Turbocharger คืออะไร ทำไมถึงแรงจัง

เราเรียนกันมาตั้งแต่เด็กในวิชาวิทยาศาสตร์แล้วว่า ก๊าซออกซิเจนช่วยทำให้ไฟติดค้างอยู่ได้ ในอากาศถ้าไม่มีออกซิเจนการเผาไหมก็จะไม่เกิดขึ้น เหมือนกับที่เราจุดเทียนไว้แล้วเอาฝาครอบปิดหรือเอาแก้วใสๆครอบลงไป ไฟก็จะดับลง ในทางตรงกันข้ามสำหรับก๊าซไฮโดรเจนเป็นก๊าซที่ไม่ได้ช่วยให้ไฟติดแต่เป็นตัวการทำให้เกิดการระเบิดได้ เพราะตัวก๊าซมันเองนั้นเป็นก๊าซที่ติดไฟได้ ในขณะที่ออกซิเจนตัวมันเองนั้นไม่ติดไฟ นั่นหมายความว่าถ้าเรามีก๊าซไฮโดรเจนอยู่ เราจุดไฟขึ้นมา ก๊าซไฮโดรเจนนั้นก็จะติดไฟเกิดการระเบิดได้ เรียกได้ว่าเป็นก๊าซอันตรายอย่างหนึ่ง

การเผาไหม้จะเกิดขึ้นได้ จำเป็นต้องมีออกซิเจนเป็นตัวช่วยที่สำคัญ และเพราะว่าโลกของเรามีอากาศอยู่จึงทำให้มนุษย์เราสามารถหุงหาอาหารโดยมีอากาศเป็นตัวช่วยในการทำให้การเผาไหม้เกิดขึ้น รถยนต์เองก็เช่นกัน ถ้าโลกนี้ไม่มีอากาศ การเผาไหม้ในห้องเครื่องคงต้องออกแบบกันใหม่หมด ถึงจะบอกว่าอากาศมีออกซิเจนอยู่ แต่ในความเป็นจริงสัดส่วนของก๊าซต่างๆที่ปะปนกันอยู่ในอากาศนั้นไม่ได้มีแต่ก๊าซออกซิเจนเพียงอย่างเดียว อากาศบนโลกของเราถ้าจะจำแนกออกมาว่ามีก๊าซอะไรปนอยู่บ้าง ถ้ามองกันตามปริมาตรแล้ว อันดับแรกเลยคือ ไนโตรเจนครับ ไนโตรเจนเป็นก๊าซที่มีมากเป็นอันดับ1ในอากาศคือมีมากถึง 78.09% อันดับ2คือ ออกซิเจนคือ 20.95% ตามมาด้วยอาร์กอน ไม่ถึง1% ที่เหลือก็เป็นก๊าซอื่นๆที่มีสัดส่วนไม่ได้มากมายนัก โชคดีที่มีออกซิเจนประมาณ 1ใน5 ทำให้การเผาไหม้เกิดขึ้นในห้องเครื่องได้เป็นปกติมีรถให้เราใช้จนถึงปัจจุบัน

การเผาไหม้ที่ต้องการ อากาศดี เชื้อเพลิง ประกายไฟ และได้เป็นอากาศเสีย

Turbochargerคืออะไร

Turbocharger หรือที่เราเรียกกันติดปากว่า เทอร์โบ เป็นอุปกรณ์ตัวหนึ่งที่ใช้ในการเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ที่มีการสันดาบภายในและเพิ่มกำลังของผลลัพธ์ของเครื่องยนต์นั้นๆโดยการเพิ่มกำลังอัดอากาศในห้องเผาไหม้ ถ้าดูจากนิยามแบบนี้แล้วก็ยังไม่รู้ว่ามันมีดีอะไรเรามาลองตามไปดูกันเรื่อยๆนะครับ

Turbine พระเอกของ Turbo

ระบบการสันดาปภายในของเครื่องยนต์ หลักการพื้นฐานคือการดูดอากาศเข้ามา อัดอากาศ เพื่อนำอากาศนั้นมาจุดระเบิดพร้อมกับน้ำมันและประกายไฟ อากาศที่ถูกเผาไหม้แล้วก็จะกลายเป็นอากาศเสีย แล้วก็ปล่อยออกทางท่อไอเสียต่อไป นี่คือพื้นฐานของการสันดาบของเครื่องยนต์โดยทั่วไป ต่อมาก็มีการคิดกันต่อว่าจะพัฒนาการเผาไหม้นี้ให้ดีขึ้นได้อย่างไร สุดท้ายมนุษย์ก็คิดออกคือถ้าเราสามารถเอาอากาศเสียมาใช้ได้อีกครั้งก็คงดี

มนุษย์จึงประดิษฐ์เทอร์โบขึ้นมาโดยสร้างส่วนประกอบที่จะใช้ในการตอบโจทย์ข้างต้นคือ มีใบพัดที่เป็นเหมือนกังหัน2ส่วน

ส่วนที่1ฝั่งไอเสีย ใบพัดทางฝั่งไอเสียหรือเรียกกันว่า Turbine เพื่อที่จะรับเอาอากาศเสียจากการเผาไหม้มาใช้ในการหมุน Turbine (แทนที่จะปล่อยทิ้งไป) นั่นหมายความว่ากำลังหลักที่เกิดขึ้นของเทอร์โบก็คือกำลังจากไอเสียที่พัดผ่านTurbineนี้เอง ใบพัดที่เรียกว่าTurbine นี้จะมีแกนยาวติดกับใบพัดอีกส่วนหนึ่งที่อยู่ทางฝั่งไอดี เป็นใบพัดส่วนที่2

ส่วนที่2 ฝั่งไอดี ใบพัดส่วนนี้เรียกกันว่า คอมเพรสเซอร์ ใบพัดนี้จะหมุนจากแรงหมุนที่เกิดจากแกนเดียวกันของ Turbine ซึ่งจะหมุนในอัตราความเร็วเดียวกัน (เพราะอยู่บนแกนหมุนเดียวกัน) คอมเพรสเซอร์นี้จะหมุนตามและดูดเอาอากาศดีๆเข้ามาเพื่อใช้ในการเผาไหม้ต่อไป ยิ่งหมุนเร็วมากก็ยิ่งได้อากาศเข้ามามาก อากาศที่เข้ามานี้จะถูกอัดจนกระทั่งมีความดันสูง (ตามชื่อของมันคือคอมเพรสเซอร์มีหน้าที่อัด)

ใบพัด Turbine ทางฝั่งไอเสียและใบพัด Compressor ทางฝั่งไอดี

Intercooler ทำไมต้องมี

ผลข้างเคียงที่ตามมาหลังจากอากาศซึ่งทางท่อไอดีรับมาถูกอัดจนมีความดันสูงจะมีอุณหภูมิที่สูงขึ้นด้วย  อากาศที่มีอุณหภูมิสูงแบบนี้ไม่สามารถนำมาใช้ในการเผาไหม้ให้สมบูรณ์ได้ ทำอย่างไรดี เราจำเป็นต้องลดอุณหภูมิของมัน จึงมีการติดตั้ง อินเตอร์คูลเลอร์ เพื่อเป็นการลดอุณหภูมิของอากาศก่อนที่จะเอาไปใช้ในการเผาไหม้ต่อไป

Intercooler ใช้ในการลดอุณหภูมิของอากาศให้เหมาะสมก่อนที่จะเข้าสู่ห้องเผาไหม้

ดูเพิ่มเติม
>> ไฮบริด, PHEV, EV ทำไมจึงแตกต่าง???
>> เคล็ด (ไม่ลับ) กับการดูแลรถยนต์ไฮบริด

การเผาไหม้ของ Turbo

อากาศเย็นพอที่จะนำมาใช้ในการเผาไหม้นี้จะมีจำนวนมากกว่าเครื่องยนต์ที่ไม่ใช่เทอร์โบ (เพราะมีคอมเพรสเซอร์ช่วยรับเอาอากาศดีๆเข้ามา) เมื่อมีอากาศมาก ก็สามารถทำให้การเผาไหม้เกิดขึ้นได้มาก แต่การเผาไหม้จะเกิดขึ้นมากๆได้ ต้องมีเชื้อเพลิงที่เพียงพอด้วย ดังนั้นระบบการฉีดละอองน้ำมันจะต้องฉีดน้ำมันให้มากกว่าเดิมเพื่อคงอัตราส่วนระหว่างน้ำมันและอากาศให้เหมาะสมเพื่อการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ที่สุด จึงทำให้เครื่องยนต์เทอร์โบกินน้ำมันมากกว่าปกติ สรุปได้ว่า อากาศ(ดี)เข้ามามาก ต้องใช้น้ำมันมากขึ้น เพื่อให้เกิดการเผาไหม้(ระเบิด)ที่แรงขึ้น เมื่อการระเบิดแรงขึ้นกำลังแรงม้าก็มากขึ้นตามไปด้วย นี่คือเหตุผลที่ทำให้เครื่องยนต์เทอร์โบมีกำลังมากกว่าเครื่องยนต์ธรรมดา แต่ข้อเสียของการทำเทอร์โบก็มีนอกจากเรื่องการกินน้ำมันที่มากกว่าปกติแล้วก็คือ เครื่องยนต์ที่ประกอบกันเป็นเทอร์โบต้องถูกออกแบบมาให้รองรับการระเบิดที่แรงขึ้น ทนต่อความร้อนสูงได้มากขึ้น มิเช่นนั้นเครื่องถึงกับน็อคเอาได้ง่ายๆ เพราะความร้อนที่สูงเกินไป (แน่นอนว่าระเบิดมากขึ้นผลกระทบก็ย่อมมากกว่า)

การนำเอาไอเสียมาใช้อีกครั้งเป็นหัวใจหลักของ Turbocharger (ส่วนสีแดงคือไอเสีย)

ตัวควบคุม

หลังจากอากาศเข้ามามาก ได้การเผาไหม้ที่มากขึ้น กำลังก็มากขึ้นแล้ว แค่การออกแบบเครื่องยนต์ให้รองรับความร้อนได้ดูจะอันตรายเกินไป เพราะไม่รู้ว่าต้องสร้างให้รองรับแรงดันและอุณหภูมิมากเท่าไรถึงจะพอ จึงมีการสร้างวาล์วควบคุมขึ้นมาทางฝั่งไอเสีย เรียกกันว่า Wastegate เป็นวาล์วที่ใช้ในการควบคุมแรงดันไอเสียที่มีมากเกินไปในระบบ ไอเสียที่นำกลับมาใช้ในการหมุน Turbine ถ้ามีมากเกินไปก็จะถูกขับออกที่ Wastegate นี้

ในทางฝั่งไอดีก็เช่นกัน การปิดของลิ้นปีกผีเสื้อเมื่อถอนคันเร่งมีส่วนทำให้ไอดีมีมากเกินไปได้เช่นกัน เพราะไม่มีช่องทางให้ระบาย จึงมีการสร้างวาล์วตัวหนึ่งขึ้นมาเพื่อควบคุมไอดีก่อนการเผาไหม้ให้มีแรงดันที่เหมาะสมเรียกวาล์วตัวนี้ว่า Blowoff Value

รถ Chevrolet Camaro ติดตั้ง Turbocharger ทำให้มีแรงม้าถึง 700 แรงม้า

และนี่คือภาพรวมทั้งหมดของ Turbo charger ที่มีแนวคิดในการนำเอาไอเสียที่จะปล่อยทิ้งมาใช้ให้เกิดประโยชน์โดยการนำมาหมุนใบพัดเพื่อให้เกิดการรับเอาอากาศไอดีเข้ามามากขึ้น ปล่อยน้ำมันให้มากขึ้น เพื่อสร้างกำลังที่เพิ่มขึ้น นับเป็นแนวคิดที่เป็นประโยชน์อย่างแท้จริง แต่ในปัจจุบันมีแนวคิดที่ต้องการประหยัดน้ำมัน จึงลดปริมาตรกระบอกสูบให้เล็กลงแต่ติดตั้งเทอร์โบลงไป เพื่อให้ได้กำลังแรงม้าที่มากขึ้น เป็นการประหยัดน้ำมันลงและลดต้นทุนการสร้างกระบอกสูบลูกใหญ๋ๆอีกทางหนึ่ง

ดูเพิ่มเติม
>> เจาะลึกจุดเด่นจุดด้อยระบบ MBUX ของรถหรู Mercedes-Benz
>> มีไหมเมืองไร้รถยนต์

ติดตามข่าวสารรถยนต์ เชิญที่นี่
อ่านรีวิวรายละเอียดเกี่ยวกับรถยนต์  เชิญที่นี่