ลดความจุ เพิ่มเทอร์โบ ไม่ประหยัดอย่างที่คุย !?!

เราได้เห็นผู้บริโภครถยนต์พยายามลดการบริโภคเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์เบนซิน ด้วยการ “ลดความจุกระบอกสูบ” แล้วเพิ่ม “ระบบอัดอากาศด้วยเทอร์โบ” มาพักใหญ่ แต่จากประสบการณ์ในการใช้เครื่องยนต์ประเภทนี้ หลายคนพบว่า มันไม่ได้ประหยัดอย่างที่กล่าวอ้าง โดยหากจะทำตัวเลขให้ได้ใกล้เคียงที่เคลมไว้นั้น รถต้องอยู่ในสภาพการขับขี่ที่ “สมบูรณ์แบบ” คือ ไม่ต้องเร่ง ไม่ต้องเบรค ซึ่งเป็นสภาพรถที่ไม่ค่อยได้เจอในชีวิตจริง ยกเว้น การขับทางไกลแบบสบายๆ ไม่เร่งร้อนเท่านั้น

อธิบายง่ายๆ คือ ตัวเลขที่ผู้ผลิตอ้างนั้น อาจทำได้จริงตามมาตรฐานในการทดสอบ แต่ในชีวิตจริงนั้น “ภาระ” และ “สภาพแวดล้อม” ที่เครื่องยนต์ได้รับนั้นมันต่างออกไปจากอุดมคตินั่นเอง

สภาวะในอุดมคติของเครื่องยนต์เบนซินสันดาปภายใน จะมีส่วนผสมของอากาศกับเชื้อเพลิง (AIR DUEL MIXTURE) 14.7 ต่อ 1 หมายถึง อากาศ 14.7 ส่วนกับเชื้อเพลิง 1 ส่วน เพื่อให้เกิดการเผาไหม้ที่สมบูรณ์แบบ แต่ในความเป็นจริง เราไม่สามารถอยู่ในสภาพของอุดมคติได้ตลอดเวลา โดยเฉพาะเมื่อเราเร่งเพื่อเรียกกำลังในเครื่องยนต์เทอร์โบ ความร้อนจากไอเสียที่ส่งผ่านชุดเทอร์โบจากฝั่งโข่งไอเสีย จะผ่านเข้ามายังกังหันฝั่งไอดี ซึ่งทำให้ส่วนผสมของไอดีกับเชื้อเพลิงมีความร้อนสะสมสูง และอาจเกิดอาการ “ชิงจุดระเบิด” ก่อนเวลาที่ควร หรือที่เราเรียกว่า “นอค” (KNOCK)

แนวทางในการแก้ไชอาการนี้มี 2 วิธี ได้แก่

1. ลดกำลังอัด (COMPRESSION RATIO) ในกระบอกสูบ วิธีนี้เป็นรูปแบบมาตรฐานที่ใช้กัน ดังที่รู้กันว่า ในเครื่องยนต์ทั่วไปที่ไม่มีระบบอัดอากาศ จะมีอัตราส่วนกำลังอัดประมาณ 9.5-10.5 ต่อ 1 แต่เครื่องยนต์ที่มีระบบอัดอากาศ จะมีอัตราส่วนกำลังอัดประมาณ 8.0-9.0 ต่อ 1 เพื่อไม่ให้เกิดความร้อนจนส่วนผสมเชื้อเพลิงและอากาศเกิดการจุดระเบิดขึ้นเอง

2. กล่องควบคุมจะทำหน้าที่ปรับส่วนผสม ด้วยการฉีดเชื้อเพลิงเพิ่มเข้าไป เพื่อลดอุณหภูมิ ดังนั้นส่วนผสมอากาศกับเชื้อเพลิงจาก 14.7 ต่อ 1 อาจลดลงไปถึง 10.0 ต่อ 1 ในบางช่วงเวลา ซึ่งวิธีนี้ดูแล้วอาจสร้างความสับสนกับความเชื่อในหัวเรา แต่ยิ่งเราป้อนสัดส่วนเชื้อเพลิงเข้าไปมาก อุณหภูมิในห้องเผาไหม้ยิ่งลดลง และสิ่งนี้เองเป็นตัวทำให้ในโลกของความเป็นจริงนั้น เครื่องยนต์เทอร์โบเมื่อมีโหลดมาก ก็จะบริโภคเชื้อเพลิงมาก เนื่องจากสัดส่วนของอากาศกับน้ำมัน จะเข้มข้น (RICH MIXTURE) กว่าปกติ

มีหลายวิธีที่พยายามจะแก้ไขปัญหานี้ แต่มีวิธีหนึ่งที่น่าสนใจ ซึ่งริเริ่มโดย มาซดา ในเครื่องยนต์เบนซิน สกายแอคทีฟ-จี (SKYACTIV-G) แบบ 4 สูบแถวเรียง ความจุ 2.5 ลิตร ที่ประจำการใน มาซดา ซีเอกซ์-9 ครอสส์โอเวอร์ และมาซดา 6

แนวคิดที่วิศวกรของ มาซดา ใส่เข้าไปในเครื่องยนต์นี้มี 3 ข้อ ได้แก่ 1) ลดแรงต้านของระบบไอเสีย เพื่อให้เครื่องยนต์มีประสิทธิภาพมากที่สุด 2) พัฒนาให้เทอร์โบสามารถตอบสนองได้ว่องไวขึ้น และ 3) สร้างสภาวะที่เหมาะสมเพื่อทำให้ส่วนผสมคงอยู่ที่ 14.7:1 แม้ในสภาวะที่มีโหลดมาก ซึ่งจุดนี้ คือ หัวใจในการที่จะทำให้การใช้เครื่องยนต์เทอร์โบในชีวิตจริง สามารถประหยัดได้เหมือนตอนทดสอบ

ส่วนแรกพวกเขาได้ออกแบบให้ท่อร่วมไอเสีย เป็นแบบ 4-3-1 จากเดิมที่เป็นแบบ 4-1 นั่นคือ มีการรวบไอเสียของลูกสูบที่ 2 และ 3 มาเข้าคู่กัน ในขณะที่ไอเสียจาก สูบที่ 1 และ 4 นั้นเป็นเอกเทศ และนำมารวมสุดท้ายก่อนจะเข้าสู่เทอร์โบในส่วนของโข่งไอเสีย

ข้อดีของระบบ 4-3-1 ก็คือ ลดปัญหาไอเสียไหลย้อนของระบบ 4-1 มาตรฐาน เพราะในจังหวะจุดระเบิดทั่วไป คือ 1-3-4-2 นั้น จังหวะที่กระบอกสูบใกล้กัน จะมีโอกาสเกิด “ไอเสียไหลย้อน” จากกระบอกสูบที่ระเบิดก่อนหน้านี้ ไหลย้อนเข้าไปยังวาล์วไอเสียของกระบอกสูบที่ระเบิดตามหลังได้

ทีมวิศวกรได้นำเอาแนวคิดจากท่อเฮเดอร์มาพัฒนาใช้ให้เป็นระบบที่เรียบง่าย และมีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยทำการรวบเอาไอเสียจากกระบอกสูบที่ 2 และ 3 เข้าด้วยกัน และจัดการรูปทรงท่อร่วมไอเสียให้สามารถสร้างแรงดูดและลดการไหลย้อนในรูปแบบที่คล้ายคลึงกับรถที่ใช้เทอร์โบแบบ “ทวินสกรอลล์” นั่นเอง

ส่วนที่ 2 คือ การพัฒนาให้เทอร์โบตอบสนองได้ว่องไวขึ้นในรอบต่ำ พวกเขาเรียกระบบนี้ว่า เทอร์โบความดันแปรผัน (DYNAMIC PRESSURE TURBO) ที่ออกแบบให้กังหันในโข่งไอเสีย หมุนได้เร็วขึ้นที่รอบต่ำ จากการนำเอาวาล์วมาควบคุมการไหลของไอเสีย ช่วงรอบเครื่องยนต์ต่ำกว่า 1,620 รตน. วาล์วใหญ่จะปิด ทำให้ไอเสียถูก “รีด” ออกไปยังท่อที่แคบ จึงมีความเร็วไอเสียสูงขึ้น หลักการเดียวกับการเอานิ้วไปอุดสายยางรดน้ำต้นไม้ เพื่อให้น้ำพุ่งได้ไกลขึ้นนั่นเอง จากนี้เมื่อรอบเครื่องยนต์สูงกว่า 1,620 รตน. ไอเสียจะมีแรงดันมากพอ วาล์วจะเปิดเพื่อให้ไอเสียไหลเข้าไปปั่นกังหันเทอร์โบตามปกติ ด้วยเทคนิคนี้เครื่องยนต์จะพร้อมตอบสนอง และลดอาการรอรอบ หรือเทอร์โบแลก ได้อย่างมาก

และแนวคิดสุดท้ายของวิศวกร มาซดา คือ การทำให้อัตราการบริโภคเชื้อเพลิงในชีวิตจริงของเครื่องยนต์เทอร์โบ ออกมาใกล้เคียงกับตัวเลขทดสอบ ด้วยการควบคุมอุณหภูมิในห้องเผาไหม้ เพื่อให้เครื่องยนต์มีส่วนผสมของอากาศต่อเชื้อเพลิงอยู่ที่ 14.7 ต่อ 1 ได้โดยไม่นอค (ไม่มีการฉีดน้ำมันเพิ่มเพื่อลดอุณหภูมิ)

วิธีที่พวกเขานำมาใช้ คือ การหมุนเวียนเอาไอเสียป้อนเข้าไปในไอดีอีกครั้ง ใช่แล้วครับ อ่านไม่ผิด วิธีการนี้มีชื่อว่า “ระบบหมุนเวียนไอเสีย” หรือ อีจีอาร์ (EGR: EXHAUST GAS RECIRCULATION) ซึ่งจะว่าไปแล้วไม่ใช่เรื่องใหม่ เพราะมีการคิดค้นมานานหลายทศวรรษ แต่ส่วนใหญ่มักนำมาใช้ในเครื่องยนต์ดีเซล เพื่อผลในการลดค่าไอเสียที่เกิดจากการเผาไหม้

แต่แนวคิดของ มาซดา เป็นการนำระบบ อีจีอาร์ มาใช้มีประโยชน์ที่ต่างออกไป นั่นคือ เมื่อไอเสียนั้นเป็นอากาศที่เรียกได้ว่าไม่มีออกซิเจนเหลือ เนื่องจากออกซิเจนได้ถูกใช้ในการสันดาปไปจนหมดในกระบอกสูบแล้ว ดังนั้น หากนำเอาไอเสีย “บางส่วน” กลับมาป้อนเข้าไปพร้อมกับไอดีที่มีออกซิเจน จะทำให้อากาศในห้องเผาไหม้มีสัดส่วนโมเลกุลของออกซิเจนต่ำลง ทำให้เผาไหม้ได้ความร้อนที่ต่ำลงไปด้วย (ไอเสียที่เก็บเกี่ยวมาจากระบบนั้นมีอุณหภูมิสูงมาก ระบบ อีจีอาร์ ถูกออกแบบให้ช่วยลดอุณหภูมิไอเสียลงก่อนที่จะส่งกลับเข้าระบบ) เมื่ออุณหภูมิในห้องเผาไหม้ไม่สูง สมองกลก็ไม่ต้องสั่งให้ฉีดเชื้อเพลิงเพิ่มเพื่อ “ลดอุณหภูมิ” ในห้องเผาไหม้ เครื่องยนต์จึงสามารถใช้ส่วนผสมที่ 14.7 ต่อ 1 โดยไม่เกิดการนอค ทำให้อัตราการบริโภคภายใต้การทำงานในชีวิตจริงใกล้เคียงกับค่าที่ทดสอบ

คำถามเกิดขึ้นว่า หากระบบ อีจีอาร์ ให้ผลดีในด้านการบริโภคเชื้อเพลิง ทำไมระบบนี้ยังไม่แพร่หลาย ก็คงจะต้องบอกว่า ระบบ อีจีอาร์ นั้นไม่ได้ทำให้อัตราบริโภคเชื้อเพลิงในมาตรฐานการทดสอบลดลง แต่รถยนต์ มาซดา ที่ใช้เครื่องยนต์เทอร์โบ สกายแอคทีฟ-จี นี้จะมีอัตราการบริโภคเชื้อเพลิง ในชีวิตจริง “ใกล้เคียง” กับตัวเลขที่ทดสอบตามมาตรฐาน มากกว่ารถรุ่นอื่นๆ ในท้องตลาดนั่นเอง

ท่านผู้อ่านอาจจะสงสัยว่า หากการทดสอบตามมาตรฐาน อาทิ อีพีเอ หรือ องค์กรเพื่อการอนุรักษ์สิ่งแวดล้อม (EPS: ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY) ของสหรัฐอเมริกา ไม่ได้สะท้อนรูปแบบของการใช้งานจริง ทำไมถึงยังคงใช้กันอยู่ ก็คงต้องบอกว่า มันเป็นเพียงแนวทางที่สามารถใช้เพื่อเปรียบเทียบรถยนต์แต่ละรุ่น ด้วยการทดสอบภายใต้เงื่อนไขเดียวกันเท่านั้น ดังนั้น หากจะพิจารณาถึงอัตราการบริโภคเชื้อเพลิงในชีวิตจริง ก็จำเป็นต้องทดสอบภายใต้เงื่อนไขของท่านเองเป็นสำคัญ ซึ่งก็จะพบว่า รถยนต์ส่วนใหญ่ไม่สามารถทำอัตราบริโภคเชื้อเพลิง สวยหรูเหมือนกับที่ผู้ผลิตแจ้งมา สิ่งนี้เป็นประเด็นที่ทำให้ทีมวิศวกรของ มาซดา พยายามสร้างเครื่องยนต์ที่สามารถมอบประสิทธิภาพที่เป็นไปได้จริงทั้งในบโรชัวร์ และในใบเสร็จค่าน้ำมันให้ตรงกันนั่นเอง

หวังว่าสักวันหนึ่ง พวกเขาจะถ่ายทอดเทคโนโลยีนี้มาให้บ้านเราได้ทดลองใช้กัน และเมื่อถึงวันนั้น เราจะได้รู้กันว่า มันเป็นแค่ “ราคาคุย” หรือเปล่า ?