ประวัติศาสตร์ของระบบเทอร์โบชาร์จ: เทอร์โบเปลี่ยนโลกยานยนต์ได้อย่างไร

คุณอาจเคยเห็นป้ายสัญลักษณ์ “turbo” เล็กๆ บนรถยนต์ที่ดูธรรมดาทั่วไปในบางครั้ง ผู้ผลิตมักวางตราสัญลักษณ์เหล่านี้อย่างสุภาพ — เล็กและซ่อนอยู่ในจุดที่ไม่สะดุดตา ผู้ที่ไม่รู้เรื่องอาจเดินผ่านไปโดยไม่สังเกต แต่สำหรับผู้ที่รู้ มันคือสัญญาณที่คุ้มค่าต่อการหยุดมอง แล้วทำไมเรื่องนี้ถึงสำคัญ? นี่คือเรื่องราวทั้งหมดเบื้องหลังระบบเทอร์โบชาร์จ — มันมาจากไหน ทำงานอย่างไร และเหตุใดจึงมีความสำคัญ

เหตุใดวิศวกรจึงต้องการพลังงานมากขึ้นจากเครื่องยนต์เดิม

นับตั้งแต่ยุคแรกเริ่มของวิศวกรรมยานยนต์ นักออกแบบต่างหมกมุ่นกับคำถามเดียว: จะดึงพลังงานมากขึ้นจากเครื่องยนต์ได้อย่างไร? กฎฟิสิกส์ให้คำตอบที่ชัดเจน — กำลังของเครื่องยนต์แปรผันตรงกับปริมาณเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ในแต่ละรอบการทำงาน เผาเชื้อเพลิงมากขึ้นก็ได้พลังงานมากขึ้น ฟังดูง่าย แต่ในทางปฏิบัติมันซับซ้อนกว่านั้นมาก

ข้อจำกัดหลักคืออ็อกซิเจน เชื้อเพลิงไม่ลุกไหม้ได้เอง — มันไหม้ในรูปแบบของส่วนผสมเชื้อเพลิง-อากาศ และส่วนผสมนั้นต้องสมดุลอย่างแม่นยำ ไม่ใช่ประมาณเอา สำหรับเครื่องยนต์เบนซิน อัตราส่วนที่เหมาะสมคือประมาณ:

• เชื้อเพลิง 1 ส่วน ต่อ อากาศ 14–15 ส่วน ขึ้นอยู่กับโหมดการทำงาน ส่วนประกอบของเชื้อเพลิง และตัวแปรอื่นๆ

ซึ่งหมายความว่าหากต้องการเผาเชื้อเพลิงมากขึ้น ก็ต้องจ่ายอากาศเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญด้วย เครื่องยนต์ดูดอากาศตามธรรมชาติทั่วไปดูดอากาศโดยอาศัยความแตกต่างของความดันระหว่างกระบอกสูบและบรรยากาศ ผลลัพธ์คือมีขีดจำกัดที่แน่ชัด: ยิ่งปริมาตรกระบอกสูบใหญ่ ออกซิเจนก็เข้าไปมากขึ้นต่อรอบ ผู้ผลิตรถยนต์อเมริกันในกลางศตวรรษที่ 20 ผลักดันแนวทางนี้ไปจนสุดขีด ด้วยการผลิตเครื่องยนต์ขนาดใหญ่ที่กินน้ำมันมหาศาล แต่มีวิธีที่ฉลาดกว่านี้ในการอัดอากาศเพิ่มเข้าไปในกระบอกสูบขนาดเดิมหรือไม่?

การประดิษฐ์ซูเปอร์ชาร์จเจอร์: ความก้าวหน้าของกอตต์ลีบ ไดม์เลอร์

คำตอบมาจากชื่อที่คุ้นเคย — กอตต์ลีบ วิลเฮล์ม ไดม์เลอร์ วิศวกรชาวเยอรมันผู้อยู่เบื้องหลังมรดกของ DaimlerChrysler ย้อนกลับไปในปี ค.ศ. 1885 ไดม์เลอร์พัฒนาวิธีการอัดอากาศเพิ่มเข้าสู่กระบอกสูบเครื่องยนต์โดยใช้ ซูเปอร์ชาร์จเจอร์แบบขับเคลื่อนด้วยกลไก — โดยพื้นฐานแล้วคือคอมเพรสเซอร์ (พัดลม) ที่ขับเคลื่อนโดยตรงจากเพลาข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์ ซึ่งอัดอากาศเข้าสู่กระบอกสูบ

มันใช้ได้ผล แต่มีข้อเสียที่สำคัญหนึ่งประการ: คอมเพรสเซอร์ดูดพลังงานจากเครื่องยนต์โดยตรงเพื่อขับเคลื่อนตัวเอง วิศวกรรู้ดีว่าต้องมีวิธีที่ดีกว่านี้

อัลเฟรด บือคีและการกำเนิดของเทอร์โบชาร์จเจอร์ (ค.ศ. 1905)

ขอแนะนำ อัลเฟรด เจ. บือคี วิศวกรและนักประดิษฐ์ชาวสวิสที่ทำงานอยู่ที่ Sulzer Brothers ซึ่งเขาเป็นหัวหน้าฝ่ายพัฒนาเครื่องยนต์ดีเซล บือคีรู้สึกหงุดหงิดใจในสองเรื่อง:

• เครื่องยนต์ดีเซลในยุคนั้น มีขนาดใหญ่ หนัก และให้กำลังต่ำ
• ซูเปอร์ชาร์จเจอร์แบบกลไก ดูดพลังงานจากเครื่องยนต์ที่ต้องการใช้ขับเคลื่อนตัวเอง

ในปี ค.ศ. 1905 บือคีได้จดสิทธิบัตรวิธีแก้ปัญหาที่ปฏิวัติวงการ: อุปกรณ์อัดอากาศที่ขับเคลื่อนไม่ใช่โดยเพลาข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์ แต่ด้วย ไอเสียของเครื่องยนต์เอง นี่คือเทอร์โบชาร์จเจอร์เครื่องแรกของโลก

เทอร์โบชาร์จเจอร์ทำงานอย่างไร

แนวคิดเบื้องหลังการเทอร์โบชาร์จนั้นเรียบง่ายอย่างน่าทึ่ง นี่คือหลักการพื้นฐาน ทีละขั้นตอน:

1. ก๊าซไอเสียร้อนออกจากเครื่องยนต์และไหลเข้าสู่ ตัวเรือนเทอร์ไบน์
2. ก๊าซเหล่านี้หมุนใบพัด — โรเตอร์เทอร์ไบน์ — คล้ายกับลมที่หมุนกังหัน แต่ด้วยความเร็วสูงอย่างมาก
3. โรเตอร์เทอร์ไบน์ติดตั้งบนเพลาเดียวกับ ใบพัดคอมเพรสเซอร์
4. เมื่อเทอร์ไบน์หมุน มันขับเคลื่อนคอมเพรสเซอร์ ซึ่ง อัดอากาศเข้าสู่กระบอกสูบ
5. อากาศในกระบอกสูบมากขึ้นหมายความว่าเผาเชื้อเพลิงได้มากขึ้น — ส่งผลให้ กำลังเครื่องยนต์เพิ่มขึ้น

คำว่า “เทอร์โบชาร์จเจอร์” มาจากรากศัพท์ภาษาละติน turbo (กระแสน้ำวน) และ compressio (การอัด) — คำอธิบายที่เหมาะเจาะกับสิ่งที่เกิดขึ้นภายใน

บทบาทของอินเตอร์คูลเลอร์

ยังมีชิ้นส่วนสำคัญอีกชิ้นหนึ่ง เมื่ออากาศผ่านคอมเพรสเซอร์และถูกทำให้ร้อนโดยชิ้นส่วนเทอร์โบชาร์จเจอร์ที่ร้อน มันจะขยายตัว — หมายความว่าออกซิเจนจะพอดีกับปริมาตรเดิมน้อยลง เพื่อแก้ไขปัญหานี้ เครื่องยนต์เทอร์โบชาร์จจะใช้ อินเตอร์คูลเลอร์: หม้อน้ำที่วางอยู่ในทางเดินอากาศระหว่างคอมเพรสเซอร์และกระบอกสูบเครื่องยนต์

หน้าที่ของอินเตอร์คูลเลอร์นั้นตรงไปตรงมาแต่สำคัญมาก:

• ทำให้อากาศอัดเย็นลงก่อนเข้าสู่กระบอกสูบ
• อากาศที่เย็นกว่า มีความหนาแน่นมากกว่า หมายความว่าโมเลกุลออกซิเจนพอดีกับพื้นที่เดิมได้มากกว่า
• ทำให้สามารถเพิ่มแรงดันบูสต์ได้สูงขึ้น — และได้กำลังเพิ่มขึ้นอีก
• ยังช่วยป้องกันการน็อคของเครื่องยนต์ (การจุดระเบิดก่อนกำหนด) โดยเฉพาะในการใช้งานสมรรถนะสูง

ข้อได้เปรียบหลักของเทอร์โบชาร์จเมื่อเทียบกับการดูดอากาศตามธรรมชาติ

ประสิทธิภาพที่ได้จากเทอร์โบชาร์จนั้นมีนัยสำคัญ ต่างจากซูเปอร์ชาร์จเจอร์แบบขับเคลื่อนด้วยกลไกที่ใช้กำลังเครื่องยนต์ในการทำงาน เทอร์โบชาร์จเจอร์ดึงพลังงานจากก๊าซไอเสียที่มิเช่นนั้นจะสูญเสียไป ที่สำคัญคือ เทอร์ไบน์ไม่ทำให้ก๊าซเหล่านั้นช้าลงอย่างมีนัยสำคัญ แต่ทำให้เย็นลงแทน โดยกู้คืนพลังงานในกระบวนการ ประโยชน์หลักได้แก่:

• พลังงานเครื่องยนต์เพียง ~1.5% เท่านั้นที่ถูกใช้โดยเทอร์โบชาร์จเจอร์เพื่อบำรุงรักษาตัวเอง
• กำลังเครื่องยนต์สูงขึ้น จากเครื่องยนต์ที่มีความจุน้อยกว่า
• ลดการสูญเสียแรงเสียดทาน เนื่องจากเครื่องยนต์มีน้ำหนักเบาและกะทัดรัดกว่า
• ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงดีขึ้น เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์ดูดอากาศตามธรรมชาติที่มีกำลังเท่ากัน
• ไอเสียสะอาดกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลสมัยใหม่

ฟังดูเหมือนวิธีแก้ปัญหาที่สมบูรณ์แบบ — แต่เทอร์โบชาร์จมาพร้อมกับความท้าทายด้านวิศวกรรมที่รุนแรงซึ่งทำให้การใช้งานอย่างแพร่หลายล่าช้าออกไปหลายทศวรรษ

ความท้าทาย: ความร้อนสูง ความเร็วสูง และเทอร์โบแล็ก

เทอร์โบชาร์จเจอร์ทำงานในสภาวะที่รุนแรง:

• โรเตอร์เทอร์ไบน์สามารถหมุนได้ถึง 200,000 รอบต่อนาที
• อุณหภูมิก๊าซไอเสียสามารถสูงถึง 1,000°C (1,832°F)
• ชิ้นส่วนต้องรักษาความสมบูรณ์เชิงโครงสร้างและความเที่ยงตรงแม่นยำภายใต้ความเครียดจากความร้อนและเชิงกลอย่างต่อเนื่อง

ด้วยเหตุนี้ การเทอร์โบชาร์จจึงแพร่หลายเฉพาะในช่วง สงครามโลกครั้งที่ 2 — และในช่วงแรกเฉพาะในการบิน ซึ่งการลงทุนด้านวิศวกรรมนั้นคุ้มค่า ในทศวรรษ 1950 แคเทอร์พิลลาร์ (Caterpillar) ประสบความสำเร็จในการนำเทคโนโลยีนี้มาใช้กับรถแทรกเตอร์ ในขณะที่คัมมินส์ (Cummins) พัฒนาเครื่องยนต์เทอร์โบดีเซลสำหรับรถบรรทุกเป็นครั้งแรก รถยนต์นั่งส่วนบุคคลแบบเทอร์โบชาร์จเริ่มมีขึ้นในปี ค.ศ. 1962 เมื่อ Oldsmobile Jetfire และ Chevrolet Corvair Monza ได้รับการเปิดตัวแทบพร้อมกัน

นอกจากความทนทานแล้ว ยังมีความท้าทายอีกอย่างที่เป็นเอกลักษณ์ของรถยนต์: เทอร์โบแล็ก ที่รอบเครื่องยนต์ต่ำ ปริมาตรก๊าซไอเสียมีน้อย ทำให้เทอร์ไบน์หมุนช้าและคอมเพรสเซอร์แทบไม่สร้างแรงดัน เครื่องยนต์อาจรู้สึกเฉื่อยชาต่ำกว่า 3,000 รอบต่อนาที แล้วพุ่งขึ้นพลังทันทีเหนือ 4,000–5,000 รอบต่อนาที เทอร์ไบน์ที่ใหญ่ขึ้นยิ่งทำให้แล็กชัดเจนขึ้น เทอร์ไบน์ที่เล็กกว่าลดแล็กแต่สูญเสียพลังสูงสุด

วิธีแก้ปัญหาสมัยใหม่: วิศวกรเอาชนะเทอร์โบแล็กได้อย่างไร

ตลอดหลายทศวรรษที่ผ่านมา วิศวกรได้พัฒนาแนวทางที่ชาญฉลาดหลายประการเพื่อลดเทอร์โบแล็กในขณะที่ยังคงรักษาการเพิ่มกำลัง:

• เทอร์โบคู่แบบซีเควนเชียล: เทอร์โบชาร์จเจอร์ขนาดเล็กที่มีความเฉื่อยต่ำทำหน้าที่รอบต่ำ ในขณะที่ยูนิตขนาดใหญ่กว่าจะเข้ามาทำงานที่รอบสูง ใช้ใน Porsche 959 ในตำนาน และปัจจุบันพบในเทอร์โบดีเซล BMW และ Land Rover เครื่องยนต์เบนซิน Volkswagen ใช้ซูเปอร์ชาร์จเจอร์แบบสายพานแทนเทอร์โบขนาดเล็กเพื่อการตอบสนองรอบต่ำที่เร็วยิ่งขึ้น
• เทอร์โบชาร์จเจอร์แบบ Twin-Scroll: เทอร์โบตัวเดียวที่มีช่องทางเข้าไอเสียแยกสองทาง (โวลูต) โดยแต่ละช่องได้รับก๊าซจากกระบอกสูบกลุ่มต่างกัน ทำให้เทอร์ไบน์หมุนอย่างมีประสิทธิภาพทั้งที่รอบต่ำและรอบสูง ลดแล็กโดยไม่ต้องเพิ่มเทอร์โบยูนิตที่สอง พบได้ทั่วไปในเครื่องยนต์ 6 สูบแถวและ 4 สูบ
• เทอร์โบคู่แบบขนาน: เทอร์โบชาร์จเจอร์ที่เหมือนกันสองตัวให้บริการกับแบงก์กระบอกสูบแยกกัน มาตรฐานในเครื่องยนต์แบบ V ซึ่งแต่ละแบงก์ได้รับยูนิตของตัวเอง ฝ่าย M ของ BMW ก้าวไปอีกขั้นด้วยท่อร่วมไอเสียแบบข้ามแบงก์บน X5 M และ X6 M ช่วยให้คอมเพรสเซอร์แบบ Twin-Scroll ดึงก๊าซจากแบงก์กระบอกสูบตรงข้ามในช่วงจังหวะจุดระเบิดที่ต่างกัน
• เทอร์โบชาร์จเจอร์แบบปรับรูปทรงได้ (VGT): ใบพัดปรับได้ภายในตัวเรือนเทอร์ไบน์เปลี่ยนเส้นทางการไหลของก๊าซไอเสียตามความเร็วเครื่องยนต์ — ให้เทอร์โบมี “ขนาด” ที่เหมาะสมในทุกรอบ นำมาใช้ครั้งแรกกับเครื่องยนต์ดีเซล (ซึ่งอุณหภูมิไอเสียที่ต่ำกว่าทำให้การนำมาใช้ง่ายขึ้น) และในที่สุดก็นำมาใช้กับเครื่องยนต์เบนซินโดย Porsche ด้วย 911 Turbo

เทอร์โบชาร์จในปัจจุบัน: จากสมรรถนะสู่ประสิทธิภาพ

สิ่งที่เริ่มต้นจากความท้าทายด้านวิศวกรรมการบินได้กลายมาเป็นเทคโนโลยีหลักในระบบส่งกำลังยานยนต์สมัยใหม่ ทุกวันนี้ เทอร์โบชาร์จไม่ใช่แค่เรื่องของสมรรถนะอีกต่อไป — มันมีความสำคัญสำหรับมาตรฐานประหยัดน้ำมันและการปล่อยมลพิษ เครื่องยนต์ดีเซลเกือบทุกคันในตลาดมีคำนำหน้า “เทอร์โบ” เป็นเรื่องปกติ และในโลกของเครื่องยนต์เบนซิน เครื่องยนต์ขนาดเล็กแบบเทอร์โบชาร์จได้แทนที่เครื่องยนต์ดูดอากาศตามธรรมชาติขนาดใหญ่เป็นส่วนใหญ่ในทุกกลุ่ม ไม่ว่าจะเป็นรถยนต์ทั่วไป รถยนต์หรู หรือรถสมรรถนะสูง

ป้ายสัญลักษณ์เล็กๆ ที่ถ่อมตัวด้านหลังรถยนต์ที่ดูธรรมดานั้นบอกเล่าเรื่องราวที่ครอบคลุมกว่าหนึ่งศตวรรษ — จากสิทธิบัตรปี ค.ศ. 1905 ของบือคีสู่ระบบ Twin-Scroll และ Variable Geometry ในปัจจุบัน และเรื่องราวนั้นยังไม่จบลง

บทความนี้เป็นการแปล คุณสามารถอ่านต้นฉบับได้ที่นี่: https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e3703.html