คุยให้ครบ จบครั้งเดียว …เข้าใจลึกซึ่งเรื่อง “เทอร์โบ”

ทุกวันนี้หันไปทางไหนในเครื่องยนต์ดีเซลและเบนซินยุคใหม่ เราต่างได้ยินเรื่องเราของชิ้นส่วนที่เรียกว่า “เทอร์โบ” กันมากขึ้น และคนไทยดูเหมือนจะชอบพวกมันมากๆ ราวกับเป็นประกาศิตจากผู้ผลิตรถยนต์ว่า รถรุ่นใด มีเทอร์โบ รุ่นนั้นถือเป็นรถแรงประจำถนน

เทอร์โบคืออะไร

“เทอร์โบ” คือรูปแบบหนึ่งของระบบอัดอากาศเข้าสู่เครื่องยนต์ ทำหน้าที่เพิ่มแรงดันอากาศให้เข้าสู่ห้องเผาไหม้มากที่สุดเมื่อวาล์วอากาศเปิดระหว่างรอบการทำงาน

หลักการทำงานเทอร์โบตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบันมีความเหมือนกัน คือใช้ชุดกันหัน (ใบพัด) ติดตั้งไว้ทั้ง 2 ด้าน โดยชุดใบพัดทั้งสอง จะทำงานสัมพันธ์ผ่านชุดแกนเทอร์โบ(ในอดีต)  โดยฝั่งหนึ่งจะติดตั้งเขากับท่อร่วมไอเสีย หรือ เฮดเดอร์ ซึ่งมีลมหลังจากการเผาไหม้ออกมาดันใบเทอร์โบให้หมุนอย่างต่อเนื่อง  ส่วนกังกันอีกด้านจะติดตั้งต่อจากชุดกรองอากาศ เพื่อเรียกอากาศดีเข้าสู่เครื่องยนต์

โดยในระหว่างที่ใบด้านหนึ่งหมุนใบอีกด้านก็จะหมุนพร้อมกันตามไปด้วย จนเมื่อถึงจุดหนึ่งแรงหมุนมากพอจะทำให้ใบพัดสร้างกำลังลมที่มากกว่าปกติเข้าสู่เครื่องยนต์ เราเรียกว่า แรงดันเทอร์โบ หรือ บูสต์

เทอร์โบติดตั้งได้กี่แบบ

ปัจจุบันแม้ว่าโลกจะๆปไกลมากเพียงใด น่าแปลกที่ความคิดของการวิศวกรรมระบบเทอร์โบนั้นไม่ได้ไปไกลอย่างที่เราคิดนัก

ระบบเทอร์โบชาร์จที่เราเห็นกันมากมายทั้งในเครื่องยนต์เบนซิน และดีเซลนั้น ต่างมีรูปแบบการติดตั้งสำคัญอยู่ 2-3 หลักการเท่านั้น

1.เทอร์โบเดี่ยว หรือ  Single Turbo   รูปแบบการติดตั้งเทอร์โบหรือระบบอัดอากาศเทอร์โบเดี่ยวเป็นรูปแบบที่นิยมที่สุดจากทีมวิศวกร เนื่องจาเทอร์โบเดี่ยวมีความเรียบง่ายในการติดตั้ง และเพียงพอต่อการใช้งาน ไม่มีความยุ่งยากซับซ้อนของตัวระบบให้ปวดกระบาลเสียเวลาทำมาหากิน

หลักการเทอร์โบเดี่ยวคือ ติดตั้งเทอร์โบเพียงลูกเดียว เพื่อใช้ในการสร้างกำลังเพิ่มเติมจากการอาศัยจังหวะการดูดปกติของเครื่องยนต์ 

แต่ปัญหาก็มีมากไม่แพ้กัน คือเมื่อมีเทอร์โบเพียงลูกเดียว ทางทีมวิศวกรเอง ก็จำเป็นต้องเลือกเทอร์โบให้มีความเหมาะสมกับขนาดของเครื่องยนต์ และรูปแบบบุคลิกการขับขี่ที่ต้องการด้วย

ปัญหาใหญ่ที่มักเกิดกับเครื่องยนต์   Single Turbo   ในอดีต คือว่า พวกมันจะมีอาการรอรอบการทำงานของชุดเทอร์โบ ทางวิศวกรรมเรียกอาการนี้ว่า  Turbo  Lag   ซึ่งจะเกิดขึ้น เมื่อเทอร์โบอยู่ในช่วงไม่บูสต์แรงดันไปหาเครื่องยนต์ และต้องใช้เวลาสักพัก จนชุดใบพัดได้รับแรงดันที่เหมาะสม ระบบเทอร์โบจึงจะทำงาน

ในแง่หนึ่งสำหรับคนที่เคยผ่ายมือรถเทอร์โบมาจะชอบอาการที่ว่านี้ เพราะมันเหมือนจุดเปลี่ยนของชีวิต ทว่ากลับกัน ก็อันตรายไม่น้อย ยิ่งเทอร์โบมีขนาดใหญ่มาก ก็ยิ่งบูสต์ช้า ใช้เวลารอรอบการทำงานนานขึ้น ทำให้มีการคิดเทคนิคช่วยให้แรงดันมาเร็วขึ้นตามมา

1.1 โข่งไอเสีย 2 ช่อง หรือบางที หลายคนอาจจรู้จักในนาม  Twin Scroll   เป็นเทคนิคแรกๆ ที่เกิดขึ้นในโลกเทอร์โบ โดยทางวิสวกรออกแบบช่องรับแรงดันไอเสียจากท่อร่วมไอเสียใหม่ ให้มี 2 ช่อง แทนที่จะเป็นช่องเดียวขนาดใหญ่ มันคล้ายกับคุณมี 2 ช่องทางให้อากาศเลือกเข้าตามใจ แต่ไปรวมกันในข่างที่จุดเดียวเหมือนเดิม ทำให้ลดเวลาในการหมุนกังหันลดลง ได้ในระดับหนึ่ง เช่นจาก เริ่มทำงานที่ 4,000 รอบต่อนาที อาจจะลดลงมาเหลือ 3,000 รอบต่อนาที เป็นต้น

1.2Ball Bearing Turbo   เทอร์โบแบบ   Ball Baring  ถือกำเยิดขึ่นในช่วงยุค 90 เมื่อวิศวกรผู้ผลิตเทอร์โบ คิดว่าทำไมไม่ปรับแกนเทอร์โบให้หมุนง่ายขึ้น พวกเขาจึงจัดการติดตั้งชุดตลับลูกปืนขนาดเล็กไว้กับแกนเทอร์โบเพื่อให้แกนหมุนง่ายขึนกว่าเดิม

1.3ใบเทอร์โบเซรามิค ชุดใบเทอร์โบฝั่งแรงดันไอเสยถือเป็นจุดตายสำคัญที่บอกได้ว่าเทอร์โบลูกนั้นๆ จะทำงานได้ช้าหรือเร็ว หลังจากผ่านช่วงเทอร์โบลูกปืนมา ก็มีการคิดค้นเทคนิคใหม่ ด้วยการเปลี่ยนวัสดุทำใบเทอร์โบฝั่งไอเสียเพื่อให้มีน้ำหนักเบา ใบหรือกังหันเทอร์โบที่ทำมาจากเซรามิคจึงเกิดขึ้น โดย   Garette   ผู้ผลิตเทอร์โบชั้นนำ ได้คิดค้นสุตรนี้มาตั้งแต่ปี 1989 และเริ่มผลิตขายให้กับผู้ผลิตรถยนต์หลายรายในช่วงยุค 90

1.4 ระบบเทอร์โบแปรผัน เมื่อก้าวเข้าสู่ยุค 2000 ความล้ำหน้าทางด้านวิทยาการยานยนต์โดยอาศัยการควบคุมระบบไฟฟ้าและกล่องประมวลผล จึงเริ่มเกิดขึ้น และถูกใช้อย่างแพร่หลาย

อันที่จริงระบบเทอร์โบแปรผันไม่ใช่เรื่องใหม่ทางการวิศวกรรม เดิมทีพวกมันติดตั้งในบรรดาระดับเรือธงก่อน เช่นใน   Honda  Legend ,Shelby CSX-VNT  แต่ไม่ได้แพร่หลายนัก จนกระทั่งมาสุ่ยุคบูมของเครื่องยนต์ดีเซลเทอร์โบ ชุดเทอร์โบแบบนี้จึงกลายเป็นรู้จักอย่างกว้างขวาง

หัวใจหลักสำคัญของระบบเทอร์โบแปรผัน คือมีอุปกรณ์ควบคุมอากาศในชุดโข่งเทอร์โบ สามารถเปลี่ยนให้เทอร์โบตอบสนองแทบจะตลอดเวลาที่ขับขี่ ไม่ว่าจะช่วยเครื่องยนต์ทำงานในรอบต่ำ หรือการทำงานในรอบสูง มันช่วยลดอาการรอบได้เป็นอย่างดี และให้ความรู้สึกการตอบสนองที่ดีกว่าเทอร์โบปกติ

2. การติดตั้งเทอร์โบหลายตัว แนวคิดการติดตั้งเทอร์โบหลายตัวในเครื่องยนต์มีมานานมากแล้ว แต่ที่นิยมที่สุด คือการติดตั้งเทอร์โบ 2 ตัว ในเครื่องยนต์ หรือ เราเรียกว่าระบบ Twin Turbo  บางบริษัท ก็เรียกให้มันดูเก๋ว่า  Bi-Turbo  นั่นเอง

แนวความคิดเทอร์โบ 2 ตัว เดิมทีเกิดจากเครื่องยนต์ขนาดใหญ่ อาทิเช่นเครื่องยนต์ประเภท 6 สูบแถวเรียง ซึ่งสามารถผบิตแรงดันอากาศจากการเผาไหม้ได้มาก ซึ่งถ้าติดตั้งเทอร์โบชาร์จลูกเดียวจะต้องใช้เทอร์โบที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่มาก และอาจจะต้องรอรอบนานเมื่อขับใช้งานจริง

รวมถึงถึงเครื่องยนต์บางแบบเช่น เครื่อง  V   ยังไม่เหมาะต่อการติดตั้งเทอร์โบแบบ   Single Turbo   เนื่องจากชุดสูบมี 2 ฝั่ง ทำให้เริ่มเกิดความคิดการติดตั้งเทอร์โบ 2 ลูกในระบบเครื่องยนต์เข้ามา ก่อนที่ยุคเครื่องยนต์ 4 สูบได้รับความนิยมเข้ามา และทางวิศวกรเอาแนวคิดนี้มาใช้ต่อยอดกันต่อไป

ไม่ว่าจะกี่ยุคกี่สมัย ระบบเทอร์โบแบบติดตั้ง 2 ลูก ก็มีเพียง 2-3 แนวคิดเท่านั้น คือ

1.ระบบเทอร์โบแบบอนุกรม หรือ   Sequential  Turbo 

ระบบเทอร์โบแบบนี้เป็นที่นิยมมมากในรถยนต์สปอร์ตช่วงยุคปี 90 โดยเฉพาะที่รู้จักกันอย่างากสำหรับคนไทยก็ไม่พ้นตำนานเครื่องยนต์รหัส   2 JZ  GTE ที่สถิตในรถยนต์    Toyota  Supra  ซึ่งใช้ระบบที่เรากำลังพูดถึงให้พละกำลังกับเครื่องยนต์

แนวคิดเทอร์โบคู่แบบนี้ ใช้เพื่อให้การตบอสนองของเครื่องยนต์ดีตลอดช่วงรอบเครื่องยนต์ โดยทีมวิศวกรจะติดตั้งเทอร์โบขนาดเล็กและเทอร์โบขนาดใหญ่ในเครื่องยนต์บล็อกเดียว

ช่วงเครื่องยนต์ทำงานในรอบต่ำ ตั้งแต่รอบเดินเบาไปจนถึงเครื่องยนต์ช่วงรอบกลาง ประมาณ 3,000-4,000 รอบต่อนาที จะใช้การทำงานของเทอร์โบขนาดเล็กไปพลางๆ เนื่องจากแรงดันไอเสียยังไม่มีแรงดันมากพอจะดันเทอร์โบใหญ่ให้ทำงาน จนถึงจังหวะหนึ่งเมื่อแรงดันไอเสียมากพอ เทอร์โบใหญ่จะเริ่มต้นการทำงานรับช่วงต่อเนื่องจากเทอร์โบเล็ก แล้วทำงานพร้อมกันเพื่อให้กำลังเครื่องยนต์

2.เทอร์โบคู่ แบบคู่ขนาน หรือ  Parallel Turbo   

ระบบเทอร์โบแบบนี้เป็นระบบที่นิยมติดตั้งในเครื่อง V  โดยทางวิศวกรจะติดตั้งเทอร์โบ 2 ลูก ที่มีขนาดเท่ากันให้กำลังแรงดันเทอร์โบเท่ากัน ลงในเครื่องยนต์เดียวกัน และให้ทั้งสองลูกทำงานในจังหวะเดียวกัน เพื่อสร้างกำลังแรงดันให้เครื่องยนต์

การเซทอัพเทอร์โบลักษณะนี้เพื่อให้ความสมดุลในการทำกำลังจากเครื่องยนต์ และยังมีโอกาสจะสามารถเลือกใช้เทอร์โบให้มีขนาดเล็กลง เพื่อช่วยลดเวลาในการรอรอบของเทอร์โบได้อีกด้วย รวมถึงความซับซ้อนของชิ้นส่วนยังน้อยลงกว่า การติดตั้งเทอร์โบแบบอนุกรม ซึ่งใขชิ้นส่วนและวิธีการในการทำงานซับซ้อนกว่า เมื่อเปรียบเทียบกัน 
บางครั้งการติดตั้งแบบนี้อาจเรียกว่า   Twin Turbo   กล่าวคือเทอร์โบทั้ง 2 ลูกต้องเหมือนกันนั่นเอง

3.Twin Stage Turbo

เทอร์โบแบบ   Twin Stage   คล้ายกับเทอร์โบชาร์จแบบ   Sequential Turbo หลักการทำงาน แต่แนวทางของระบบเทอร์โบแบบนี้ คือใช้ท่อทางไอเสียเดียว โดยเชื่อมต่อโข่งไอเสียเทอร์โบเล็กไปยังเทอร์โบใหญ่ (บางครั้งอาจเรียกว่า  Bi-Tubo)

เมื่อไอเสียไหลเวียนไปตามจังหวะการทำงาน ระบบเทอร์โบจะทำงานต่อเนื่องทีละลูก ตามจังหวะที่เทอร์โบสามารถทำงานจนมีกำลังแรงดันเทอร์โบเกิดขึ้นตามความเล็ก-ใหญ่ของชุดเทอร์โบชาร์จ ระบบแบบนี้นิยมใช้ในเครื่องยนต์ดีเซลเป็นหลัก เนื่องจากสามารถทำแรงดันต่อเนื่องได้  และเหมาะที่จะใช้กับเครื่องยนต์ที่ต้องการแรงดันเทอร์โบสูง อย่างในเครื่องยนต์ดีเซล

เรื่องราวระบบเทอร์โบชาร์จ ไม่ได้ยากจนเกินความเข้าใจ ทุกวันนี้เราอาจจะพบว่าระบบเทอร์โบเริ่มกลายเป็นที่นิยมในรถยนต์ที่เราใช้มากขึ้น พวกมันทำหน้าที่ทั้งให้กำลังและเสริมความประหยัดมากขึ้น  ในเครื่องยนต์สมัยใหม่ที่วางขายในรถยนต์ปัจจุบัน