มีอะไรใหม่ในเครื่องยนต์ ?

เทคโนโลยียานยนต์ก้าวรุดหน้าไปอย่างรวดเร็วแทบจะตามกันไม่ทันเลยนะครับ ถ้าจะเปรียบเทียบให้เห็นภาพพจน์ ผมว่าในแต่ละปีนั้น มีวิทยการใหม่เกิดขึ้นมากกว่าในช่วงสิบปีของยุคเมื่อสามสิบปีที่แล้วเสียอีกครับ ส่วนใหญ่มาจากความก้าวหน้าทางด้านอีเลคทรอนิคส์ และเมื่อนำมาผสานให้ทำงานร่วมกับกลไกต่างๆ หรือเมแคนิคส์แล้ว เราก็จะได้นวัตกรรมที่มีคุณประโยชน์เพิ่มขึ้นอีกมากมาย ผลพวงของวิทยาการสองด้านที่ถูกนำมาผสมผสานกันนี้ เราเรียกว่าเมแคทรอนิคส์ (MECHATRONICS) ซึ่งได้มาจากการนำคำทั้งสองมาอย่างละครึ่งนั่นเองครับ อุปกรณ์จำนวนมากในรถยนต์ เช่น ระบบเอบีเอส ระบบควบคุมเสถียรภาพของรถ หรืออีเอสพี คือตัวอย่างที่ดีของเมแคทรอนิคส์ หุ่นยนต์อุตสาหกรรมที่ทำงานอยู่ในโรงงานอุตสาหกรรมแทนแรงงานและฝีมือมนุษย์ คืออีกตัวอย่างที่เห็นได้ชัดของเมแคทรอนิคส์ วิศวกรยุคนี้และในอนาคตจะถนัดหรือชอบเฉพาะระบบกลไกหรือระบบไฟฟ้าอย่างเดียวไม่ได้แล้วครับ วิศวกรเมแคทรอนิคส์จึงเป็นที่ต้องการอย่างมาก โดยเฉพาะในประเทศเรา ซึ่งมีโรงงานอุตสาหกรรมอยู่พอสมควร ปัญหาที่ผมเห็นตอนนี้ก็คือเราแทบไม่มีบุคลากรที่สอนด้านนี้ได้ เนื่องจากเป็นของใหม่ นอกจากนี้สถาบันการศึกษาที่มีความพร้อมด้านเครื่องมือและอุปกรณ์ ก็กลับมีปัญหาที่คุณภาพของนักศึกษา ส่วนสถาบันที่มีนักศึกษาศักยภาพสูง ก็ไม่มีอุปกรณ์และบุคลากรด้านนี้ ผมนำมาเล่าสู่กันเพราะบังเอิญเกี่ยวข้องกับเทคโนโลยียานยนต์อยู่มากพอสมควรครับ เทคโนโลยีเครื่องยนต์ของรถยนต์ ก็ก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็วเพราะการพัฒนาด้านอีเลคทรอนิคส์และเมแคทรอนิคส์เช่นเดียวกัน แต่นั่นคือรายละเอียดครับ ส่วนที่เป็นโครงสร้างหลักจะยังคงเดิมไปอีกนาน สำหรับผู้สอนด้านเครื่องยนต์หรือนักศึกษาที่กำลังเรียนวิชานี้อยู่ ผมขอแนะนำให้ทุ่มเทกับเครื่องยนต์อย่างที่เราเรียนและสอนกันอยู่อย่างเต็มที่ได้เลยครับ ไม่ต้องไปกังวลว่ามันจะล้าสมัยและเป็นการสูญเปล่า ผมบอกได้เลยครับว่าเครื่องยนต์กระบอกสูบกลม มีลูกสูบทรงกระบอกชักขึ้นลงด้วยข้อเหวี่ยงและก้านสูบนี้ จะอยู่กับชีวิตเราไปอีกอย่างน้อยที่สุด 40 ปี เพราะยังไม่มีเครื่องยนต์แบบอื่น "โผล่" มาให้เราเห็นและมีความหวังจริงจังในวันนี้ ตัวเลขระยะเวลาที่ผมประมาณนี้ ก็ไม่ได้ทึกทักเอาเองตามใจชอบนะครับ วันนี้เราสามารถบอกได้ว่าอีกสิบปีข้างหน้า รูปแบบเครื่องยนต์ที่วิศวกรจะเริ่มพัฒนาสำหรับใช้กับรถรุ่นใดก็ตาม ก็จะยังคงเป็นเครื่องยนต์แบบนี้อยู่อย่างแน่นอน กว่าจะออกแบบพัฒนาและทดสอบเสร็จอีกประมาณ 5 ปี และเครื่องยนต์นี้ก็จะถูกใช้งานอีกอย่างน้อย 20 ปีขึ้นไป ลองขยับความคิดคืบหน้าไปอีกสัก 5 ปี ผมก็ยังเห็นแต่เครื่องยนต์แบบนี้อยู่ในร่างต้นแบบของวิศวกรเครื่องยนต์อยู่ดีแหละครับ แน่นอนว่าในหลายๆ ประเทศทั่วโลก จะมีนักประดิษฐ์พยายามคิดค้นหาทางสร้างเครื่องยนต์รูปแบบอื่นให้ดีกว่าอยู่อย่างเอาเป็นเอาตายทั้งแบบลับและไม่ ลับ หลายรายขายลิขสิทธิ์ให้กับโรงงานรถยนต์ระดับยักษ์ใหญ่ไปแล้ว โรงงานระดับนี้มีเงินเหลือเฟือครับ เงินระดับร้อยล้านบาทนี่เล็กน้อยมาก สิ่งที่โรงงานเหล่านี้กลัวมาก คือการ "ตกรถ" หรือพลาดโอกาสนั่นเอง เพราะหากสำเร็จใช้ได้ผลจริง ก็สามารถผูกขาดมีของดีเหนือคู่แข่งอย่างน้อยก็สิบปี ขายลิขสิทธิ์ถอนทุนหรือทำกำไรเลยก็ยังได้อีก ปัญหาอยู่ที่เครื่องยนต์แบบที่เราใช้กันอยู่ในรถขณะนี้นั้น ถูกกำจัดจุดอ่อนไปเกือบหมดแล้ว เพราะเป็นการพัฒนาอย่างต่อเนื่องมากว่าหนึ่งร้อยปี แม้แต่ชิ้นส่วนที่รับภาระหนักมาก ก็ถูกปรับปรุงจนมีอายุยืนยาวในระดับที่ลูกค้าผู้ใช้รถพอใจ แหวนลูกสูบ กระบอกสูบ ปะเก็นฝาสูบ ซีลกันรั่ว วาล์ว บ่าวาล์ว เหล่านี้มีอายุใช้งานเกินกว่า 2 แสนกิโลเมตรทั้งนั้นครับ นี่คือเหตุผลสำคัญที่ทำให้เครื่องยนต์แบบนี้ครองตำแหน่งมาอย่างยืนยาว หาใครมาเบียดแทนที่ยังไม่ได้ เพราะฉะนั้นถ้าไม่นับการพัฒนาปรับปรุงภายในเช่น วัสดุที่ใช้ทำกระบอกสูบ ก้านสูบ แหวนลูกสูบวาล์วแล้ว การพัฒนาเครื่องยนต์ในปัจจุบันและอนาคต จะเป็นการพัฒนาระบบต่างๆ เช่น ระบบจ่ายเชื้อเพลิง ระบบควบคุมวาล์วหรือลิ้น ระบบป้อนอากาศ และการประสานการทำงานเข้ากับระบบอื่นๆ ของรถ เช่นทำงานร่วมกับเกียร์ ร่วมกับระบบเบรค สำหรับเครื่องยนต์ดีเซล ถือได้ว่านวัตกรรมของระบบหัวฉีด คือการฉีดตรงหรือ DIRECT INJECTION ควบคุมทั้งปริมาณและจังหวะด้วยระบบอีเลคทรอนิคส์ รู้จักกันในชื่อ คอมมอน เรล ไดเรคท์อินเจคชัน "ถืงมือ" ผู้บริโภคอย่างเต็มตัวแล้ว ในรถเก๋ง และรถบรรทุกขนาดเล็กหรือพิคอัพ ขั้นต่อไปน่าจะถูกนำไปใช้กับรถโดยสารและรถบรรทุกขนาดใหญ่ครับ ระบบนี้ช่วยลดความสิ้นเปลืองและสารพิษในไอเสียได้ไม่น้อย เครื่องยนต์เบนซินยังไปได้ไม่ไกลขนาดนั้น แต่ละโรงงานล้วนมีเครื่องยนต์เบนซินแบบฉีดตรงหรือไดเรคท์อิน เจคชันกันทั้งนั้น หลายโรงงานก็ใส่รถออกจำหน่ายเป็นบางรุ่นแล้ว ที่เห็นออกจำหน่ายจริงจังหลายรุ่นเป็นรูปธรรมจริงๆ ดูเหมือนจะมีรายเดียวครับ คือ มิตซูบิชิ ภายใต้ชื่อ จีดีไอ สำหรับผู้อ่านที่ไม่ได้เป็น "ขาประจำ" อาจจะสงสัยว่าแบบฉีดตรงนี้มันต่างจากระบบหัวฉีดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายอยู่แล้วนี่อย่างไร เครื่องยนต์เบนซินหัวฉีดทั่วไปที่พวกเราใช้กันอยู่ เป็นการฉีดแบบอินไดเรคท์ (INDIRECT) ครับ คือปลายหัวฉีดอยู่นอกห้องเผาไหม้ ซึ่งก็คือช่องไอดีหรือพอร์ท (PORT) ไอดีนั่นเอง น้ำมันเบนซินจะถูกฉีดเป็นฝอยไปที่หัววาล์วไอดี แล้วจึงเข้าไประเหยผสมกับอากาศในกระบอกสูบ ส่วนแบบไดเรคท์นั้น ปลายหัวฉีดจะอยู่ที่ผนังห้องเผาไหม้ เราจำเป็นต้องใช้การฉีดแบบไดเรคท์ เพราะต้องการให้ส่วนผสมระหว่างเบนซินกับอากาศ เข้มข้นเหมาะแก่การติดไฟลุกไหม้เฉพาะบริเวณใกล้เขี้ยวหัวเทียนเท่านั้น พอติดแล้วเราก็จะอาศัยเปลวเพลิงให้ลามไปเผาไหม้ไอดีเจือจาง ซึ่งไหม้สามารถถูกจุดด้วยประกายไฟของหัวเทียนได้ จำนวนเบนซินที่น้อยกว่าในไอดีเจือจางนี่แหละครับ คือส่วนที่ประหยัดเชื้อเพลิงได้ เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์หัวฉีดแบบดั้งเดิม หรืออินไดเรคท์ พอประหยัดได้ก็มีปัญหาใหม่ตามมา เพราะไอเสียจากการเผาไหม้ของไอดีที่จาง มันมีแกสพิษชนิดหนึ่งปริมาณสูงปนออกมาด้วยคือ ออกไซด์ของไนโตรเจน หรือ NOX เรียกกันง่ายๆ ว่า "นอกซ์" (เครื่องยนต์ทั่วไปก็ปล่อยแกสนี้เหมือนกันครับ แต่ปริมาณไม่สูงเพราะไอดีไม่จางมาก) ถ้าจะลดปริมาณของมัน ก็ต้องใช้แคทาไลทิค คอนเวอร์เตอร์ หรือเครื่องฟอกไอเสียแบบพิเศษครับ และถ้าจะใช้เครื่องฟอกนี้ ก็ต้องใช้เบนซินแบบพิเศษ ซึ่งมีปริมาณกำมะถันน้อยกว่าในเบนซินที่ขายอยู่ตามปั๊มน้ำมันทั่วไป ซึ่งกว่าจะผลิตได้แพร่หลายในประเทศอุตสาหกรรมก็อีก 3-5 ปี ตอนนี้บรรดาโรงงานรถยนต์จึงต้องเปลี่ยนแนวคิดใหม่ คือพัฒนาระบบฉีดตรง แต่เป็นแบบไอดีในห้องเผาไหม้ มีความเข้มสม่ำเสมอทั่วถึงกัน จึงไม่มีส่วนเจือจางให้เกิดนอกซ์ (NOX) ในปริมาณสูง แล้วก็ต้องหาทางประหยัดเชื้อเพลิงลงให้ได้พอสมควร สิ่งแรกที่ทำได้คือเพิ่มอัตราส่วนการอัด หรือที่เราเรียกกันว่า "กำลังอัด" ให้สูงขึ้น เพราะละอองเบนซินที่ระเหยในกระบอกสูบช่วยให้ไอดีเย็นลง ทำให้เพิ่มกำลังอัดได้โดยไม่นอค ผลพลอยได้นอกเหนือจากการประหยัดเชื้อเพลิงคือ เครื่องยนต์จะให้กำลังเพิ่มขึ้นด้วย โรงงาน เอาดี พิสูจน์แล้วด้วยรถแข่ง เลอ มองส์ (สนามแข่ง LE MANS) ที่ใช้เครื่องยนต์เบนซินแบบฉีดตรง เรอโนลต์ ก็มีเครื่องยนต์ฉีดตรงแบบความเข้มไอดีเท่ากันทั่วห้องเผาไหม้นี้ ในชื่อรุ่น ไอดีอี IDE ส่วน อัลฟา โรเมโอ ก็มีเหมือนกัน ในชื่อ เจที เอส (JTS) ของ อัลฟา ฯ มีพิเศษอยู่ตรงที่ไอดีเจือจางมากในช่วงเดินเบา บีเอมดับเบิลยู พัฒนาระบบนี้กับเครื่องยนต์รุ่น 12 สูบ ส่วน ไดมเลร์ ไครสเลอร์ กลับพัฒนากับเครื่องรุ่นจิ๋ว ฉบับหน้าผมจะเอาข้อมูลของ เบนซ์ มาแนะนำกันอย่างละเอียดอีกทีครับ