อันที่จริงแล้วชื่อเรียกเต็มๆ ของเทอร์โบ คือ เทอร์โบชาร์เจอร์ (TURBOCHARGER) เป็นอุปกรณ์อัดอากาศประเภทหนึ่ง ที่หมุนด้วยความเร็วสูง โดยจะดูดอากาศรอบๆ ตัวเข้าไป แล้วเป่าออกมาด้วยแรงดันที่สูง ถ้าจะให้อธิบายง่ายๆ ลองนึกถึงช่างล้างแอร์ตามบ้าน จะมาพร้อมบโลเวอร์ หน้าตาเหมือนหอยโข่งเอาไว้เป่าอุปกรณ์แอร์ให้แห้งเร็วขึ้น เจ้าบโลเวอร์ตัวนี้ก็ทำงานเหมือนกับเทอร์โบ คือ มีหน้าที่อัดอากาศให้เกิดความเร็วสูงขึ้น เพียงแต่ต้นกำลังที่ทำให้ใบพัดอัดอากาศได้เร็วขึ้นนั้นต่างกัน บโลเวอร์ของช่างแอร์ใช้มอเตอร์ไฟฟ้าในการหมุนใบพัด แต่เทอร์โบของรถยนต์ใช้ไอเสียเป็นตัวขับใบพัด ดังนั้นทั้ง 2 แบบจึงมีข้อจำกัดอยู่ทั้งคู่
ทำไมต้องมีเทอร์โบ ?
การเพิ่มปริมาณน้ำมันทำได้ไม่ยาก เพราะหัวฉีดใช้ ECU ควบคุม ถ้าอยากจะเพิ่มเท่าไรก็ทำได้ แต่ที่ทำไม่ได้ คือ การเพิ่มปริมาณอากาศ เนื่องจากการดูดอากาศด้วยตัวเองของเครื่องยนต์นั้น ติดข้อจำกัดในหลายๆ ด้าน อากาศที่ไหลเข้าสู่ห้องเผาไหม้นั้น ต้องผ่านทางเดินอากาศที่ค่อนข้างยาว ผ่านท่อไอดี วาล์วไอดี และในรอบสูงๆ ระยะยกวาล์วก็จะเปิดเพียงเสี้ยววินาที ทำให้ปริมาณอากาศที่เข้าสู่กระบอกสูบ หรือห้องเผาไหม้จริงๆ อยู่ที่ประมาณ 75-85 % และช่วงเวลาในการผสม หรือคลุกเคล้ากันนั้นสั้นมากๆ การคลุกเคล้าระหว่างเชื้อเพลิงและอากาศนั้นยังทำไม่ได้เต็มที่ ผลที่ตามมาก็คือ เครื่องยนต์ไม่ได้กำลังเต็มที่ และมีการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์
เทอร์โบจะมาช่วยในการเพิ่มปริมาณอากาศสู่ห้องเผาไหม้ หรือกระบอกสูบเพิ่มขึ้น เพราะอากาศที่ถูกอัดเข้าไปนั้น จะมีความเร็วในการไหลมากกว่า ในระยะเวลาที่วาล์วไอดีเปิดเท่าเดิม เทอร์โบสามารถเพิ่มปริมาณอากาศได้มาก ทำให้อากาศที่ไหลเข้าห้องเผาไหม้ใกล้เคียง 100 % ผลที่ตามมา คือ การเผาไหม้ที่สมบูรณ์ เครื่องยนต์สร้างกำลังได้เต็มที่ ใช้เชื้อเพลิงได้อย่างคุ้มค่า และมีการเผาไหม้ที่สะอาด
ขนาดของเทอร์โบ มีความสำคัญ
ในยุคแรก เทอร์โบยังมีข้อจำกัดค่อนข้างมาก ข้อจำกัดที่ว่านี้ คือ เรื่องของการเลือกใช้ขนาดเทอร์โบ ถ้าเลือกขนาดเล็กจะทำให้เทอร์โบทำงานได้เร็วในรอบต่ำ เพราะใช้ปริมาณไอเสียในการขับเคลื่อนชุดเทอร์ไบน์น้อย ทำให้เครื่องยนต์ตอบสนองเร็ว
เทอร์โบขนาดเล็กในเครื่องยนต์ดีเซล สามารถเริ่มทำงานได้ตั้งแต่ประมาณ 1,000 รตน. ขึ้นไป เครื่องยนต์จึงมีอัตราเร่งที่ดีในรอบต่ำจนถึงรอบปานกลาง แต่เมื่อรอบเครื่องยนต์สูงขึ้น ปริมาณไอเสียก็มากขึ้นตามไปด้วย ความที่เป็นเทอร์โบขนาดเล็ก จะเกิดการอั้นที่ด้านไอเสีย ทำให้เกิดความร้อนสะสมสูง เครื่องยนต์ และเทอร์โบก็จะร้อนจัด เครื่องยนต์จะทำงานได้ไม่ดีในรอบสูง เทอร์โบที่ติดตั้งมาจากโรงงาน ส่วนใหญ่มักเลือกใช้ขนาดเล็ก เพราะจังหวะที่ทำให้เกิดมลพิษมากที่สุด คือ จังหวะออกตัว และจังหวะเร่งแซง แต่พอแก้ปัญหาหนึ่งได้ ก็จะมีอีกปัญหาตามมา เมื่อใช้เทอร์โบตัวเล็กก็จะดีเรื่องรอบต่ำอย่างเดียว
ในเครื่องยนต์ตัวเดียวกัน เมื่อเปลี่ยนไปใช้เทอร์โบขนาดใหญ่ขึ้น จะทำให้รอบสูงๆ นั้นมีกำลังเพิ่มขึ้น การเร่งแซงต่างๆ จะดีขึ้น แต่ก็มีปัญหาอีกเหมือนกัน แต่ปัญหานี้ตรงกันข้ามกับการใช้เทอร์โบลูกเล็ก เมื่อเปลี่ยนเป็นเทอร์โบขนาดใหญ่ในขณะอยู่ที่รอบต่ำจะรอรอบนาน หมายความว่า อัตราเร่งเวลาออกตัว จะไม่ฉับไวเท่าเทอร์โบขนาดเล็ก เพราะการทำงานของเทอร์โบนั้นจะใช้แรงดันไอเสียในการขับดันเทอร์ไบน์ รอบเครื่องยนต์ต่ำๆ นั้นเทอร์โบจะยังไม่ทำงานจนกว่าปริมาณไอเสียจะเพียงพอ
ยุคนี้ ต้องเทอร์โบแปรผัน
ทำอย่างไรที่จะให้เครื่องยนต์มีสมรรถนะทั้งรอบต่ำ และรอบสูง หลายๆ ท่านคงจะได้ยินชื่อของ “เทอร์โบแปรผัน” หรือ VARIABLE NOZZLE TURBINE (VNT) มาบ้างแล้ว หลายๆ ยี่ห้อก็ทำมาใช้ บอกให้นิดหนึ่งว่าเทคโนโลยีนี้เกิดขึ้นมานานมากแล้ว เป็นการพัฒนาเอาข้อดีของเทอร์โบขนาดเล็กและใหญ่ไว้รวมกัน โดยทำงานแบบแปรผันจึงเป็นที่มาของชื่อเทอร์โบชนิดนี้
การแปรผันอาศัยกลไกครีบไอเสีย ที่มีลักษณะเหมือนม่านชัทเตอร์ สามารถปรับระดับการไหลเวียนของไอเสียได้ รอบเครื่องยนต์ต่ำครีบดักไอเสียจะถูกหรี่ให้แคบลง ทำให้ไอเสียที่ไหลผ่านช่องแคบๆ มีความเร็วสูงพอที่จะขับกังหันด้านเทอร์ไบน์ หรือด้านไอเสียได้ เมื่อรอบเครื่องยนต์สูงขึ้นครีบดักไอเสียจะถูกสั่งให้เปิดกว้างขึ้นกว่าเดิม เพื่อรับปริมาณไอเสียที่เพิ่มขึ้น ทำให้เทอร์โบมีอัตราการบูสต์ที่ดีในทุกย่านความเร็วรอบ ช่วยรีดแรงม้าของเครื่องยนต์ได้อย่างเต็มประสิทธิภาพตั้งแต่รอบต้นๆ ทำให้สะดวกต่อการใช้งานทั้งในสภาพการจราจรหนาแน่น จนกระทั่งถึงการใช้ความเร็วนอกเมือง ด้วยระบบการทำงานที่ซับซ้อนต้องแลกมาด้วยค่าตัวที่แพงกว่า
เทอร์โบไฟฟ้า อีกไม่นานเกินรอ
มันก็เหมือนรถที่ใช้พลังงานไฟฟ้า เทอร์โบสามารถทำงานด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า ที่มีความสามารถเหนือกว่าการใช้ไอเสียของเครื่องยนต์ขับดัน เพราะมอเตอร์ไฟฟ้าทำให้เกิดการหมุนในรอบสูงสุดได้เพียงเสี้ยววินาที ขจัดปัญหาเรื่องอาการเทอร์โบแลก (TURBO LAG) แต่เทอร์โบที่ใช้ระบบไอเสียจะใช้เวลานานกว่า เพราะต้องรอรอบให้ไอเสียมีปริมาณที่เหมาะสมเสียก่อน แล้วทำไมเทอร์โบไฟฟ้าถึงจะมาพัฒนาตอนนี้ นี่ไม่ใช่เรื่องที่วิศวกรเพิ่งคิดได้ มีแนวคิดมานานแล้วเพียงแต่รอเวลาที่เหมาะสม เพราะติดขัดในเรื่องของต้นทุนและวัสดุ การออกแบบและพัฒนาเรื่องเทอร์โบไฟฟ้าไม่ใช่เรื่องยาก แต่เรื่องยาก คือ เรื่องของความทนทาน เนื่องจากต้องทำงานหนัก และรับความร้อนสะสมสูงอยู่ตลอดเวลา เราจะได้เห็นเทอร์โบไฟฟ้าจากค่าย เอาดี ในอีกไม่กี่ปีนี้
