ท่อร่วมไอเสียสำหรับเครื่องยนต์เทอร์โบ เทคนิคง่ายๆ สำหรับเพิ่มความแรง

นิตยสารนักเลงรถ ฉบับที่ 292

    รถยนต์ที่ผลิตออกมาจากโรงงานพร้อมติดตั้งเทอร์โบมาให้เสร็จสรรพจะออกแบบท่อไอเสียช่วงก่อนเข้าเทอร์โบให้ดูดีไม่เกะกะ บำรุงรักษาง่ายและผลิตง่ายด้วย ซึ่งก็ทำให้ลดต้นทุนการผลิตไปได้มากมาย ในขณะที่หากจะต้องสูญเสียแรงม้าไปสัก 5-10% ก็ไม่วิตกอะไรมาก หรือบางคนอาจจะคิดว่าไอเสียมันมีแรงดันสูงอยู่แล้วยังไงๆ มันก็ต้องหาทางออกให้ได้ ยิ่งเอาเทอร์โบไปไว้ใกล้ เครื่องที่สุด ไอเสียก็ยิ่งมีแรงดันขับใบเทอร์โบไบน์ให้หมุนได้เร็วขึ้นทำให้เครื่องยนต์แรงขึ้น ซึ่งนับว่าเป็นความคิดที่ผิดอย่างมาก ทุกครั้งที่คลื่นไอเสียจากแต่ละสูบไหลออกทางท่อไอเสีย จะมีช่องว่างระหว่างการจุดระเบิดขอแต่ละสูบที่ทำให้อากาศที่มีแรงดัน ปกติภายนอกไหลย้อนกลับไปได้เรียกว่า “Back Pressure” หากความยาวท่อไอเสียแต่ละสูบไม่เท่ากัน คลื่นไอเสียที่ไหลออกมา รวมบรรจบกันในเทอร์ไบน์ก็จะไหลมาเร็วบ้างช้าบ้าง และ Back Pressure ก็จะไหลย้อมสับสนกันไปหมดทำให้แรงม้าที่ควรได้ กลับไม่ได้และจะกลายเป็นบั่นทอนแรงม้าลงไปเสียอีก
    การแต่งพอร์ททางเดินไอเสียของแต่ละสูบก็มีความสำคัญไม่น้อย เพราะต้องควบคุมขนาดและชดเชยความยาวหรือส่วนโค้ง ของพอร์ทในฝาสูบบางแบบที่มีช่องทางของแต่ละสูบแตกต่างกันมาก โดยชดเชยให้สัมพันธ์กันด้วยขนาดความยาวและส่วนโค้ง ของท่อไอเสียที่ออกมาจากแต่ละสูบก่อนที่จะมารวมกันเข้าสู่หม้อพักในเครื่องยนต์ธรรมดาหรือเข้าตัวเทอร์ไบน์ในเครื่องยนต์ที่ ใช้เทอร์โบ สิ่งสำคัญประการแรกของเทอร์โบคือต้องรักษาความร้อนในท่อไอเสียช่องทางเข้าเทอร์ไบน์ให้ได้มากที่สุด เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดเพราะแรงม้าทั้งหมดที่ได้จะถูกแปรผันมาจากแรงระเบิดในกระบอกสูบซึ่งก็คือการขยายตัว อย่างรวดเร็วจากความร้อนสูงที่เกิดขึ้นจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิง หรือเรียกสั้นๆ ว่าความร้อนคือกำลังงานนั้นเอง
    เนื่องจากก๊าซร้อนของไอเสียนี้จะเบาบางทำให้มันเคลื่อนที่ไปได้อย่างรวดเร็ว และนั้นหมายถึงทำให้ขับดันใบเทอร์ไบน์ ให้หมุนได้อย่างรวดเร็วด้วย ดังนั้นจะเห็นได้ว่าในเครื่องยนต์สมรรถนะสูงจุมีการนำเอาฉนวนมาห่อหุ้มเสื้อเทอร์ไบน์ไว้ทั้งนี้ เพื่อให้มันสะสมความร้อนไปใช้งานให้มากที่สุดนั้นเอง ปัญหาใหญ่ของท่อไอเสียก่อนเข้าเทอร์โบคือ การแตกร้าวของท่อ และการรั่วตามขอบปะเก็นต่างๆ ซึ่งเป็นผลมาจากวัตถุดิบที่ใช้และการออกแบบที่ไม่ถูกต้อง ซึ่งจะพบได้มากในเครื่องยนต์ สมรรถนะสูงๆ แม้แต่ในรถใช้งานประจำวันทั่วไปที่ผลิตจากโรงงานผลิตรถยนต์เองเลยก็มี
    ปกติแล้วเทอร์โบที่ติดตั้งมาโดย โรงงานผู้ผลิตรถยนต์จะมีขนาดเล็กเพื่อให้เรียกบูสท์ได้ตั้งแต่รอบต่ำๆ ทำให้มีอัตราเร่งดี และจะตัดบูสออกที่ 5-7 psi เพื่อป้องกันการน๊อคที่รอบสูงโดยการออกแบบท่อไอเสียก็จะต้องคำนึงถึงต้นทุนด้านการผลิตเป็น ปัจจัยหลักซึ่งต่างจากรถที่ต้องการสมรรณะสูง โดยเฉพาะเพื่อการแข่งขัน ประโยชน์ของท่อเทอร์โบจากฝาสูบถึงเสื้อเทอร์ไบน์ที่ใช้ เหล็กหล่อทำขึ้นมาโดยมีระยะท่อเพียงสั้นๆ ก็คือไอเสียจะถึงตัวเทอร์ไบน์ได้เร็ว ทำให้เทอร์ไบน์หมุนเร็วได้กำลังงานมาก และตัวท่อที่สั้นนั้น ก็สามารถรับน้ำหนักทั้งตัวของเทอร์ไบน์ได้ดี มีอัตราการขยายตัวน้อย ลดปัญหาที่จะตามมาได้มาก เทอร์โบที่ติดตั้งโดยผู้เชี่ยวชาญเฉพาะเพื่อใช้ในการแข่งขัน จะใช้ท่อมาดัดตัดต่อหรือบ้างก็ใช้ท่อแบบหนาที่มีส่วนโค้ง ให้ในตัวเป็นท่อนๆ ที่เรียกว่า ”ท่อสตีม” (Steam Pipe) มาตัดต่อกันให้ได้ขนาดความยาวเท่าๆ กันทุกท่อที่ได้คำนวณเอาไว้ ล่วงหน้า ซึ่งทำให้เกิดแรงเค้นที่ท่อตามจุดเชื่อมต่างๆ และปัญหาจากการขยายตัวในแต่ละจุดรวมทั้งที่ตำแหน่งรอยเชื่อม และอาจยืดตัวจนไปงัดกันและเกิดรอยแตกร้าวขึ้นได้ง่าย หรือหากมีส่วนโค้งมาก ยาวมาก อาจจะขยายตัวจนระยะห่าง ของตัวเทอร์โบกับเครื่องยนต์ผิดเพี้ยนไปเมื่อเกิดความร้อน ทำให้ท่อข้ามซึ่งเป็นท่อส่งอากาศที่บูสท์จากเทอร์โบไปยังท่อไอดี แยกหลุดออกจากกันได้ จึงต้องพึ่งพาการออกแบบที่ดี รวมทั้งเพิ่มจุดยึดต่างๆ ระหว่างตัวเทอร์โบกับเครื่องยนต์ เป็นต้น
    นอกจากนี้การออกแบบสัดส่วนของท่อให้ได้ขนาดและความยาวที่ถูกต้องจะทำให้เครื่องยนต์ผลิตแรงม้าได้มากขึ้น และนั่นก็คือ จะเกิดความร้อนสะสมในตัวเทอร์โบและท่อไอเสียมากขึ้นไปด้วย ซึ่งหากท่อทางเดินทำได้ไม่ดีไม่ถูกสัดส่วน ช่วงท่อที่มี ความยาวมาก มีการขยายตัวมากจะเกิดการแตกร้าวได้ง่ายยิ่งขึ้น จึงต้องระวังที่จุดนี้ให้มาก แม้กระทั้งส่วนโค้งต่างๆ ในแต่ละท่อ ก็จะต้องมีการคาดคะเนหรือตรวจวัดให้ได้ความเร็วไอเสียในแต่ละท่อให้ได้ใกล้เคียงกันที่สุดเพื่อขจัดปัญหาอย่างที่ว่าไปแล้ว โดยจะเห็นได้ว่าท่อสแตนเลสเป็นที่นิยมอย่างมากในรถแต่งจากค่ายผลิตอุปกรณ์ดังๆ หลายค่ายทั้งจากญี่ปุ่น ออสเตรเลีย หรือสหรัฐอเมริกา นั่นเพราะว่าท่อสเตนเลสจะขัดมันได้สวยงาม แต่ปัญหาคือ มันขยายตัวสูงกว่าท่อธรรมดา และเปราะเมื่อ ถูกความร้อนสูงๆ อยู่นานๆ ดังนั้นจึงต้องใช้สแตนเลสคุณภาพสูง สำหรับท่อเหล็กธรรมดาหนา 4-5 มม. พวกท่อสตีมจะใช้ทำ ท่อไอเสียเทอร์โบช่วงหัวได้ดีกว่า ถ้าช่างมีความชำนาญสูง เพราะขยายตัวน้อยกว่าเก็บความร้อนได้ดีกว่า แต่พื้นผิวเป็นสนิมง่าย ไม่สวยงาม และควรเคลือบด้วยสารป้องกันความร้อน เป็นต้น
    ส่วนเหล็กหล่อ ดูเหมือนจะเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับท่อเทอร์โบ แต่ปัญหาสำคัญคือ มันมีน้ำหนักมากและราคาแพงที่สุด หากต้องทำขึ้นมาเพียงชิ้นเดียวหรือทำจำนวนน้อยๆ และที่สำคัญคือ ไม่สามารถออกแบบให้ใช้ที่ความยาวมากๆ ได้ เพราะจะทำให้ น้ำหนักของมันมากจนเกิดความเสียหายต่อเสื้อสูบได้ในรถยนต์ใช้งานทั่วไปขนาดของท่อรวมของไอเสียที่มาจากแต่ละสูบอาจจะใช้ ท่อขนาดเดียวกับพอร์ทไอเสียที่ฝาสูบก็ได้ เพราะท่อขนาดเล็กจะทำให้ไอเสียเพิ่มความเร็วได้มากขึ้น อัตราเร่งดี ซึ่งต้องพิจราณา กันอย่างละเอียดรอบครอบ ต่างกับในรถแข่งซึ่งหากรวมท่อเข้าในท่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กๆที่รอบสูงจะทำให้ไอเสีย เกิดแรงดันมากจนทำให้ความเร็วลงลดและมีผลกระทบทำให้แรงม้าลดลงความร้อนในห้องเผาไหม้สูงขึ้นและเกิดการน๊อคอย่าง รุ่นแรงจนพังไปเลยก็ได้ เป็นการดีที่สุดที่จะต้องมีการทดลองขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของท่อไอเสียบนแท่น ทดสอบแรงม้าจนกว่าจะได้ท่อที่ดีที่สุด แต่จะไม่สามารถครอบคลุมได้ตลอดทุกช่วงความเร็วรอบของเครื่องยนต์และภาระ ที่กระทำต่อเครื่องยนต์
     ท้ายสุดมีข้อแนะนำอยู่เรื่องหนึ่งก็คือบนท่อร่วมจากฝาสูบถึงตัวเทอร์โบไม่ควรใช้ท่อไอเสียที่มีขนาดเส้นผ่าน ศูนย์กลาง สูงเกินเกว่า 30 % ของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อที่ผลิตมาจากโรงงาน เพราะใหญ่ไปกว่านั้น ก็ไม่มีประโยชน์เลย