3 กลยุทธ์ความแรงของเครื่องยนต์สันดาปภายใน

ปี 2025 แม้เราจะก้าวสู่รุ่งอรุณแห่งยุครถไฟฟ้ากันแล้ว แต่ก็ปฏิเสธไม่ได้ว่า เครื่องยนต์สันดาปภายในยังคงมีเสน่ห์ และบทบาทอยู่มาก โดยเฉพาะในการขับขี่ด้วยความเร็วสูง จากน้ำหนักที่เบากว่า หรือการขับขี่ในระยะทางไกล จากการที่มีความหนาแน่นของพลังงานจากเชื้อเพลิงมากกว่าพลังงานที่สะสมในแบทเตอรี แถมยังเติมเชื้อเพลิงง่าย และรวดเร็ว เมื่อเทียบกับการอัดไฟเข้าแบทเตอรี 

จากที่จั่วหัวว่า “3 กลยุทธ์ความแรงของเครื่องยนต์สันดาปภายใน” JASON FENSKE (เจสัน เฟนสเก) ยูทูเบอร์ และวิศวกรเครื่องยนต์ชื่อดัง เจ้าของช่อง ENGINEERING EXPLAINED ได้อธิบายในรายการตอน “BOOST VS RPM VS DISPLACEMENT-WHAT’S THE BEST FOR HORSEPOWER ? ให้เห็นถึงหัวใจของกลยุทธ์ทั้งสาม นั่นคือ วิธีการนำอากาศเข้าไปยังห้องเผาไหม้

ก่อนจะไปกันต่อ เราต้องเข้าใจตรงกันว่า หากต้องการความแรงจากเครื่องยนต์สันดาปภายใน หัวใจของพละกำลัง คือ “อากาศ” ไม่ต่างไปจากร่างกายของเราที่ต้องหายใจ หากเรามีปอดที่แข็งแรง เราก็จะวิ่งได้ทน วิ่งได้นาน 

3 สิ่งสำคัญของเครื่องยนต์สันดาปภายใน คือ เชื้อเพลิง อากาศ และไฟจุดระเบิด โดยอากาศ คือ โครงสร้างหลักของความแรงของเครื่องยนต์ ด้วยเหตุนี้เราจึงต้องพยายามหาทางนำเอาอากาศเข้าไปยังห้องเผาไหม้ให้ได้มีประสิทธิภาพสูงสุด ซึ่งกลยุทธ์ที่จะได้อากาศ มี 3 วิธี คือ

1. ความจุกระบอกสูบ (DISPLACEMENT)

2. การใช้รอบหมุนสูงพิเศษ (HIGHER RPM)

3. การใช้ระบบอัดอากาศ (FORCE INDUCTION) อาทิ เทอร์โบ หรือซูเพอร์ชาร์เจอร์

กลยุทธ์ที่ 1 “ความจุกระบอกสูบ” หรือ “ขนาดของลูกสูบ” ซึ่งเรารู้กันดีว่า ยิ่งเยอะยิ่งใหญ่ก็ยิ่งแรง อาทิ เครื่องยนต์ 2,000 ซีซี จะต้องแรงกว่า 1,000 ซีซี ถ้ามีรอบหมุนเท่ากัน เพราะมันสามารถนำเอาอากาศเข้าสู่กระบวนการเผาไหม้เชื้อเพลิงได้มากเป็น 2 เท่า ซึ่งจะสร้างพลังได้มากเป็น 2 เท่า โดยหากพิจารณาว่าเครื่องยนต์หายใจเอง (NATURALLY ASPIRATED ENGINE) ที่ใช้อากาศแรงดันปกติ (ATMOSPHERIC PRESSURE) หรือแรงดัน 14.7 PSI (1 ATM) นั้นส่วนใหญ่จะทำกำลังสูงสุดได้ที่ 6,000 รตน. สมการของเครื่องยนต์ก็จะเป็นดังนี้

“ความจุ (ลิตร)”x“รอบหมุนต่อนาที”xแรงดันบรรยากาศ/2 (เครื่องยนต์ 4 จังหวะ จะมีจังหวะดูดอากาศ เพียง 1 ครั้งใน 2 รอบหมุน) 

ดังนั้น เครื่องยนต์แบบ 4 สูบ ความจุ 2.0 ลิตร ที่ 6,000 รตน. ภายใต้แรงดันบรรยากาศ จะสามารถดูดอากาศเข้ามา เท่ากับ

2.0 ลิตรx6,000 รตน.x1 ATM 2 = อากาศ 6,000 ลิตร/นาที 

หากต้องการให้มีกำลังมากขึ้นเป็น 2 เท่า ง่ายที่สุดก็คือ “เพิ่มความจุ” อาจจะเป็นการเพิ่มจำนวนกระบอกสูบเป็น 8 สูบ ได้เป็น 4.0 ลิตร สมการก็จะเป็น

4.0 ลิตรx6,000 รตน.x1 ATM/2 = อากาศ 12,000 ลิตร/นาที 

ชัดเจนว่า เมื่ออากาศมากขึ้นก็สามารถจ่ายเชื้อเพลิงเข้าไปผสมเพิ่มขึ้น ทำให้ได้พละกำลังมากขึ้น จึงไม่น่าแปลกใจว่า ในยุคก่อนที่ระบบอัดอากาศด้วยเทอร์โบจะมีบทบาทอย่างมากเช่นทุกวันนี้ วิธีการง่ายที่สุดหากต้องการความแรง คือ ขยายความจุกระบอกสูบ ซึ่งตัวแทนของรถเครื่องยนต์ความจุสูงที่โลกรู้จักกันดี คือ DODGE VIPER (ดอร์ด ไวเพอร์) สปอร์ทตัวแรงจากค่าย CHRYSLER (ไครสเลอร์) ที่ใช้ขุมพลังแบบ วี 10 สูบ ความจุ 8.4 ลิตร ให้กำลัง 474 กิโลวัตต์/645 แรงม้า ที่ 6,200 รตน. แรงบิดสูงสุด 813 นิวทันเมตร/82.9 กก.ม. ที่ 5,000 รตน.

จุดแข็งของการเพิ่มแรงม้าด้วยการเพิ่มความจุกระบอกสูบ คือ เรียบง่าย ตรงไปตรงมา และทนทาน จากการที่เครื่องยนต์ไม่ต้องรับความเครียดมาก และความจุที่มากก็ยังมีข้อดีเรื่องแรงบิดรอบต่ำ ซึ่งเป็นช่วงที่เราใช้ตลอดในการขับขี่ปกติ แต่มีข้อเสีย คือ เครื่องยนต์จะมีน้ำหนักมาก แถมยังบริโภคเชื้อเพลิงดุเดือดอีกด้วย

กลยุทธ์ที่ 2 “การใช้รอบหมุนสูงพิเศษ” (HIGHER RPM) หรือภาษาบ้านๆ เรียกว่า “เครื่องยนต์รอบจัด” ซึ่งเป็นที่มาของเสียงกรีดร้องของเครื่องยนต์รถแข่งที่เราคุ้นเคย เพราะในขณะที่เครื่องยนต์ทั่วไปมีรอบหมุนสูงสุดอยู่ที่ ราว 6,000-7,000 รตน. แต่เครื่องยนต์ HONDA (ฮอนดา) ตระกูล VTEC บลอค B16A ที่โด่งดัง มีรอบการทำงานสูงสุดถึง 8,200 รตน. หรือรถแข่ง และรถสมรรถนะสูงหลายรุ่น ก็มีรอบการทำงานสูงสุดมากกว่า 10,000 รตน. อาทิ ซูเพอร์คาร์ของค่าย GORDON MURRAY AUTOMOTIVE (กอร์ดอน เมอร์เรย์ ออโทโมทีฟ) GMA T.50 มีรอบการทำงานสูงสุดถึง 12,000 รตน.

ดังนั้น หากใช้สมการเครื่องยนต์ 2.0 ลิตร เหมือนกลยุทธ์ที่ 1 จะได้เป็น 

2.0 ลิตรx6,000 รตน.x1 ATM 2 = อากาศ 12,000 ลิตร/นาที

สังเกตว่า หากออกแบบให้เครื่องยนต์ความจุ 2.0 ลิตร สามารถหมุนได้ถึง 2,000 รตน. ก็จะมีพละกำลังเท่ากับเครื่องยนต์ความจุ 4.0 ลิตร นั่นเอง 

จุดเด่นของวิธีการนี้ คือ เครื่องยนต์จะมีน้ำหนักเบา กะทัดรัด และตอบสนองได้ฉับไว ส่วนจุดด้อย คือ แรงบิดรอบต่ำน้อย เครื่องยนต์มีแนวโน้มจะสั่นสะท้าน และการหมุนรอบสูงตลอด จะสร้างความเสียหายแก่ส่วนประกอบ และความสึกหรอเพิ่มขึ้นเป็นเงาตามตัว

ตัวแทนของเครื่องชนิดนี้ ดังที่ยกตัวอย่างมาแล้ว นั่นคือ GMA T.50 เครื่องยนต์แบบ วี 12 สูบ ความจุ 4.0 ลิตร (ความจุครึ่งเดียวของ DODGE VIPER) แต่มีรอบหมุนสูงสุดอยู่ที่ 12,000 รตน. สามารถสร้างแรงม้าได้ 481 กิโลวัตต์/654 แรงม้า ที่ 11,500 รตน. แรงบิดสูงสุด 467 นิวทันเมตร/47.6 กก.ม. ที่ 9,000 รตน. ซึ่งเห็นได้ว่ามีพละกำลังใกล้เคียงกับ DODGE VIPER ที่ใช้เครื่องยนต์ความจุสูงกว่าเท่าตัว แม้จะเสียเปรียบเรื่องแรงบิดอย่างมาก แต่ใครจะอยากปฏิเสธเสียงกรีดร้องชวนขนลุกของเครื่องยนต์รอบจัดได้ลงคอ

กลยุทธ์ที่ 3 “การใช้ระบบอัดอากาศ” (FORCE INDUCTION) พูดง่ายๆ คือ การใช้ระบบบูสต์ (BOOST) แน่นอนว่าเรารู้จักชื่อเสียงด้านความแรงของการใช้เทอร์โบ หรือซูเพอร์ชาร์เจอร์ กันมาช้านานแล้ว โดยหลักการของมันก็เช่นเดียวกับ 2 กลยุทธ์ก่อนหน้านี้ คือ เพิ่มอากาศเข้าไปยังห้องเผาไหม้ให้มากที่สุด โดยในกรณีของ “ซูเพอร์ชาร์เจอร์” จะใช้ระบบกลไกคอมเพรสเซอร์ (COMPRESSOR) ต่อพ่วงกับเครื่องยนต์เพื่ออัดอากาศเข้าห้องเผาไหม้ ส่วนเทอร์โบก็จะได้มาจากการนำเอาแรงดันไอเสียมาปั่นกังหันเทอร์ไบน์ เพื่อสร้างแรงอัดอากาศเข้าห้องเผาไหม้ โดยทั้ง 2 ระบบนี้ มีหลักการทำงานเหมือนกัน คือ อากาศยิ่งมากก็ยิ่งจ่ายเชื้อเพลิงได้มาก ทำให้ได้พละกำลังเพิ่มขึ้น

หลักการนี้สามารถอธิบายได้ด้วยเครื่องยนต์แบบ 2.0 ลิตร พ่วงระบบอัดอากาศด้วยแรงดัน 1 บาร์ นั่นคือ เพิ่มอากาศเข้าไปจากบรรยากาศปกติอีก 1 เท่า หรือเท่ากับ 2 เท่าแรงดันบรรยากาศ (2 ATM) ตามสมการนี้

2.0 ลิตรx6,000 รตน.x2 ATM/2 = อากาศ 12,000 ลิตร/นาที

จากสมการนี้สังเกตว่า เราสามารถไปถึงจุดหมายด้วยการส่งอากาศจำนวน 12,000 ลิตร/นาที เข้าไปยังห้องเผาไหม้ได้ 3 วิธีการด้วยกัน คือ ขยายความจุ หรือเพิ่มรอบหมุน หรือใช้ระบบอัดอากาศ

แน่นอนว่า ทุกวิธีการล้วนมีข้อดี และข้อด้อยด้วยกันทั้งสิ้น โดยข้อดีของวิธีการนี้ คือ เครื่องยนต์มีขนาดเล็ก และถึงแม้จะมีส่วนประกอบต่อเพิ่มเข้ามา แต่โดยรวมแล้วก็ยังมีน้ำหนักเบา นอกจากนั้น ยังมีแรงบิดที่ดี และถ้าออกแบบได้ดีก็จะประหยัดเชื้อเพลิง แต่ขณะเดียวกันก็มีข้อด้อย คือ มีความซับซ้อนสูง และการตอบสนองไม่ค่อยดีนัก มีอาการรอรอบ หรือเทอร์โบแลก ทำให้ขับยาก

ตัวอย่างของเครื่องยนต์ระบบนี้ อาทิ ขุมพลังของ KOENIGSEGG GEMERA (โคนิกเซกก์ เจเมรา) เป็นเครื่องยนต์แบบ 3 สูบ ความจุ 2.0 ลิตร เทอร์โบ ที่กำหนดบูสต์ไว้ที่ 2.0 บาร์ (อากาศถูกอัดมากถึง 3 เท่า ของแรงดันบรรยากาศ) ให้กำลัง 441 กิโลวัตต์/600 แรงม้า ที่ 7,500 รตน. 

หากจะเปรียบเทียบว่าเครื่องยนต์ใดนำเอาอากาศเข้าเครื่องมากที่สุด สามารถเรียงลำดับได้ดังนี้

DODGE VIPER ให้กำลัง 474 กิโลวัตต์/645 แรงม้า  8.4 ลิตรx6,200 รตน.x1 ATM/2 = 26,400 ลิตร/นาที

GMA T.50 ให้กำลัง 481 กิโลวัตต์/654 แรงม้า 4.0 ลิตรx11,500 รตน.x1 ATM/2 = 23,000 ลิตร/นาที

KOENIGSEGG GEMERA ให้กำลัง 441 กิโลวัตต์/600 แรงม้า 2.0 ลิตรx7,500 รตน.x3 ATM/2 = 22,500 ลิตร/นาที

เราสามารถดูได้คร่าวๆ เพราะจริงๆ แล้วยังมีองค์ประกอบที่ส่งผลต่อแรงม้าได้อีกมาก แต่ “อากาศ” คือ กลยุทธ์หลักของการเก็บเกี่ยวพละกำลังสูงสุดออกมาได้อย่างหมดจด และแน่นอนว่า ในยุคต่อไปเราจะได้เห็นซูเพอร์คาร์ติดตั้งเครื่องยนต์ที่ใช้ทั้ง 3 กลยุทธ์นี้ร่วมกัน คือ มีความจุกระบอกสูบใหญ่ มีรอบหมุนที่จัดจ้าน และพ่วงระบบอัดอากาศ แถมพ่วงด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าเข้าไป เพื่อช่วยในการตอบสนองที่รอบต่ำอีกด้วย 

สุดท้าย ถ้าให้คุณเลือกรถสักคันที่มีกำลังราว 400 แรงม้า คุณจะเลือกรถแบบใด รถขุมพลัง วี 8 สูบ หายใจเอง ความจุ 6.0 ลิตร หรือรถขุมพลัง 6 สูบ หายใจเอง ความจุ 3.0 ลิตร ที่มีรอบการทำงาน 8,000 รตน. หรือรถขุมพลังเทอร์โบ ความจุ 2.0 ลิตร บูสต์หนัก 

แน่นอนว่า แต่ละคนย่อมมีคำตอบตามรสนิยมการขับรถของตนเอง ส่วนตัวผมขอเลือกข้อ 2 ครับ