหรือคอมเพรสเซอร์ กังหันที่ติดตั้งอยู่บนแกนเดียวกันอีกฟากหนึ่ง จะทำหน้าที่หมุนดูดอากาศแล้วอัดเข้าสู่กระบอกสูบผ่านท่อไอดีด้วยแรงดัน เรียกว่า ” แรงดันเสริม “(Boost Pressure) ซึ่งเป็นแรงดันที่สูงกว่าแรงดันบรรยากาศปกติ
ระบบอัดอากาศเทอร์โบ สามารถสร้างแรงดันเสริมให้สูงกว่าแรงดันบรรยากาศปกติได้หลายระดับตามรูปแบบการออกแบบหรือตามการควบคุม
ถึงแม้ว่ากังหันไอดีหรือคอมเพรสเซอร์ และกังหันไอเสียหรือเทอร์ไบน์ จะทำงานอย่างต่อเนื่องบนแกนเดียวกัน แต่ทั้งสองด้าน ไม่ได้มีระบบอากาศหมุนเวียนอย่างต่อเนื่องหรือรวมกันเลย ไอเสียอยู่ส่วนไอเสีย หมุนกังหันไอเสียแล้วก็ทิ้งไป ไอดีก็เป็นอากาศบริสุทธิ์ทั่วไป ที่ถูกดูดด้วยกังหันไอดี มีต้นกำลังหมุนจากกังหันไอเสีย ไม่ได้เอาไอเสียมาอัดเข้าเครื่องยนต์อย่างที่บางคนเข้าใจกัน
เมื่ออัดอากาศเข้าสู่กระบอกสูบในอัตราที่สูงขึ้นกว่าเดิม จะทำให้การอัดตัวของไอดีในจังหวะ “อัด” แน่นขึ้น เมื่อถึงจังหวะจุดระเบิด และการเผาไหม้ก็จะรุนแรงขึ้น ประสิทธิภาพสมรรถนะของเครื่องยนต์ก็สูงขึ้นตามไปด้วยเช่นกัน
ระบบอัดอากาศเทอร์โบ เปรียบเสมือนการเพิ่มอัตราการประจุไอดีของลูกสูบอย่างต่อเนื่อง ถ้าเครื่องยนต์ธรรมดาต้องการเพิ่มประสิทธิภาพการประจุไอดีให้เท่ากับเครื่องยนต์ที่มีระบบอัดอากาศเทอร์โบ ก็จะต้องขยายเครื่องยนต์ให้มีขนาดความจุ (ซีซี) สูงกว่า จึงจะได้ปริมาณไอดี และความรุนแรงของการจุดระเบิด อันหมายถึงพลังงาน เท่ากับเครื่องยนต์ที่มีความจุน้อยกว่า แต่มีระบบอัดอากาศเทอร์โบ
การทำงานของระบบเทอร์โบ ไม่ได้ทำให้เครื่องยนต์สูญเสียพลังงานในส่วนใดเลย เพราะเป็นการนำพลังงานความร้อนจากการขยายตัวของไอเสียที่จะต้องถูกระบายทิ้งโดยเปล่าประโยชน์มาใช้หมุนกังหันไอเสีย เปลี่ยนเป็นพลังงานกล ก่อนที่จะระบายไอเสียทิ้งไปตามปกติ
การนำก๊าซไอเสียมาหมุนกังหันเพื่อเป็นต้นกำลังนั้น อาจจะมี “แรงดันย้อนกลับ” (Back Pressure) เกิดขึ้นในระบบไอเสีย ซึ่งอาจจะลดกำลังของเครื่องยนต์ไปบ้างเล็กน้อย เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์ที่ไม่ได้ติดตั้งเทอร์โบ แต่ใช้หม้อพักชนิดไส้ย้อน แรงดันย้อนกลับในระบบไอเสียก็มีค่าไม่ต่างกับการติดเทอร์โบมากนัก
เมื่อคิดถึงแรงดันเสริมของระบบเทอร์โบที่เพิ่มเข้าสู่กระบอกสูบ จนทำให้เครื่องยนต์มีประสิทธิภาพสูงขึ้นอย่างชัดเจน ยิ่งทำให้ปัญหาแรงดันย้อนกลับในระบบไอเสียถูกมองข้ามไปอีก
ไม่ต้องกังวลว่าจะมีไอเสียค้างอยู่ในกระบอกสูบด้วยปัญหาแรงดันย้อนกลับ เพราะในขณะที่เครื่องยนต์ทำงานอยู่ในจังหวะ Overlap (วาล์วไอดีเริ่มเปิด-วาล์วไอเสียเกือบปิด) แรงดันเสริมที่อัดตัวอยู่ในท่อไอดี ก็จะไหลเข้ามาไล่ไอเสียที่ค้างอยู่บนหัวลูกสูบออกไปทางวาล์วไอเสียเอง
เทอร์โบ เป็นระบบอัดอากาศที่ติดตั้งเข้ากับเครื่องยนต์ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการประจุไอดี โดยการอัดประจุไอดีด้วยแรงดันเสริมในอัตราที่มากกว่าประสิทธิภาพการดูดของลูกสูบ การอัดตัว การจุดระเบิด และการเผาไหม้จะรุนแรง และได้กำลังงานออกมามากขึ้น
ชิ้นส่วนและอุปกรณ์ต่าง ๆ ภายในเครื่องยนต์ จะต้องมีความแข็งแกร่ง เพื่อรองรับกับความรุนแรงของแรงดันในกระบอกสูบที่สูงขึ้น ทั้งนี้ จะต้องขึ้นอยู่กับ “แรงดันเสริม” หรือ “บูสท์” ที่จะใช้ด้วย
การติดตั้งเทอร์โบตามทฤษฎีนั้น จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนชิ้นส่วนภายในของเครื่องยนต์ให้แข็งแรงขึ้น เกือบทุกชิ้น เช่น ลูกสูบ ข้อเหวี่ยง ชาฟท์ วาล์วไอดี-ไอเสีย ปลอกวาล์ว รวมถึงประเก็นฝาสูบ แต่ละชิ้นมีราคาแพง ไม่คุ้มกับการเปลี่ยน
แต่ในทางปฏิบัติ การติดตั้งระบบเทอร์โบกับเครื่องยนต์ทั่วไปในสภาพการใช้งานปกติสำหรับรถที่ใช้งานบนถนน รอบการทำงานของเครื่องยนต์สูงสุดไม่เกิน 6,000-7,000 รอบ/นาที การปรับปรุงเพิ่มความแข็งแรงของชิ้นส่วนภายในเครื่องยนต์อาจจะไม่จำเป็นนัก ถ้าไม่ใช้แรงดันเสริมสูงเกินกว่า 5-7 PSI (ปอนด์ต่อตารางนิ้ว)
ลูกสูบ ที่จะรองรับแรงดันภายในกระบอกสูบ ที่เพิ่มขึ้นมาหลังการติดตั้งเทอร์โบ จำเป็นต้องมีความแข็งแรงพอสมควร ซึ่งก็ไม่จำเป็นว่าจะต้องเป็นลูกสูบชุดแต่งราคาแพง เนื้อโลหะพิเศษ แบบ FOTGE ถ้าใช้บูสท์ไม่สูงนัก การใช้บูสท์สูงเกินไป ลูกสูบที่ไม่แข็งแรงพอ จะไม่สามารถรองรับแรงดันในกระบอกสูบได้ ภายหลังการเผาไหม้ที่รุนแรงขึ้น ลูกสูบอาจแตกบริเวณร่องแหวนหรือหัวทะลุได้
เครื่องยนต์ของรถยุโรป จะได้เปรียบตรงที่ลูกสูบมีความแข็งแรงทนทานพอที่จะรองรับการติดตั้งเทอร์โบ โดยใช้บูสท์ไม่เกิน 7-10 PSI จะไม่เกิดความเสียหายอยางแน่นอน เช่น ลูกสูบยี่ห้อมาเล่ห์ (แท้) สามารถอัดแช่ทางยาวได้เลย จริง ๆ แล้ว เคยใช้แรงดันบูสท์เกือบ 20 PSI กับลูกสูบพวกนี้ยังไม่เป็นอะไรเลย แต่ขอแนะนำขั้นแรกแค่ไม่เกิน 7 PSI เพื่อความแน่นอน เพราะชิ้นส่วนอื่น ๆ เช่น ก้านสูบ แหวนลูกสูบ ชาฟท์ อาจจะทนไม่ได้ เครื่องยนต์รถญี่ปุ่นที่ไม่ได้ติดตั้งเทอร์โบอยู่ก่อน ก็สามารถติดตั้งเทอร์โบได้ โดยใช้บูสท์ 5-7 PSI ก็พอ จะอยู่ในระดับที่ปลอดภัย
ความแข็งแรงของลูกสูบญี่ปุ่นนั้นยังไม่สูงเท่าลูกสูบยุโรป ลากยาว “แช่” นานไว้ใจไม่ได้ กระจายเมื่อไรก็ไม่รู้ แต่ลูกสูบญี่ปุ่นก็ไม่ได้บอบบางไปทั้งหมด เพราะลูกสูบบางเครื่องนั้นสามารถทนได้ถึง 10-15 PSI แต่โดยเฉพาะแล้วเกิน 10 PSI แล้วกระจายแน่ นอกจากจะเป็นเครื่องยนต์ที่ติดตั้งเทอร์โบมาจากโรงงานอยู่แล้วจะทนบูสท์ได้สูง
THAIDRIVER