the-king
HomeHighlightElectric Biturbo By AUDI กำจัดจุดอ่อน เครื่องเทอร์โบในรอบต่ำ!!!
Electric-Biturbo-By-AUDI_cover

Electric Biturbo By AUDI กำจัดจุดอ่อน เครื่องเทอร์โบในรอบต่ำ!!!

วิกฤตการณ์น้ำมันเชื้อเพลิงได้สร้างความเดือดร้อนไปทุกภูมิภาคทั่วโลก เป็นแรงจูงใจครั้งใหญ่ให้ผู้ผลิตรถยนต์หลายราย ต้องมุ่งมั่นพัฒนาเครื่องยนต์ขนาดเล็ก เพื่อเสียบแทนเครื่องยนต์ขนาดใหญ่ที่มีขนาดความจุมหึมา จนเป็นที่มาของคำว่า Downsizing ซึ่งใช้อธิบายถึงความจำเป็นที่ต้องลดขนาดเครื่องยนต์ลง ในขณะที่ความสามารถในการผลิตแรงม้าและแรงบิด ไม่ได้ลดน้อยถอยลงตามความจุ หรืออาจจะดีกว่าเดิมด้วยซ้ำไป สูตรไม่ลับที่บริษัทผู้ผลิตรถยนต์นำกลับมาปัดฝุ่นกันอีกรอบ อยู่ที่การใช้ระบบอัดอากาศ และที่ได้รับความนิยมสูงสุดหนีไม่พ้น “เทอร์โบชาร์จเจอร์” นั่นเอง

01 RS 5 TDI concept

RS 5 TDI Concept กำลังส่งสัญญาณว่า ขุมพลัง TDI มีสมรรถนะสูงพอที่จะเข้ามาประจำในเวอร์ชั่นแรงจากค่ายสี่ห่วง

นวัตกรรมล่าสุดของการใช้ระบบอัดอากาศอยู่ใน AUDI RS 5 TDI Concept จากเครื่องยนต์ “Electric Biturbo” กับเทคโนโลยีที่เรียกว่า “Electric Compressor” ก่อนเข้าสู่รายละเอียดของนวัตกรรมเทอร์โบล่าสุด ผู้เขียนขอเล่าวัตถุประสงค์ในการนำเทอร์โบมาใช้งานเป็นเบื้องต้น เพื่อที่จะได้เข้าถึงการทำงานของ Electric Compressor ได้โดยง่าย

เครื่องยนต์ดีเซลในอดีต เมื่อเร่งเครื่องแบบฉับพลันขณะเร่งแซง เครื่องยนต์จะมีความล่าช้าในการตอบสนองหลังจากเหยียบคันเร่งชนิดที่พวกเรารู้สึกได้ เนื่องจากอากาศที่ลำเลียงเข้าสู่ห้องเผาไหม้ในช่วงเวลานั้น ไม่เท่าทันต่อความต้องการของเครื่องยนต์ที่เกิดการเพิ่มรอบแบบทันทีทันใด เทอร์โบจึงเข้ามามีบทบาทในช่วงเวลาอันสำคัญเช่นนี้ และกลายเป็นอุปกรณ์ควบกับเครื่องยนต์ดีเซลสมัยใหม่ในที่สุด

Motor-an

Electrically Driven Compressor หรือเรียกสั้นๆ ว่า Electric Compressor ทำงานด้วยแรงเคลื่อนไฟฟ้า 48 โวลต์ ขณะที่ระบบไฟฟ้าในรถยนต์ใช้อยู่ที่เพียง 12 โวลต์ จึงจำเป็นต้องมีแหล่งเก็บพลังงานไฟฟ้าและวงจรไฟฟ้าเพื่อรองรับ Electric Compressor โดยเฉพาะ

ขนาดเทอร์โบและขนาดของกังหันเทอร์ไบน์ มีความเกี่ยวเนื่องกับประสิทธิภาพในการสร้างแรงดันอากาศ ถ้าจะใช้เทอร์โบให้เกิดประโยชน์สูงสุด วิศวกรจำเป็นต้องเลือกขนาดเทอร์โบให้สมดุลกับขนาดความจุของเครื่องยนต์ เบื้องต้นผู้เขียนขอสมมุติให้มีเทอร์โบเพียง 2 ขนาด คือ เทอร์โบตัวเล็ก กับเทอร์โบตัวใหญ่

หากใช้เทอร์โบตัวเล็กกับเครื่องยนต์ใหญ่ เพียงเครื่องทำงานในรอบต่ำ แรงดันและปริมาณไอเสียจากเครื่องยนต์ขนาดความจุสูงๆ ก็สามารถขับให้กังหันเทอร์ไบน์ทำงานได้อย่างเต็มที่แล้ว เช่นเดียวกับใบพัดอัดจะหมุนอัดอากาศแบบเต็มฝีเท้า ว่ากันที่ระดับ 60,000-160,000  รอบ/นาที ทว่า ในรอบสูงแม้กังหันเทอร์ไบน์จะหมุนเร็วขึ้นอีกนิด และใบพัดอัดก็อัดอากาศเร็วขึ้นอีกหน่อย แต่อาจไม่เพียงพอกับความต้องการอากาศของเครื่องยนต์กระบอกสูบโตๆ ตัวอย่างนี้สรุปได้ว่า  “ในรอบต่ำเทอร์โบขนาดเล็กทำงานได้ดี แต่ย่านรอบสูงดูเหมือนเทอร์โบจะไม่ช่วยอะไรเลย”

Antriebsstrang perspektic

เครื่องยนต์ V6 TDI ใน RS 5 TDI Concept ใช้เทอร์โบต่างขนาดจำนวน 2 ตัว (แรงดันต่ำ และแรงดันสูง) พร้อมทั้งเสริมด้วย Electric Compressor ตำแหน่งการติดตั้ง ต่อจากอินเตอร์คูลเลอร์ มาพร้อมชุด Bypass Valve รองรับการทำงานในรอบสูง ซึ่ง Electric Compressor จะไม่มีความจำเป็นต่อการทำงานของเครื่องยนต์แล้ว

ในทางกลับกัน หากเราใช้เทอร์โบตัวใหญ่กับเครื่องยนต์เล็ก ในรอบต่ำแรงดันไอเสียจากเครื่องยนต์ขนาดความจุน้อยๆ อาจไม่มีเรี่ยวแรงพอที่จะไปปลุกให้กังหันเทอร์ไบน์ขนาดเขื่องตื่นขึ้นมาทำงานได้ เพราะฉะนั้น ตีนต้นของเครื่องยนต์ในตัวอย่างนี้จะเต็มไปด้วยความเฉื่อยชา ต้องรอสักพัก ถึงจะได้สัมผัสกับอาการดึงของเทอร์โบ และเมื่อไต่เพดานความเร็วจนขึ้นสู่รอบสูงได้แล้ว คราวนี้ “เวสต์เกต” ต้องทำงานหนักเป็นพิเศษในการระบายแรงดันไอเสียปริมาณมากทิ้งออกไปทางท่อร่วมไอเสียอย่างไร้ประโยชน์

ปัญหาด้านความยืดหยุ่นจากการทำงานของเทอร์โบ ในที่สุดก็ได้รับการแก้ไขด้วย “เทอร์โบแปรผัน” VNT-Turbo; Variable Nozzle Turbine-Turbo) เป็นการสร้างกลไกขนาดย่อมขึ้นรอบๆ กังหันเทอร์ไบน์ ลักษณะเป็นครีบ (Vane) เล็กๆ หลายๆ ใบ เจ้าครีบนี้เปรียบเสมือนหน้าต่างคอยแง้มเปิดให้ไอเสียไหลเข้าไปปะทะกังหันเทอร์ไบน์มากหรือน้อยสัมพันธ์กับรอบเครื่อง

Systemuebersicht

ท่ออากาศขาออกจากอินเตอร์คูลเลอร์ จะมีท่อแยก 2 ท่อ ท่อแรกเข้ามาผ่าน Electric Compressor ส่วนท่อที่สองต่อเข้าเครื่องยนต์โดยตรง โดยจะมี Bypass Valve รับหน้าที่เปิด-ปิด เพื่อเพิ่มช่องทางในการลำเลียงอากาศเข้าห้องเผาไหม้ในย่านรอบสูง

ในช่วงรอบต่ำ แรงดันไอเสียไม่มากนัก ครีบจะแง้มเปิดเพียงเล็กน้อย หลักการเดียวกับการที่เราเอานิ้วบีบไว้ที่ปลายสายยาง ซึ่งน้ำจะพุ่งไหลได้แรงขึ้น เมื่อรอบเครื่องเพิ่มขึ้น แรงดันไอเสียสูงขึ้น ครีบจะเปิดมากขึ้นเป็นลำดับ (Variable) เพื่อให้ไอเสียแรงดันสูงเข้าปะทะกับกังหันเทอร์ไบน์ได้เต็มที่

Luftstreckeจากการเก็บข้อมูลในเชิงลึก จากทีมวิศวกรผู้ออกแบบเครื่องยนต์พบว่า แม้แต่เทอร์โบแปรผันก็ยังประสบปัญหากับไอเสียแรงดันน้อยๆ ในรอบเครื่องต่ำๆ ด้วยเช่นกัน วิศวกร BMW แก้ปัญหาด้วยการใส่เทอร์โบตัวเล็กเพิ่มเข้าไปอีก 1 ตัว จากเดิมที่มีอยู่แล้ว 2 ตัว ช่วยกันอัดอากาศในรูปแบบ Sequential ตั้งแต่รอบเดินเบา ต่อเนื่องไปยังรอบสูง เทคโนโลยีนี้ถูกบรรจุอยู่ใน X6 M50d เป็นขุมพลังดีเซลที่บ้าพลังพอที่จะติดโลโก้ M Power ได้อย่างสมศักดิ์ศรี (เครื่องยนต์แถวเรียง 6 สูบ 3 ลิตร 381 hp, 740 Nmที่ 2,000-3,000 รอบ/นาที)

ขณะที่วิศวกร AUDI ก็แก้ปัญหาไปในทิศทางเดียวกัน แต่ลึกซึ้งในรายละเอียดอยู่ไม่น้อย เป็นการเพิ่มเทอร์โบตัวเล็กเข้ามาอีก 1 ตัว เพื่อช่วยอัดอากาศในรอบต่ำๆ แต่เทอร์โบตัวนี้เป็น “Electric Compressor” ช่วยอัดอากาศเข้าห้องเผาไหม้โดยไม่ต้องอาศัยแรงดันไอเสียอีกต่อไป

07_resize

Electric Compressor ขับเคลื่อนโดยไม่ต้องใช้แรงดันไอเสีย

วิศวกรAUDI เริ่มทดสอบนวัตกรรมเทอร์โบล่าสุดกับ A6 TDI Concept ซึ่งติดตั้งเครื่องยนต์ V6 TDI ขนาด 3 ลิตร พร้อม Monoturbo ที่เป็นเทอร์โบแปรผัน อากาศร้อนที่ผ่านการอัดมาจากเทอร์โบจะมาถูกลดอุณหภูมิเพิ่มความหนาแน่นของมวลอากาศก่อนส่งเข้าห้องเผาไหม้ที่อินเตอร์คูลเลอร์  “วิศวกรเสริม Electric Compressor เข้าไประหว่างอินเตอร์คูลเลอร์กับเครื่องยนต์” หรือก่อนที่อากาศจะไหลเข้าห้องเผาไหม้ โดย Electric Compressor มาพร้อมท่อแยก และ Bypass Valve

Electric Compressor ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า ความฉับไวในการตอบสนองตั้งแต่เริ่มหมุน จนถึงรอบสูงสุดอยู่ที่เวลาเพียง 250 milliseconds (0.250 วินาที) แรงดันไอเสียในรอบต่ำจึงไม่มีผลใดๆ ต่อการทำงานของ Electric Compressor

เมื่อรอบเครื่องแตะระดับ 3,000 รอบ/นาที ไอเสียมีแรงดันมากพอในการขับกังหันเทอร์ไบน์แล้ว (เพื่อให้ใบพัดอีกฝั่งอัดอากาศเข้าห้องเผาไหม้) Bypass Valve จะ “เปิด” เพื่อช่วยระบายอากาศอัดเข้าห้องเผาไหม้เพิ่มอีกหนึ่งช่องทางด้วย ส่วน Electric Compressor จะหมุนฟรี ขุมพลัง V6 TDI ใน A6 TDI Concept สร้างแรงม้าในระดับ 326 hp ที่ 4,000 รอบ/นาที แรงบิดสูงสุด 650 Nm ที่ 1,500-3,000 รอบ/นาที

SQ5-230 kW

Electric Compressor ช่วยให้แรงบิดสูงสุด 750 Nm มีมาใช้งานเต็มๆ ที่รอบต่ำสุดๆ เพียง 1,250 รอบ/นาที เท่านั้น

เมื่อ BMW มีตระกูลแรงรหัส “M” ฟากฝั่ง AUDI ก็มีตระกูล “S” และ “RS” เช่นเดียวกัน ซึ่ง RS 5 TDIConcept คือรถต้นแบบที่ใช้เครื่องยนต์เทอร์โบไฟฟ้าในสเต็ปต่อมา ซึ่งถูกเรียกว่า “Electric Bi-turbo” ตัวเครื่องยนต์ V6 TDI ยังคงเหมือนสเต็ปแรกทุกประการ ความเปลี่ยนแปลงของวงจรระบบอัดอากาศอยู่ที่ จาก Monoturbo อัพเกรดมาเป็น Biturbo ใช้เทอร์โบต่างขนาด (ไม่มีครีบแปรผันแรงดันไอเสีย) จำนวน 2 ตัว ตัวเล็กเป็นเทอร์โบแรงดันต่ำ ตัวใหญ่กว่าเป็นเทอร์โบแรงดันสูง ใช้การอัดอากาศแบบ Sequential สำหรับ Electric Compressor และท่อทางส่วนต่างๆ จัดวางในตำแหน่งเดียวกัน พร้อมทั้งใช้ขั้นตอนการทำงานเหมือนกับเครื่องยนต์ V6 TDI บล็อกแรกทุกประการ

11_resize

RS 5 TDIConcept กับเครื่องยนต์ Electric Biturbo มาพร้อมพละกำลังที่มหาศาลถึง 385 hp ที่ 4,250 รอบ/นาที แรงบิดสูงสุด 750 Nm ที่ 1,250-2,000 รอบ/นาที ขับเคลื่อนผ่านระบบ Quattro แตะ 100 กม./ชม. ด้วยเวลาต่ำกว่า 4 วินาที เมื่อพร้อมลงไลน์การผลิตอย่างเป็นทางการ RS 5 TDI ก็จะเป็นสปอร์ตคูเป้ขุมพลังดีเซลที่ทรงพลังกว่า BMW X6 M50d ไปในทันที

เรียบเรียงข้อมูลโดย นิตยสาร กรังด์ปรีซ์ 
ติดตามข่าวสาร รถยนต์ รถใหม่ Test drive ทดสอบรถใหม่ ทั้งในประเทศและต่างประเทศ ได้ที่ : www.grandprixmag-thailand.com
facebook : https://www.facebook.com/GrandPrixMagazine
Instagram : https://www.instagram.com/grandprixmag
Pinterest : https://www.pinterest.com/grandprixmag

Comments

comments

No Comments

Sorry, the comment form is closed at this time.