เทอร์โบแปรผัน

ปัจจุบันนี้เครื่องยนต์ดีเซล ที่การพัฒนารุดหน้าไปมาก โดยเฉพาะในแถบยุโรป รถยนต์ที่ถูกขายออกไปกว่าครึ่งใช้เครื่องยนต์ดีเซล ด้วยนวัตกรรมของชิ้นส่วนต่างๆ ที่ทันสมัย ทำให้เครื่องยนต์ดีเซล ในยุคนี้มีการเผาไหม้ที่สะอาด และให้พละกำลังในการฉุดลากสูง จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในชีวิตประจำวัน และทางออกของเครื่องยนต์ดีเซลสมัยใหม่ คือ เทคโนโลยีในการจ่ายน้ำมัน ระบบที่เราคุ้นเคยกันมากที่สุด คือ ระบบคอมมอนเรล (COMMON RAIL) เป็นระบบจ่ายเชื้อเพลิงด้วยแรงดันที่สูงมาก ประมาณ1,300 บาร์ขึ้นไป การเลือกใช้ปั๊มแรงดันสูง เพื่อแก้ปัญหาการเผาไหม้ไม่หมดจด เพราะน้ำมันดีเซล ต้องการเวลาในการแตกตัวและคลุกเคล้ากับอากาศให้มากพอ ซึ่งในรอบเครื่องยนต์สูงๆ นั้น เรื่องนี้จึงเป็นไปได้ยาก ดังนั้นทางแก้ คือ การทำให้น้ำมันเชื้อเพลิงเป็นละอองฝอย และละเอียดที่สุดเท่าที่จะทำได้ สามารถฉีดเข้าห้องเผาไหม้ได้อย่างรวดเร็ว ด้วยปั๊มแรงดันสูง และระบบหัวฉีดอีเลคทรอนิคส์ จึงถูกพัฒนาขึ้นมาสามารถแก้ปัญหาได้เปลาะหนึ่ง แต่ปัญหาไม่ได้หมดอยู่แค่นั้น เพราะส่วนสำคัญอีกอย่าง คือ ปริมาณอากาศที่เข้าสู่ห้องเผาไหม้ ยังไม่เพียงพอต่อการใช้งานจริง เพราะการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ จะต้องประกอบด้วย 3 ส่วน ด้วยกัน คือ เชื้อเพลิง อากาศ และอุณหภูมิที่เหมาะสม ขณะนี้เราสามารถแก้ปัญหาเรื่องเชื้อเพลิงได้แล้ว สุดท้าย คือ เรื่องปริมาณอากาศ ซึ่งมีทางออกทางเดียว คือ การใช้เทอร์โบชาร์จ การใช้เทอร์โบชาร์จ ก็เพื่อช่วยอัดอากาศเข้าสู่ห้องเผาไหม้ เนื่องจากการดูดอากาศด้วยตัวเองนั้น ติดข้อจำกัดในหลายๆด้าน อากาศที่จะเข้าสู่ห้องเผาไหม้ ต้องผ่านทางเดินอากาศที่ค่อนข้างยาว ผ่านท่อไอดี ผ่านวาล์วไอดี และในจำนวนรอบสูงๆ ระยะยกวาล์ว ก็จะเปิดเพียงเสี้ยววินาที จึงทำให้ปริมาณอากาศที่เข้าสู่กระบอกสูบ หรือห้องเผาไหม้จริงๆ อยู่ที่ประมาณ 75-85 % และช่วงเวลาในการผสมหรือคลุกเคล้ากันนั้น สั้นมากๆ ระหว่างเชื้อเพลิงและอากาศ ยังทำได้ไม่เต็มที่ ผลที่ตามมา ก็คือ เครื่องยนต์ไม่ได้กำลังเต็มที่ และมีการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ เทอร์โบชาร์จ จะมาช่วยในการเพิ่มปริมาณอากาศสู่ห้องเผาไหม้ หรือกระบอกสูบเพิ่มขึ้น เพราะอากาศที่ถูกอัดเข้าไป จะมีความเร็วในการไหลมากกว่า ในระยะเวลาที่วาล์วไอดีเปิดเท่าเดิมเทอร์โบชาร์จสามารถเพิ่มปริมาณอากาศได้มาก ทำให้อากาศที่ไหลเข้าห้องเผาไหม้ใกล้เคียง 100 % ผลที่ตามมาคือ การเผาไหม้ที่สมบูรณ์ เครื่องยนต์สร้างกำลังได้เต็มที่ ใช้เชื้อเพลิงได้อย่างคุ้มค่า ข้อจำกัดของเทอร์โบชาร์จ แม้ว่าเครื่องยนต์ดีเซลยุคใหม่ จะควบคุมการทำงานของเครื่องยนต์ ด้วยระบบอีเลคทรอนิคส์ มี ECUควบคุมการจ่ายน้ำมันให้เป็นไปตามภาระของเครื่องยนต์จริง และแม้ว่าจะมีเทอร์โบชาร์จ มาช่วยเสริมการทำงาน แต่มันก็ยังมีข้อจำกัดของตัวเทอร์โบชาร์จ ค่อนข้างมาก ข้อจำกัดที่ว่านี้ คือ การเลือกใช้ขนาดเทอร์โบ ถ้าเลือกเล็ก จะทำให้เทอร์โบ ทำงานได้เร็วในรอบต่ำ เพราะใช้ปริมาณไอเสียในการขับเคลื่อนชุดเทอร์ไบน์ น้อย ทำให้เครื่องยนต์ตอบสนองเร็ว เทอร์โบขนาดเล็กในเครื่องยนต์ดีเซล สามารถเริ่มทำงานได้ตั้งแต่ประมาณ 1,000 รตน. ขึ้นไป เครื่องยนต์จึงมีอัตราเร่งที่ดีในรอบต่ำจนถึงรอบปานกลาง แต่เมื่อรอบเครื่องยนต์สูงขึ้น ปริมาณไอเสียก็จะมากขึ้นด้วย ความที่เป็นเทอร์โบขนาดเล็ก ก็จะเกิดการอั้นที่ด้านไอเสีย ทำให้เกิดความร้อนสะสมสูง เครื่องยนต์และเทอร์โบ ก็จะร้อนจัด เครื่องยนต์จะทำงานได้ไม่ดีในรอบสูง เครื่องยนต์ตัวเดียวกัน เมื่อเปลี่ยนไปใช้เทอร์โบขนาดใหญ่ขึ้น จะมีปัญหาตรงกันข้าม เพราะในรอบต่ำเทอร์โบ จะยังไม่ทำงานจนกว่าปริมาณไอเสียจะเพียงพอ ซึ่งอาจจะต้องรอจนถึงรอบเครื่องยนต์ประมาณ 1,800-2,000 รตน. กว่าที่เทอร์โบ จะสร้างแรงดันได้ (หรือที่เรียกติดปากว่าเริ่มบูสต์) อัตราเร่งช่วงต้น จึงทำได้ไม่ดีเท่าการใช้เทอร์โบขนาดเล็ก ทำให้ต้องเร่งรอบมากกว่าเทอร์โบจะทำงาน เทอร์โบชนิดนี้เหมาะกับการใช้งานในย่านความเร็วสูง เพราะจะไม่มีอาการอั้นด้านไอเสียเพราะตัวเทอร์โบมีขนาดให้มีการระบายไอเสียที่ดีกว่า แต่เทอร์โบขนาดใหญ่ก็จะมีปัญหาในเรื่องการเฉื่อย หรือ TURBO LAG ในช่วงรอบต่ำ ความเร็วในการไหลของไอเสียยังไม่สูงพอ ในเครื่องยนต์บางรุ่นที่ใช้ระบบเทอร์โบคู่ จะมีทั้งเทอร์โบขนาดเล็กและใหญ่ติดตั้งคู่กัน ก็เพื่อช่วยในเรื่องของการเสริมประสิทธิภาพเครื่องยนต์ตั้งแต่รอบต่ำไปจนถึงรอบสูง รอบต่ำถึงรอบปานกลางนั้นเทอร์โบ ลูกเล็กจะเริ่มทำงานก่อนจนเริ่มถึงขีดจำกัดของมัน เทอร์โบลูกใหญ่ก็จะเริ่มทำงาน ข้อดี ก็คือเครื่องยนต์ตัวนี้จะมีประสิทธิภาพในการทำงานสูง ประหยัด และมีการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ทุกช่วงรอบเครื่องยนต์ แต่มีข้อเสีย คือ ความยุ่งยากในการติดตั้ง และกินเนื้อที่ในห้องเครื่องยนต์ การดูแลรักษาก็ทำได้อย่าลำบาก เพราะมีชิ้นส่วนที่ซับซ้อน ซึ่งทางออกที่ดี คือ การใช้เทอร์โบแบบแปรผัน (VNT: VARIABLE NOZZLE TURBINE) ซึ่งเทอร์โบ ชนิดนี้ถูกออกแบบมานานแล้ว เพียงแต่ว่าเทคโนโลยีในการผลิตโลหะสมัยนั้น ยังไม่ก้าวหน้าพอ ทำให้เทอร์โบ ชนิดนี้ไม่ทนทานและมีขนาดใหญ่ จนกระทั่งเทคโนโลยีด้านโลหะวิทยาก้าวหน้ามากขึ้น จึงถูกนำกลับมาปรับปรุงแก้ไขข้อบกพร่อง และสามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ จากการที่มีช่วงการทำงานหรือ BOOST ARIA กว้างขวางขึ้น เป็นผลดีต่ออัตราเร่งของเครื่องยนต์ทั้งที่ตีนต้น และปลาย กลไกสำคัญที่ทำให้เทอร์โบ ชนิดนี้มีประสิทธิภาพมาก คือ การแปรผันด้านไอเสียได้โดยจะมีกลไกของครีบที่มีลักษณะเหมือนม่านชัทเตอร์ ที่จะหรี่ และเปิดกว้างได้ตามความเหมาะสม การทำงานของเทอร์โบ แบบ VNT ในช่วงรอบเครื่องยนต์ต่ำ ครีบดักไอเสียที่มีลักษณะเหมือนม่านชัทเตอร์ รอบเทอร์ไบน์(ใบพัดด้านไอเสีย) จะหรี่ตัวให้แคบลงไอเสียที่ไหลผ่านช่องแคบๆ จะมีความเร็วสูงพอที่จะขับให้เทอร์โบทำงาน และการหรี่ตัวของครีบดักไอเสียนี้ จะเป็นการบังคับทิศทางการไหลของไอเสีย ให้ไปปะทะ บริเวณปลายของกังหัน ซึ่งจะทำให้กังหันไอเสียหมุนได้เร็วมากขึ้นด้วย โดยใช้กลไกที่ควบคุมโดยอาศัยชุดไดอแฟรม เป็นตัวออกแรงกระทำ ด้วยแรงสุญญากาศจากแวคคัมปั๊ม และควบคุมด้วยวงจรอีเลคทรอนิคส์ ผ่านอีเลคทรอวาล์ว จากเทคนิคดังกล่าว จะทำให้สามารถใช้เทอร์โบ ขนาดใหญ่ที่ให้ปริมาณอากาศได้มากในช่วงรอบเครื่องสูงๆ อย่างพอเพียง ส่วนรอบต่ำก็ใช้การหรี่ของตัวครีบดักไอเสียมาช่วยแทน ไอเสียจึงไหลเข้ามาขับเทอร์ไบน์ ด้วยความเร็วสูงทำให้เกิดการบูสต์ขึ้น เมื่อรอบเครื่องยนต์เพิ่มขึ้นจนอยู่ในระดับปานกลาง ครีบดักไอเสียจะถูกสั่งให้เปิดกว้างขึ้นกว่าเดิมเพื่อรับปริมาณไอเสียที่เพิ่มขึ้น เพื่อป้องกันการอั้น และเมื่ออยู่ในช่วงความเร็วรอบสูง ครีบดักไอเสียนี้จะเปิดกว้างสุด เพื่อให้ไอเสียผ่านไปได้อย่างรวดเร็ว ทำให้เทอร์โบมีอัตราการบูสต์ที่ดีในทุกย่านความเร็วรอบ ช่วยรีดแรงม้าของเครื่องยนต์ได้อย่างเต็มประสิทธิภาพตั้งแต่รอบต้นๆ ทำให้สะดวกต่อการใช้งาน ทั้งในสภาพการจราจรหนาแน่นจนกระทั่งถึงการใช้ความเร็วนอกเมือง ด้วยระบบการทำงานที่ซับซ้อนต้องแลกมาด้วยค่าตัวที่แพง ระยะแรกเราจึงพบแต่ในรถยนต์ราคาแพงแต่ปัจจุบันนี้ราคาถูกลงมากกว่าครึ่ง ทำให้เราพบเจอในรถยนต์ระดับราคา 6-7 แสนบาท อย่างในรถกระบะของบ้านเรา เทคโนโลยีนี้เป็นที่ยอมรับกันมากในหลายประเทศ เพราะช่วยให้เครื่องยนต์ดีเซลทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ เห็นได้จากแรงม้าที่เพิ่มขึ้นเกือบเท่าตัวเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์สมัยก่อน