เครื่องยนต์ 1 จังหวะ ! นวัตกรรมขุมพลังแห่งอนาคต

“เครื่องยนต์ 1 จังหวะ” หรือ ONE STROKE ENGINE เป็นชื่อที่ชวนคิดว่าเป็น CLICKBAIT ล่อลวงคนให้เข้ามาอ่าน แม้แต่ตัวผู้เขียนเองเห็นตอนแรกก็อุทาน “อิหยังวะ” แต่พอศึกษาข้อมูลแล้วพบว่า นี่คือ แนวคิดที่ชาญฉลาด และแยบคาย รวมทั้งมีโอกาสจะเป็นหนึ่งในเครื่องยนต์แห่งอนาคตได้เลยทีเดียว

แนวคิดในการพัฒนาเครื่องยนต์แบบใหม่นี้ มาจากความต้องการพัฒนาเครื่องปั่นไฟ สำหรับ “ดโรน” (DRONE) หรือ ยานบินไร้คนขับ (UAV, UNMANNED AERIAL VEHICLE) ที่นิยมใช้ในภารกิจสำรวจและกู้ภัย เพื่อให้สามารถบินได้นานขึ้น จากเดิมที่เป็นหลักนาที กลายเป็นหลักชั่วโมง โดยไม่ต้องเพิ่มขนาดแบทเตอรี ซึ่งจะส่งผลให้ตัวยานพาหนะมีน้ำหนักเพิ่มจนบินไม่ขึ้น พวกเขาจึงต้องพึ่งพาเครื่องยนต์สันดาปภายในมาทำหน้าที่ปั่นไฟ (RANGE EXTENDER) เนื่องจากค่าความหนาแน่นทางพลังงานของน้ำมันเชื้อเพลิงนั้นเหนือชั้นกว่าของแบทเตอรีแบบเทียบกันไม่ได้ โดยน้ำหนักเชื้อเพลิง 1 กก. จะก่อให้เกิดเป็นพลังงานได้มากกว่าแบทเตอรีในพิกัดเดียวกัน ประมาณ 50-100 เท่า

อย่างไรก็ตาม น้ำหนักเครื่องยนต์ก็จำเป็นต้องเบาที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ เพราะส่งผลกับประสิทธิภาพของยานบินโดยตรง ดังนั้นจึงเกิดความคิดจะพัฒนาเครื่องยนต์ที่มีน้ำหนักเบา และเรียบง่าย

ผู้คิดค้นเครื่องยนต์แบบใหม่นี้ คือ บริษัท INNENGINE จากประเทศสเปน หัวใจของเครื่องยนต์ชนิดนี้ คือ การเพิ่มประสิทธิภาพการจุดระเบิดให้มีจำนวนครั้งมากขึ้นใน 1 รอบการหมุน โดยทั่วไปเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบ 4 จังหวะ (4 STROKE ENGINE) การจุดระเบิด ซึ่งเป็นหนึ่งกระบวนการ ดูด-อัด-ระเบิด-คาย ที่เราคุ้นเคย จะเกิดขึ้น 1 ครั้ง ทุกๆ รอบการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยง 2 รอบ ส่วนในเครื่องยนต์ 2 จังหวะ (2 STROKE ENGINE) จะมีการจุดระเบิดเกิดขึ้นทุกๆ การหมุนของเพลาข้อเหวี่ยง 1 รอบ ดังนั้นเหตุผลในการตั้งชื่อเครื่องยนต์ใหม่นี้ว่า เครื่องยนต์ 1 จังหวะ ก็เพราะทุกๆ รอบการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยงจะเกิดการจุดระเบิดในห้องเผาไหม้ 2 ครั้งนั่นเอง ! 

เมื่อคิดจากจำนวนการจุดระเบิด อนุมานได้ว่า เครื่องยนต์ 1 จังหวะ จะมีพลังเหนือกว่าเครื่องยนต์ 4 จังหวะ ที่มีความจุเท่ากันถึง 4 เท่า และมากกว่าเครื่อง 2 จังหวะ 1 เท่า

บริษัท INNENGINE ได้รับสิทธิบัตรเครื่องยนต์ 1 จังหวะ ของพวกเขาจากทั้งในสหภาพยุโรป สหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น จีน และเกาหลีใต้ โดยมีการพัฒนาเครื่องยนต์ขึ้นมา 2 แบบ ได้แก่ E-REX และ REX-B ซึ่งแตกต่างกันที่รูปแบบ 

E-REX เป็นเครื่องยนต์ลูกสูบแบบหันหน้าชนกัน ภายในกระบอกสูบเดียวกัน คล้ายกับเครื่องยนต์ดีเซล 2 จังหวะ ที่เราเรียกว่า OPPOSED PISTON ชนิดเพลาข้อเหวี่ยงคู่ ที่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานสูง เครื่องแบบนี้แม้จะพัฒนามานานนับ 100 ปี แต่มักใช้งานในยานพาหนะทางทหารที่ใช้เชื้อเพลิงดีเซล ที่ไม่เน้นรอบสูงเป็นหลัก เพราะเครื่องยนต์มีน้ำหนักมาก และซับซ้อน เนื่องจากมีเพลาข้อเหวี่ยง 2 ชุด เราสามารถพบเห็นเครื่องยนต์บลอค 5TDF ในรถถัง T64 (ที 64) ของสหภาพโซเวียต โดยเป็นเครื่องยนต์สูบนอนแบบ 5 กระบอกสูบ (ที่มาของชื่อบลอค) แต่มีลูกสูบ 10 ลูก (ฝั่งละ 5 ลูก หันหน้าเข้าหากัน)  

ความแตกต่างของเครื่อง E-REX กับเครื่องสูบนอนยันหันหน้าเข้าหากัน คือ ลูกสูบและกระบอกสูบ ของเครื่อง E-REX นั้นวางตามแนวเดียวกันกับแกนหมุนของเพลาขับ และเช่นเดียวกับเครื่องแบบ 2 จังหวะ คือ ไม่มีระบบวาล์วและเพลาราวลิ้น (CAMSHAFT) และที่แตกต่างออกไปโดยสิ้นเชิงคือ ไม่มีเพลาข้อเหวี่ยง (CRANKSHAFT) 

การเคลื่อนที่เดินหน้า ถอยหลังของลูกสูบนั้นเกิดจากแรงกระทำ และแรงปฏิกิริยา ที่ทำร่วมกันกับ รางลูกเบี้ยว หรือ CAM-TRACK ที่เป็นจานรูปทรงเหมือนเนินทางลาด เมื่อรางลูกเบี้ยวหมุนจะเข้าไปดันท้ายของลูกสูบที่ติดตั้งลูกกลิ้งไว้ (ROLLER) ให้ลูกสูบเดินไปข้างหน้า ซึ่งเมื่อลูกสูบเดินมาถึงจุดที่ใกล้จะเจอกับลูกสูบฝั่งตรงข้าม ระบบหัวฉีดเชื้อเพลิงจะฉีดเชื้อเพลิงเข้าไประหว่างหัวลูกสูบที่กำลังพุ่งเข้าหากัน หลังจากนั้นหัวเทียนก็จะจุดระเบิด และดันลูกสูบทั้ง 2 ลูกวิ่งแยกออกจากกัน กระบวนการเหล่านี้จะเกิดขึ้น 2 รอบ/ทุกการหมุนรางลูกเบี้ยว 1 รอบ

สำหรับเครื่องยนต์ต้นแบบ E-REX เป็นแบบ 4 กระบอกสูบ แต่มี 8 ลูกสูบ โดยกระบอกสูบทั้ง 4 จะวางเรียงกันตามยาว โดยมีตำแหน่งเป็นมุมฉาก (ดูภาพประกอบ) และทุกการจุดระเบิดจะเกิดขึ้นพร้อมกันในกระบอกสูบฝั่งตรงข้าม 2 กระบอกสูบ ทำให้เครื่องยนต์มีสมดุลดีมาก แทบจะเรียกได้ว่าไร้ความส่ันสะเทือน หากยังสงสัยว่ามันเป็นอย่างไร ขอแนะนำให้เข้าไปค้นหาคำว่า E-REX ในยูทูบ แล้วจะหายสงสัยแน่นอน

ความดีงามของเครื่องยนต์แบบใหม่นี้ สะท้อนออกมาในเรื่องความสง่างามในความเรียบง่าย เพราะขณะที่ เครื่องยนต์สันดาปภายในที่เราคุ้นเคยมีการทำงานร่วมกันของชิ้นส่วนเคลื่อนไหวมากมาย ราวกับการบรรเลงเพลงของวงออร์เคสตรา แต่สำหรับเครื่องยนต์ E-REX กลับมีชิ้นส่วนน้อยอย่างน่าประหลาดใจ 

อย่างไรก็ตาม ทุกนวัตกรรมต้องการเวลาในการพิสูจน์ถึงความทนทาน เหมือนที่ครั้งหนึ่งเครื่องยนต์โรตารี เคยประสบปัญหาเรื่องผนังห้องเผาไหม้มีรอยถลอก ซึ่งต้องใช้เวลาวิจัยอีกนานกว่าจะก้าวข้ามปัญหานั้นได้ แต่ก็ทำให้ผู้ผลิตจำนวนมากหันหลังให้กับเครื่องยนต์โรตารี จนเหลือเพียงค่าย MAZDA (มาซดา) เท่านั้นที่สามารถแก้ปัญหานี้ได้

ปัจจุบันผู้คิดค้นเครื่องยนต์ E-REX ได้ผลิตเครื่องต้นแบบออกมาแล้ว 3 เครื่อง โดยล่าสุดมีความจุ 500 ซีซี และผ่านการทดสอบขั้น TRL6 (TECHNOLOGY READINESS LEVEL 6) หมายความว่า อยู่ในช่วงพัฒนาขั้นสุดท้าย นั่นคือ ผ่านการทดสอบในเรื่องสิ่งแวดล้อมจำลอง (TECHNOLOGY DEMONSTRATED IN RELEVANT ENVIRONMENT) และพร้อมจะก้าวสู่ขั้นที่ 7, 8 และ 9 ซึ่งเป็นการทดสอบการใช้งานจริงจังขั้นสุดท้ายก่อนจะผลิตในระบบอุตสาหกรรม

เครื่องยนต์ E-REX ขนาด 500 ซีซี ที่สร้างขึ้นนี้ ได้มีการทดลองติดตั้งใน MAZDA MX-5 (มาซดา เอมเอกซ์-5) โดยพ่วงซูเพอร์ชาร์เจอร์เข้าไปด้วย และว่ากันว่าให้พละกำลังถึง 120 แรงม้า ผู้ผลิตแจ้งว่า ในเวอร์ชันสุดท้ายเชื่อว่าจะมีความจุ 700 ซีซี และจะต่อตรงเข้ากับเครื่องปั่นไฟ สำหรับใช้งานร่วมกันกับรถไฟฟ้า และยานพาหนะไฟฟ้าอื่นๆ

ส่วนเครื่องยนต์ REX-B นั้นจะเรียบง่ายกว่า เพราะมีเครื่องยนต์เพียงครึ่งเดียว นั่นคือ แต่ละกระบอกสูบจะมีลูกสูบลูกเดียว ที่เหลือเหมือนกับ E-REX แต่ REX-B มีความจุเพียง 125 ซีซี และผ่านการทดสอบจนถึงระบบ TRL8 แล้ว เหลืออีกขั้นตอนเดียวก็จะสามารถผลิตเป็นจำนวนมากได้ โดยจุดมุ่งหมายของการพัฒนานี้ คือ การเป็นเครื่องยนต์สำหรับอากาศยานไร้คนขับบังคับวิทยุ เพราะด้วยความจุเพียง 125 ซีซี ให้กำลัง 21.5 แรงม้า ที่ 6,000 รตน. ซึ่งอาจจะดูเหมือนไม่มากเมื่อเทียบกับ จักรยานยนต์ 125 ซีซี 2 จังหวะ ตัวแสบๆ ในอดีต ที่ให้พละกำลังราว 33-40 แรงม้า แต่อย่าลืมว่าเครื่องยนต์ 2 จังหวะเหล่านั้นทำงานรอบสูงถึง 13,000 รตน. ในขณะที่ REX-B ทำงานที่รอบต่ำกว่ามาก

ความเล็ก และเบาของเครื่องยนต์ E-REX และ REX-B เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในยานพาหนะ แบบขับเคลื่อนด้วยตัวเอง หรือใช้งานในลักษณะเครื่องปั่นไฟ ในพาหนะ จนถึงในอุตสาหกรรม รวมถึงใช้เป็นต้นกำลังให้กับระบบไฮดรอลิคก็ตาม โดยเครื่องยนต์ E-REX มีค่ามาตรฐานไอเสียผ่านเกณฑ์ EURO 7 ที่จะบังคับใช้ในยุโรป ปี 2025 รวมถึงสามารถนำไปใช้งานร่วมกับเชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้อีกด้วย

ระบบเครื่องปั่นไฟที่มีขนาดเล็กกระทัดรัดนี้ มีความสำคัญมากต่อวิถีการพัฒนารถไฟฟ้า เพราะในขณะที่เรามีความกังวลเรื่องระยะทางวิ่ง โดยเฉพาะในประเทศที่ไม่มีสภาพการพัฒนาเป็นเขตเมืองหนาแน่น การที่จะใช้แบทเตอรีขนาดใหญ่ เพื่อให้ได้ระยะทางเพิ่มนั้นส่งผลกระทบหลายประการ เช่น พอน้ำหนักเพิ่มขึ้นจะส่งผลกระทบโดยตรงกับอายุการใช้งานของยาง ระบบรองรับ และที่แน่นอนคือ ราคา ดังนั้น ไม่แน่ว่าสักวันในอนาคตเราอาจได้เห็นเครื่องยนต์พันธุ์ใหม่นี้ ประจำการอยู่ในรถไฟฟ้าก็เป็นไปได้