“Engine Downsizing” ลดขนาดเครื่องยนต์เพื่อ!?!

แนวคิด ‘Engine Downsizing’ นับเป็นอีกหนึ่งแนวทางในการต่ออายุเครื่องยนต์สันดาปภายใน ก่อนการมาของ EV อย่างเต็มรูปแบบ ไม่มีอะไรซับซ้อนไปกว่า ‘ลดขนาด หรือ ความจุ (ซีซี) ของเครื่องยนต์’ โดยมีวัตถุประสงค์หลัก เพื่อลดการใช้น้ำมันเชื้อเพลิง รวมทั้งลดมลพิษจากการเผาไหม้ ‘Fossil Fuel’ ขณะที่วัตถุประสงค์รอง เป็นเรื่องของการลดน้ำหนักโดยรวมของรถยนต์ทั้งคัน หรือเป็นการลดโหลด ที่ทำให้เครื่องยนต์ต้องใช้น้ำมันเชื้อเพลิงมากยิ่งขึ้น

จากเครื่องยนต์ขนาดความจุระดับ 2,500-3,000 ซีซี ถูกลดขนาดลงมาที่ 1,500-2,000 ซีซี (และความจุต่ำกว่า 1,000 ซีซี เริ่มทยอยเปิดตัว) ขณะที่จำนวนของกระบอกสูบในรถทั่วไปจะใช้กันอยู่ระหว่าง 4-6 สูบ เครื่องยนต์ที่มีกระบอกสูบมากกว่านั้นเช่น 8-12 สูบ แม้โดดเด่นกว่าในเรื่องของพละกำลังและแรงบิด แต่ก็ทำให้ต้นทุนโดยรวมของรถเพิ่มขึ้น ดังนั้น เครื่องยนต์ 4 สูบ จึงเป็นทางเลือกหลักของของผู้ผลิต และผู้ใช้รถ ขณะเดียวกันเครื่องยนต์ขนาดเล็กเพียง 3 สูบ ก็มีให้เห็นในกลุ่ม Eco Car และ City Car

ภาพที่ 02 เทคโนโลยี TwinPower Turbo ในเครื่องยนต์ BMW ถูกออกแบบมาเพื่อควบคุมลำดับการทำงานของเทอร์โบทุกตัว [ปัจจุบันใช้ 2-4 ตัว]

Engine Downsizing ไม่ได้ทำกันเพียงลดความจุของเครื่องยนต์ลง แต่วิศวกรต้องออกแบบเทคโนโลยี เพื่อมาทำให้ “เครื่องยนต์ที่มีความจุน้อย ผลิตแรงม้าและแรงบิดได้เทียบเคียงกับเครื่องที่มีความจุมากกว่า” ดังนั้นโจทย์ที่วิศวกรต้องแก้ปัญหา คือจะทำอย่างไร?? ให้เครื่องยนต์ขนาดเล็กให้สมรรถนะได้ไม่เป็นรอง เครื่องยนต์บิ๊กบล็อกความจุสูงๆ คำตอบทั้งหมดจึงอยู่ที่ ‘ระบบจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิง’ และ ‘ระบบอัดอากาศ’

ภาพที่ 03 หัวฉีด Piezo ฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงได้เร็วขึ้น ด้วยแรงดันสูงสุดถึง 250 บาร์ ฉีดแบบแปรผัน

ระบบจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิง – ทั้งในเครื่องเบนซินและดีเซล ปัจจุบันมีความก้าวหน้าในระดับที่สามารถจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิงได้เท่าที่เครื่องยนต์จำเป็นต้องใช้ ไม่ได้ฉีดโดยเน้นที่ปริมาณเหมือนในอดีต (ส่วนผสมหนา) และเทคโนโลยีภายในตัวหัวฉีดก็ก้าวเข้าสู่ยุคของ ‘Piezo Injector’ เข็มหัวฉีดยกได้ไวและแม่นยำสูงสุด ใน 1 วัฏจักรการเผาไหม้ของเครื่องยนต์ [เพลาข้อเหวี่ยงหมุน 2 รอบ จุดระเบิด 1 ครั้ง] หัวฉีด Piezo ฉีดฝอยละอองได้ต่อเนื่อง และฉีดติดต่อกันได้มากกว่า 5-9 ครั้ง ตามการประมวลผลของ ECU เพื่อให้เกิดการเผาไหม้อย่างต่อเนื่อง สมบูรณ์ และลดมลพิษได้มากที่สุด

สเต็ปถัดมา...ระบบจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิงถูกยกระดับในเรื่อง ‘แรงดัน’ เครื่องเบนซินแรงดันสูงสุดที่ระบบสร้างได้อยู่ที่ 250 บาร์ ทั้งยังสร้างแรงดันที่ปลายหัวฉีดได้แบบแบบแปรผันตามโหลด ขณะที่แรงดันสูงสุดจากระบบคอมมอนเรล ในเครื่องดีเซลขยับไปสูงสุดถึง 2,500 บาร์ ดังนั้น…แรงดันน้ำมันเชื้อเพลิงที่สูง จะช่วยให้หัวฉีดสเปรย์ละอองน้ำมันได้อย่างละเอียด เกิดการผสมผสานกับโมเลกุลของอากาศก่อนการเผาไหม้ได้ดียิ่งขึ้น [หมายเหตุผู้เขียน :: ลมยางรถยนต์ปกติประมาณ 2 บาร์]

ภาพที่ 04 ระบบวาล์วแปรผัน เป็นอีก 1 เทคโนโลยีที่ช่วยสร้างแรงบิดในรอบต่ำ

ระบบอัดอากาศ – การสร้างพลังงานของเครื่องยนต์เกิดจากการเผาไหม้ ‘ไอดี’ [น้ำมันเชื้อเพลิง+อากาศ], ดังนั้นนอกจากระบบจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิง วิศวกรจึงต้องคิดต่อไปว่า จะทำอย่างไรให้อีก 1 ปัจจัยในการสันดาป นั่นก็คือ ‘อากาศ’ สามารถป้อนเข้าห้องเผาไหม้ได้ทันตามความต้องการของเครื่องยนต์ในทุกสภาวะ ปัจจุบันประเด็นนี้ได้ถูกแก้ไขเรียบร้อยด้วยระบบอัดอากาศ และระบบอัดอากาศ ที่ได้รับความนิยมสูงสุด คือ ‘เทอร์โบชาร์จเจอร์’ [หมายเหตุผู้เขียน :: ซูเปอร์ชาร์จเจอร์เป็นหนึ่งระบบอัดอากาศ ที่ถูกออกแบบให้ใช้งานกับเครื่องยนต์ในหลายค่าย แต่ความนิยมยังห่างไกลจากเทอร์โบชาร์จเจอร์มากนัก]

ภาพที่ 05 เครื่องยนต์ 3 สูบ ถูกใช้งานในรถยนต์ BMW และ MINI ในภาพจาก 2 Series Active Tourer [F45] ขนาดความจุ 1,499 ซีซี พ่วงมาด้วยเทคโนโลยี BMW TwinPower Turbo สร้างแรงม้า 140 hp ที่ 4,500-6,500 รอบ/นาที แรงบิดสูงสุด 220 Nm ที่ 1,480-4,200 รอบ/นาที

เริ่มต้นจากเทอร์โบเพียง 1 ตัว พัฒนาไปเป็น เทอร์โบ 2 ตัว, 3 ตัว และ 4 ตัว เพื่อช่วยเพิ่มความต่อเนื่องในการส่งอากาศเข้าห้องเผาไหม้ ให้ความสม่ำเสมอและหนักหน่วงของอัตราเร่ง นับตั้งแต่รอบเดินเบาต่อเนื่องไปจนถึงรอบสูง การใช้เทอร์โบสร้างความได้เปรียบเชิงกล ในการสร้างแรงม้าและแรงบิด เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์ NA [Naturally Aspirated] ประเด็นที่น่าสนใจ คือ เทอร์โบนับเป็นเทคโนโลยีพื้นฐานในการสร้าง ‘แรงบิดสูงในรอบต่ำ’ เหตุผลสำคัญในการลดรอบการหมุนของเครื่องยนต์ลงในทุกย่านความเร็ว ตอบโจทย์ทั้งเรื่องลดการใช้น้ำมันเชื้อเพลิง และลดมลพิษ ได้อย่างลงตัว

ภาพที่ 06 AUDI A1 Citycarver 25 TFSI ใช้เครื่องยนต์ 3 สูบ เทอร์โบ ความจุ 999 ซีซี เคลมตัวเลขอัตราสิ้นเปลืองไว้ที่ 18.18-19.61 กิโลเมตร/ลิตร พร้อมค่า CO2 ต่ำเพียง 124-117 กรัม/กิโลเมตร