เทอร์โบดีเซล

เทอร์โบดีเซล () หมายถึงเครื่องยนต์ดีเซลใด ๆ ที่ติดตั้งเทอร์โบชาร์จเจอร์ เช่นเดียวกับเครื่องยนต์ประเภทอื่น การติดตั้งเทอร์โบชาร์จเจอร์ให้กับเครื่องยนต์ดีเซลสามารถเพิ่มประสิทธิภาพและกำลังขับของเครื่องยนต์ได้อย่างมีนัยสำคัญ โดยเฉพาะเมื่อใช้ร่วมกับอินเตอร์คูลเลอร์

การนำเทอร์โบชาร์จเจอร์มาใช้กับเครื่องยนต์ดีเซลเริ่มขึ้นในช่วงทศวรรษ 1920 กับเครื่องยนต์ขนาดใหญ่ที่ใช้ในเรือและเครื่องยนต์แบบอยู่กับที่ รถบรรทุกเริ่มมีเครื่องยนต์เทอร์โบดีเซลใช้งานในช่วงกลางทศวรรษ 1950 ตามมาด้วยรถยนต์นั่งในช่วงปลายทศวรรษ 1970 ตั้งแต่ทศวรรษ 1990 เป็นต้นมา อัตราส่วนการอัดของเครื่องยนต์เทอร์โบดีเซลก็มีแนวโน้มลดลงเรื่อย ๆ

 หลักการ 
เครื่องยนต์ดีเซลมักมีความเหมาะสมอย่างยิ่งกับการติดตั้งเทอร์โบชาร์จเจอร์เนื่องจากสองปัจจัย:
 อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง "เบา" เกิดขึ้นเมื่อเทอร์โบชาร์จเจอร์ป้อนอากาศส่วนเกินเข้าสู่เครื่องยนต์ ไม่ใช่ปัญหาสำหรับเครื่องยนต์ดีเซล เนื่องจากการควบคุมแรงบิดนั้นขึ้นอยู่กับปริมาณเชื้อเพลิงที่ถูกฉีดเข้าห้องเผาไหม้ (กล่าวคือ อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง) ไม่ใช่ปริมาณของสารผสมอากาศกับเชื้อเพลิงทั้งหมด
 ปริมาณอากาศเพิ่มเติมในกระบอกสูบอันเนื่องมาจากการใช้เทอร์โบชาร์จเจอร์จะส่งผลให้อัตราส่วนการอัดเพิ่มขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งในเครื่องยนต์เบนซินอาจทำให้เกิดการชิงจุดระเบิดและอุณหภูมิไอเสียสูงได้ อย่างไรก็ดี ในเครื่องยนต์ดีเซล จะไม่มีเชื้อเพลิงอยู่ในห้องเผาไหม้ในระหว่างจังหวะอัด เนื่องจากเชื้อเพลิงจะถูกฉีดเข้าห้องเผาไหม้ก็ต่อเมื่อลูกสูบใกล้ถึงศูนย์ตายบน ดังนั้น การชิงจุดระเบิดจึงไม่สามารถเกิดขึ้นได้
เช่นเดียวกับเครื่องยนต์เบนซินที่มีเทอร์โบชาร์จเจอร์ อินเตอร์คูลเลอร์สามารถถูกนำมาใช้เพื่อทำให้อากาศเข้าเย็นลงและด้วยเหตุนี้จึงเป็นการเพิ่มความหนาแน่นอากาศนั่นเอง

ประวัติศาสตร์

เทอร์โบชาร์จเจอร์ถูกประดิษฐ์ขึ้นในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 โดยอัลเฟรด บือชี วิศวกรชาวสวิสและหัวหน้าฝ่ายวิจัยเครื่องยนต์ดีเซลของบริษัทผู้ผลิตเครื่องยนต์ เกอบรือเดอร์ซุลทเซอ (Gebrüder Sulzer) เดิมทีเทอร์โบชาร์จเจอร์มีจุดประสงค์เพื่อใช้กับเครื่องยนต์ดีเซล เนื่องจากสิทธิบัตรของบือชีใน ค.ศ. 1905 ระบุถึงการปรับปรุงประสิทธิภาพที่เทอร์โบชาร์จเจอร์สามารถนำมาสู่เครื่องยนต์ดีเซลได้ อย่างไรก็ดี เครื่องยนต์ที่ใช้เทอร์โบชาร์จเจอร์ที่ผลิตออกสู่ตลาดเป็นครั้งแรกนั้นเกิดขึ้นใน ค.ศ. 1925 เป็นเครื่องยนต์ดีเซลเรือเทอร์โบดีเซล 10 สูบที่ใช้ในเรือโดยสารเยอรมัน พร็อยเซิน (Preussen) และฮันเซอชตัทดานท์ซิช (Hansestadt Danzig)Doug Woodyard (ed.): Pounder's Marine Diesel Engines and Gas Turbines, 9th edition, Butterworth-Heinemann, 2009, , p. 192 เทอร์โบชาร์จเจอร์ช่วยเพิ่มกำลังขับจาก 1,750 แรงม้า PS (1,287 กิโลวัตต์) เป็น 2,500 แรงม้า PS (1,839 กิโลวัตต์) ใน ค.ศ. 1925 บือชียังคิดค้นเทอร์โบชาร์จแบบต่อเนื่อง (sequential turbocharging) ซึ่งตามข้อมูลของเฮ็ลมูท พูเคอร์ (2012) ถือเป็นจุดเริ่มต้นของเทคโนโลยีเทอร์โบชาร์จเจอร์สมัยใหม่

ในช่วงปลายทศวรรา 1920 ผู้ผลิตหลายรายเริ่มผลิตเครื่องยนต์เทอร์โบดีเซลขนาดใหญ่สำหรับใช้ในเรือและแบบอยู่กับที่ เช่น พี่น้องซุลทเซอ มัน ไดม์เลอร์-เบนซ์ และแพ็กซ์แมน การพัฒนาเทคโนโลยีในภายหลังทำให้สามารถนำเทอร์โบชาร์จเจอร์ไปใช้กับเครื่องยนต์ขนาดเล็กที่ทำงานด้วยความเร็วรอบสูงขึ้นได้ ทำให้เครื่องยนต์เทอร์โบดีเซลสำหรับรถจักรเริ่มปรากฏขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1940Illustrated Encyclopedia of World Railway Locomotives, P. Ransome-Wallis, Courier Dover Publications, 9 Mar 2001 ใน ค.ศ. 1951 บริษัทมันได้สร้างเครื่องยนต์ต้นแบบ K6V 30/45 m.H.A. ขนาด 1 MW ซึ่งในยุคนั้นมีการกินเชื้อเพลิงต่ำเป็นพิเศษ เพียง  เทียบเท่ากับประสิทธิภาพ 45.7% สิ่งนี้เป็นไปได้เนื่องจากการออกแบบเทอร์โบชาร์จเจอร์ขั้นสูง ประกอบด้วยคอมเพรสเซอร์แนวแกนห้าขั้นรวมกับคอมเพรสเซอร์แนวรัศมีเก้าขั้นและอินเตอร์คูลเลอร์

การใช้เครื่องยนต์เทอร์โบดีเซลในยานยนต์บนท้องถนนเริ่มขึ้นกับรถบรรทุกในช่วงต้นทศวรรษ 1950 รถบรรทุกต้นแบบ มัน MK26 เปิดตัวใน ค.ศ. 1951 ตามมาด้วยรุ่นที่ผลิตออกจำหน่าย มัน 750TL1 เทอร์โบดีเซลใน ค.ศ. 1954 รถบรรทุกวอลโว่ ไททัน เทอร์โบก็ถูกเปิดตัวใน ค.ศ. 1954 ด้วยเช่นกัน ภายในช่วงทศวรรษ 1960 ความต้องการเครื่องยนต์รถบรรทุกที่มีกำลังเพิ่มขึ้นนำไปสู่การผลิตเทอร์โบดีเซลโดยคัมมินส์ ดีทรอยต์ดีเซล สแกนเนีย และแคทเธอร์พิลลาร์

ใน ค.ศ. 1952 รถแข่งคัมมินส์ดีเซลสเปเชียล  (Cummins Diesel Special) กลายเป็นรถยนต์เทอร์โบชาร์จคันแรกที่เข้าร่วมการแข่งขันอินเดียแนโพลิส 500 และคว้าตำแหน่งโพลโพสิชันได้สำเร็จ รถคันนี้ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์หกสูบเรียงขนาด 6.6 ลิตร (403 ลูกบาศก์นิ้ว) ให้กำลัง 380 แรงม้า (283 กิโลวัตต์)

การวิจัยเครื่องยนต์เทอร์โบดีเซลขนาดเล็กสำหรับรถยนต์นั่งดำเนินการโดยหลายบริษัทตลอดทศวรรษ 1960 และ 1970 โรเวอร์สร้างต้นแบบเครื่องยนต์เทอร์โบดีเซลสี่สูบขนาด 2.5 ลิตรใน ค.ศ. 1963 และเมอร์เซเดส-เบนซ์ใช้เครื่องยนต์เทอร์โบดีเซลห้าสูบอินเตอร์คูลเลอร์ในรถยนต์ทดลองเมอร์เซเดส-เบนซ์ C111-IID ปี 1976

รถยนต์นั่งที่ใช้เทอร์โบดีเซลที่ผลิตออกจำหน่ายเป็นคันแรกคือเมอร์เซเดส-เบนซ์ 300SD (W116) ซาลูน ซึ่งวางจำหน่ายในสหรัฐตั้งแต่กลาง ค.ศ. 1978 ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ OM617 ห้าสูบ หนึ่งปีต่อมา เปอโยต์ 604 D เทอร์โบกลายเป็นรถยนต์เทอร์โบดีเซลคันแรกที่วางจำหน่ายในยุโรป รถยนต์เทอร์โบดีเซลเริ่มถูกสร้างและจำหน่ายอย่างกว้างขวางในยุโรปในช่วงปลายทศวรรษ 1980 และต้นทศวรรษ 1990 ซึ่งเป็นแนวโน้มที่ดำเนินมาจนถึงปัจจุบัน 

ตั้งแต่ทศวรรษ 1990 เป็นต้นมา อัตราส่วนการอัดของเครื่องยนต์เทอร์โบดีเซลมีแนวโน้มลดลง เนื่องจากกำลังจำเพาะที่ดีขึ้นและพฤติกรรมการปล่อยไอเสียที่ดีขึ้นของเครื่องยนต์เทอร์โบชาร์จที่มีอัตราส่วนการอัดต่ำกว่า เครื่องยนต์ฉีดเชื้อเพลิงอ้อมมักมีอัตราส่วนการอัดอยู่ที่ 18.5 หรือสูงกว่า หลังจากการเปิดตัวเครื่องยนต์คอมมอนเรลในช่วงปลายทศวรรษ 1990 อัตราส่วนการอัดลดลงมาอยู่ในช่วง 16.5 ถึง 18.5 เครื่องยนต์ดีเซลบางรุ่นที่สร้างขึ้นตั้งแต่ ค.ศ. 2016 เพื่อให้เป็นไปตามข้อมาตรฐานไอเสียยูโร 6 มีอัตราส่วนการอัดที่ 14.0

ลักษณะเฉพาะ
การใช้เทอร์โบชาร์จเจอร์สามารถเพิ่มกำลังขับของเครื่องยนต์ดีเซลได้อย่างมาก ทำให้อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักสูงสุดเข้าใกล้กับเครื่องยนต์เบนซินที่มีขนาดเท่ากัน

การปรับปรุงด้านกำลัง การประหยัดเชื้อเพลิง และเสียงรบกวน การสั่นสะเทือน และความกระด้าง (NVH) ทั้งในเครื่องยนต์เทอร์โบดีเซลขนาดเล็กและขนาดใหญ่ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาได้กระตุ้นให้เกิดการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในตลาดบางแห่ง โดยเฉพาะในทวีปยุโรป ซึ่ง ณ ค.ศ. 2014 รถยนต์เหล่านี้คิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 50% ของการจดทะเบียนรถยนต์ใหม่ โดยทั่วไป เครื่องยนต์เทอร์โบดีเซลถูกพิจารณาว่ามีความยืดหยุ่นสำหรับการใช้งานในรถยนต์มากกว่าเครื่องยนต์ดีเซลที่ไม่มีระบบอัดอากาศ (naturally aspirated) เครื่องยนต์เทอร์โบดีเซลสามารถถูกออกแบบมาให้มีช่วงแรงบิดที่ยอมรับได้มากขึ้นตลอดช่วงความเร็วรอบของเครื่องยนต์ หรือหากสร้างขึ้นเพื่อการใช้งานเชิงพาณิชย์ ก็สามารถออกแบบให้ปรับปรุงแรงบิดที่ความเร็วรอบใดความเร็วรอบหนึ่งได้ขึ้นอยู่กับการใช้งานที่แน่นอน เครื่องยนต์ดีเซลที่ไม่มีระบบอัดอากาศ เกือบจะไม่มีข้อยกเว้นที่จะมีกำลังขับที่ต่ำกว่าเครื่องยนต์เบนซินที่มีความจุเท่ากัน ขณะเดียวกันก็ต้องใช้ชิ้นส่วนภายในที่แข็งแรงกว่า (และหนักกว่า) เช่น ลูกสูบและเพลาข้อเหวี่ยงเพื่อทนทานต่อความเค้นที่สูงกว่ามากของอัตราส่วนการอัดที่สูงกว่ามากของเครื่องยนต์ดีเซล ปัจจัยเหล่านี้ทำให้เครื่องยนต์ดีเซลที่ไม่มีระบบอัดอากาศมีอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักที่ไม่ดี ชุดเทอร์โบชาร์จเจอร์มีน้ำหนักน้อยมาก แต่สามารถให้การปรับปรุงด้านกำลัง แรงบิด และประสิทธิภาพได้อย่างมีนัยสำคัญ การติดตั้งเทอร์โบชาร์จเจอร์สามารถทำให้อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักของเครื่องยนต์ดีเซลเพิ่มขึ้นอยู่ในระดับเดียวกับเครื่องยนต์เบนซินที่เทียบเท่ากันได้ ทำให้เทอร์โบดีเซลเป็นที่ต้องการสำหรับการใช้งานในรถยนต์ ซึ่งผู้ผลิตมุ่งเป้าไปที่กำลังขับและคุณสมบัติการควบคุมที่เทียบเคียงกันได้ตลอดทั้งรุ่นของตน โดยไม่คำนึงถึงประเภทเครื่องยนต์ที่เลือกใช้

 ดูเพิ่ม 
ปั๊มฉีด
เครื่องยนต์เบนซินเทอร์โบชาร์จ
เทอร์โบแปรผัน

 อ้างอิง 

หมวดหมู่:เทคโนโลยีเครื่องยนต์ดีเซล
หมวดหมู่:เทอร์โบชาร์จเจอร์
หมวดหมู่:เครื่องยนต์ดีเซล