เฮือกสุดท้ายของเครื่องยนต์สันดาปภายใน ?

ในยุคที่ข่าวสารรถยนต์นั้นประโคมข่าวการเกิดใหม่ของทเรนด์ยานยนต์แห่งอนาคต ไม่ว่าจะเป็นระบบยานยนต์ไร้คนขับ (AUTONOMOUS VEHICLES) แนวคิดรถยนต์ที่ไม่มีใครเป็นเจ้าของ (CAR SHARING) และที่แรงที่สุดก็คือ ยานยนต์พลังไฟฟ้า (ELECTRIC VEHICLES) ซึ่งเรามักได้ยินคำทำนายว่า “เครื่องยนต์สันดาปภายในนั้นใกล้ถึงจุดจบแล้ว” หรือ “เยอรมนีในปี 2030 จะมีแต่รถไฟฟ้า” กันถี่ขึ้นทุกวัน จนอาจจะคิดว่า เครื่องยนต์สันดาปภายในไม่น่าจะมี นวัตกรรมใหม่ใดๆ ออกมาให้เราได้เห็นกันอีก

แต่ผิดถนัด เพราะบริษัทรถยนต์บางค่ายยังมีหมัดเด็ดที่รอการเปิดเผยสู่สาธารณชนให้ได้ตื่นเต้นกัน อาทิ ค่ายรถยนต์ “อินฟินิที” ผลพวงของค่าย นิสสัน ประเทศญี่ปุ่นร่วมกับ เรอโนลต์ จากฝรั่งเศส ได้เปิดเผยนวัตกรรมล่าสุดที่มีชื่อว่า ระบบ วีซี-ที (ย่อมาจาก VC-T: VARIABLE COMPRESSION TURBO CHARGED) หรือเครื่องยนต์แปรผันกำลังอัด และอัดอากาศด้วยเทอร์โบ ซึ่งเป็นผลลัพธ์ของการวิจัยที่ถูกพัฒนายาวนานกว่า 20 ปี และสิทธิบัตรการประดิษฐ์กว่า 300 ชิ้นของพวกเขา ความต้องการหลักของแนวคิดนี้ ก็คือ การได้มาซึ่งสองบุคลิกภาพที่แตกต่างกัน คือ พละกำลัง และความประหยัด ซึ่งหากจะเปรียบเทียบให้เห็นภาพ คือ ภาพของนักวิ่งสปรินเตอร์ลมกรดระยะสั้น ที่มีกล้ามเนื้อที่แข็งแกร่ง และพร้อมจะระเบิดพลัง กับนักวิ่งมาราธอนที่ตัวผอมเพรียวและจัดการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพนั่นเอง ที่เป็นการยากที่จะนำเอาจุดเด่นของคนสองคนมารวมเป็นคนเดียวกันได้   วิศวกรของ อินฟินิที ได้ขบคิดปัญหานี้และค้นพบแนวทางที่จะสร้างเครื่องยนต์ที่สามารถแปรเปลี่ยนกำลังอัดกระบอกสูบ โดยเครื่องยนต์เบนซินทั่วไปมักมีกำลังอัดอยู่ที่ 9.5:1-11.0:1 แต่เครื่องยนต์แบบใหม่ของ อินฟินิที สามารถแปรเปลี่ยนได้ระหว่าง 8.0:1 เพื่อรับการบูสต์ของเทอร์โบ จนสามารถสร้างกำลังอัดได้สูงถึง 14.0:1 เพื่อประสิทธิภาพในการเผาไหม้และความประหยัดในระดับสูง ซึ่งเปรียบได้กับนักวิ่งมาราธอน โดยพวกเขาเปิดตัวเครื่องยนต์ขนาด 2.0 ลิตร เทอร์โบ รหัส MR 20 DDT ที่ใช้ในรถแนวคิดนี้ในงานมหกรรมยานยนต์ปารีส 2016 ครั้งที่ผ่านมา ทำไมถึงต้องนำเอาเรื่องวัฏจักรแอทคินสัน ที่แพร่หลายในยุคปัจจุบันมาอธิบาย นั่นก็เพราะ อินฟินิที ไปไกลกว่าแนวคิดของวัฏจักรแอทคินสันมากนั่นเอง   ระบบ “กำลังอัดแปรผัน” นั้นเกิดจากการทำงานร่วมกันของ “ข้อต่อ” (LINKAGE) 4 ชุด ที่พวกเขาเรียกว่า กลไกมัลทิลิงค์ โดยถูกควบคุมตำแหน่งจากมอเตอร์ไฟฟ้าที่เรียกว่า “ฮาร์โมนิคดไรฟ” (HARMONIC DRIVE) มุมที่เปลี่ยนไปจากการหมุนตัวของฮาร์โมนิคดไรฟ จะส่งผลให้ตำแหน่งของหัวลูกสูบ (PISTON HEAD) สูงสุดนั้นเปลี่ยนไปนั่นเอง อันเป็นที่มาของกำลังอัดที่ไม่เท่ากัน นั่นคือ หากต้องการความประหยัด และไม่มีการบูสต์ของเทอร์โบ กลไกฮาร์โมนิค ดไรฟจะสั่งงานให้ลูกสูบสามารถเคลื่อนที่ขึ้นสูงที่สุด เพื่อสร้างกำลังอัด 14.0:1 (ใกล้เคียงกับเครื่องยนต์สกายแอคทีฟของ มาซดา) และจะปรับเปลี่ยนการฉีดเชื้อเพลิงไปเป็นระบบฉีดตรงเข้าสู่ห้องเผาไหม้ หรือไดเรคท์อินเจคชัน เพื่อควบคุมจังหวะจุดระเบิดให้สมบูรณ์แบบ ไม่มีการชิงจุดระเบิด เนื่องจากกำลังอัดสูงมาก แน่นอนว่า เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดการทำงานในช่วงกำลังสูง วาล์วไอดีจะเปิด/ปิดในจังหวะวัฏจักรแอทคินสันร่วมด้วยเช่นกัน   แต่เมื่อต้องการกำลังจากระบบเทอร์โบ กลไกฮาร์โมนิคดไรฟจะหมุน และเปลี่ยนตำแหน่งให้หัวลูกสูบอยู่ห่างจากจุดยอดของห้องเผาไหม้มากขึ้น อันเป็นที่มาของกำลังอัดต่ำเพียง 8.0:1 (ต่ำกว่าของ เมร์เซเดส-เอเอมจี ซีแอลเอ 45 ที่มีกำลังอัด 8.6:1 แต่ยังไม่ต่ำเท่ารถเทอร์โบยุคเก่าอย่าง โพร์เช 930 เทอร์โบ ที่ลงไปถึงระดับ 7.0:1) และขณะเดียวกันก็เปลี่ยนจากหัวฉีดไดเรคท์อินเจคชัน ไปเป็นการฉีดเข้าไปในท่อร่วมไอดี และเปลี่ยนจังหวะการเปิด/ปิดวาล์วไอดีไปเป็นวัฏจักร อตโตตามปกติอีกด้วย   การที่มีกลไกต่างๆ มากขึ้น เครื่องยนต์จึงหนักขึ้นประมาณ 10 กก. เท่านั้น อันเป็นผลจากการลดน้ำหนักหลายๆ ส่วน อาทิ การหล่อท่อร่วมไอเสียเป็นส่วนหนึ่งกับเครื่องยนต์ ซึ่งนอกจากจะมีขนาดกะทัดรัด ยังช่วยร่นระยะเวลาในการทำให้เครื่องกรองมลพิษขึ้นสู่อุณหภูมิใช้งานได้อีกด้วย และสมรรถนะที่ได้จากเครื่องยนต์ แบบ 4 สูบ ความจุ 2.0 ลิตร เทอร์โบ ให้กำลัง 268 แรงม้า แรงบิดสูงสุด 39.8 กก.-ม. ก็ถือว่ามีสมรรถนะดีไม่น้อย อีกทั้งทีมวิศวกรของ อินฟินิที แจ้งว่าเครื่องยนต์บลอคนี้มีความสั่นสะเทือนเพียง 1 ใน 3 ของเครื่องยนต์แบบ 4 สูบทั่วไป ในขณะที่มีอัตราสิ้นเปลืองดีกว่าเครื่องยนต์ที่มีกำลังเท่ากันถึงกว่า 27 %   พวกเขาอ้างว่า ในอนาคตเครื่องยนต์ตัวนี้ไม่ได้เป็นเพียงตัวเดียวที่จะใช้เทคโนโลยีใหม่ แต่จะมีเครื่องยนต์ที่ใช้แนวคิดนี้ตามออกมาอีกหลายรุ่น ส่วนเรื่องความทนทานนั้นพวกเขาได้ทดสอบระยะทางโดยรวมกว่า 3,200,000 กม. ในห้องทดลองไปเรียบร้อยแล้ว พร้อมตั้งเป้าจะติดตั้งใน อินฟินิที คิวเอกซ์ 50 ครอสส์โอเวอร์ เอสยูวี เป็นรุ่นแรกที่จะออกจำหน่ายปลายปีนี้   เครื่องยนต์สันดาปภายใน ยังคงไม่ยอมลงหลุมง่ายๆ และเชื่อได้เลยว่าในบั้นปลายอายุไขของมัน เราจะได้เห็นนวัตกรรมใหม่ๆ ทยอยออกมา จนกว่าระบบเครือข่ายพลังงานไฟฟ้าและแบทเตอรีของรถไฟฟ้าจะสมบูรณ์แบบ และมีราคาที่ผู้บริโภคสามารถจับต้องได้     ก่อนจะไปต่อ ต้องขอเท้าความสักนิดถึงอีกเทคโนโลยีหนึ่ง ซึ่งประหยัดและได้พลังงานจากการจุดระเบิดที่ดี นั่นคือ ระบบ “วัฏจักรแอทคินสัน” หรือ “แอทคินสัน-ไซเคิล” (ATKINSON-CYCLE) ซึ่งเป็นระบบที่ได้รับความนิยมในรถยนต์ที่ต้องการความประหยัดและรถไฮบริด อันเกิดจากความสามารถในการปรับเปลี่ยนระยะเวลาของจังหวะการสันดาปในการ ดูด อัด ระเบิด คาย ของเครื่องยนต์ 4 จังหวะมาตรฐาน หรือ “วัฏจักรอตโต” หรือ “อตโต-ไซเคิล” (OTTO-CYCLE)   การทำงานของวัฏจักรแอทคินสัน ในยุคปัจจุบันเกิดจากการใช้ระบบวาล์วไอดี (INTAKE VALVE) แปรผันช่วงเวลาการยกได้ (เวลาในการเปิด/ปิดไม่เท่ากันได้) หรือ VARIABLE INTAKE VALVE-TIMING โดยในวัฏจักรแอทคินสันนั้นเป็นเครื่องยนต์ที่จะมีช่วงชักยาว จะมีช่วงคายยาวกว่าช่วงอัด หากเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์ระบบวัฏจักรอตโตทั่วไปที่ช่วงชักของ จังหวะ ดูด อัด ระเบิด คาย เท่ากันหมด   การทำงานของวัฏจักรแอทคินสันนั้นเกิดขึ้นในจังหวะดูด เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงมาถึงศูนย์ตายล่าง (ลงไปลึกกว่าวัฏจักรอตโตที่มีจังหวะอัดเท่ากัน) และกำลังจะเคลื่อนที่ขึ้นไปด้านบนในจังหวะอัดนั้น วาล์วไอดีจะยังเปิดค้างอยู่ช่วงหนึ่ง ทำให้ไอดีที่เป็นส่วนผสมของอากาศและน้ำมัน ไหลย้อนกลับไปในท่อร่วมไอดีอีกครั้ง ก่อนวาล์วไอดีจะปิดเพื่อเกิดจังหวะอัด (ในจุดนี้จะมีปริมาตรอากาศและน้ำมันเท่ากับของวัฏจักรอตโตที่มีช่วงชักสั้นกว่า แต่มีจังหวะอัดเท่ากัน)   เมื่อถูกจุดระเบิดด้วยหัวเทียน เกิดเป็นจังหวะ “ระเบิด” อันเป็นช่วงของการสร้างพลังงานนั้น ลูกสูบจะถูกผลักให้เคลื่อนที่ลง ลูกสูบของเครื่องยนต์ วัฏจักรแอทคินสันจะถูกผลักไปได้ “ไกลกว่า” เนื่องจากช่วงชักยาวกว่า เป็นการนำพลังงานจากการระเบิดมาใช้ได้สมบูรณ์กว่า และอุณหภูมิความดันของกระบอกสูบเมื่อเคลื่อนที่ลงมาสุดนั้น จะต่ำกว่าของวัฏจักรอตโตอีกด้วย เป็นการใช้พลังงานอย่างคุ้มค่า   หากจะเปรียบ ก็คือ เครื่องวัฏจักรแอทคินสัน ขนาด 1.8 ลิตร (คิดจากช่วงชัก) จะบริโภคเชื้อเพลิงเท่าๆ กับเครื่องยนต์ 1.4 ลิตร (เนื่องจากช่วงการอัดมีปริมาตรเท่ากับเครื่องยนต์ 1.4 ลิตร) แต่จะสร้างกำลังได้เท่ากับเครื่องยนต์ 1.5 ลิตร