เครื่องยนต์แปรค่ากำลังอัด
Variable Compression Ratio

     ในโลกยานยนต์ เรารู้จักเครื่องยนต์แบบสันดาปภายใน หรือ Internal combustion กันมาตั้งแต่ยุคแรกของการประดิษฐ์รถยนต์เมื่อ 100 กว่าปีที่แล้ว และเครื่องยนต์ที่ว่านั้น ก็มีหลักการทำงานที่ไม่แตกต่างไปจากเครื่องยนต์ที่ใช้กันอยู่ในรถยนต์ทุกวันนี้ คือเครื่องยนต์แบบที่เรียกว่า Reciprocating Engine ซึ่งใช้ลูกสูบเคลื่อนที่แบบขึ้น-ลง และมีข้อเหวี่ยงเป็นตัวแปรเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของลูกสูบ เพื่อให้เกิดการหมุนรอบตัวของเพลาข้อเหวี่ยงนับร้อยรอบต่อนาทีในยุคเริ่มต้น และพัฒนามาจนหมุนได้นับพัน ๆ จนถึงหมื่นรอบต่อนาทีในยุคปัจจุบัน

 

     ราว ๆ 40 ปีที่ผ่านมา เครื่องยนต์ของรถยนต์ถูกพัฒนารูปแบบเพิ่มขึ้นมาอีกชนิดหนึ่ง โดยใช้ลูกสูบรูปสามเหลี่ยมหมุนวนอยู่ภายในเสื้อสูบ แทนที่จะเป็นการเคลื่อนไปและกลับของลูกสูบ จึงมีการเรียกเครื่องยนต์แบบนี้ว่า Rotary Engine ตามลักษณะการเคลื่อนตัวของลูกสูบ แต่การพัฒนาเครื่องยนต์ชนิดนี้กลับอยู่ในวงจำกัด เหลือเพียงมาสด้าที่ได้ลิขสิทธิ์มาจาก NSU ผลิตออกมาใช้กับรถของตนเพียงเจ้าเดียวมาจนทุกวันนี้

     ระหว่างช่วงระยะเวลากว่า 120 ปีของการกำเนิดของรถยนต์ นอกจากจะมีเครื่องยนต์ทั้งสองชนิดดังที่กล่าวมา ถูกนำมาใช้กับรถยนต์กันอย่างแพร่หลายแล้ว ยังมีเครื่องยนต์แบบอื่น ๆ อีกมากมายที่ถูกทดลองใช้ เช่น เครื่องจักรไอน้ำ เครื่องยนต์แบบเทอร์ไบน์ หรือแม้กระทั่งมอเตอร์ไฟฟ้าก็ถูกนำมาใช้เป็นอุปกรณ์ต้นกำลังเพื่อขับเคลื่อนรถยนต์ให้แล่นไปได้ แต่ดูเหมือนว่าความสะดวกและเหมาะสมในการใช้เครื่องยนต์อย่างที่เห็นกันในปัจจุบันจะโดดเด่นที่สุด สะดวกทั้งในแง่ของการติดตั้ง การใช้งาน หรือการเติมพลังงาน ฯลฯ จึงทำให้เครื่องยนต์แบบลูกสูบเคลื่อนขึ้น-ลง ยังคงได้รับความนิยมสูงสุดจนทุกวันนี้

     อย่างไรก็ตาม อนาคตของเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบลูกสูบทั้งชนิดเคลื่อนที่ขึ้น-ลง หรือแบบโรตารี่ อาจจะไม่ราบรื่นเท่าใดนัก โดยมีเหตุปัจจัยรอบด้านเป็นปัญหาที่รุมเร้าต่อการพัฒนาเครื่องยนต์ที่จะใช้ต่อไปในอนาคต ไม่ว่าจะเป็นปัญหาด้านพลังงานที่เครื่องยนต์ชนิดนี้บริโภคพลังงานที่ได้จากฟอสซิลใต้ผิวโลกเป็นพลังงานหลัก ก็อาจจะหมดร่อยหรอไปในอีกไม่กี่สิบปีข้างหน้า ขณะเดียวกันพลังงานจากฟอสซิลหรือว่าน้ำมันดิบนี้ยังถูกเกี่ยวโยงเข้ากับเรื่องเศรษฐกิจและการเมืองของโลกเข้าไปอีก บ่อยครั้งที่ทรัพยากรที่มีอยู่อย่างจำกัดชนิดนี้ถูกนำมาเป็นเครื่องต่อรองระหว่างประเทศ ดังสถานการณ์ของโลก ณ วันนี้ เป็นต้น ราคาน้ำมันดิบถีบตัวสูงขึ้นอย่างไม่เคยปรากฏมาก่อนในประวัติศาสตร์ ทำให้พวกเราซึ่งเป็นผู้บริโภคน้ำมันและไม่มีทรัพยากรชนิดนี้อยู่ในมือต้องเดือดร้อนจากภาวะน้ำมันแพงกันทั่วหน้า

     เครื่องยนต์สันดาปภายในแบบลูกสูบยังเป็นต้นเหตุของปัญหาสิ่งแวดล้อมที่อาจส่งผลกระทบ และกลายเป็นต้นเหตุของปัญหาภัยธรรมชาติตามมาอีกหลายอย่าง เริ่มตั้งแต่ความเป็นพิษจากควันไอเสียที่ปล่อยออกมาจากตัวเครื่องยนต์โดยตรง ถึงแม้ว่าจะมีการควบคุมปรับสภาพความเป็นพิษให้น้อยลง ด้วยการใช้อุปกรณ์เร่งปฏิกิริยาทางเคมีอย่างเช่นแคตาไลติกคอนเวอร์เตอร์ แต่ก๊าซที่ปล่อยออกมานั้น เมื่อลอยตัวสูงขึ้นไปในอากาศ ก็ยังเป็นตัวสร้างสภาวะเรือนกระจก หรือ Greenhouse Effect ห่อหุ้มผิวโลกเอาไว้ ส่งผลให้อุณหภูมิบนพื้นผิวโลกร้อนขึ้น และจะเกิดผลกระทบที่เป็นภัยธรรมชาติที่ร้ายแรงอีกหลายรูปแบบ เช่น ระดับน้ำทะเลจะสูงขึ้น เนื่องจากน้ำแข็งที่ขั้วโลกละลายมากขึ้น เกิดสภาวะอากาศแปรปรวน ฝนฟ้าตกผิดฤดูกาล รวมไปถึงการเกิดสภาวะแห้งแล้งในหลายภูมิภาคของโลก เป็นต้น

     ด้วยเหตุนี้เองที่ทำให้หลายประเทศที่มีความเจริญทางอุตสาหกรรม ได้เล็งเห็นมหันตภัยที่กำลังจะเกิดขึ้น พยายามออกกฎเกณฑ์ขึ้นมาเพื่อควบคุมการสร้างมลพิษโดยน้ำมือของมนุษย์ด้วยกัน ไม่ให้ทำร้ายและทำลายธรรมชาติมากจนเกินไป เพื่อจะได้เยียวยาสภาพแวดล้อมของโลกให้คงอยู่ในสภาพที่น่าอยู่อาศัยตลอดไป มาตรการต่าง ๆ ที่กำหนดกันมานั้น ส่วนหนึ่งก็คือการพัฒนารถยนต์ ซึ่งถือว่าเป็นหนึ่งในบรรดาผู้สร้างมลพิษรายใหญ่ของโลก จะต้องถูกจำกัดการคายสารพิษให้น้อยที่สุด ใช้เชื้อเพลิงได้อย่างประหยัดที่สุด หรือถ้าจะเลี่ยงไปใช้เชื้อเพลิงที่ไม่เกิดสารพิษได้เลยยิ่งดี หรือใช้พลังงานทดแทนอื่น ๆ เช่น ไฟฟ้า หรือพลังงานที่หาได้ง่ายจากธรรมชาติได้ยิ่งดี อย่างนี้เป็นต้น

     ในขณะที่บรรดาโรงงานผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่ ๆ ของโลก ไม่ว่าจากยุโรป อเมริกาเหนือ หรือญี่ปุ่น กำลังหาทางพัฒนารถยนต์สำหรับอนาคตกันหลากหลายรูปแบบ รวมทั้งการใช้พลังงานทางเลือกอยู่อย่างขะมักเขม้น ก็มีการรวมตัวกันของกลุ่มวิศวกรจากโรงเรียน Arts & M?tiers and Paris Centrale ของผรั่งเศส ในปี 2000 ทำการวิจัยและพัฒนาเครื่องยนต์ตามโครงการ MCE-5 R&D ต่อมาได้ก่อตั้งเป็นบริษัท MCE-5 DEVELOPMENT เพื่อทำหน้าที่พัฒนาเครื่องยนต์ MCE-5 VCR (Variable Compression Ratio) ซี่งเครื่องยนต์ชนิดนี้ยังคงรูปแบบเป็นลูกสูบเคลื่อนขึ้น-ลงเหมือนเครื่องยนต์ทั่วไป แต่ความพิเศษของเครื่องยนต์นี้อยู่ที่อัตราส่วนกำลังอัดในกระบอกสูบสามารถแปรค่าได้ระหว่าง 7:1 ไปจนถึงระดับเดียวกับเครื่องยนต์ดีเซล คือประมาณ 20 :1 ได้ ในระหว่างที่เครื่องยนต์ทำงานอยู่ เนื่องจากตอนนี้ยังไม่มีการตั้งชื่อทางการค้า จึงได้เรียกชื่อตามลักษณะการทำงานของเครื่องยนต์เป็น VCR (Variable Compression Ratio) Engine ปัจจุบันเครื่องยนต์ VCR ได้รับการสนับสนุนการพัฒนาจากหน่วยงานภาครัฐ รวมถึงสถาบันการศึกษาหลายแห่งในฝรั่งเศส ในการอุดหนุนการวิจัยพัฒนาเพื่อให้เป็นเครื่องยนต์ที่จะนำมาใช้ทดแทนเครื่องยนต์แบบลูกสูบในปัจจุบัน

     หลักการทำงานของเครื่องยนต์ VCR ยังคงเป็นแบบ Reciprocating Engine คือมีห้องสันดาปอยู่ภายในเครื่องยนต์ มีกระบอกสูบและลูกสูบเคลื่อนขึ้น-ลงอยู่ภายในกระบอกสูบเช่นเดิม แต่ได้มีการออกแบบชิ้นส่วนของเครื่องยนต์บางส่วนเสียใหม่ได้แก่

     ลูกสูบ ซึ่งมีการออกแบบให้รวมเป็นชิ้นเดียวกับส่วนหนึ่งของก้านสูบ และปลายล่างของก้านสูบนี้จะมีลักษณะเป็นเหมือน Rack หรือเฟืองสะพาน การเคลื่อนตัวของลูกสูบจะขนานกับผนังกระบอกสูบตลอดเวลา ไม่มีโอกาสแกว่งหรือโยกตัวไปตามแรงเหวี่ยงของการหมุนของเครื่องยนต์อีกต่อไป ตัวลูกสูบจึงไม่จำเป็นต้องมีปีกลูกสูบอีกต่อไป คงมีเฉพาะหัวลูกสูบกับแหวนเท่านั้น ที่จะเสียดสีกับผนังของกระบอกสูบ และการสึกหรอของกระบอกสูบจากอายุการใช้งานก็จะไม่เกิดลักษณะแบบรูปไข่ ซึ่งเป็นการเสียศูนย์ที่มักเกิดกับเครื่องยนต์แบบลูกสูบทั่วไป การใช้งานของกระบอกสูบจะทนทานขึ้น แรงเสียดทานระหว่างลูกสูบกับผนังกระบอกสูบจะน้อยลง

     เฟืองสเปอร์ (Gear wheel หรือ Spur gear) และเฟืองหรือลูกกลิ้งบังคับ (Synchronized roller) เฟืองทั้งสองตัวนี้จะทำหน้าที่บังคับให้ก้านสูบที่มีลูกสูบติดอยู่ตรงปลายให้เคลื่อนขึ้น-ลงขนานกับผนังของกระบอกสูบตลอดเวลา โดยเฟืองหรือลูกกลิ้งบังคับจะทำหน้าที่เป็นทั้งตัวรองลื่นด้านติดกับผนังเสื้อสูบ และบังคับให้ก้านสูบเคลื่อนตัวขึ้นและลงในแนวเดียวที่ขนานกับกระบอกสูบ ส่วนเฟืองสเปอร์จะบังคับการเคลื่อนตัวของก้านสูบอีกด้านหนึ่ง ตรงข้ามกับเฟืองลูกกลิ้ง โดยเฟืองของ Gear wheel จะขบอยู่กับเฟืองสะพาน หรือ Rack ที่ก้านสูบตลอดเวลาที่ลูกสูบเคลื่อนตัวขึ้น-ลง

     ส่วนเฟืองอีกด้านหนึ่งของ Gear wheel จะขบอยู่กับชุดเฟืองปรับระดับความสูงของ Gear wheel ที่เรียกว่า Control Jack เจ้า Control jack ตัวนี้ นอกจากจะเคลื่อนตัวขึ้น-ลงได้เหมือนกับแม่แรงยกรถแล้ว การปรับความสูงของ Control jack จะมีผลให้การเคลื่อนตัวของลูกสูบที่มีก้านสูบขบอยู่กับเฟือง Gear wheel ฝั่งตรงข้ามสูงขึ้นหรือต่ำลงในลักษณะเดียวกับกระดานหกในสนามเด็กเล่น โดยมีจุดหมุนอยู่ตรงปลายก้าน Connecting rod ที่ค้ำอยู่บริเวณจุดกึ่งกลางเฟือง Gear wheel

     ปกติแล้ว Connecting rod นี้เรารู้จักกันดีในชื่อของก้านสูบ แต่กับเครื่องยนต์ VCR คงจะไปเรียกอย่างนั้นไม่ได้ เพราะมันไม่ได้ทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมระหว่างข้อเหวี่ยง (Crankshaft) กับลูกสูบ (Piston) อีกต่อไป แต่มันจะเปลี่ยนมาทำหน้าที่เป็นจุดหมุนของเฟือง Gear wheel และอีกปลายหนึ่งก็ยังคงเคลื่อนไหวไปตามการหมุนของข้อเหวี่ยง (Crankshaft) ตามเดิม

     ดังนั้น การทำงานของเครื่องยนต์ VCR เมื่อลูกสูบเคลื่อนตัวขึ้นหรือลงในกระบอกสูบระหว่างการทำงาน ก็จะทำให้เกิดเหตุการณ์กับชิ้นส่วนต่าง ๆ ในเครื่องยนต์ดังนี้

     1. การเคลื่อนตัวของลูกสูบ จะเคลื่อนเป็นแนวเส้นตรงเช่นเดียวกับการเคลื่อนตัวของลูกสูบในเครื่องจักรไอน้ำ หรือไม่ก็กระบอกสูบลมยางรถจักรยาน ฯลฯ

     2. จะเกิดการได้เปรียบเชิงกลในชิ้นส่วนบางชิ้นแตกต่างไปจากเครื่องยนต์ทั่วไปคือ

     - การเคลื่อนตัวหรือระยะชัก (Stroke) ของลูกสูบยังคงเท่ากับปกติ แต่ระยะชักของเพลาข้อเหวี่ยงจะมีเพียงครึ่งหนึ่งของเครื่องยนต์แบบเดิมที่มีความจุกระบอกสูบเท่ากัน ทั้งนี้เป็นผลมาจากการใช้เฟือง Gear wheel ช่วยในการเคลื่อนตัวของลูกสูบ

     - ข้อเหวี่ยง (Crankshaft) และ Connecting rod จึงลดขนาดความยาวลงได้ แต่ก็ต้องการความแข็งแรงที่เพิ่มมากขึ้นกว่าเดิมตามภาระ (Load) ที่เกิดขึ้น

     3. Control jack ทำงานด้วยแรงดันของน้ำมันในการปรับตัวสูงขึ้นหรือต่ำลง โดยใช้เวลาเพียงมิลลิวินาที และระยะที่ปรับเลื่อนละเอียดถึง 0.01 มิลลิเมตร

     4. การปรับตัวเลื่อนขึ้น-ลงของ Control jack เป็นระยะทางไม่มากนัก แต่ก็สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในการเคลื่อนตัวขึ้น-ลงของลูกสูบ และมีผลทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของแรงอัดในกระบอกสูบขึ้นมาได้

     5.การปรับแรงอัดในกระบอกสูบโดย Control jack ในเครื่องยนต์ 1 เครื่อง สามารถแยกปรับในแต่ละกระบอกสูบได้

     การเปลี่ยนแปลงในชิ้นส่วนต่าง ๆ หลายอย่างในเครื่องยนต์ VCR ตลอดจนหน้าที่การทำงานที่เปลี่ยนแปลงไป ทำให้เกิดปัญหาและข้อสงสัยต่าง ๆ หลายอย่าง เพื่อเปรียบเทียบข้อเด่นข้อด้อยกับเครื่องยนต์ลูกสูบแบบเดิม ดังเช่น

     1. การสูญเสียในเรื่องของแรงเสียดทานระหว่างการทำงาน เครื่องยนต์ VCR สามารถอธิบายได้ว่าการเสียดสีของชิ้นส่วนในเครื่องยนต์ได้ลดน้อยลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งระหว่างลูกสูบกับกระบอกสูบซึ่งเป็นจุดเสียดสีกันโดยตรงนั้น ลูกสูบของเครื่องยนต์ VCR ไม่จำเป็นต้องมีปีกลูกสูบมาทำหน้าที่ประคองให้ลูกสูบเคลื่อนตัวในแนวกระบอกสูบอีกต่อไป และไม่ต้องมีปีกลูกสูบมารับภาระการเหวี่ยงตัวของลูกสูบกดลงบนผนังกระบอกสูบอันเกิดจากการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยง และเครื่องยนต์ VCR สามารถลดแรงเสียดทานเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์แบบเดิมลงได้ในแต่ละจุด เช่น ลูกสูบ 35% แหวนลูกสูบ 26% เพลาข้อเหวี่ยง 17% Connecting rod 14% เป็นต้น

     2. การสั่นสะเทือนของเครื่องยนต์ เป็นที่น่าสังเกตว่า เครื่องยนต์ VCR จะมีชิ้นส่วนเครื่องยนต์เพิ่มขึ้นมามากกว่าเดิม และชิ้นส่วนบางชิ้นต้องการความแข็งแรง เช่น เฟือง Gear wheel และเป็นชิ้นส่วนที่มีการเคลื่อนไหวในแบบไป-กลับ ชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักมากและมีการเคลื่อนไหวลักษณะนี้จะเกิดแรงเฉื่อยในการเคลื่อนไหวค่อนข้างมาก แต่จากการศึกษาพบว่า ชิ้นส่วนเคลื่อนไหวที่ทำให้เกิดการสั่นสะเทือนจากการทำงานของเครื่องยนต์ VCR เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์ดีเซลสมัยใหม่ที่มีขนาดความจุเท่าๆกันแล้ว จะมีน้ำหนักน้อยกว่ากัน นั่นหมายถึงว่าโอกาสที่จะก่อให้เกิดการสั่นสะเทือนจากการทำงานย่อมน้อยกว่าด้วย และในอนาคตหากมีการพัฒนาต่อไป ก็ยังสามารถจะพัฒนาชิ้นส่วนให้เล็กลงหรือเบาลงได้อีก

     3. การสูญเสียในการป้อนอากาศเข้าสู่เครื่องยนต์ ในเครื่องยนต์ทั่วไปจะพบว่าการป้อนอากาศเข้าสู่เครื่องยนต์ด้วยวิธีการธรรมชาติ คือไม่ใช้เครื่องอัดอากาศนั้น อากาศจะไหลเข้าสู่เครื่องยนต์ได้ดีในรอบต่ำถึงปานกลาง แต่พอรอบสูง ๆ มักจะเกิดอาการหายใจไม่ทัน คืออากาศป้อนเข้าสู่เครื่องยนต์ได้น้อย นั่นคือขีดจำกัดในการออกแบบเครื่องยนต์ที่จะต้องทะลุไปถึงจุดที่สามารถป้อนอากาศเข้าสู่เครื่องยนต์ได้เต็มประสิทธิภาพเหมือนรอบต่ำ ๆ ให้ได้ จึงได้มีการออกแบบกลไกวาล์วชนิดต่าง ๆ เพื่อเพิ่มระยะเวลาการเปิดของวาล์วให้มากขึ้นตามความต้องการของเครื่องยนต์ แต่ผลเสียที่ตามมาจากการเปิดวาล์วเพื่อรับอากาศนาน ๆ ก็คือ กำลังอัดในกระบอกสูบจะลดน้อยลง จากที่เคยมีในรอบต่ำ เนื่องจากเวลาในการเปิดของวาล์วนานเกินไปอีก

     การใช้ระบบควบคุมแรงอัดในกระบอกสูบจะเป็นคำตอบที่สามารถนำไปพัฒนาต่อยอดในส่วนของระบบการป้อนอากาศให้กับเครื่องยนต์ได้อย่างหลากหลาย เพื่อให้มีการเผาไหม้ในกระบอกสูบด้วยอัตราส่วนเชื้อเพลิงกับอากาศที่เบาบางกว่าปกติ ซึ่งเป็นปัญหาข้อใหญ่ของวงการอุตสาหกรรมรถยนต์ที่ต้องการให้เครื่องยนต์ลดการใช้เชื้อเพลิงลง ในขณะเดียวกันก็ต้องไม่สร้างปัญหาใหม่ขึ้นมาคือ การคายก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ออกมามากขึ้น ซึ่งมักจะพบในเครื่องยนต์ที่พยายามลดความสิ้นเปลืองจากระบบจุดระเบิดให้เผาไหม้ด้วยหัวเทียน ในขณะที่สามารถจะใช้การจุดระเบิดด้วยการควบคุมแรงอัดในกระบอกสูบ ทำงานร่วมกับระบบควบคุมการเปิดวาล์วไอดีให้นานมากขึ้นที่เรียกว่า Late Intake Valve Closing (LIVC) ซึ่งมีส่วนช่วยให้ประหยัดเชื้อเพลิงลงได้ 10-20% ทีเดียว

     เครื่องยนต์ VCR ยังอยู่ระหว่างการพัฒนาก่อนที่จะเข้าสู่สายการผลิต ข้อดีข้อด้อยต่าง ๆ ถูกนำมาประเมินความเป็นไปได้ในการนำมาใช้กับรถยนต์ในอนาคต แต่ที่แน่ ๆ ก็คือ ถึงแม้จะมีชิ้นส่วนที่เพิ่มมากขึ้น แต่เครื่องยนต์นี้สามารถผลิตแรงม้าและแรงบิดในระดับที่น่าพอใจ และดีกว่าเครื่องยนต์ที่ใช้ในปัจจุบัน ลองดูตัวอย่างจากเครื่องยนต์เบนซิน 4 สูบ VCR Supercharged ที่อยู่ระหว่างการทดลองตามตารางข้างล่าง

Main characteristics: X

Architecture : in line 4-cylinder  Capacity : 1,484 cm3  Bore : 75 mm  Stroke : 84 mm  Compression Ratio - min 6.7:1  Compression ratio - max : 18:1  Max. power : 160 kW  Max. torque : 300 Nm

ที่มา นิตยสารกรังด์ปรีซ์ ฉบับที่ 438 ประจำเดือน มิถุนายน  2549