รู้ลึกเรื่องรถ

4 กระบอก 8 ลูกสูบ แปลกดี แต่มีจริงนะ !


หากมีคนถามว่ารถรุ่นนั้น รุ่นนี้ มีกี่สูบ เราคงตอบได้ไม่ยาก เพราะโดยนิยามทั่วไปแล้ว คำถามนี้ หมายถึง มีกี่ “กระบอกสูบ” หรือ CYLINDER ไม่ค่อยมีใครพูดถึงตัวของ “ลูกสูบ” หรือ PISTON เพราะเชื่อว่ามันเป็นของคู่กัน เช่น รถคันนี้ 8 สูบ ก็ต้องมี 8 กระบอกสูบกับ 8 ลูกสูบ นั่นเอง

62.2

แต่โลกของเครื่องยนต์ มันไม่ได้ “มีเพียงแค่นั้น” เพราะยังมีเครื่องยนต์ที่จำนวนกระบอก สูบไม่เท่ากันกับลูกสูบอยู่ครับ และไม่ใช่ของใหม่ด้วย เพียงแต่มันไม่ได้แพร่หลายจนเป็นระบบสามัญของเครื่องยนต์ที่เราใช้โดยทั่วไป

 

เครื่องยนต์แบบที่ว่า ได้แก่ เครื่องยนต์ดีเซล 2 จังหวะแบบ “ลูกสูบสวนทาง” หรือ “OPPOSED-PISTON ENGINE” ของ บริษัท ACHATES POWER (อเคทีส เพาเวอร์) สหรัฐ อเมริกา ที่พัฒนาร่วมกันกับเจ้าพ่อแห่งวงการดีเซล อย่าง CUMMINS (คัมมินส์) เพื่อเป็นต้นกำลังให้กับยานพาหนะทางทหาร อย่างรถหุ้มเกราะ BRADLEYS (บแรดลีย์ส) หรือรุ่น M88 (เอม 88) โดยได้รับชื่อว่า ACE (เอศ) ย่อจาก ADVANCED COMBAT ENGINE (แอดวานศ์ คอมแบท เอนจิน) หรือเครื่องยนต์สำหรับการรบระดับสูง

 

เครื่องยนต์ ACE ที่ได้รับการพัฒนาขึ้นมานี้ เป็นแบบสูบนอน แต่แทนที่จะมีเพลาข้อเหวี่ยง (CRANK SHAFT) อยู่กึ่งกลางของเครื่องยนต์เหมือนกับเครื่องยนต์สูบนอนของ PORSCHE (โพร์เช) หรือ SUBARU (ซูบารุ) ที่เราคุ้นเคย แต่เพลาข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์ ACE มี 2 ชุด อยู่ที่ฝั่งซ้ายและขวาของเครื่องยนต์ โดยการทำงานสอดประสานกันผ่านเฟืองเกียร์เพื่อส่งกำลังมายังชุดเพลาส่งกำลังขาออก (OUTPUT SHAFT) หลักที่อยู่กลางเครื่องแทน (แต่ก็ไม่จำเป็นต้องมีลักษณะนี้เสมอไป เครื่องยนต์ บลอคนี้จะเป็นแบบนี้ แต่บางบลอคอาจมีเพลา ข้อเหวี่ยงเดียวก็ได้) ดังนั้น เมื่อพิจารณาดูรูปลักษณ์ของเครื่องยนต์แล้ว ต้องบอกว่า นี่เป็นเครื่องยนต์แบบ 4 “กระบอกสูบ” แต่มี 8 “ลูกสูบ” ด้วยความแปลกแหวกแนว จึงอาจจะงงบ้างเล็กน้อย หากเราไม่คุ้นเคย

 

62.3

 

เครื่องยนต์ที่พัฒนาขึ้นมานี้ ไม่ใช่เทคโนโลยีใหม่เอี่ยมแต่อย่างใด ว่ากันว่ามีใช้เป็นครั้งแรกในเครื่องยนต์ดีเซลสำหรับอากาศยานของประเทศเยอรมนี ยุคก่อนสงครามโลกครั้งที่ 2 ชื่อว่า JUNKERS JUMO 205 และถูกพัฒนาใช้สำหรับเป็นต้นกำลังให้กับ เรือ เรือดำน้ำ รถถัง และรถไฟ แต่ไม่ได้ถูกนำมาใช้แพร่หลายนักกับรถยนต์

 

ด้วยแนวคิดที่ออกแบบให้เป็นระบบ 2 จังหวะตั้งแต่แรก การสันดาป (COMBUSTION) จะเกิดขึ้นทุกครั้งที่ลูกสูบที่อยู่ตรงข้าม วิ่งมาเจอกันที่จุดศูนย์ตายบน (TOP DEAD CENTER) โดยการนำเอาไอดีเข้ามาในกระบอกสูบ และคายไอเสียออกจากกระบอกสูบ จะเกิดขึ้นเมื่อลูกสูบทั้ง 2 ด้าน วิ่งไปจนถึงตำแหน่งศูนย์ตายล่าง (BOTTOM DEAD CENTER) ผ่านทางช่องที่เจาะไว้บนผนังกระบอกสูบ

 

ด้วยวิธีนี้ทำให้ไม่จำเป็นต้องมีแคมชาฟท์ (เพลาลูกเบี้ยว) และวาล์ว ฝาสูบถูกแทนที่ด้วยการสร้างรูปทรงของห้องเผาไหม้อยู่บน “หัวลูกสูบ” (PISTON HEAD) แทน (แต่ลูกสูบทั้ง 2 ฝั่ง หน้าตาไม่เหมือนกัน) โดยการสันดาปจะเกิดขึ้นเมื่อไอดีถูกอัดจากลูกสูบทั้ง 2 ด้าน จนเมื่อเกือบจะถึงศูนย์ตายบนทั้งคู่แล้ว หัวฉีดเชื้อเพลิงจะฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปที่ช่องว่างระหว่างลูกสูบจนเกิดการระเบิด เพื่อผลักให้ลูกสูบถอยห่างออกจากกันประสิทธิภาพในการเก็บเกี่ยวพลังจากการสันดาปจะสูงกว่าเครื่องยนต์แบบที่เราคุ้นเคย เนื่องจากพลังงานความร้อนถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานกล 2 ทิศทาง เมื่อเทียบกับแบบทั่วไปที่มีทิศทางเดียว (ผลักลูกสูบเพียงลูกเดียว) และลดการสูญเสียโดยเปล่าประโยชน์ให้ฝาสูบในรูปของ “ความร้อน” (HEAT LOSS) จึงเรียกได้ว่ามีความหนาแน่นของพลังงานสูง (HIGH POWER DENSITY) เพราะสูญเสียพลังงานจากการจุดระเบิด ในรูปแบบความร้อนน้อยกว่าแบบปกตินั่นเอง

 

แม้ 2 ฝั่ง ของเครื่องยนต์จะดูเหมือนสมมาตรกัน แต่ในความเป็นจริงแล้ว มีความแตกต่าง เพราะช่องทางออกของไอเสียนั้นปล่อยให้ไอเสียไหลออกก่อนไอดีจะไหลเข้าเล็กน้อย และรูปทรงของหัวลูกสูบทั้ง 2 ด้าน ก็แตกต่างกัน ดังนั้น เพื่อให้ไอดีช่วยดันไอเสียออกไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ เครื่องยนต์ ACE จึงได้ติดตั้งทั้งระบบอัดอากาศด้วยกลไก อย่าง ซูเพอร์ชาร์เจอร์ และแบบทำงานด้วยไอเสียอย่างเทอร์โบชาร์เจอร์ เพื่อดันไอเสียที่ค้างในกระบอกสูบออกได้อย่างสมบูรณ์แบบ

 

ACE เป็นเครื่องยนต์ดีเซลแบบ 4 กระบอกสูบ 8 ลูกสูบ พร้อมซูเพอร์ชาร์จ และเทอร์โบคู่ มีความจุมากถึง 14.3 ลิตร ให้พละกำลัง 1,000 แรงม้า ที่รอบเครื่องยนต์แค่ 2,600 รตน. นอกจากนี้ยังสามารถเพิ่มหรือลดความจุได้ เพื่อให้เหมาะสมกับความต้องการใช้งาน ตั้งแต่เครื่องยนต์ความจุ 4.0 ลิตร ให้กำลัง 300 แรงม้า ไปจนถึง 20.0 ลิตร ให้กำลัง 1,500 แรงม้า โดยแรงม้าที่ได้ หากเทียบกับเครื่องยนต์ดีเซลทั่วไป การที่ลูกสูบวิ่งเข้าหากัน ทำให้ความเร็วของลูกสูบเหมือนมีสัดส่วนสูงขึ้น (ความเร็วสัมพัทธ์สูงขึ้น) จึงมีประสิทธิภาพสูง ทนทาน และเกิดความสึกหรอต่ำ

 

เมื่อพ่วงเข้ากันกับระบบไฮบริดไฟฟ้า จึงทำให้ในสถานการณ์ที่ต้องการความเงียบ รถหุ้มเกราะแห่งอนาคตนี้ จะสามารถย่องเข้าหาเป้าหมายได้อย่างเงียบกริบอีกด้วย และดังที่กล่าวไปแล้วข้างต้นว่า การออกแบบในรูปแบบนี้ จะมีการสูญเสียความร้อนจากการเผาไหม้ต่ำกว่าแบบทั่วไป ดังนั้น “ร่องรอยความร้อน” หรือ HEAT SIGNATURE จะต่ำกว่าถึง 30 % ทำให้ได้เปรียบมากในสถานการณ์การรบเวลากลางคืน เนื่องจากกล้องดักจับความร้อน จะจับภาพความร้อนของเครื่องยนต์รุ่นใหม่ได้น้อยกว่านั่นเอง ยิ่งไปกว่านั้น การที่ออกแบบให้เป็นแบบสูบนอน ยังทำให้เครื่องยนต์มีความแบน ช่วยให้สามารถพัฒนาให้เข้าไปอยู่ในยานพาหนะทางทหารได้อย่างสะดวกอีกด้วย

62.4

ACHATES POWER ได้พัฒนาเครื่องยนต์ลูกสูบสวนทาง สำหรับยานพาหนะทางถนนมาได้พักใหญ่แล้ว โดยทดลองในรถบรรทุกหัวลากที่สหรัฐอเมริกา พวกเขาชี้แจงด้วยสถิติว่า รถบรรทุกหัวลากในสหรัฐอเมริกา มีสัดส่วนเป็น 5 % ของยานพาหนะทั้งหมด แต่กลับบริโภคเชื้อเพลิงดีเซลถึง 25 % และปล่อยมลพิษจำพวกไนโตรเจนออกไซด์ที่เป็นอันตราย คิดเป็นสัดส่วนมากถึง 40 % แต่เครื่องยนต์ดีเซล 2 จังหวะ ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่า จะลดการบริโภคเชื้อเพลิงลงอย่างมาก และเมื่อทำงานร่วมกันกับระบบจัดการไอเสียที่มีประสิทธิภาพ จะสามารถลดการปล่อยไนโตรเจนออกไซด์ได้มากกว่า 90 % เลยทีเดียว

 

ถึงจุดนี้ ความทรงจำเกี่ยวกับเครื่องยนต์ 2 จังหวะ ที่เสียงดังหนวกหู และมีกลิ่นน้ำมันหึ่ง น่าจะเกิดขึ้นกันแล้ว แต่เครื่องยนต์ของ ACHATES POWER ไม่ได้ผสมน้ำมันเครื่อง (ออโทลูพ) กับน้ำมันเชื้อเพลิง แล้วเผาไหม้ทิ้งไป เหมือนเครื่องจักรยานยนต์ หรือเครื่องตัดหญ้าแบบที่เราคุ้นเคย เพราะพวกเขาใช้ระบบหล่อลื่นแบบแยกส่วนแทน ซึ่งจะตัดปัญหาเรื่องกลิ่น และมลพิษไปได้

 

สรุปจุดเด่นของเครื่องยนต์แบบนี้ นอกจากเรื่องประสิทธิภาพ ได้แก่ ส่วนประกอบชิ้นเล็กๆ มีจำนวนน้อยกว่าเครื่องยนต์แบบปกติ ช่วยลดต้นทุนการผลิตชิ้นส่วนลงได้ราว 15 % และการลดชิ้นส่วนจำพวก ฝาสูบ แคมชาฟท์ และวาล์ว โดยวิเคราะห์จากเครื่องยนต์ขนาดเล็กของ ACHATES POWER ความจุ 2.7 ลิตร เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์แบบทั่วไปในพิกัดเดียวกัน จะมีชิ้นส่วนน้อยกว่า 60 % ส่งผลให้ลดต้นทุนได้ราว 10 %

 

เนื่องจากมีการเผาไหม้ได้เต็มประสิทธิภาพมากกว่า จึงสร้างมลภาวะน้อย ส่งผลให้ระบบกรองมลพิษมีขนาดเล็กลงกว่า 30 % และถึงแม้จะมี “จำนวน” ชิ้นส่วนน้อยกว่า และมีประสิทธิภาพในการเก็บเกี่ยวพลังงานจากการสันดาปสูงกว่าการสูญเสียในรูปแบบของความร้อนต่ำกว่า แต่เครื่องยนต์รูปแบบนี้ มักจะมี น้ำหนักมาก ซึ่งปัจจุบันก็ได้มีการเร่งพัฒนาให้ลดน้ำหนักของเครื่องยนต์ลงอย่างต่อเนื่องแล้ว

 

62.5

 

จำนวนของกระบอกสูบ แม้จะสามารถทำได้ทั้ง 2, 3, 4 และ 5 กระบอกสูบ แต่รูปแบบของกระบอกสูบที่ว่ากันว่า สมดุลที่สุดของเครื่องยนต์แบบนี้ คือ แบบ 3 กระบอกสูบ 6 ลูกสูบ ซึ่งเป็นรูปแบบที่ ACHATES POWER นำมาใช้ในเครื่องยนต์เพื่อการพาณิชย์ เนื่องจากการคายไอเสียเกิดขึ้นทุกๆ รอบหมุน 120 องศา จะไม่มีการเหลื่อมกันของทุกกระบอกสูบ ทำให้การไหลออกของไอเสียลื่นไหลที่สุด เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์แบบ 4 กระบอกสูบ อาจเกิดการอั้นของไอเสียที่ค้างในท่อไอเสีย จึงทำให้ต้องออกแบบระบบเฮเดอร์หลบเลี่ยงไอเสียย้อนกลับ

 

เครื่องยนต์แบบลูกสูบสวนทางนี้ ในปัจจุบันมีการพัฒนาขึ้นตั้งแต่ความจุ 2.7-5.0 ลิตร สำหรับรถยนต์นั่ง หรือรถกระบะ ความจุ 10.0 ลิตร สำหรับรถบรรทุกหัวลาก ความจุ 14.0 ลิตร สำหรับภารกิจทางทหาร ตลอดไปจนถึง 200.0 ลิตร สำหรับงานเครื่องปั่นไฟ หัวรถจักร และเรือเดินสมุทร เลยทีเดียว โดยเครื่องยนต์สำหรับรถนั่ง และรถบรรทุก ถูกพัฒนาขึ้นบนพื้นฐานรูปทรงของรถที่มีอยู่ในปัจจุบัน จึงไม่สามารถใช้รูปทรงแบบเครื่องสูบนอนเหมือนกับเครื่องยนต์ ACE ได้ เราจึงยังเห็นเป็นเครื่องที่มีรูปทรงตั้งตามปกติ

 

ปัจจุบันมี 9 บริษัท ให้ความสนใจในเครื่องยนต์แบบนี้ และ CUMMINS ได้ทำให้เห็นเป็นตัวอย่างแล้ว ต้องติดตามกันต่อไปว่า ในยุคที่โลกกำลังจะหมุนไปเป็นโลกของรถยนต์พลัง งานไฟฟ้า แนวคิดใหม่อย่าง “ลูกสูบสวนทาง” และ “ดีเซล 2 จังหวะ” จะช่วยต่ออายุเครื่องยนต์สันดาปภายในไปได้อีกกี่ทศวรรษ



------------------------------
เรื่องโดย : ภัทรกิติ์ โกมลกิติ
นิตยสาร FORMULA ฉบับเดือน ธันวาคม ปี 2563
คอลัมน์ : รู้ลึกเรื่องรถ
ลิงค์สำหรับแชร์ : https://autoinfo.co.th/qVaeH
เพิ่มเพื่อน