ยาว ฟัด ใหญ่ ทรงไหนแรงกว่ากัน !?!

สองฉบับที่ผ่านมา เราได้เห็นทเรนด์การออกแบบเครื่องยนต์สมัยใหม่ที่เลือกใช้แนวคิดของเครื่องยนต์ 6 สูบแถวเรียง ที่มีความจุ 500 ซีซี ต่อกระบอกสูบ โดยเป็นแบบช่วงชักยาว หรืออันเดอร์สแควร์ ทั้งจากค่าย MERCEDES-BENZ (เมร์เซเดส-เบนซ์) และ BMW (บีเอมดับเบิลยู)

แน่นอนว่า ส่วนหนึ่งมาจากความต้องการลดความยาวของเครื่องยนต์ จากการลดขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของลูกสูบ ซึ่งจะเห็นได้ชัดในกรณีของ MERCEDES-BENZ ที่เมื่อรวมกันกับลดการใช้พูลเลย์ และสายพานปั๊มน้ำ จากการใช้ปั๊มน้ำที่ทำงานเป็นเอกเทศด้วยระบบไฟ 48 โวลท์ ทำให้เครื่องยนต์ 6 สูบแถวเรียงรุ่นใหม่ของพวกเขายาวพอๆ กับเครื่องยนต์ แบบ วี 8 สูบ   แต่ก็มีคำถามเกิดขึ้นว่า เครื่องยนต์ลูกสูบใหญ่ ช่วงชักสั้น กับเครื่องยนต์ลูกสูบเล็ก ช่วงชักยาว แบบไหนมีข้อดี ข้อเสีย ต่างกันอย่างไร ในแง่มุมใดบ้าง และเครื่องยนต์แบบไหนเด่นในการใช้งานแบบใด   เมื่อคิดจะเขียนถึงเรื่องนี้ ผู้เขียนมีความรู้คร่าวๆ ว่า เครื่องยนต์รถแข่ง ส่วนใหญ่จะเป็นแบบช่วงชักสั้น รอบจัด ตรงข้ามกันกับรถที่ต้องการแรงบิดสูง มักใช้ช่วงชักยาว แต่รอบหมุนจะไม่จัดนัก ซึ่งเหตุผลนั้น ได้รับความกระจ่างขึ้น จากคำอธิบายของ JASON FENSKE ทางยูทูบ ช่อง ENGINEERING EXPLAINED หนึ่งในช่องยอดเยี่ยมที่ควรติดตามเป็นอย่างยิ่ง สำหรับผู้สนใจเรื่องเครื่องยนต์กลไกของรถยนต์   JASON FENSKE ซึ่งเป็นวิศวกรเครื่องกล ยกตัวอย่าง กระบอกสูบ 3 แบบ ที่มีความจุ 500 ซีซี เท่ากัน แต่มีรูปทรงต่างกัน นั่นคือ     เส้นผ่าศูนย์กลาง (BORE) 117 มม. ช่วงชัก (STROKE) 47 มม. เราเรียกลูกสูบแบบนี้ว่า “ช่วงชักสั้น” (SHORT STROKE) หรือ “โอเวอร์สแควร์” (OVER SQUARED) ซึ่งเป็นสัดส่วนที่ใกล้เคียงกับเครื่องยนต์ของรถสูตร 1   เส้นผ่าศูนย์กลาง 86 มม. ช่วงชัก 86 มม. เราเรียกลูกสูบแบบนี้ว่า “สแควร์” (SQUARED) ซึ่งเป็นสัดส่วนที่ได้รับความนิยมสูงในเครื่องยนต์สมรรถนะสูงหลายรุ่น   เส้นผ่าศูนย์กลาง 63 มม. ช่วงชัก 158 มม. เราเรียกลูกสูบแบบนี้ว่า “ช่วงชักยาว” (LONG STROKE) หรือ “อันเดอร์สแควร์” (UNDER SQUARED)   โดยเมื่อคำนวณด้วยสมการ (π x (เส้นผ่าศูนย์กลาง ÷ 2)2)xสูง หรือ (πr2)xสูง จะพบว่า เครื่องทั้ง 3 แบบนี้มีความจุ 500 ซีซี ต่อสูบ   FENSKE บอกว่า ถ้าต้องการแรงม้าสูงสุด ควรเลือกแบบที่ 1 และถ้าต้องการประสิทธิภาพ หรือความประหยัดสูงสุด ให้เลือกแบบที่ 3 เหตุผล คือ แรงม้าเกิดจาก “รอบหมุน” หากต้องการแรงม้ามาก ก็ต้องทำรอบหมุนเยอะ โดยมีแรงบิดเข้ามาเกี่ยวข้องตามสมการ   แรงม้า=(รอบหมุนxแรงบิด)÷5252 (หน่วยแรงบิดเป็น ปอนด์ฟุต) หรือ ถ้ามีหน่วยเป็น นิวตัน-เมตร จะต้องใช้สูตรที่ 2 คือ   กิโลวัตต์=(รอบหมุนxแรงบิด)÷9.5488 (หน่วยแรงบิดเป็น นิวตัน-เมตร) ซึ่งหากต้องการหน่วยเป็นแรงม้าต้องเอา กิโลวัตต์ ที่ได้ไปหาร 0.7457 อีกที ( 1 แรงม้า=0.7457 กิโลวัตต์)   ส่วนใหญ่เราจะรู้กันว่า แรงบิดสูงสุดนั้น มักจะเกิดตั้งแต่รอบต่ำๆ ส่วนที่รอบสูงแรงบิดจะไม่เพิ่มขึ้นแล้ว จากสมการ ยิ่งรอบสูงเท่าไร แรงม้าที่ได้ก็จะมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้น ถ้าเรารู้ว่าแรงบิดสูงสุดมีเท่าไร ก็สามารถคำนวณหาแรงม้าได้เช่นกัน   เครื่องยนต์ที่สร้างขึ้นแบบลูกสูบใหญ่ ช่วงชักสั้น มักมีข้อได้เปรียบเรื่องการเร่งรอบ ด้วยเหตุผลที่ว่า ความเร็วของลูกสูบในรถปกติ มักจะวิ่งได้ไม่เกิน 25 เมตร/วินาที จึงสามารถคำนวณหารอบหมุนสูงสุดของเครื่องยนต์นั้นๆ ด้วยการวิเคราะห์ผ่านสูตรสมการ   “ความเร็วเฉลี่ยของลูกสูบ=(2xความยาว ช่วงชัก)x(รอบหมุนสูงสุด÷60)” (หน่วยต้องแปลงให้เป็นเมตรทั้งคู่ ทั้งความเร็วเฉลี่ย และความยาวช่วงชัก)   เมื่อความเร็วเฉลี่ยอยู่ที่ไม่เกิน 25 เมตร/วินาที จึงออกมาที่ 25 = (2xความยาวช่วงชัก) x (รอบหมุน÷60) หรือสรุปให้กระชับก็คือ   รอบหมุนสูงสุด = 750÷ช่วงชัก (หน่วยเป็นเมตร)   เมื่อคำนวณออกมาแล้ว จะพบว่า ในลูกสูบ 3 แบบนั้น จะได้เท่ากับ   แบบที่ 1 รอบหมุนสูงสุดทางทฤษฏี = 750÷0.047 เท่ากับ 15,957 รตน.   แบบที่ 2 รอบหมุนสูงสุดทางทฤษฏี = 750÷0.086 เท่ากับ 8,720 รตน.   แบบที่ 3 รอบหมุนสูงสุดทางทฤษฏี = 750÷0.158 เท่ากับ 4,746 รตน.   ดังนั้น จะเห็นได้ว่า เครื่องยนต์แบบช่วงชักสั้น สามารถทำรอบหมุนได้สูงกว่า ตัวอย่างเช่น เครื่องยนต์ของ HONDA S 2000 (ฮอนดา เอส 2000) รหัสตัวถัง เอพี 1 ใช้เครื่องยนต์ รหัส F20C ความจุ 1,997 ซีซี ที่ขึ้นชื่อว่ารอบจัด และเอพี 2 ใช้เครื่องยนต์ รหัส F22C1 ความจุ 2,157 ซีซี   เครื่อง F20C มีขนาดกระบอกสูบ 87 มม. x84 มม. เป็นเครื่องช่วงชักสั้น   เครื่อง F22C1 มีขนาดกระบอกสูบ 87 มม.x90.7 มม. เป็นเครื่องช่วงชักยาว   สองเครื่องนี้จะมีบุคลิกแตกต่างกันพอสมควร เพราะแรงม้าสูงสุดของ F20C คือ 247 แรงม้า ที่ 8,300 รตน. และแรงบิด 22.2 กก.-ม. ที่ 7,500 รตน. ส่วนการตัดรอบเครื่องอยู่ที่ 9,000 รตน. ซึ่งจากการคำนวณด้วยสูตรข้างต้นพบว่า 750÷0.084 = 8,928 รตน. ซึ่งใกล้เคียงกับที่ระบบการทำงานที่ 9,000 รตน. ตามทฤษฏีเช่นกัน   ขณะที่ เครื่อง F22C1 นั้นมีช่วงชักยาวกว่า จึงทำรอบหมุนได้น้อยกว่า ส่งผลให้มีกำลังม้าน้อยกว่าคือ 239 แรงม้า แต่เกิดขึ้นที่รอบต่ำกว่า คือ 7,800 รตน. แต่แรงบิดอยู่ที่ 22.5 กก.-ม. ที่ 6,500-7,500 รตน. ส่วนการตัดรอบเครื่องอยู่ที่ 8,200 รตน. เมื่อคำนวณด้วยสูตรข้างต้นพบว่า 750÷0.0907 = 8,269 รตน. ซึ่งการตัดรอบเครื่องที่ 8,200 รตน. นั้นใกล้เคียงกับรอบหมุนสูงสุดตามทฤษฏีเช่นกัน   ประเด็นที่ 2 ที่จะช่วยให้เครื่องความจุเดียวกัน แต่มีช่วงชักสั้น (กระบอกสูบใหญ่) ได้เปรียบเรื่องการผลิตแรงม้าก็คือ หน้าตัดที่ใหญ่สามารถติดตั้งวาล์วไอดี (INTAKE VALVE) และวาล์วไอเสีย (EXHAUST VALVE) ที่มีขนาดใหญ่ได้มากขึ้น โดยขนาดของวาล์วยิ่งมีขนาดใหญ่ ก็ยิ่งถ่ายเทมวลอากาศได้มาก ซึ่งที่รอบหมุนสูงของเครื่องยนต์ที่มีลูกสูบหน้าตัดใหญ่ๆ วาล์วตัวโตๆ จะได้เปรียบเรื่องไอดีและไอเสียที่เข้าและออกจากกระบอกสูบ (แต่ในทางกลับกัน ที่รอบต่ำ จะให้ประสิทธิภาพไม่ค่อยดีนัก เพราะการ เผาไหม้จะบางเกินไป)   ประเด็นนี้ เครื่องยนต์รุ่นใหม่ทั้ง 2 รุ่นที่เรากล่าวถึงในสองฉบับก่อน แม้จะเป็นเครื่องช่วงชักยาว แต่จากการที่ใช้เทอร์โบ และในกรณีของเครื่องยนต์จาก MERCEDES-BENZ มีการใช้คอมเพรสเซอร์ หรือซูเพอร์ชาร์เจอร์พลังไฟฟ้า 48 โวลท์ ช่วยอัดอากาศเข้าสู่ห้องเผาไหม้ ทำให้แม้ขนาดของวาล์วไอดีจะเล็ก แต่ก็สามารถอัดไอดีเข้าห้องเผาไหม้ได้เต็มเม็ดเต็มหน่วย   ประเด็นที่ 3 คือ เรื่องประสิทธิภาพในการเปลี่ยนเชื้อเพลิงเป็นพลังงาน (EFFICIENCY) หัวข้อนี้จะกลับกันจากเรื่องที่เรากล่าวมาก่อนหน้า เพราะในเรื่องนี้ เครื่องช่วงชักยาวจะได้เปรียบขึ้นมาทันที เพราะในเรื่องของประสิทธิภาพนั้น เราจะหันมาพิจารณาเรื่องของพื้นที่ผิวของห้องเผาไหม้ สัมพันธ์กับปริมาตรของห้องเผาไหม้ แม้ว่าปริมาตรจะเท่ากันที่ 500 ซีซี แต่พื้นที่ผิวนั้นกลับไม่เท่ากัน ซึ่งเมื่อลองคำนวณดูจะพบว่า     1. เครื่องยนต์แบบที่ 1 กระบอกสูบxช่วงชัก = 117 มม.x47 มม. จะมีพื้นที่ = (ความยาวเส้นรอบรูปxความสูง) + 2 (พื้นที่หน้าตัด) = (2πr x สูง) + πr2 = 38,757 มม.2   2. เครื่องยนต์แบบที่ 2 กระบอกสูบxช่วงชัก = 86 มม.x86 มม. จะมีพื้นที่ = (ความยาวเส้นรอบรูปxความสูง) + 2 (พื้นที่หน้าตัด) = (2πr x สูง) + πr2 = 34,833 มม.2   3. เครื่องยนต์แบบที่ 3 กระบอกสูบxช่วงชัก = 63 มม. X 158 มม. จะมีพื้นที่ = (ความยาวเส้นรอบรูป x ความสูง) + 2 (พื้นที่หน้าตัด) = (2πr x สูง) +πr2 = 37,485 มม.2   ทุกครั้งที่มีการเปลี่ยนจากแบบที่ หน้าตัดและช่วงชักเท่ากัน จะเห็นว่ามีการเพิ่มขึ้นของพื้นที่ในกระบอกสูบทั้ง 2 แนวทาง ทั้งแบบช่วงชักสั้นและช่วงชักยาว แต่ ! การคำนวณนี้ไม่ถูกต้อง 100 % เพราะในการทำงานจริงนั้น เราต้องพิจารณาในจังหวะที่เกิดการ “จุดระเบิด” เพราะในห้องเผาไหม้นั้นลูกสูบไม่ได้วิ่งขึ้นจนสุด เพราะระหว่างที่จุดระเบิด มันยังมีเหลือช่องว่าง นั่นคือ พื้นที่ของอัตราส่วนกำลังอัดนั่นเอง   เพื่อให้สะดวกกับการคำนวณ จึงขอใช้กำลังอัด 11:1 ซึ่งก็คือ เอาช่วงชักมาหาร 10 แล้วเอา 1 ส่วนที่หารได้ ไปวางอยู่เหนือศูนย์ตายบน (TOP DEAD CENTER) ของลูกสูบ ก็จะได้ห้องเผาไหม้ที่มีกำลังอัด 11:1 ความสูงของห้องเผาไหม้แต่ละห้องก็จะเปลี่ยนไป ซึ่งปริมาตรที่เพิ่มทั้งหมดนี้เท่ากับปริมาตร 50ซีซี ทั้งสิ้น แต่ในห้องเผาไหม้ ณ ศูนย์ตายบนนั้น เราจะเห็นได้ว่า   ลูกสูบที่ 1 จะเพิ่มขึ้น 4.7 มม ได้พื้นที่ผิวเพิ่มขึ้นตามสูตร 2(πr2)+ (2πr x สูง) = 23,217 มม.2   ลูกสูบที่ 2 จะเพิ่มขึ้น 8.6 มม ได้พื้นที่ผิวเพิ่มขึ้นตามสูตร 2(πr2)+ (2πr x สูง) = 13,933 มม.2   ลูกสูบที่ 3 จะเพิ่มขึ้น 15.8 มม ได้พื้นที่ผิวเพิ่มขึ้นตามสูตร 2(πr2)+ (2πr x สูง) = 9,356 มม.2   ลูกสูบช่วงชักสั้นกลับมีพื้นที่มากกว่าแบบอื่นอย่างเห็นได้ชัด ซึ่งทำให้มันรับพลังงานความร้อนมาสะสมไว้ในตัว แทนที่จะเปลี่ยนไปเป็นพลังงานกล ประสิทธิภาพเลยต่ำกว่าแบบช่วงชักยาว ที่มีพื้นที่รับความร้อนน้อยกว่า พลังงานที่ได้ จึงถูกนำไปใช้เป็นพลังงานกลมากกว่า   ประเด็นที่ 4 คือ ช่วงเวลาที่ประกายไฟใช้ในการเผาไหม้ในแต่ละกระบอกสูบ ตามอุดมคติ เราต้องการให้พลังงานจากการระเบิดนั้นเผาไหม้สมบูรณ์พอดี เมื่อลูกสูบเคลื่อนถึงศูนย์ตายล่าง ซึ่งมีความเป็นไปได้สูงที่ลูกสูบช่วงชักยาวจะใช้ประโยชน์จากการเผาไหม้ได้สูงกว่า รวมถึงการที่กระบอกสูบแคบกว่า เมื่อจุดระเบิดแล้ว เปลวไฟจะพุ่งไปถึงขอบด้านข้างของห้องเผาไหม้ได้เร็วกว่าแบบช่วงชักสั้น   ทั้งหมดนี้ มีผลการวิจัยเรื่องขนาดของ กระบอกสูบและช่วงชัก กับการเผาไหม้ของเครื่องยนต์แกสโซลีน โดย SAE ในปี 2016 ซึ่งทดลองกับ ลูกสูบขนาดหน้าตัด 86 มม. แต่มีช่วงชัก 3 ขนาด คือ 86, 98 และ 115 มม. สรุปว่า ผลลัพธ์ที่ได้จากการเปลี่ยนช่วงชักจาก 86 ไปเป็น 98 และ 115 มม. คือ อัตราบริโภคเชื้อเพลิงน้อยลง 3-5 %   เรื่องนี้มีคำอธิบายว่า ในรอบเครื่องยนต์หนึ่ง อาทิ 3,000 รตน. ลูกสูบช่วงชักยาว จะมีความเร็วของลูกสูบ “สูงกว่า” ลูกสูบช่วงชักสั้น และความเร็วของลูกสูบที่มากกว่านั้นก่อให้เกิดการอลวน (TURBULENCE) ของไอดีมากกว่า ทำให้ส่วนผสมของ อากาศและเชื้อเพลิงผสมกลมกลืนทั่วถึง การเผาไหม้จึงหมดจด   สรุปง่ายๆ อยากได้แรงม้า เลือกลูกสูบใหญ่ ช่วงชักสั้น อยากได้ประหยัด เลือกลูกสูบเล็ก ช่วงชักยาว แต่ถ้าทั้งเล็ก ทั้งสั้น ก็ต้อง “ขยันซอย”​ เอาหน่อยละครับ !