ที่สุดของ "เครื่องยนต์"

ที่ใช้คำว่า "ที่สุด"”เพราะผมขอจำกัดไว้เฉพาะเครื่องยนต์ของรถยนต์นั่งเท่านั้นนะครับ ไม่ได้รวม เครื่องยนต์จรวดรุ่นล่าสุด เครื่องยนต์เรือเดินสมุทรขนาดยักษ์ เครื่องมอเตอร์ไซค์แข่ง หรือเครื่องยนต์ จิ๋วของเครื่องบินเล็ก ซึ่งก็มีความเป็น "ที่สุด" ในบางด้านแตกต่างกันไป เพราะฉะนั้น ถ้าจำกัดขอบเขตไว้ที่เครื่องยนต์ของรถยนต์นั่ง ก็จะเป็นเครื่องยนต์ลูกสูบที่มีกระบอกสูบ ทรงกระบอก มีวาล์วดอกเห็ดควบคุมไอดีและไอเสีย ทำงานแบบ 4 จังหวะ ที่มีใช้อยู่ในรถที่เราขับกันอยู่ นี่ละครับ ถ้ามีความพิเศษขึ้นมาอีกหน่อย ก็จะเป็นเครื่องยนต์ของรถสปอร์ท ที่มีการ "รีด" กำลังเพิ่มขึ้น เป็นพิเศษ ถัดมาอีกระดับที่ค่อนข้างห่าม ก็คือเครื่องยนต์แข่งแรลลี ซึ่งถูกจำกัดกำลังไว้ด้วยกฎบางข้อ แล้วก็มาถึงเครื่องยนต์ของรถแข่งทางเรียบ และรถสูตรต่างๆ ซึ่งก็มีกฎระเบียบแตกต่างกันออกไป แต่ที่ต้องนับว่าสุดยอดไม่มีใครทาบได้ คือเครื่องยนต์ของรถแข่งสูตร 1 คำว่าสูตรหรือฟอร์มูลาในภาษา อังกฤษ ในกรณีนี้ ก็คือกฎระเบียบที่บังคับเกี่ยวกับตัวรถ เครื่องยนต์และระยะทางที่แข่งของรถประเภทนี้ ซึ่งมีรายละเอียดมากมายหลายร้อยข้อ หรือไม่ก็อาจจะเป็นพัน ในที่นี้เราจะมาทำความรู้จักกับเครื่องยนต์ ของรถแข่งสูตร 1 กันก่อนครับ ส่วนที่เกี่ยวกับตัวรถซึ่งสุดยอดไม่แพ้กัน ขอผลัดไว้ในโอกาสหน้าครับ เครื่องยนต์แข่งสูตรหนึ่งจัดว่าเป็นประดิษฐกรรมทางวิศวกรรมชั้นยอดอย่างหนึ่ง ถ้าไม่นับกฎและข้อบังคับ หลักๆ ที่สำคัญ ซึ่งจำเป็นต้องมี แล้วก็ต้องนับว่าเครื่องยนต์สูตรหนึ่งให้โอกาสแก่วิศวกรอย่างเต็มที่ในการ รีดเค้นกำลังของเครื่องยนต์ให้ได้มากที่สุด มันคือผลงานจากประสบการณ์ยาวนานและมันสมองชั้นยอด ของวิศวกรเครื่องยนต์ ผสานกับงบประมาณ (หรือเรียกว่าต้นทุนก็ได้) มหาศาล ระดับที่พอจะกล่าวได้ว่า ไม่จำกัดหรือไม่อั้น เพราะการแข่งรถประเภทนี้คือธุรกิจระดับแสนล้านบาท เครื่องยนต์สูตรหนึ่งถูกจำกัดความจุไว้ที่ 3 ลิตรหรือ 3,000 ซีซี มีจำนวนสูบได้ไม่เกิน 10 สูบ มีข่าว มาหลายปีแล้วว่าตั้งแต่ปี 2002 จะยอมให้ถึง 12 สูบ แต่จนถึงขณะนี้ก็ยังไม่ได้ข่าวความเปลี่ยนแปลง เรื่องนี้ นอกจากนี้ยังบังคับไว้ด้วยว่ากระบอกสูบต้องกลม ทำไมหรือครับ? เพราะผู้ได้ประโยชน์จากการ แข่งรถสูตรหนึ่งล้วนเป็น "ฝรั่ง" ผิวขาว ซึ่งกลัวว่า ฮอนดา ซึ่งเชี่ยวชาญด้านเครื่องยนต์แข่งลูกสูบรีแต่ ผู้เดียวในโลก จากการพัฒนาเครื่องมอเตอร์ไซค์แข่ง (ใช้ก้านสูบ 2 ก้าน และวาล์ว 8 ตัว/สูบ) จะ ได้เปรียบและคว้าชัยชนะไป ก็เลยออกกฎเข้าข้างพวกเดียวกันเสียดื้อๆ จำนวนเสาก็ถูกจำกัดเช่นเดียวกัน คือห้ามเกิน 4 ตัว/สูบ ซึ่งก็ไม่มีเหตุผลอะไรในทางสร้างสรรค์เลย ครับ น่าจะกลัวเสียเปรียบ ญี่ปุ่น เช่นเดียวกัน เพราะ ญี่ปุ่น ได้วิจัยเครื่องยนต์สูบละ 5 วาล์ว (ไอดี 3 ไอเสีย 2 ตัว) อย่างถึงรากถึงโคนมาตั้งแต่ยี่สิบปีที่แล้ว เครื่องแข่งสูตรหนึ่งที่มีสิทธิ์ลงแข่งอย่างเป็นทาง การ จึงมีลักษณะคร่าวๆ เหมือนกันหมด คือเป็นเครื่อง วี-10 สูบ 40 วาล์ว ขนาดเกือบ 3,000 ซีซี แต่รายละเอียดปลีกย่อยแตกต่างกันได้มาก ตามความเห็นของวิศวกรที่ออกแบบ และแน่นอนครับว่าราย ละเอียดที่ว่านี้ ล้วนเป็นความลับระดับสุดยอด แค่ให้มองเห็นตัวเครื่องยนต์ภายนอก ก็ยังไม่ยอมกันแล้ว ใครอยากรู้ต้องใช้สายลับทำงานระดับงานจารกรรมเลยทีเดียว คงมีผู้อ่านสงสัยว่า "อะไรมันจะขนาด นั้น ?" คำตอบนั้นง่ายมากครับ และก็เข้าใจง่ายด้วย เพราะผลประโยชน์จาก "เกมส์" นี้มันมหาศาลนั้นเอง นอกจากการซื้อตัววิศวกรแล้ว ก็มีการซื้อความลับจากคนวงใน ถ้าไม่ได้ ขอแอบถ่ายรูปถ่ายวีดีโอ แล้ว เอาไปวิเคราะห์กันอย่างเอาเป็นเอาตายก็ยังดี ผมเคยอ่านพบการให้สัมภาษณ์ของหัวหน้าวิศวกร เครื่องยนต์ เรื่องการ "ซื้อตัว" ข้ามทีม เขาบอกว่าแค่ได้ความรู้จากวิศวกรคนนั้นว่าใช้แบริง (ที่ช่าง เรียกกันว่า "ชาฟท์") ได้แคบที่สุดเท่าไร โดยที่เครื่องยนต์ไม่พัง ก็นับว่าคุ้มค่าตัวแล้ว แน่นอนครับว่า เป็นความจริง สมมติว่าใช้แบริงได้แคบที่สุด 40 มม. แต่ทีมที่ไม่ทราบ ต้องมาลองตั้งแต่ 38 มม. 38.5 หรือ 39 มม. แล้วพังทั้งหมด จะสิ้นเปลืองเวลาและเงินขนาดไหน และที่แย่ที่สุดคือไปพังตอนแข่ง โดยเฉพาะตอนกำลังจะเข้าเส้นชัยด้วย เครื่องยนต์แข่งฟอร์มูลา วัน หรือสูตรหนึ่ง จะเป็นเครื่องยนต์ประเภทกระบอกสูบใหญ่แต่ระยะชักสั้นเสมอ เพราะต้องใช้พื้นที่สำหรับวาล์วขนาดใหญ่ เพื่อให้แกสไหลเข้าออกได้ในอัตราสูง และอีกประการก็คือ เครื่องยนต์เหล่านี้ทำงานที่ความเร็วรอบสูงมาก การใช้ระยะชักสั้นจะทำให้ความยาวของก้านสูบสั้นตาม ช่วยลดน้ำหนักได้เพราะแรงเฉื่อยของก้านสูบ ขณะเปลี่ยนทิศทางในการเคลื่อนที่ที่ศูนย์ตายบนนั้น มีค่า มหาศาลครับเพราะเครื่องยนต์หมุนเร็วกว่า 18,000 รตน. แรงกระชากที่ก้านสูบต้องรับให้ได้โดยไม่ ขาดสะบั้นนั้นเกิน 100,000 นิวตัน หรือเทียบเป็นน้ำหนักของมวลกว่า 10 ตัน ถ้าจินตนาการได้ยาก ลองเปรียบกับน้ำหนักข้าวสารก็ได้ครับ ก้านสูบขนาดเล็กเหล่านี้ ต้องรับแรงดึงเท่า กับหิ้วข้าวสาร (กระสอบละ 100 กก.) กว่า 100 กระสอบ และด้วยความถี่ 300 ครั้ง/วินาที เป็น ภาระที่ "สุดโหด" จึงต้องใช้ก้านสูบที่ทำจากไททาเนียม ซึ่งเป็นโลหะเบาแต่มีความแกร่งและ "เหนียว" พอ ถึงกระนั้นถ้าผิดพลาดเมื่อใด เช่นโบลท์เหรือ "นอทตัวผู้" ขาด หรือแม้แต่ตัวก้านสูบเองขาดก็จะพุ่ง ทะลุเสื้อเครื่องยนต์ออกมาทันทีครับ แบบนี้พอจะเรียกได้ว่าเครื่อง "ระเบิด" ทั้งๆ ที่จริงๆ แล้วก็ยังไม่ ใช่ ส่วนที่มีควันโขมงแล้วหมดกำลังลงจนแข่งต่อไปไม่ได้นั้นไม่ใช่ครับผมดูการถ่ายทอดทางเคเบิลทีวี ได้ ยินผู้บรรยายไทยเรียกว่าเครื่องระเบิดทุกครั้ง มีสาเหตุได้มากมายครับและไม่ได้รุนแรงระดับเครื่องยนต์ "ระเบิด" ด้วย เช่น ท่อน้ำมันไฮดรอลิครั่ว ห่วงเกียร์รั่ว วาล์วไหม้ละลายระบบหล่อเย็นรั่ว ฯลฯ เครื่องยนต์สูตรหนึ่งมีความจุเพียง 3,000 ซีซี และมีระยะชักสั้นมาก แรงบิดที่ได้จึงไม่มากนัก โดยทั่วไป ก็เกือบ 400 นิวตันเมตร น้อยกว่ารถเก๋งและรถสปอร์ททั่วๆ ไปหลายรุ่น แต่เครื่องยนต์นี้ให้กำลัง มหาศาลโดยอาศัยความเร็วรอบครับ เพราะกำลังของเครื่องยนต์ที่มีหน่วยเป็นกิโลวัตต์หรือแรงม้านั้น คือ ผลคูณระหว่างแรงบิดและความเร็วรอบที่เพลาข้อเหวี่ยงหมุน กำลังของเครื่องยนต์แข่งสูตรหนึ่งจะอยู่ใน ช่วงเกือบๆ 800 แรงม้า สำหรับทีมที่ไม่ค่อยเก่งหรือไม่ค่อยรวย แต่ถ้าเป็นทีมระดับแนวหน้า ก็จะอยู่ ประมาณ 820-830 แรงม้า ถ้าเป็นเครื่องระดับสุดยอด เช่น บีเอมดับเบิลยู ก็อาจจะเกิน 850 แรงม้า ไปนิดหน่อยเป็นการประมาณจากการเปรียบเทียบกับทีมอื่นขณะแข่งนะครับ ค่าจริงนั้นเป็นความลับสุดยอด อย่างที่เรียนให้ทราบแล้ว ผมเชื่อว่าทุกลมหายใจเข้าออกของวิศวกรเครื่องยนต์สูตรหนึ่งเหล่านี้ จะต้องคิดหาทางเพิ่มกำลังของ เครื่องยนต์ ซึ่งมีตัวแปรอยู่มากมาย ตั้งแต่กระบอกสูบ ระยะชัก ขนาดวาล์ว มุมระหว่างวาล์วไอดีและ ไอเสีย ขนาดและรูปทรงของท่อไอดี จังหวะจุดระเบิด รูปทรงของลูกเบี้ยว รูปทรงของห้องเผาไหม้ ฯลฯ เนื่องจากกำลังที่ได้ออกมาสำหรับใช้งานที่ปลายเพลาข้อเหวี่ยงด้านท้ายของเครื่องยนต์นั้น คือพลัง งานที่ได้จากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงผสมอากาศลบออกด้วยพลังงานความร้อนที่ระบบหล่อเย็นคายทิ้ง ไป และยังลบออกด้วยพลังงานที่สูญเสียไปเพราะแรงเสียดทานภายในเครื่องยนต์ ซึ่งก็กลายเป็นพลังงาน ความร้อนอีกส่วนนั่นเอง คำนวณและวัดเป็นกำลังที่สูญเสียไปเพราะแรงเสียดทานต่างๆ ภายในเครื่องยนต์ได้ราวๆ 200 แรงม้า ส่วนใหญ่สูญไปกับแรงเสียดทานระหว่างลูกสูบและกระบอกสูบ เพราะฉะนั้นถ้าลดแรงเสียดทานนี้ลงได้ ก็ จะเพิ่มกำลังของเครื่องยนต์ไปในตัว การหาทางทำให้กระบอกสูบลื่นที่สุด แต่ยังทนความร้อนได้ และมี แอ่งเล็กๆ ที่ผิวให้นำมันเครื่องฝังตัวเพื่อหล่อลื่นแหวนลูกสูบและตัวลูกสูบ จึงเป็นงานที่ทีมงานผลิต เครื่องยนต์ ซึ่งเกือบทั้งหมดก็คือทีมงานของโรงงานผลิตรถเก๋งและรถสปอร์ทนั่นเองครับ ทุ่มเทกันสุดตัว โดยไม่หวั่นว่าจะสิ้นเปลืองเพียงใด มีการซื้อเทคโนโลยีฉาบผิวกระบอกสูบกันในวงเงินระดับร้อยล้านบาท ไม่คำนึงด้วยซ้ำว่าโลหะที่ใช้จะมีพิษต่อคนงานหรือช่างเครื่อง เสื้อเครื่องก็ต้องทำให้เบาที่สุดเช่นกันครับ ที่จริงแล้วต้องบอกว่าทุกชิ้นที่ประกอบเป็นเครื่องยนต์สูตร หนึ่ง ถูกเพ่งพิจารณาในเรื่องลดน้ำหนักมาอย่างสุดขีดแล้ว ส่วนใหญ่เข้าใจกันว่าเพื่อให้รถมีอัตราเร่งดี หรือทำความเร็วได้สูง แต่ไม่ใช่ครับ เพราะมีกติกาบังคับควบคุมน้ำหนักกรดไว้แล้ว ไม่ให้ต่ำกว่าค่าที่กำหนดไว้ ซึ่งที่จริงแล้วรถทุกคันก็มีน้ำหนักต่ำกว่าอยู่แล้ว แต่ก็ยังพยายามลดน้ำหนักทุกชิ้นส่วนของตัวรถโดยเฉพาะ เครื่องยนต์กันแบบไม่มีวันเลิกรา มีสาเหตุซ่อนอยู่ลึกหน่อยครับ ยิ่งลดน้ำหนักรวมของรถได้ต่ำกว่าค่าที่ บังคับเท่าใด วิศวกรด้านตัวรถก็สามารถเอาน้ำมันส่วนต่างนี้ ไปถ่วงที่ท้องรถให้ต่ำที่สุด เพื่อให้ตัวรถทั้งคันมีจุดศูนย์ถ่วง ต่ำกว่าคู่แข่ง การถ่วงน้ำหนักก็ไม่ใช่แค่หาเหล็กหรือตะกั่วมาก้อนหนึ่ง แล้วอัดเข้าไปนะครับ ทุกเสี้ยว มิลลิเมตรของตำแหน่งจุดศูนย์ถ่วงมีความหมาย ก็ต้องหาวัสดุที่มันเนื้อแน่นที่สุด ทำให้บางเพื่อให้จุดศูนย์ ถ่วงของตัวมันต่ำก่อน วิศวกรพวกนี้มองไปที่ตารางธาตุต่างๆ ในตำราเคมีกันเลยบางธาตุก็เข้าข่ายมี กัมมันตรังสีที่เป็นอันตรายต่อมนุษย์ได้ ก็เป็นหน้าที่ของคณะกรรมการที่ต้อง "ตาม"ให้ทัน แล้วออกกฎห้าม ความเร็วที่วาล์วไอดีและไอเสียต้องเปิดและปิดให้ทันที่ความเร็ว 18,000 รตน. นี้ แม้จะเป็น เครื่องยนต์ 4 จังหวะแบบเดียวกับในรถของเรา ซึ่งเพลาลูกเอี้ยวหมุนเพียงครึ่งเดียวของเพลาข้อ เหวี่ยง วาล์วก็จะต้องเปิดและปิดถึง 150 ครั้งใน 1 วินาที ถึงจะมีวัสดุทำสปริงวาล์วให้มีแรงเปิดและ ปิดทัน แต่ก็มีปัญหาความสั้นสะเทือนหรือไวเบรชันของตัวขดสปริงเองที่รอบสูง จึงต้องใช้แรงจากการอัด อากาศความดันสูงแทนแรงจากสปริงวาล์ว เรียกอย่างเป็นทางการว่านิวเมติค น้ำมันหล่อลื่นหรือน้ำมันเครื่องต้องระดับสุดยอดเช่นกัน คือใสมาก (ไม่ข้นนะครับ ไม่ใช่ไม่ขุ่น ที่จริงน่าจะ เรียกกันว่าเหลวมาก) เพื่อให้เกิดแรงเสียดทานน้อยที่สุด แต่ก็ต้องป้องกันโลหะเสียดสีกันได้เพียงพอ จึง เป็นสูตรลับที่วิศวกรของโรงงานน้ำมันหล่อลื่นที่สนับสนุน ทุ่มเทพัฒนากันสุดฝีมือเช่นกัน ปริมาณน้ำมัน เครื่องที่ใช้อยู่ในช่วง 9-10 ลิตร เพราะเป็นแบบ "อ่างแห้ง" ต้องมีถังเก็บต่างหาก เพื่อให้การระบายความร้อนของเครื่องยนต์มีประสิทธิภาพสูง ผู้ออกแบบจะพยายามให้น้ำหล่อเย็นร้อน ที่สุด เพราะยิ่งร้อนเท่าใดก็จะคายความร้อนให้อากาศได้ดีเท่านั้น ทำให้ใช้หม้อน้ำขนาดเล็กได้ ช่วยลด แรงต้านลมได้ดี และถ้าต้องการให้น้ำร้อนแต่ไม่เดือด ก็ต้องให้มันอยู่ใต้ความดันสูง เพื่อให้มีความเท่า เทียมกัน และตัดปัญหาในการควบคุมความปลอดภัย จึงมีกกจำกัดความดันของน้ำในระบบหล่อเย็นของ เครื่องยนต์สูตรหนึ่งไว้ที่ 3.75 บาร์ หรือประมาณ 53 ปอนด์/ตารางนิ้ว ราวๆ 2 เท่าของความดันลม ยางรถเก๋งขนาดเล็ก อุณหภูมิเฉลี่ยของน้ำหนักหล่อเย็นในเครื่องยนต์จึงสูงถึง 125 เซลเซียส ที่เหลือ เป็นหน้าที่ของผู้ผลิตหม้อน้ำ ที่จะหาวัสดุซึ่งคายความร้อนได้ดี โดยไม่ต้องคำนึงว่ามันจะแพงแค่ไหน คงพอเห็นภาพและเข้าใจนะครับว่าเครื่องยนต์พวกนี้ สมกับชื่อ "สูตร 1" จริงๆ