ฟรีวาล์ว เทคโนโลยี “ไร้แคม” จากสวีเดน

เป็นที่รู้กันดีว่า หัวใจสำคัญของเทคโนโลยีเครื่องยนต์สันดาปภายใน คือ การจุดระเบิดในห้องเผาไหม้ ซึ่งเกิดจากความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบ 3 ส่วน ได้แก่ “ประกายไฟ” “เชื้อเพลิง” และ “อากาศ”

ในการออกแบบเครื่องยนต์ วิศวกรต้องทำหน้าที่ควบคุมการผสมผสานขององค์ประกอบทั้ง 3 ให้ได้สัดส่วนพอเหมาะพอเจาะ บางครั้งอากาศและเชื้อเพลิงต้องมาก บางครั้งอากาศต้องน้อย เชื้อเพลิงต้องมาก บางครั้งอากาศต้องมาก เชื้อเพลิงต้องน้อย ขึ้นอยู่กับผลลัพธ์ที่ต้องการ ส่วนการจุดระเบิดนั้น จะจุดก่อน จุดหลัง หรือจุดพอดีตำแหน่ง ก็แล้วแต่จะออกแบบกันไป ขึ้นอยู่กับว่าเราต้องการอะไร ระหว่าง อัตราการบริโภคเชื้อเพลิง, แรงม้า, แรงบิด หรือ ปริมาณไอเสีย การนำอากาศดีเข้าห้องเผาไหม้ และเอาอากาศเสียที่เผาไหม้แล้วออกจากห้องเผาไหม้ เป็นหน้าที่ของ “ลิ้น” หรือที่เรียกทับศัพท์ว่า “วาล์ว” (VALVE) ที่จะเปิดและปิด ส่วนการจะเปิดหรือปิดตามเวลา และจังหวะที่ต้องการนั้นเป็นหน้าที่ของชิ้นส่วนที่เรียกว่า “แคม” (CAM) ที่แปลว่า “ลูกเบี้ยว” ในภาษาไทย ซึ่งรูปพรรณสัณฐานของมันก็ตรงกับชื่อ คือ มัน “เบี้ยว” สมชื่อ ส่วนคำว่า “แคมชาฟท์” (CAMSHAFT) ในภาษาไทย เรียกว่า “เพลาราวลิ้น” คำว่า “เพลา” หรือ “ชาฟท์” ในภาษาอังกฤษ ก็คือ “แท่ง” และ “ราวลิ้น” เป็นการระบุว่า มันคือ แท่งที่ทำหน้าที่ควบคุม กระเดื่องปิดเปิด “วาล์ว” หรือ “ลิ้น” ของระบบไอดี หรือไอเสียนั่นเอง การทำงานของแคมชาฟท์เป็นกลไกที่ขับเคลื่อนด้วยเฟืองเกียร์ หรือสายพานที่ทำงานสัมพันธ์กับการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยง (CRANKSHAFT) เครื่องยนต์อย่างเที่ยงตรงไม่ผิดไปจากการทำงานของกลไกนาฬิกา (จะมียกเว้นบ้างก็เห็นจะเป็นเครื่องโรตารี เพราะไม่ใช้ระบบวาล์ว เลยไม่ต้องมีแคมชาฟท์) เครื่องยนต์ทั่วไปมักจะใช้แคมชาฟท์ 1 ชุด/ลูกสูบ 1 แถว หรือที่เรียกกันว่า “แคมเดี่ยว” ส่วนเครื่องยนต์สมรรถนะสูงส่วนใหญ่จะเลือกใช้ระบบแคมคู่ หรือ “ทวินแคม” (TWIN CAM) หรือดับเบิลโอเวอร์เฮดแคมชาฟท์ (DOHC = DOUBLE OVER HEAD CAMSHAFT) การติดตั้งแคมชาฟท์มีวิธีการหลายแบบ เครื่องยนต์อเมริกันนิยมวางไว้ด้านล่างของฝาสูบ หรือที่เรียกว่า โอเวอร์เฮดวาล์ว (OHV = OVER HEAD VALVE) แต่เครื่องยนต์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันนิยมวางไว้ด้านบนของฝาสูบ เรียกว่า โอเวอร์เฮดแคมชาฟท์ (OHC = OVER HEAD CAMSHAFT) ถ้ามีแท่งเดียวก็เรียกว่า ซิงเกิลโอเวอร์เฮดแคมชาฟท์ (SOHC) จุดเด่นของระบบ “แคมคู่” คือ การมีชุดเพลาราวลิ้นแยกฝั่งจากกันระหว่างฝั่งไอดี กับฝั่งไอเสีย ทำให้มีพื้นที่ทำงานอิสระจากกัน รวมถึงสามารถออกแบบตำแหน่งของวาล์วไอดี และวาล์วไอเสียของเครื่องยนต์อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ผลลัพธ์ที่ได้ คือ เครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นนั่นเอง ในอดีตเครื่องยนต์ส่วนใหญ่จะถูกออกแบบให้แคมชาฟท์ มีจังหวะและรูปแบบการกดปิด-เปิด วาล์วรูปแบบเดียว เช่น วาล์วจะยกสูงเปิดขึ้นคงที่ และมีเวลาของการเปิด หรือไทมิง (VALVE TIMING) ที่แน่นอนในรอบ “องศา” การหมุนของเครื่องที่กำหนดไว้แล้วว่าจะเปิดค้าง (VALVE DURATION) นานแค่ไหน ซึ่งแน่นอนว่าการออกแบบเครื่องยนต์ที่มีจังหวะการเปิดเช่นนี้ จะทำงานได้เต็มประสิทธิภาพแค่ในบางช่วงของการทำงานเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เครื่องยนต์รถแข่งที่หมุนรอบสูงตลอดเวลา ที่ออกแบบยกวาล์วให้สูง และเปิดให้นานขึ้น เพราะต้องการให้มีอากาศกับเชื้อเพลิงมาก เพื่อให้จุดระเบิดได้อย่างรุนแรง ในช่วงรอบต่ำกำลังอัด และแรงดูดอากาศจะไม่สมบูรณ์แบบนัก แต่ในทางกลับกัน เครื่องยนต์ที่ออกแบบมาให้ทำงานได้ดีช่วงรอบต่ำ ก็จะมีประสิทธิภาพไม่ดีในรอบสูง วิศวกรต้องการให้เครื่องยนต์ทำงานได้ดีทั้งในรอบต่ำและรอบสูง ตีนต้นดีไม่มีแผ่วปลาย จึงริเริ่มแนวคิดเทคโนโลยี “วาล์วแปรผัน” ขึ้น ที่เราคุ้นเคยกันมากที่สุดน่าจะเป็นเทคโนโลยี วีเทค (VTEC) ของค่าย ฮอนดา วีวีที-ไอ (VVT-I) ของค่าย โตโยตา (พัฒนาโดย ยามาฮา) และ วาโนส (VANOS) ของค่าย บีเอมดับเบิลยู แม้จะแตกต่างกันบ้างในด้าน เทคนิค แนวคิด และรายละเอียดปลีกย่อย แต่แนวคิดเหมือนกัน คือ ผสมผสานระหว่างแคมชาฟท์ที่ปรับเปลี่ยนไทมิง (VARIABLE VALVE TIMING) หรือตำแหน่งการเปิด และปิดของวาล์ว ทั้งฝั่งไอดีและไอเสียที่แตกต่างกันไปในรอบต่ำและรอบสูง อีกทั้งยังควบคุมช่วงการเปิดค้างหรือปิดได้ (VARIABLE VALVE DURATION) อีกทั้งอาจรวมไปถึงการออกแบบให้ปรับระยะยกวาล์ว (VARIABLE VALVE LIFT) ให้สูงต่ำแตกต่างกันได้ในแต่ละช่วงการทำงานของเครื่องยนต์ ส่วนจะออกแบบให้นุ่มนวลในเมือง แต่ร้อนแรงบนทางด่วน พร้อมปล่อยมลพิษต่ำ และมีช่วงเพาเวอร์แบนด์กว้าง ก็แล้วแต่จะออกแบบกันไป ด้วยเทคนิคทางเครื่องกลที่แตกต่างกันไปในแต่ละสิทธิบัตรที่มี อาทิ ออกแบบให้แคมชาฟท์สามารถ “เลื่อน” เปลี่ยนทรงของลูกเบี้ยวได้ หรือเปลี่ยนความสัมพันธ์ระหว่างรอบหมุนของเพลาข้อเหวี่ยง (CRANKSHAFT) กับเพลาลูกเบี้ยว (CAMSHAFT) ตัวอย่างเช่น ถ้าวาล์วไอเสียเปิดค้างนานก็จะไล่ไอเสียออกได้หมดจด ทำให้ประจุอากาศใหม่ได้มาก ทำให้เครื่องยนต์มีกำลัง แต่หากปิดวาล์วลไอเสียเร็วหน่อยยังมีอากาศเสียค้างอยู่ในกระบอกสูบบ้าง ทำให้เอาส่วนผสมของน้ำมันและอากาศใหม่เข้าไปได้น้อยลง ก็จะเสมือนว่ารถมีเครื่องยนต์เล็กลง เท่ากับว่าจะบริโภคเชื้อเพลิงน้อยลงตามไปด้วยนั่นเอง แต่เทคโนโลยีเรื่องของ “แคม” ทั้งหมดกลายเป็นเรื่องสุดเชยทันที เมื่อบริษัทซูเพอร์คาร์ชื่อดังจากสวีเดน ที่ชื่อเขียนยากเหลือเกินอย่าง “โคนิกเซกก์” (KOENIGSEGG) ได้ร่วมกับบริษัทวิจัยด้านวิศวกรรมยานยนต์ คาร์จิน (CARGINE) เปิดตัวเครื่องยนต์ที่ไร้วี่แววของแคม (CAMLESS ENGINE) พวกเขาเรียกเทคโนโลยีนี้ว่า “ฟรีวาล์ว” (FREEVALVE) ด้วยรูปแบบของการควบคุมวาล์ว โดยปราศจากการทำงานของแคม อันมาจากแนวคิดที่จะให้เครื่องยนต์ทำงานได้ประสิทธิภาพสูงสุดในทุกรูปแบบ ไม่ว่าจะเป็นด้านการปล่อยมลภาวะ การบริโภคเชื้อเพลิง กำลังที่มอบให้ ซึ่งวิศวกรได้พบว่า อุปกรณ์ที่เป็นคอขวดของการพัฒนา คือ “แคมชาฟท์” นั่นเอง เพราะการทำงานของวาล์วนั้น ถูกจำกัดด้วยแนวคิดขององค์ประกอบ และโครงสร้างของ “แคมชาฟท์” จะว่าไปแล้ว เทคโนโลยีการควบคุมการทำงานของวาล์ว โดยไม่ใช้แคม ไม่ใช่สิ่งที่ไม่เคยมีการทำมาก่อน หากเราดูที่เทคโนโลยีมัลทิแอร์ (MULTIAIR) ของค่าย เฟียต ที่ใช้การทำงานของโซลินอยด์ไฮดรอลิค ควบคุมระยะยก (VALVEM LIFT) ของวาล์วไอดี ให้ยกสูงหรือต่ำตามรอบเครื่องที่แตกต่างกัน ระบบนี้ได้พิสูจน์แล้วว่า เรียบง่ายกว่าระบบอื่นๆ ไม่น้อย ระบบฟรีวาล์ว นั้นทำงานโดยอาศัยการทำงานของระบบไฮดรอลิค (HYDRAULIC) และระบบอัดอากาศนิวแมทิค (PNEUMATIC) ในการควบคุมรูปแบบทั้ง 3 ของวาล์ว นั่นคือ ไทมิง (VALVE TIMING) ระยะเวลา (VALVE DURATION) และระยะยก (VALVE LIFT) อย่างเป็นอิสระในแต่ละวาล์ว ปลดพันธนาการของระบบแคมชาฟท์ออกไปจนหมดสิ้น แน่นอนว่าเมื่อการเปิด/ปิดวาล์วที่ควบคุมด้วยสมองกลความเร็วสูงทำงานได้เที่ยงตรงสมบูรณ์แบบ ผลที่ได้ คือ ประสิทธิภาพที่มากกว่าเครื่องยนต์ทั่วไป 30 % และความประหยัดเพิ่มขึ้นถึง 12-17 % เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์ที่ดีที่สุดในปัจจุบัน และการปล่อยมลพิษลดลงถึง 50 % ปัจจุบันเครื่องยนต์ต้นแบบ “ไร้แคม” ที่ผลิตโดย คาร์จิน ขณะนี้ได้ทดลองวิ่งแล้ว เป็นเครื่องยนต์ที่สามารถพัฒนาใช้ได้ในรถยนต์ทั่วไป และได้ติดตั้งใน ซาบ 9-5 ในระหว่างปี 2009-2011 ซึ่งผ่านการวิ่งระยะทาง 55,000 กม. รวมถึงการใช้งานในอุณหภูมิ -20 องศาอีกด้วย และถึงแม้ว่าหลายคนอาจจะมองข้ามชอทนี้ไปยังยานยนต์ไฟฟ้ากันแล้ว แต่ถึงอย่างไรเมื่อคิดถึงการขุดเอาสินแร่หายากที่มีกรรมวิธีการผลิตที่ค่อนข้างเป็นอันตรายอย่างลิเธียม-ไอออนที่ใช้ทำแบทเตอรีแล้ว นี่อาจจะเป็นลมหายใจเฮือกสุดท้ายที่จะขัดเกลา และต่ออายุเครื่องยนต์สันดาปภายในสำหรับทศวรรษหน้าที่จะมาถึงได้เช่นกัน (ต้องการข้อมูลเพิ่มเติมสามารถศึกษาได้ที่ www.freevalve.com)