X-ENGINE เครื่องยนต์พิสดารที่จะเปลี่ยนทุกสิ่งที่เรารู้จัก ?

โลกยานยนต์ทุกวันนี้เหลือพื้นที่ให้เครื่องยนต์สันดาปภายในน้อยลงทุกที จากการรุกคืบของแบทเตอรี และมอเตอร์ไฟฟ้า แต่เครื่องยนต์สันดาปภายในก็ไม่ยอมตายง่ายๆ 

 

ถึงยังไงหนทางที่จะช่วยให้ไปต่อได้ก็ต้องพัฒนาให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น และไม่อยู่เดี่ยวๆ อีกต่อไป โดยจับคู่กับแบทเตอรี เเละมอเตอร์ไฟฟ้า ทำหน้าที่เป็นเครื่องปั่นไฟในระบบ เรนจ์เอกซ์เทนเดอร์ หรือ EREV (EXTENED-RANGE ELECTRIC VEHICLE) ในรถไฟฟ้าแบบที่มีเครื่องปั่นไฟคอยชาร์จเสริมเมื่อไฟในแบทเตอรีเหลือน้อย

 

เหตุที่ต้องนำเครื่องยนต์สันดาปภายในมาใช้เป็นเครื่องปั่นไฟ เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานในน้ำมันเชื้อเพลิงนั้นเข้มข้นกว่าพลังงานที่กักเก็บในรูปแบบเซลล์ไฟฟ้าเคมีของแบทเตอรีอย่างเทียบไม่ได้ ตัวอย่างเช่น น้ำมันดีเซลแค่ 1 ลิตร จะมีพลังงานอัดแน่นอยู่ในนั้นมากกว่าแบทเตอรีลิเธียม-ไอออน ที่มีน้ำหนักเท่ากันถึง 27 เท่า เสียเเต่ว่าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สันดาปภายในนั้นต่ำมาก เพราะสามารถเปลี่ยนพลังงานในน้ำมันเชื้อเพลิงออกมาเป็นพลังงานที่ใช้ขับเคลื่อนได้เพียง 20 % เท่านั้น

 

อีกเครื่องยนต์สันดาปภายในที่เอามาใช้เป็นเครื่องปั่นไฟ ต้องมีความซับซ้อนทางกลไกน้อย และมีน้ำหนักเบา ดังนั้น ตัวเลือกที่น่าสนใจ คือ เครื่องยนต์โรตารี จากมันมีความซับซ้อนน้อยกว่าเครื่องยนต์ลูกสูบมาก เพราะไม่มีวาล์ว เเละแคมชาฟท์ แถมในหนึ่งรอบการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยง (CRANKSHAFT) มันสามารถจบวัฏจักร ดูด-อัด-ระเบิด-คาย ได้ถึง 3 รอบ เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์แบบลูกสูบ ที่ต้องหมุนเพลาข้อเหวี่ยงถึง 2 รอบ จึงจบวัฏจักร ความสามารถนี้ทำให้เครื่องยนต์โรตารีมีประสิทธิภาพสูง ขนาดเล็กกะทัดรัด และน้ำหนักตัวน้อยกว่าเครื่องยนต์ลูกสูบ แต่สิ่งที่ขาดหายไป คือ การสร้างแรงบิด ซึ่งเสี่ยงที่เครื่องยนต์ลูกสูบที่มีช่วงชักยาวจะทำได้ดีกว่า 

เครื่องยนต์โรตารี มีชื่อเต็มว่า วังเคล โรตารี (WANKLE ROTARY) ตั้งชื่อตามผู้ประดิษฐ์คิดค้น เฟลิกซ์ วังเคล (FELIX WANKLE) วิศวกรชาวเยอรมัน โดยรูปแบบที่เราคุ้นตา คือ เครื่องยนต์ที่มี “โรเตอร์” (ROTOR) ซึ่งหมายถึง สิ่งที่หมุน มาจากคำว่า ROTATE ลักษณะเป็นรูปสามเหลี่ยมขอบโค้ง หมุนแบบเยื้องศูนย์อยู่ในห้องเผาไหม้รูปร่างคล้ายเปลือกถั่วลิสง หรือรูปทรงทางเรขาคณิตเอพิทโรคอยด์ (EPITROCHOID) 

ก่อนจะมาเป็นรูปทรงนี้ เฟลิกซ์ วังเคล ได้พิจารณาออกแบบตัวโรเตอร์กับห้องเผาไหม้ หลายรูปแบบ ซึ่งทุกอย่างน่าจะจบลงตรงนั้นเเล้ว แต่มันไม่จบ เพราะมีนักฟิสิกส์ และวิศวกรระดับปริญญาเอก 2 พ่อลูกแห่งตระกูลชกอลนิก (SHKOLNIK) ศึกษาแนวคิดของ เฟลิกซ์ วังเคล ที่ไม่ได้นำมาใช้ในการผลิตจริง และพบว่ามันมีรูปแบบที่น่าจะมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเครื่องวังเคล โรตารี เเบบที่เรารู้จัก

 

ผู้พ่อคือ นิโกไล (NIKOLAY) จบปริญญาเอกสาขาฟิสิกส์ ส่วน อเลค (ALEC) ลูกชายได้ปริญญาเอกสาขาวิศวกรรมหุ่นยนต์ และปัญญาประดิษฐ์ พวกเขาเป็นเจ้าของบริษัทสตาร์ทอัพชื่อ “ลิควิด พิสตัน” (LIQUID PISTON) ทั้งสองไม่มีความรู้เรื่องเชิงลึกเรื่องเครื่องยนต์สันดาปภายใน  ดังนั้นจึงไม่มีความหลังฝังใจ หรือภาพหลอนใดๆ พวกเขาเปิดใจรับกับทุกความเป็นได้ 

 

ช่วงเริ่มต้นพวกเขาต้องการค้นหาวัฏจักรเทอร์โมไดนามิคส์ ที่แตกต่างไปจากที่เรารู้จักกัน และสิ่งที่เขาสนใจก็คือ วัฏจักรลูกผสมที่มีประสิทธิภาพสูง หรือ HEHC CYCLE (HIGH EFFICIENCY HYBRID CYCLE) ซึ่งเป็นการประยุกต์วัฏจักรแอทคินสัน ไซเคิล (ATKINSON CYCLE) ให้อยู่ในรูปแบบของเครื่องยนต์ลูกสูบหมุน

 

ชื่อ LIQUID PISTON หรือลูกสูบของเหลว นั้นได้มาจากแนวคิดของสิ่งที่เรียกว่า ฟลูไดน์ เอนจิน (FLUIDYNE ENGINE) หรือเครื่องยนต์ของเหลว อันเป็นแนวคิดที่จะใช้ของเหลวทำหน้าที่เหมือนลูกสูบ ซึ่งทำงานโดยการทำให้ “อากาศขยายตัวด้วยความร้อน” เพื่อดันให้ของเหลวเคลื่อนที่ไปมาคล้ายลูกสูบ และพ่อลูกคู่นี้นำมาใช้เป็นชื่อบริษัท แต่ตัวเครื่องยนต์ของพวกเขาในปัจจุบันไม่ได้ใช้หลักการนี้

 

กลับมาที่หลักการวัฐจักรลูกผสมประสิทธิภาพสูง หรือ HEHC เริ่มจาก ดูดอากาศ (INTAKE) เข้าไปในห้องเผาไหม้ให้ได้มากที่สุด ตามด้วย การอัดอากาศ (COMPRESS) ให้มีความหนาแน่นสูง แล้วรักษาความหนาแน่นไว้ พร้อมกับฉีดเชื้อเพลิงเข้าไป ซึ่งจังหวะนี้จะเป็นการระเบิด (IGNITE) อากาศจะขยายตัวอย่างรุนแรง (หลักการของ อตโต ไซเคิล) ซึ่งจะเป็นช่วงการคายไอเสีย (EXHAUST) แต่เขาต้องการให้ช่วงขยายตัวนั้น มีการขยายตัวมากกว่าตอนที่เริ่มต้นวัฏจักรการทำงาน เพื่อให้สามารถเก็บเกี่ยวพลังงานจากการระเบิดได้หมดจด เพราะมันเป็นหัวใจของการเพิ่มประสิทธิภาพการสันดาป ทั้งหมดนี้ คือ แนวคิดของระบบแอทคินสัน ไซเคิล แต่ที่เรียกว่าลูกผสม เพราะช่วงดูดกับช่วงคาย จะมีปริมาตรไม่เท่ากัน

ขณะที่เครื่องยนต์ลูกสูบที่ทำงานแบบวัฏจักรแอทคินสัน ส่วนใหญ่จะเน้นไปที่การ “ลด” ปริมาตรช่วงอัด (COMPRESS STROKE) โดยการเปิดวาล์วไอดีค้างไว้ในช่วงอัด แล้วจะปิดหลังจากที่ลูกสูบขยับตัว ซึ่งจะทำให้เหมือนช่วงชักสั้นลง จากการที่ไอดีไหลย้อนกลับออกไป แต่รักษาช่วงขยายตัว (EXPANSION STROKE) ให้ได้เต็มที่เท่าที่ก้านสูบทำได้ สิ่งได้มา คือ ความประหยัด จากการเก็บเกี่ยวพลังจากการระเบิดได้หมดจด ไม่สูญเสียไปเปล่าๆ แต่สิ่งที่ด้อยไป คือ พละกำลัง เพราะช่วงอัดทำได้น้อย ดังนั้น หนึ่งในความท้าทาย คือ พวกเขาต้องทำช่วงอัดให้ได้เต็มที่ และสร้างพละกำลังให้มากที่สุด รวมถึงเก็บเกี่ยวพลังงานนั้นให้หมดจดที่สุดในช่วงการขยายตัวด้วย นวัตกรรมที่พวกเขาคิดค้นขึ้นมีชื่อว่า เอกซ์-เอนจิน (X-ENGINE) หรือ “เครื่องยนต์ X” 

 

เครื่องยนต์แม้จะเป็นเครื่องยนต์แบบโรเตอร์ หรือลูกสูบหมุน แต่มีความแตกต่างจากกับเครื่องยนต์วังเคล โรตารี ที่เรารู้จักกันในทุกด้าน

ความแตกต่างอันดับแรก คือ ขณะที่โรเตอร์ของเครื่องวังเคล เป็นรูปสามเหลี่ยม แต่ของ เอกซ์-เอนจิน ใช้โรเตอร์รูปทรงคล้ายกับห้องเผาไหม้ของเครื่องวังเคลแทน นั่นคือ โรเตอร์ทรงเปลือกถั่วลิสง หรือทรงเอพิทโรคอยด์ ส่วนห้องเผาไหม้จะเป็นรูปทรงสามเหลี่ยม ซึ่งบางคนให้นิยามว่าเป็นการพลิกกลับด้าน หรือ INVERTED GEOMETRY ที่พลิกในออกนอก เอานอกเข้าใน

 

สำหรับการทำงานไม่แตกต่างจากเครื่องวังเคล โรตารี คือ ดูด-อัด-ระเบิด-คาย โดยไม่ต้องมีวาล์ว และแคมชาฟท์ ส่งผลให้มันมีความสั่นสะเทือนต่ำเหมือนกัน แต่ที่แตกต่างจากเครื่องวังเคล โรตารี คือสามารถทำงานเป็นวัฏจักรแอทคินสัน จากรูปทรงของโรเตอร์ที่มีส่วนเว้า และนูน โดยส่วนนูนจะทำหน้าที่เป็นส่วนการอัด (COMPRESSION STROKE) และส่วนเว้าจะทำหน้าที่เป็นส่วนการขยาย (EXPANSION STROKE) ซึ่งเห็นได้ชัดว่า ส่วนเว้าเมื่อเทียบปริมาตรการขยายตัวของส่วนเว้าจะแตกต่างจากการอัดของส่วนนูน ซึ่งหมายความว่า สามารถบรรลุการทำงานแบบวัฏจักรแอทคินสันได้แล้ว

 

ความแตกต่างลำดับที่ 2 คือ นอกจากมันจะสามารถใช้งานในระบบหัวเทียนจุดระเบิด (SPARK IGNITION) ได้แล้ว ยังสามารถใช้กับระบบจุดระเบิดด้วยการอัด (COMPRESSION IGNITION) ด้วยน้ำมันดีเซลได้อีกด้วย

 

เหตุผลที่เครื่องวังเคล โรตารีไม่มีรุ่นดีเซลเลย เนื่องด้วยเหตุผลทางกายภาพที่มันไม่สามารถสร้างกำลังอัด (COMPRESSION RATIO) เกินอัตราส่วน 12:1 ได้ โดยเครื่องยนต์วังเคล โรตารีที่ล้ำสมัยที่สุดในตอนนี้ คือ เครื่องยนต์ของ MAZDA MX-30 R-EV (มาซดา เอมเอกซ์-30 อาร์-อีวี) ที่ทำหน้าที่เป็นเครื่องปั่นไฟ เรนจ์เอกซ์เทนเดอร์ มีอัตราส่วนกำลังอัด 11.9:1 ตรงตามการคำนวณ แม้จะมีความพยายามที่จะพัฒนา แต่ก็ยังไม่สามารถอัดไอดีให้เกิดการจุดระเบิดได้เองแบบเครื่องยนต์ลูกสูบ

แต่ด้วยการออกแบบของเครื่องยนต์ X ทำให้ข้อจำกัดนี้หมดไป มันสามารถให้กำลังอัดสูงได้พอๆ กับการใช้กับเชื้อเพลิงดีเซล (อันที่จริงเติมเชื้อเพลิงอะไรเข้าไป เครื่องยนต์ X ก็บริโภคได้หมด แม้เเต่วอดกาก็ยังไหว) ดังจะเห็นได้จากเครื่องยนต์รุ่น XTS-210 ของพวกเขาที่ออกแบบมาให้ใช้กับเชื้อเพลิงที่สันดาปได้ด้วยตัวเอง แถมมีขนาดเล็กกว่าเครื่องยนต์ดีเซลที่มีประสิทธิภาพเท่ากันถึง 10 เท่า ! และด้วยการทำงานแบบแอทคินสัน ไซเคิล เครื่องยนต์ของพวกเขาจึงสามารถเก็บเกี่ยวพลังงานจากเชื้อเพลิงได้มีประสิทธิภาพถึง 30 %

 

ความแตกต่างลำดับที่ 3 คือ การนำไอดีเข้าสู่ห้องเผาไหม้ โดยเครื่องยนต์วังเคล โรตารี ลำเลียงไอดีกับเชื้อเพลิงเข้า และนำไอเสียออกทางด้านข้างของผนังห้องเผาไหม้ แต่เครื่องยนต์ X ลำเลียงไอดีเข้าสู่ระบบผ่านทางเพลาข้อเหวี่ยงแบบกลวง (HOLLOWED CRANKSHAFT) ส่วนไอเสียนั้นจะออกทางด้านหน้าของเครื่องยนต์แทน โดยภายในโรเตอร์ทรงเปลือกถั่วลิสงนั้น มีความซับซ้อนของทางเดินไอดี และไอเสีย แต่ในแง่ของการผลิต เครื่องยนต์แบบนี้ค่อนข้างง่ายเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์แบบลูกสูบปกติ เพราะทุกสิ่งสร้างขึ้นบนเครื่องจักรทำงานแบบ 2 มิติ ทั่วไป ไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือแบบ 5 แกน ให้พิสดาร เพราะในตัวของโรเตอร์ทรงเปลือกถั่วลิสงนั้นกลวง โดยมันมีห้องว่างอยู่ภายในจำนวนมาก ซึ่งช่องว่างเหล่านี้จะสร้างความแข็งแรงให้แก่โรเตอร์ แต่จะมี 2 ห้องที่แตกต่างออกไป นั่นคือ ส่วนของการพาไอดีจากแกนเพลาข้อเหวี่ยงผ่านเข้าสู่ห้องเผาไหม้ทางอุโมงค์ที่ต่อจากเพลา ไปสู่ผนังของโรเตอร์ ส่วนอีกห้องหนึ่งเป็นห้องขยายความจุของไอเสีย (EXHAUST EXPANSION CAVITY) ที่อยู่ถัดมาจากรูเปิดของช่องไอดีระยะหนึ่ง เพราะในที่สุดไอเสียก็จะไหลออกผ่านทางช่องไอเสียรูปสามเหลี่ยมจำนวน 3 ช่อง ที่อยู่บนผนังด้านหน้าของเครื่องยนต์

 

ความแตกต่างลำดับที่ 4 คือ การที่มันมีรูปทรงของเครื่องยนต์เป็นสามเหลี่ยม มันจึงใช้หัวเทียนสำหรับจุดระเบิดได้ 3 ตัว ทุกมุมของเครื่องยนต์ ส่งผลให้การจุดระเบิดเผาไหม้ทำได้ต่อเนื่อง หากจะเทียบแล้ว เครื่องยนต์ X จำนวน 1 ตัว จะทำงานเหมือนเครื่องยนต์ลูกสูบ 3 สูบ (ต่างจากยุคแรกของเครื่องยนต์วังเคล โรตารีที่ใช้หัวเทียนหัวเดียว) ซึ่งประสิทธิภาพของมันได้ดึงดูดความสนใจในเชิงการทหาร ทำให้พวกเขาได้รับทุนสนับสนุนจาก DARPA หรือ กองทุนสนับสนุนงานวิจัยขั้นสูงของกระทรวงกลาโหมสหรัฐอเมริกาถึง 35 ล้านเหรียญสหรัฐฯ เพื่อพัฒนาเครื่องยนต์ประสิทธิภาพสูงสำหรับใช้เป็นเครื่องปั่นไฟสนามน้ำหนักเบา และเครื่องยนต์สำหรับอากาศยานไร้คนขับที่ต้องการน้ำหนักที่เบาเป็นพิเศษ

 

ความแตกต่างลำดับที่ 5 คือ การแก้ปัญหาเรื่อง เอเพกซ์ ซีล (APEX SEAL) ซึ่งเป็นปัญหาทางพันธุกรรมของเครื่องยนต์วังเคล โรตารีทุกยุคสมัย เพราะเจ้า เอเพกซ์ ซีล จะทำหน้าที่เหมือนแหวนลูกสูบ แต่ติดตั้งอยู่บริเวณส่วนปลายของโรเตอร์ ซึ่งเครื่องยนต์ X ก็ต้องจัดการกับปัญหานี้ โดยแทนที่ตัว “ซีล” จะอยู่ที่โรเตอร์ ทำหน้าที่กวาดต้อนไอดีเข้าสู่การจุดระเบิด และกวาดต้อนไอเสียออกจากห้องเผาไหม้ พวกเขาย้ายซีลไปอยู่ที่ผนังห้องเครื่อง เเละเปลี่ยนมาทำหน้าที่ปิดกั้นไอดีแทน ทำให้ “ซีล” ไม่ต้องทนกับแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง (CENTRIFUGAL FORCE) แบบที่เคยเป็นมาในโรเตอร์แบบสามเหลี่ยมอีกต่อไป ลดการรั่วของแกสที่เผาไหม้ลงได้ 35 % เมื่อเทียบกับของวังเคล โรตารี และพวกเขาเชื่อว่า มันจะทำได้ดีกว่าถึง 65 % อีกด้วย

แม้จะมีข้อดีเรื่องน้ำหนักเบา ขนาดเล็ก ประสิทธิภาพสูง สั่นสะเทือนน้อย แต่เครื่องยนต์ X ยังต้องพัฒนาอีกหลายด้าน ได้แก่ 

 

1. ปัญหาเรื่องการหล่อลื่น เครื่องยนต์วังเคล โรตารี จะต้องมีการฉีดละอองน้ำมันหล่อลื่นเข้าไปในห้องเผาไหม้ จึงทำให้ค่อนข้างกินน้ำมันเครื่อง และมีมลภาวะสูง แต่เครื่องยนต์ X “ซีล” มันอยู่กับที่ จึงสามารถออกแบบให้ปล่อยน้ำมันเครื่องได้ตรงจุดมากกว่า แต่ถึงอย่างไร ก็ยังไม่สามารถหลีกเลี่ยงปัญหาเรื่องมลภาวะได้ 

 

2. การลำเลียงไอดีผ่านทางเพลาข้อเหวี่ยง ทำให้การหล่อลื่นเพลาข้อเหวี่ยงทำได้ยาก และที่อายุการใช้งานสั้นกว่าเครื่องยนต์ลูกสูบมาก

 

3. เครื่องยนต์ X สร้างแรงบิดได้น้อย หากเทียบกับเครื่องยนต์ลูกสูบ เเละเครื่องยนต์ดีเซลช่วงชักยาว

 

4. โครงสร้างของเครื่องยนต์ส่งผลให้มีการสะสมความร้อนมาก และหากใช้งานเป็นระยะเวลานานประสิทธิภาพจะลดลง

 

5. ยากที่จะออกแบบระบบแปรผันให้แก่ระบบไอดี และไอเสีย 

 

6. การประกอบซับซ้อน ยากต่อการผลิตเป็นจำนวนมาก

 

ด้วยสารพันข้อจำกัดนี้ จึงยังยากที่จะได้เห็นมันเข้าไปประจำการในรถยนต์ หรือใช้ในเชิงพาณิชย์ แต่ที่กระทรวงกลาโหมของสหรัฐฯ สนับสนุนโครงการ เพราะพวกเขาไม่สนใจเรื่องความทนทานในการใช้งานระยะยาว เเค่ต้องการเครื่องปั่นไฟขนาดจิ๋วน้ำหนักเบา ประสิทธิภาพสูง สำหรับใช้กับดโรนทางการทหาร ถึงจะเสียเร็วก็ไม่ใช่ปัญหา แค่สั่งมาใหม่เท่านั้น