ซูเปอร์ชาร์จทำสิ่งที่เทอร์โบทำไม่ได้อย่างไร?

ซูเปอร์ชาร์จที่รับพลังงานมาจากเพลาข้อเงื่อนทำให้ได้กำลังมากกว่าจากความจุเดียวกันโดยไม่ต้องเจอช่วงหน่วงของเทอร์โบเลยแม้แต่วินาทีเดียว
ซูเปอร์ชาร์จที่รับพลังงานมาจากเพลาข้อเงื่อนทำให้ได้กำลังมากกว่าจากความจุเดียวกันโดยไม่ต้องเจอช่วงหน่วงของเทอร์โบเลยแม้แต่วินาทีเดียว

แชร์หน้านี้

ซูเปอร์ชาร์จเป็นระบบอัดอากาศแบบบังคับที่อัดอากาศที่เข้าสู่เครื่องยนต์ให้แน่นขึ้น เพื่อให้ได้กำลังมากขึ้นจากความจุเครื่องยนต์เท่าเดิม; ความแตกต่างจากเทอร์โบคือ มันรับกำลังเชิงกลโดยตรงจากเพลาข้อเหวี่ยงแทนที่จะใช้พลังงานจากไอเสีย ด้วยการเชื่อมต่อเช่นนี้ จึงส่งกำลังได้ทันที ไม่มีการหน่วง และเป็นเส้นตรง; แต่ในทางกลับกัน มันใช้กำลังบางส่วนของตัวเครื่องยนต์เองตลอดเวลา และโดยทั่วไปมีประสิทธิภาพด้านเศรษฐกิจเชื้อเพลิงต่ำกว่าเทอร์โบ

สิ่งที่น่าสนใจ

  • ซูเปอร์ชาร์จรับกำลังจากเพลาข้อเหวี่ยงผ่านสายพาน โซ่ หรือเกียร์; ส่วนเทอร์โบใช้พลังงานจากไอเสีย
  • ชุดแต่งสำหรับใช้บนถนนโดยทั่วไปสร้างแรงดันอัด 6-12 psi และสามารถเพิ่มอากาศที่เข้าสู่เครื่องยนต์ได้ราว 50-85%
  • การเพิ่มกำลังโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 30-75%; เศรษฐกิจเชื้อเพลิงอาจลดลง 15-30% ขึ้นอยู่กับสไตล์การขับขี่
  • มีสามประเภทหลัก ได้แก่ Roots, สกรูคู่ (twin-screw) และแบบหอยโข่ง (centrifugal)
  • ซูเปอร์ชาร์จอาจใช้พลังงานถึง 20% ของกำลังรวมของเครื่องยนต์

ซูเปอร์ชาร์จทำงานอย่างไร: กำลังจากเพลาข้อเหวี่ยง

ขีดจำกัดพื้นฐานที่กำหนดกำลังสูงสุดของเครื่องยนต์สันดาปภายใน คือปริมาณออกซิเจนที่เข้าสู่กระบอกสูบ ในเครื่องยนต์ธรรมชาติ อากาศจะเข้าไปด้วยแรงดันบรรยากาศผลักผ่านสุญญากาศที่เกิดจากจังหวะดูด ซูเปอร์ชาร์จเปลี่ยนสมดุลนี้: มันสูบอากาศเข้าสู่กระบอกสูบด้วยแรงดัน (boost) ที่สูงกว่าความดันบรรยากาศ ออกซิเจนมากขึ้น หมายความว่าเผาไหม้เชื้อเพลิงได้มากขึ้น; การระเบิดที่แรงขึ้นในทุกรอบ หมายถึงแรงม้าและแรงบิดที่สูงขึ้น

ในเชิงกลไก จุดสำคัญคือแหล่งกำลัง ซูเปอร์ชาร์จเชื่อมต่อกับเพลาข้อเหวี่ยงโดยตรงผ่านสายพาน โซ่ หรือเกียร์; เครื่องยนต์หมุนเร็วเท่าไร ซูเปอร์ชาร์จก็หมุนเร็วเท่านั้น ในทางกลับกัน เทอร์โบหมุนด้วยพลังงานจลน์ของไอเสีย และนำพลังงานส่วนหนึ่งกลับมาใช้ใหม่ ความแตกต่างเพียงจุดเดียวนี้ กำหนดลักษณะทั้งหมดของเทคโนโลยีทั้งสอง: แบบหนึ่งตอบสนองทันทีแต่ต้องแลกมาด้วยเชื้อเพลิง อีกแบบใช้ประโยชน์จากพลังงานไอเสียที่ปล่อยทิ้งไป แต่ทำให้ต้องรอในช่วงต้น

กระบวนการอัดอากาศยังมีต้นทุนอีกอย่างหนึ่ง คือ ความร้อน อากาศที่ถูกอัดจะร้อนขึ้น ความหนาแน่นของอากาศที่ร้อนจะลดลง และการเพิ่มกำลังก็ถูกจำกัด ด้วยเหตุนี้ ระบบซูเปอร์ชาร์จที่จริงจังจึงใช้อินเตอร์คูลเลอร์แบบอากาศ-อากาศหรืออากาศ-น้ำ; อากาศที่ถูกอัดจะถูกทำให้เย็นลง กลายเป็นอากาศที่หนาแน่นและอุดมด้วยออกซิเจนมากขึ้น นอกจากนี้ ที่แรงดันอัดสูง ความเสี่ยงของการระเบิดกระแทก (knock) จะเพิ่มขึ้น; เนื่องจากเชื้อเพลิงออกเทนสูงต้านการระเบิดกระแทก จึงอนุญาตให้ตั้งค่าได้รุนแรงขึ้น

ความแตกต่างระหว่างเทอร์โบและซูเปอร์ชาร์จ: การตอบสนองคันเร่ง กับ ประสิทธิภาพ

คำถามที่แยกเทคโนโลยีทั้งสองออกจากกันคือ: คุณได้รับพลังงานจากที่ไหน? เทอร์โบนำพลังงานไอเสียที่ปกติจะถูกปล่อยทิ้งผ่านปล่อง กลับมาใช้ใหม่ผ่านกังหัน; ด้วยเหตุนี้จึงมีประสิทธิภาพมากกว่าในเชิงทฤษฎี แต่การที่กังหันเริ่มหมุนต้องใช้เวลา ที่รอบต่ำ การไหลของไอเสียไม่เพียงพอ เครื่องยนต์จะทำงานเหมือนธรรมชาติจนกว่ากังหันจะเต็มที่; การรอคอยนี้เรียกว่า turbo lag

ส่วนซูเปอร์ชาร์จไม่มีการรอคอยเช่นนี้ เนื่องจากคอมเพรสเซอร์เชื่อมต่อกับเพลาลูกสูบทางกลไก บูสต์จึงมีตั้งแต่รอบเดินเบา และเส้นกำลังเป็นเชิงเส้น: คุณเหยียบคันเร่งมากเท่าไร คุณก็ได้รับการตอบสนองมากเท่านั้น ความคาดเดาได้นี้ให้ข้อได้เปรียบด้านการควบคุมบนสนามแข่ง และที่ระดับความสูงสูงจากระดับน้ำทะเล ก็ยังคงรักษาประสิทธิภาพไว้ได้โดยอัดอากาศบางให้หนาแน่นขึ้น

ราคาที่ต้องจ่ายไม่ได้โปร่งใส แต่วัดได้: ซูเปอร์ชาร์จเจอร์อาจกินพลังงานถึง 20% ของกำลังขับรวมของเครื่องยนต์เพื่อการทำงานของมันเอง สิ่งนี้เรียกว่าภาระกาฝาก (parasitic load) เทอร์โบไม่ต้องแบกภาระนี้ แต่ราคาที่จ่ายคือการทำหน้าที่เป็นเบรกขับเคลื่อนในระบบไอเสีย ด้านระบบท่อก็มีความแตกต่างเช่นกัน: ในซูเปอร์ชาร์จเจอร์ การเดินท่อนั้นง่าย อากาศไหลจากคอมเพรสเซอร์ไปยังเครื่องยนต์ ส่วนเทอร์โบต้องการระบบเดินท่อที่ซับซ้อนซึ่งไอเสียต้องผ่านเทอร์ไบน์ และเนื่องจากชิ้นส่วนไอเสียที่ร้อนจัดอยู่ข้างท่อไอดี ความเสี่ยงจากความร้อนสะสมจึงสูง

คุณสมบัติซูเปอร์ชาร์จเจอร์เทอร์โบชาร์จเจอร์
แหล่งกำลังขับเคลื่อนทางกลไกจากเพลาลูกสูบพลังงานจากก๊าซไอเสีย
การตอบสนองคันเร่งทันที เป็นเชิงเส้นต้องรอ Turbo lag
ประสิทธิภาพแบกภาระกาฝากนำพลังงานไอเสียกลับมาใช้ใหม่
การเดินท่อท่อไอดีแบบง่ายระบบเดินท่อไอเสีย-ไอดีที่ซับซ้อน
เส้นกำลังบูสต์ตั้งแต่รอบต่ำกำลังสูงสุดที่รอบสูง

สามประเภทของซูเปอร์ชาร์จเจอร์และลักษณะเฉพาะของแต่ละแบบ

Roots tipi süperşarj havayı sıkıştırmaz, sadece taşır; 1860'ta maden ocakları için doğan bu tasarım bugün motorun karakterini devirle birlikte şekillendirir.

ซูเปอร์ชาร์จเจอร์แบ่งออกเป็นสองตระกูลหลักตามวิธีที่พวกมันสัมพันธ์บูสต์กับรอบเครื่องยนต์: คอมเพรสเซอร์แบบ positive displacement ให้บูสต์คงที่ในแทบทุกรอบ ส่วนคอมเพรสเซอร์แบบไดนามิก บูสต์จะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของรอบเครื่อง ทั้งสามประเภทหลักล้วนจัดอยู่ในหนึ่งในสองตระกูลนี้

Roots: เก่าแก่ที่สุด ตอบสนองทันทีที่สุด

แบบ Roots คือการนำการออกแบบที่จดสิทธิบัตรในปี 1860 สำหรับระบายอากาศเหมืองแร่ มาใช้ในโลกยานยนต์ ลูกกลิ้งล็อบ (lobe) สองตัวหมุนสวนทางกันจะกักอากาศไว้ในช่องว่างระหว่างตัวเรือนแล้วดันไปยังอินเตอร์มานิโฟลด์ ประเด็นที่ต้องระวังคือ: Roots ไม่ได้อัดอากาศด้วยตัวเอง แต่เพียงขนส่งมันเท่านั้น ด้วยเหตุนี้จึงมักถูกเรียกว่า blower มากกว่าคอมเพรสเซอร์ มันให้บูสต์ตลอดช่วงรอบเครื่อง และด้วยลุคคลาสสิกที่ติดตั้งอยู่ด้านบนเครื่องยนต์ ทำให้มันกลายเป็นสัญลักษณ์ของวัฒนธรรมรถมัสเคิลคาร์ อย่างไรก็ตาม ที่ระดับบูสต์สูง ประสิทธิภาพอยู่เพียงระดับ 40-50% และสร้างความร้อนจำนวนมาก การจัดประเภท blower ของ GMC ยังคงสะท้อนธรรมเนียมนี้: blower 6-71 ได้รับการออกแบบให้กวาดปริมาตร 71 ลูกบาศก์นิ้วต่อหนึ่งสูบ สำหรับเครื่องยนต์ 426 ลูกบาศก์นิ้ว (7.0 ลิตร)

แบบสกรูคู่ (Twin-Screw): การออกแบบที่อัดอากาศภายใน

แบบสกรูคู่ หรือที่รู้จักในชื่อ Lysholm ใช้สกรูเกลียวสองตัวสอดประกอบกัน และอัดอากาศภายในตามช่องทางที่แคบลง รายละเอียดเพียงจุดเดียวนี้กำหนดความแตกต่างจากแบบ Roots: ประสิทธิภาพทางความร้อนที่สูงกว่า ความร้อนที่ต่ำกว่า มันสามารถให้ประสิทธิภาพใกล้เคียงคอมเพรสเซอร์แบบไดนามิกในช่วงภาระงานและรอบเครื่องที่แคบ การออกแบบสมัยใหม่ได้รับสิทธิบัตรโดย Alf Lysholm ในปี 1935 ส่วนสิทธิบัตรคอมเพรสเซอร์แบบสกรูพื้นฐานย้อนไปถึงปี 1878 โดย Heinrich Krigar เป็นประเภทที่แอปพลิเคชันที่ต้องการรักษาลักษณะ Roots แบบทันทีแต่ต้องการลดอุณหภูมิลงนิยมเลือกใช้

แบบหอยโข่ง (Centrifugal): ลักษณะแบบเทอร์โบ ขับเคลื่อนด้วยกลไก

ซูเปอร์ชาร์จเจอร์แบบหอยโข่งมีการออกแบบคล้ายเทอร์โบ แต่ทำงานด้วยการขับเคลื่อนทางกลไกแทนที่จะใช้ไอเสีย อิมพีลเลอร์ที่หมุนด้วยรอบสูงจะเร่งอากาศออกด้านนอกและเปลี่ยนความเร็วนั้นเป็นแรงดัน ต่างจากแบบ Positive Displacement ตรงที่บูสต์จะเพิ่มขึ้นตามรอบเครื่องยนต์ ผลลัพธ์คือลักษณะที่คล้ายเครื่องยนต์ธรรมชาติแต่เพิ่มกำลังในรอบสูง ประสิทธิภาพสูงที่สุดในสามประเภท: อยู่ในช่วง 70-85% การสร้างความร้อนก็ต่ำกว่า และตัวเครื่องขนาดกะทัดรัดทำให้ติดตั้งในห้องเครื่องที่แคบได้ง่าย จุดอ่อนก็ชัดเจน: ให้กำลังไม่มากเท่า Roots หรือ twin-screw ในรอบต่ำ

มีผลต่อการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงมากเพียงใด?

ผลของซูเปอร์ชาร์จเจอร์ต่อเศรษฐศาสตร์เชื้อเพลิงเป็นความจริงที่ชัดเจน: โดยทั่วไปจะเพิ่มการสิ้นเปลือง อากาศมากขึ้นหมายถึงเชื้อเพลิงมากขึ้นที่ต้องเผาไหม้ เครื่องยนต์ต้องทำงานโดยไม่ให้สมดุลระหว่างอากาศกับเชื้อเพลิงเสียไป ในรถที่ติดตั้งชุดซูเปอร์ชาร์จเจอร์ เศรษฐศาสตร์เชื้อเพลิงมักลดลงอยู่ในระดับ 15-30% ขึ้นอยู่กับสไตล์การขับขี่และการจูน ในการใช้งานแบบก้าวร้าว การสิ้นเปลืองอาจเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า

การเลือกประเภทก็เปลี่ยนภาพรวมนี้ได้เช่นกัน แบบ Roots เป็นประเภทที่บั่นทอนเศรษฐศาสตร์เชื้อเพลิงมากที่สุดเนื่องจากภาระพลังงานสูญเปล่าที่สูง การออกแบบแบบหอยโข่งด้วยประสิทธิภาพที่สูงทำให้เป็นสมาชิกที่ประหยัดที่สุดในบรรดาประเภทต่างๆ แต่ไม่มีซูเปอร์ชาร์จเจอร์ตัวใดจะมีประสิทธิภาพมากกว่าเทอร์โบที่นำพลังงานไอเสียกลับมาใช้ใหม่ได้ 21. นี่คือเหตุผลหลักที่ผู้ผลิตในศตวรรษที่ 21 หันไปใช้เครื่องยนต์เทอร์โบที่มีความจุต่ำนั่นเอง: Mercedes เปลี่ยนเครื่องยนต์ซูเปอร์ชาร์จที่ใช้ชื่อ Kompressor เป็นเครื่องยนต์เทอร์โบเมื่อราวปี 2010 มีข้อยกเว้นเช่นกัน: เครื่องยนต์ 3.0 TFSI ของ Audi ยังคงใช้ซูเปอร์ชาร์จตั้งแต่ ปี 2009 และหน่วย AJ-V8 Gen III ของ Jaguar ก็เช่นกันตั้งแต่ปีเดียวกัน

รถประเภทใดเลือกใช้ซูเปอร์ชาร์จเจอร์และเพราะเหตุใด?

การเลือกขึ้นอยู่กับว่าการตอบสนองคันเร่งสำคัญเพียงใด ในสายพันธุ์การแข่งขันที่ชัยชนะตัดสินกันในเสี้ยววินาทีแรก เช่น การแข่ง Drag และ tractor pulling ซูเปอร์ชาร์จเจอร์เป็นที่นิยม เพราะไม่มีความหน่วงของบูสต์ และกำลังสามารถปรับได้ทันทีด้วยแป้นคันเร่ง ธรรมเนียมรถมัสเคิลอเมริกันก็สร้างขึ้นบนตรรกะเดียวกันนี้: อำนาจเหนือกว่าของซูเปอร์ชาร์จเจอร์ในรุ่นประสิทธิภาพสูงของ GM, Dodge และ Ford อธิบายได้ด้วยการที่แรงบิดทันทีและกำลังในรอบต่ำเป็นที่ต้องการในเชิงวัฒนธรรม เหตุผลที่ Ford เลือกซูเปอร์ชาร์จเจอร์สำหรับ GT500 ได้แก่ ความสอดคล้องกับมรดก การตอบสนองคันเร่งทันที และประสิทธิภาพในรอบสูง

ก็สามารถเลือกทำในทางตรงข้ามได้เช่นกัน แนวทาง twincharging ที่รวมสองเทคโนโลยีเข้าด้วยกัน จะใช้ซูเปอร์ชาร์จเจอร์ในรอบต่ำ ใช้ทั้งสองในรอบกลาง และใช้เทอร์โบเพียงอย่างเดียวในรอบสูง Lancia Delta S4 ใช้ระบบนี้ในฤดูกาล WRC ปี 1985-86 พร้อมคลัตช์แม่เหล็กไฟฟ้าและวาล์วบายพาส ส่วนในการผลิตแบบซีรีส์ ตัวอย่างอย่าง VW 1.4 TSI (2005-2013) และ Volvo B4204T 2.0 ได้นำระบบป้อนแบบคู่นี้มาใช้ ปัญหาด้านความซับซ้อนและความน่าเชื่อถือทำให้แนวทางนี้ยังคงเป็นเรื่องเฉพาะทาง

ซูเปอร์ชาร์จเจอร์ หรือ เทอร์โบ: แบบไหนดีกว่ากัน?

คำตอบที่ซื่อสัตย์ที่สุดสำหรับคำถามที่ไม่มีคำตอบเดียว คือการแบ่งการเปรียบเทียบออกเป็นสองส่วน: ซูเปอร์ชาร์จเจอร์เด่นเรื่องรอบต่ำและการตอบสนองทันที ส่วนเทอร์โบเด่นเรื่องกำลังสูงสุดและประสิทธิภาพ จุดอ่อนของซูเปอร์ชาร์จเจอร์คือประสิทธิภาพ ส่วนจุดอ่อนของเทอร์โบคือ boost lag; ว่าแบบไหนดีกว่าขึ้นอยู่กับสถานการณ์การใช้งาน คุณต้องการการตอบสนองทันทีในการจราจรในเมือง หรือประสิทธิภาพในการขับขี่ระยะไกล? ในกรณีแรก ซูเปอร์ชาร์จเจอร์คือทางเลือกที่สมเหตุสมผล ในกรณีที่สองคือเทอร์โบ

คำถามที่พบบ่อยอีกข้อหนึ่งคือความเร็ว: แบบไหนเร็วกว่ากัน? การวางกฎทั่วไปอาจทำให้เข้าใจผิด; กำลังสูงสุดของเทอร์โบมักจะสูงกว่า แต่ตัวชี้วัดในแง่ของการวัด ระยะเวลา และระยะทาง ขึ้นอยู่กับการปรับแต่งของยานพาหนะ การเลือกประเภท และการตั้งค่า ช่วงการเพิ่มกำลังโดยทั่วไปของซูเปอร์ชาร์จเจอร์อยู่ที่ 30-75% และในชุดที่ออกแบบมาอย่างดีอยู่ที่ระดับ 50-85%; ทั้งสองแบบต้องปรับแต่งให้อยู่ภายในขีดจำกัดความทนทานของเครื่องยนต์และความทนทานต่อการเคาะ

บทสรุป: การตัดสินใจทางวิศวกรรมที่เรียบง่าย

ซูเปอร์ชาร์จเจอร์เป็นทางเลือกที่ควรค่าแก่การพิจารณาร่วมกับเทอร์โบ ไม่ใช่เพื่อต่อกรกับเทอร์โบ การเชื่อมต่อเชิงกลที่จ่ายพลังงานโดยตรงจากเพลาข้อเหวี่ยง ให้กำลังที่ไร้ความหน่วงและคาดเดาได้; ราคาที่ต้องจ่ายคือการสิ้นเปลืองกำลังบางส่วนของเครื่องยนต์อย่างต่อเนื่อง ความทันทีตลอดช่วงรอบของ Roots สมดุลทางความร้อนของ twin-screw และประสิทธิภาพที่รอบสูงของแบบส่วนกลาง (centrifugal) ล้วนเป็นเส้นทางวิศวกรรมที่แตกต่างกันสามทางเพื่อจุดมุ่งหมายเดียวกัน คำถามที่ถูกต้องไม่ใช่ว่าแบบไหนดีกว่าอย่างแน่นอน แต่คือในสถานการณ์การใช้งานแบบใด ลักษณะแบบใดมีโอกาสได้ผลมากที่สุด

แหล่งอ้างอิง