[ เร้าใจด้วย Turbo จากเครื่องดีเซล ]

t>> มีโอกาสได้พูดคุยกับผู้ใช้รถหลายท่านที่ใช้รถเครื่องยนต์ดีเซลเป็นต้นกำลัง พบว่ามีจำนวนมาก และส่วนใหญ่ยังไม่ค่อยเข้าใจในเรื่องของการดูแลรักษามากนัก รวมถึงเข้าใจในเรื่องเทคโนโลยีของเครื่องยนต์ดีเซลสมัยใหม่ผิดไปมากทีเดียว หลายเรื่องอาจส่งผลเสียหายกับเครื่องยนต์ในระยะยาวได้ จึงถือโอกาสนี้มาแนะนำถึงเทคโนโลยีเครื่องยนต์ดีเซลให้กระจ่างกันมากขึ้น

t 

tนับตั้งแต่เครื่องยนต์คอมมอน เรล เริ่มเป็นที่รู้จักในบ้านเรา เครื่องยนต์ดีเซลสมรรถนะสูงจึงกลายเป็นที่รู้จักและได้รับความนิยมอย่างต่อเนื่อง ยังมีอีกเทคโนโลยีหนึ่งที่ออกมาควบคู่กันคือเทคโนโลยีของ ยูนิต อินเจ็กเตอร์ (Unit Injector) ของค่ายโฟล์คสวาเก้น เครื่องยนต์ดีเซลสมัยใหม่จ่ายน้ำมันเชื้อเพลิงด้วยแรงดันสูงมากกว่า 1,300 บาร์ขึ้นไปซึ่งสูงกว่าแรงดันของปั๊มน้ำมันในเครื่องยนต์ดีเซลรุ่นก่อนๆ ราว 2-3 เท่าตัว 

t 

t        อย่างแรกที่เจ้าของรถมักไม่ทราบว่าแรงดันเชื้อเพลิงสูงๆ ที่บริษัทรถยนต์เอามาโฆษณานั้นมันมีผลดีกับเครื่องยนต์อย่างไร ปัญหาของเครื่องยนต์ดีเซลหลักๆ คือเรื่องควันดำอันเนื่องมาจากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ ทำให้เกิดเขม่าดำออกมาทางปลายท่อไอเสีย สาเหตุที่ทำให้เกิดควันดำนั้นเพราะผลจากคุณสมบัติของน้ำมันดีเซลนั่นเอง 

t 

t        ข้อเสียของน้ำมันดีเซลคือเรื่องของการเผาไหม้ช้า ทำให้รอบสูงๆ ในเครื่องยนต์รุ่นเก่าๆ จะมีควันดำออกมามาก ขนาดรถป้ายแดงยุคนั้นลองกดคันเร่งพรวดเดียวก็จะเห็นว่าควันออกมามากจริงๆ ผิดกับรถยุคนี้ลิบลับ ความล่าช้าในที่นี้หมายถึงน้ำมันดีเซลต้องใช้เวลาในการแตกตัวและคลุกเคล้ากับอากาศนานกว่าน้ำมันเบนซิน ในรอบเครื่องยนต์สูงๆ มันจะเผาไหม้ไม่ทัน ควันก็เลยดำอย่างที่เห็น

t 

t        การเผาไหม้นี้เราเรียกว่า ‘การสันดาป’ ความแตกต่างของเครื่องยนต์เบนซินและดีเซลมีดังนี้ ในเครื่องยนต์เบนซินนั้นการสันดาปหรือการเผาไหม้นั้นจะเกิดขึ้นได้ตามวัฏจักรการทำงานของเครื่องยนต์คือ ดูด-อัด-ระเบิด-คาย 

t 

t        จังหวะดูดนั้นเครื่องยนต์จะดูดเอาอากาศพร้อมกับน้ำมันเบนซินเข้ามาพร้อมกัน (ยกเว้นเครื่องยนต์เบนซินแบบไดเร็กอินเจ็กชั่น) จังหวะต่อมาคือจังหวะอัด จังหวะนี้อากาศกับน้ำมันจะถูกอัดให้มีปริมาตรเล็กลง ทั้งสองจังหวะนี้อากาศกับน้ำมันมีโอกาสคลุกเคล้าได้อย่างเต็มที่จนถึงจังหวะระเบิด หัวเทียนจะจุดประกายไฟออกมาเพื่อให้เกิดการเผาไหม้ จากนั้นก็เป็นจังหวะคายที่จะระบายไอเสียทิ้งไป

t 

t        แต่เครื่องยนต์ดีเซลนั้นจังหวะดูด เครื่องยนต์จะดูดอากาศเข้าไปในกระบอกสูบเพียงอย่างเดียว จังหวะอัดก็จะเป็นการอัดอากาศเพียวๆ ไม่มีน้ำมันมาเกี่ยวข้อง อากาศที่ถูกอัดจะมีความร้อนสูงเพราะการลดปริมาตรอย่างรวดเร็วในพื้นที่จำกัดจนเกิดความร้อน พอถึงจังหวะระเบิดหัวฉีดจึงจะปล่อยน้ำมันออกมา ซึ่งจะเกิดการคลุกเคล้าระหว่างอากาศและน้ำมันในเวลาอันสั้น ยิ่งรอบเครื่องยนต์สูงๆ จะมีปัญหาว่าเผาไหม้ไม่ทัน เพราะช่วงเวลาในการคลุกเคล้าอากาศกับน้ำมันนั้นมีสั้นนิดเดียว ไม่เหมือนกับเครื่องยนต์เบนซินทั่วไปที่มีระยะเวลาในการคลุกเคล้ากันนานมาก เพราะเริ่มตั้งแต่จังหวะดูดเลย

t 

t        เทคโนโลยีที่ใช้การจ่ายน้ำมันด้วยแรงดันสูงๆ ก็เพื่อแก้ปัญหาเรื่องการเผาไหม้ไม่หมดจด เพราะน้ำมันดีเซลต้องการเวลาในการแตกตัวและคลุกเคล้ากับอากาศให้มากพอ ซึ่งในรอบเครื่องยนต์สูงๆ นั้นเรื่องนี้เป็นไปได้ยาก 

t 

t        ดังนั้นทางแก้คือการทำให้น้ำมันเชื้อเพลิงเป็นฝอยละอองละเอียดที่สุดเท่าที่จะทำได้ และต้องสามารถฉีดเข้าห้องเผาไหม้ได้อย่างรวดเร็วด้วย เพื่อเป็นการชดเชยช่วงเวลาที่มีน้อยมากในการคลุกเคล้ากับอากาศ 

t 

t        ปั๊มแรงดันสูงและระบบหัวฉีดแบบอิเล็กทรอนิกส์จึงถูกพัฒนาขึ้นมา โมเลกุลของน้ำมันที่ละเอียดมากๆ และจ่ายด้วยแรงดันสูงๆ ทำให้การคลุกเคล้าเป็นไปอย่างทั่วถึง นอกจากจะได้สมรรถนะอย่างเต็มที่ ยังจะทำให้เกิดการเผาไหม้ที่หมดจดด้วย

 t

tสิ่งสนับสนุนการเผาไหม้สะอาด การพัฒนาเครื่องยนต์ดีเซลนั้นเราจะเห็นว่ามีการนำเทอร์โบชาร์จเข้ามาใช้อย่างแพร่หลาย ซึ่งหลายคนคิดว่าเป็นการนำมาใช้เพื่อต้องการให้เครื่องยนต์มีแรงม้ามากขึ้น เรื่องนี้มันก็เป็นอีกเหตุผลหนึ่งที่นำเทอร์โบเข้ามาใช้ แต่สาเหตุหลักที่นำเทอร์โบมาใช้เป็นเพราะเรื่องของ ‘มาตรฐานมลพิษ’ ที่เข้มงวดขึ้นในหลายแห่งทั่วโลก ทั้งฝั่งอเมริกา ยุโรป ญี่ปุ่น ฯลฯ เพราะประเทศที่พัฒนาแล้วตระหนักดีในเรื่องสิ่งแวดล้อม กำหนดขึ้นมาเพื่อให้ผู้ผลิตรถยนต์พัฒนาเครื่องยนต์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น 

t 

t        การแก้ปัญหาของเครื่องยนต์ดีเซลนอกจากการเพิ่มแรงดันน้ำมันเชื้อเพลิงและใช้หัวฉีดที่มีความละเอียดมากขึ้นแล้วก็ตาม มันยังไม่สามารถชดเชยเรื่องการเผาไหม้ได้ดีนัก สิ่งสำคัญอีกอย่างในการเผาไหม้คือปริมาณอากาศที่เครื่องยนต์ดูดเข้าไปยังไม่เพียงพอต่อการใช้งานจริง เพราะการเผาไหม้ที่สมบูรณ์นั้นต้องประกอบด้วยสามส่วน คือ เชื้อเพลิง อากาศ และอุณหภูมิที่เหมาะสม ตอนนี้เราสามารถแก้ปัญหาเรื่องเชื้อเพลิงได้แล้วคือการใช้เทคโนโลยีอย่างคอมมอน เรล และยูนิต อินเจ็กเตอร์ 

t 

t        ทำอย่างไรจึงจะเพิ่มปริมาณอากาศเข้าห้องเผาไหม้ได้ เนื่องจากการดูดอากาศด้วยตัวเองนั้นติดข้อจำกัดในหลายๆ ด้าน อากาศที่จะเข้าสู่ห้องเผาไหม้จริงนั้นต้องผ่านทางเดินอากาศที่ค่อนข้างยาว ผ่านท่อไอดีผ่านวาล์วไอดีและในรอบสูงๆ ระยะยกวาล์วก็จะเปิดเพียงเสี้ยววินาที ทำให้ปริมาณอากาศที่เข้าสู่กระบอกสูบหรือห้องเผาไหม้จริงๆ อยู่ที่ประมาณ 75-85 เปอร์เซ็นต์ และช่วงเวลาในการผสมหรือคลุกเคล้ากันนั้นสั้นมากๆ การคลุกเคล้าระหว่างเชื้อเพลิงและอากาศนั้นยังทำได้ไม่เต็มที่ ผลที่ตามมาคือเครื่องยนต์ไม่ได้กำลังสูงสุดและมีการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ 

t 

t        เทอร์โบชาร์จจะมาช่วยในการเพิ่มปริมาณอากาศสู่ห้องเผาไหม้หรือกระบอกสูบเพิ่มขึ้น เพราะอากาศที่ถูกอัดเข้าไปนั้น จะมีความเร็วในการไหลมากกว่า ในระยะเวลาที่วาล์วไอดีเปิดเท่าเดิม 

t 

t        เทอร์โบชาร์จสามารถเพิ่มปริมาณอากาศได้มาก ทำให้อากาศที่ไหลเข้าห้องเผาไหม้ใกล้เคียง 100 เปอร์เซ็นต์ ผลที่ตามมาคือการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ เครื่องยนต์สร้างกำลังได้เต็มที่ ใช้เชื้อเพลิงได้อย่างคุ้มค่า และมีการเผาไหม้ที่สะอาด

t 

t        การพัฒนาสู่เทอร์โบชาร์จแบบแปรผัน นอกเหนือจากการใช้เทอร์โบชาร์จเข้ามาช่วยเสริมแล้ว เครื่องดีเซลยุคใหม่ถูกพัฒนามาควบคู่กับการควบคุมการทำงานด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ มี ECU ควบคุมการจ่ายน้ำมันให้เป็นไปตามภาระของเครื่องยนต์เช่นเดียวกับเครื่องยนต์เบนซินหัวฉีด เพื่อให้การสั่งจ่ายน้ำมันเป็นไปอย่างถูกต้องตามความต้องการของเครื่องยนต์ระบบหัวฉีดที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ เป็นอีกทางออกหนึ่งที่สำคัญ ปัจจุบันมีการพัฒนาล้ำหน้าไปไม่น้อยกว่าเครื่องยนต์เบนซิน

t 

t        กลับเข้ามาเรื่องเทอร์โบชาร์จกันต่อ มันยังมีข้อจำกัดของตัวเทอร์โบชาร์จค่อนข้างมาก ข้อจำกัดที่ว่านี้คือเรื่องของการเลือกใช้ขนาดเทอร์โบ ถ้าเลือกเทอร์โบขนาดเล็กจะทำให้เทอร์โบทำงานได้เร็วในรอบต่ำ เพราะใช้ปริมาณไอเสียในการขับเคลื่อนชุดเทอร์ไบน์น้อย ทำให้เครื่องยนต์ตอบสนองเร็ว เทอร์โบขนาดเล็กในเครื่องยนต์ดีเซลสามารถเริ่มทำงานได้ตั้งแต่ประมาณ 1,000 รอบต่อนาทีขึ้นไป เครื่องยนต์จึงมีอัตราเร่งที่ดีในรอบต่ำจนถึงรอบปานกลาง 

t 

t        แต่เมื่อรอบเครื่องยนต์สูงขึ้น ปริมาณไอเสียก็จะมากขึ้นด้วย ความที่เป็นเทอร์โบขนาดเล็ก ก็จะเกิดการอั้นที่ด้านไอเสียทำให้เกิดความร้อนสะสมสูง เครื่องยนต์และเทอร์โบก็จะร้อนจัด เครื่องยนต์จะทำงานได้ไม่ดีในรอบสูง เทอร์โบที่ติดตั้งมาจากโรงงานส่วนใหญ่มักจะเลือกใช้เทอร์โบขนาดเล็ก เพราะจังหวะที่ทำให้เกิดมลพิษมากที่สุดคือจังหวะออกตัวและจังหวะเร่งแซง แต่พอแก้ปัญหาหนึ่งได้ก็จะมีอีกปัญหาตามมา เมื่อใช้เทอร์โบตัวเล็กก็จะดีรอบต่ำอย่างเดียว

t 

t        ในเครื่องยนต์ตัวเดียวกันเมื่อเปลี่ยนไปใช้เทอร์โบขนาดใหญ่ขึ้น จะทำให้รอบสูงๆ นั้นมีกำลังเพิ่มขึ้น การเร่งแซงต่างๆ จะดีขึ้น แต่ก็มีปัญหาอีกเหมือนกัน

t 

t        ปัญหานี้ตรงกันข้ามกับการใช้เทอร์โบลูกเล็ก เมื่อเปลี่ยนเป็นเทอร์โบใหญ่แล้วรอบต่ำต้องรอรอบนาน หมายความว่าอัตราเร่งเวลาออกตัว จะไม่ฉับไวเท่าเทอร์โบลูกเล็ก เพราะการทำงานของเทอร์โบนั้นจะใช้แรงดันไอเสียในการขับดันเทอร์ไบน์ รอบเครื่องยนต์ต่ำๆ นั้นเทอร์โบจะยังไม่ทำงานจนกว่าปริมาณไอเสียจะเพียงพอ ซึ่งอาจจะต้องรอจนถึงรอบเครื่องยนต์ประมาณ 2,000 รอบต่อนาทีขึ้นไป 

t 

t        ทำอย่างไรถึงจะทำให้เครื่องยนต์มีสมรรถนะทั้งรอบต่ำและรอบสูง หลายท่านจะได้ยินชื่อของ ‘เทอร์โบแปรผัน’ หรือ Variable Nozzle Turbine (VNT) มาบ้างแล้ว หลายยี่ห้อก็ทำมาใช้ บอกให้นิดหนึ่งว่าเทคโนโลยีนี้เกิดขึ้นนานมากแล้ว เป็นการพัฒนาเอาข้อดีของเทอร์โบลูกเล็กกับเทอร์โบลูกใหญ่มารวมกัน โดยทำงานแบบแปรผันจึงเป็นที่มาของชื่อเทอร์โบชนิดนี้ 

t 

t        การแปรผันอาศัยกลไกครีบไอเสียที่มีลักษณะเหมือนม่านชัตเตอร์ สามารถปรับระดับการไหลเวียนของไอเสียได้ รอบเครื่องยนต์ต่ำครีบดักไอเสียจะถูกหรี่ให้แคบลงทำให้ไอเสียที่ไหลผ่านช่องแคบๆ จะมีความเร็วสูงพอที่จะขับกังหันด้านเทอร์ไบน์หรือด้านไอเสียได้ 

t 

t        เมื่อรอบเครื่องยนต์สูงขึ้น ครีบดักไอเสียจะถูกสั่งให้เปิดกว้างขึ้นกว่าเดิม เพื่อรับปริมาณไอเสียที่เพิ่มขึ้น ทำให้เทอร์โบมีอัตราการบูสต์ที่ดีในทุกย่านความเร็วรอบ ช่วยรีดแรงม้าของเครื่องยนต์ได้อย่างเต็มประสิทธิภาพตั้งแต่รอบต้นๆ ทำให้สะดวกต่อการใช้งานทั้งในสภาพการจราจรหนาแน่นจนกระทั่งถึงการใช้ความเร็วนอกเมือง 

t 

t        ด้วยระบบการทำงานที่ซับซ้อนต้องแลกมาด้วยค่าตัวที่แพง ระยะแรกเราจึงพบแต่ในรถยนต์ราคาแพง แต่ปัจจุบันราคาถูกลงมากทำให้เราพบเจอในรถกระบะบ้านเรา

t