ระบบเครื่องยนต์ กับการประหยัดน้ำมัน

ในสภาวะที่น้ำมันเชื้อเพลิงมีราคาแพงนี้ การจะเลือกซื้อรถยนต์ซักคันนั้น จำเป็นต้องคำนึงถึงการประหยัดน้ำมันที่ตามมาด้วย เพราะน้ำมันเป็นสิ่งที่จะต้องใช้ควบคู่รถยนต์ไปตลอดอายุการใช้งานของมัน ดังนั้น ก่อนที่เราจะตัดสินใจซื้อรถยนต์สักคันนั้น การศึกษาความแตกต่าง และการทำงานของระบบรถยนต์ต่างๆ นั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญ ซึ่งจะช่วยให้เลือกรถยนต์ที่เหมาะสม ประหยัดพลังงาน และประหยัดเงินในกระเป๋าอีกด้วย เครื่องยนต์ที่ใช้ในรถยนต์ทั้งหมดนั้น ต่างก็ใช้เชื้อเพลิงสันดาปภายในทั้งสิ้น คือการเอาเชื้อเพลิงผสมอากาศให้เหมาะสม แล้วทำให้ติดไฟขึ้น อากาศก็จะขยายตัว และขับเคลื่อนลูกสูบไปยังข้อเหวี่ยง ผ่านระบบเกียร์ทด แล้วส่งไปที่ล้อ ซึ่งไม่ว่าจะเป็นระบบขับ 2 ล้อ หรือ 4 ล้อ ก็จะหมุนไปในทำนองเดียวกัน เพื่อให้รถนั้นเคลื่อนตัวไป เครื่องยนต์สันดาปภายในที่ว่า จำแนกออกได้ 2 ชนิด คือ เครื่องยนต์ลูกสูบ และเครื่องยนต์โรตารี่ ส่วนเครื่องกังหันก๊าซ เช่นที่ใช้ในเครื่องบินขนาดใหญ่ทั้งหมด ไม่สามารถนำมาใช้กับรถยนต์ได้ หลายสิบปีที่ผ่านไป ได้เคยมีความพยายามทดลองทำกันอย่างจริงจัง ซึ่งบริษัทผู้ผลิตรถยนต์ยักษ์ใหญ่ได้เพียรพยายามอยู่หลายต่อหลายหน แต่ก็ไม่สำเร็จ เพราะอาการของเครื่องยนต์ที่ตอบสนองไม่สามารถเข้ากันกับการขับขี่ของรถ เพราะการซ่อนการทำงานของเครื่องยนต์นั้นแคบ เครื่องจะเริ่มเดินเบาได้ ก็ต้องหมุนถึง 80-90% No load ที่ความเร็วรอบ 90% และฟูลโหลดที่ 100% ซึ่งจำเป็นต้องใช้เกียร์ทดสปีดหลายอัตราทด เป็นหลาย ๆ สิบเกียร์จึงจะเพียงพอกับความต้องการ อีกทั้งยังขาดกำลังฉุด คือเมื่อยกคันเร่งแล้ว ก็ไม่มีอาการที่เรียกว่า เครื่องฉุด ซึ่งเครื่องจะไหลไปเหมือนเราปลดเกียร์ว่างอยู่ตลอดเวลา ส่วนเครื่องยนต์ของรถยนต์ก็จะมีเพียงระบบลูกสูบกับระบบโรตารี่ ที่เจ้าของต้นตำรับคือ ชาวเยอรมัน ชื่อ แวงเคิล ซึ่งรถยี่ห้อ NSU ได้นำไปผลิตเป็นรายแรก แต่ก็ทำอยู่ไม่นาน แล้วก็ขายต่อให้รถญี่ปุ่นไป เพราะเครื่องยนต์ชนิดนี้มีปัญหามาก ซึ่ง MAZDA ก็ซื้อลิขสิทธิ์ไปต่อจาก NSU ส่วน NSU ของเยอรมันก็สลายตัวเลิกกิจการ ซึ่งตอนนั้น รถที่นำไปใช้คือรุ่น RX2 ที่ฮือฮามากในอเมริกา ซึ่งมีถังน้ำมันโตเท่ากับรถอเมริกาขนาดใหญ่ คือ 17 แกลลอน ส่วนรถทั่วไปนั้น จะมีถังน้ำมันอยู่ที่ประมาณไม่เกิน 12 แกลลอนเท่านั้น และความจริงก็ปรากฏว่ามันกินน้ำมันมาก ซึ่งก็ทำให้คนเลิกใช้ระบบนี้ไป ส่วนเครื่องยนต์ชนิดลูกสูบ ที่มีมาแต่โบราณ เมื่อ 100 กว่าปีมาแล้ว ก็ยังอยู่ยงคงกระพันต่อไปโดยไม่มีท่าว่าจะเปลี่ยนเป็นอย่างอื่น แต่ก็ได้มีการปรับปรุงไปบ้าง เป็นระบบเบนซินกับดีเซล ซึ่งทั้งสองระบบก็มีแนวทางพัฒนาไปในทิศทางเดียวกัน คือเพิ่มวาล์วให้เยอะขึ้น จากลูกสูบละ 2 วาล์ว ก็เป็น 4-5 วาล์ว เพื่อเพิ่มกำลังแรงม้า เพิ่มรอบความเร็วของเครื่องให้สูงขึ้น แม้กระนั้นการเปลี่ยนพลังความร้อนก็ยังอยู่ในสภาพไม่ดีนัก คือ 35-40% เท่านั้น ยิ่งรถในบ้านเราที่วิ่ง ๆ หยุด ๆ อย่างนี้ ประสิทธิภาพเครื่องยนต์อาจเหลือเพียง 20% เท่านั้น เท่ากับว่าเราต้องจ่ายค่าน้ำมันไปหนึ่งร้อย แต่ใช้งานจริงได้เพียงแค่ 20 เท่านั้น ส่วนอื่นๆ คือการเผาลมให้ร้อนเล่นเฉย ๆ เครื่องยนต์ดีเซลในปัจจุบันก็ถือได้ว่าพัฒนาไปมาก จากเดิมเป็นระบบเผาไหม้หมุนเวียนในห้องเผาไหม้ล่วงหน้า ก่อนที่จะส่งไปเผาต่อบนหัวลูกสูบ เพื่อลดแรงกระแทกจากการจุดระเบิดที่รุนแรง โดยทั่วไป เชื้อเพลิงดีเซลมีจุดติดไฟที่อุณหภูมิต่ำ คือประมาณ 300 ํC ก็ติดไฟแล้ว และยังไวไฟอีกต่างหาก คือติดแล้วก็ระเบิดไปเลย ไม่เหมือนเบนซินที่เผาไหม้ช้า ติดไฟยากกว่า ต้องใช้ความร้อนขนาดประกายไฟจากหัวเทียนจึงติดไฟ เครื่องยนต์ดีเซลในปัจจุบันก็ถือได้ว่าพัฒนาไปมาก จากเดิมเป็นระบบเผาไหม้หมุนเวียนในห้องเผาไหม้ล่วงหน้า ก่อนที่จะส่งไปเผาต่อบนหัวลูกสูบ เพื่อลดแรงกระแทกจากการจุดระเบิดที่รุนแรง โดยทั่วไป เชื้อเพลิงดีเซลมีจุดติดไฟที่อุณหภูมิต่ำ คือประมาณ 300 ํC ก็ติดไฟแล้ว และยังไวไฟอีกต่างหาก คือติดแล้วก็ระเบิดไปเลย ไม่เหมือนเบนซินที่เผาไหม้ช้า ติดไฟยากกว่า ต้องใช้ความร้อนขนาดประกายไฟจากหัวเทียนจึงติดไฟ เครื่องยนต์ดีเซลชนิดเผาไหม้ในห้องเผาไหม้ล่วงหน้าจะมีอัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงสูง เพราะความร้อนจำนวนมากถูกดูดซับไปกับห้องเผาไหม้ล่วงหน้าเสียส่วนหนึ่ง แต่สำหรับเครื่องยนต์ที่เรียกว่า ไดเร็กอินเจ็กชั่น (Direct Injection) ที่ฉีดเชื้อเพลิงเข้าหัวลูกสูบโดยตรง จะสูญเสียความร้อนน้อยกว่าเครื่องยนต์แบบมีห้องเผาไหม้ช่วย จึงสามารถแปรสภาพจากพลังงานเชื้อเพลิงเป็นพลังงานกลได้มากกว่า ในตอนต้น ๆ ของระบบนี้จะใช้กับเครื่องยนต์ดีเซลขนาดใหญ่ก่อน เพราะสามารถเดินเครื่องได้ที่กำลังอัดต่ำ คืออยู่ที่ประมาณ 17 : 1 เทียบกับเครื่องยนต์ที่มีห้องเผาไหม้ล่วงหน้าจะต้องใช้กำลังอัดสูง คืออยู่ที่ประมาณ 22 : 1 จึงจะมีความร้อนเพียงพอที่จะจุดเชื้อเพลิง สำหรับเครื่องยนต์ขนาดเล็กนั้น อัตราส่วนระหว่างผิวของกระบอกสูบตลอดจนพื้นที่บนฝาจะมีอัตราต่อปริมาตรสูง (Surface Area to Volume) ทำให้มีพื้นที่ดูดซับความร้อนมาก แม้ว่าจะใช้ระบบไดเร็กอินเจ็กชั่นแล้ว ก็ยังต้องคงกำลังอัดไว้ที่ 22 : 1 เหมือนกัน และจากการเผาไหม้ที่ค่อนข้างรุนแรง จะทำให้เกิดเสียงเครื่องยนต์น็อกมีเสียงค่อนข้างดัง ปานจะแตกเป็นเสี่ยง ๆ แต่จากการที่ได้ออกแบบเครื่องยนต์ให้มีความแข็งแรงยิ่งขึ้น ทำให้เครื่องยนต์มีอายุการใช้งานเป็นปกติได้ นอกจากนี้ ยังมีเครื่องยนต์ดีเซลยุคใหม่ที่เรียกว่า "ระบบดีเซลคอมมอนเรล" (Diesel Common Rail System) เป็นระบบหัวฉีดเชื้อเพลิงแรงดันสูง คือสูงกว่าเก่า 10-15 เท่าตัว จากประมาณ 15,000 Psi ไปเป็น 24,000 Psi ควบคุมการฉีดเชื้อเพลิงด้วยสมองกล โดยรับคำสั่งจากเท้าผู้ขับขี่ อย่างไรก็ดี ส่วนการจัดสรรเชื้อเพลิงที่ป้อนไปยังเครื่องยนต์นั้น สมองกลจะเป็นผู้จัดการให้เอง สำหรับระบบคอมมอนเรลที่ว่า จะสามารถควบคุมการทำงานได้ดี และแม่นยำมากในทุกขั้นตอน แต่ก็ยังมีจุดอ่อนตรงที่ว่า จะต้องปั๊มเชื้อเพลิงอัดน้ำมันไว้ตลอดเวลา ที่แรงดันสูงมาก เทียบเท่ากับรถสิบล้อทั้งคันเหยียบอยู่บนเหรียญบาทหนึ่งเหรียญ ซึ่งต้องรักษาระดับแรงดันไว้ตลอดเวลาอีกด้วย นอกจากนั้น ยังมีส่วนเผื่อเรียก คือ ส่วนเกินของการปั๊มพลังงาน ซึ่งต้องระบายทิ้ง เป็นสาเหตุให้เกิดการไม่ประหยัด เพราะอุปกรณ์จะมีอายุสั้นลง วิ่งไปแสนกว่ากิโลเมตร ก็เริ่มเจอปัญหา แล้วมักจะเกิดขึ้นหลังระยะเวลาการรับประกันเสียด้วย ซึ่งทำให้ต้องควักกระเป๋าชำระค่าซ่อมเองที่ศูนย์บริการ ซึ่งแม้จะมีการประหยัดน้ำมันมาแทบตาย แต่ก็มาเข้าเนื้อตอนนี้แหละ ดังนั้น การจะเลือกใช้เทคโนโลยีใหม่อะไรสักอย่าง อาจต้องให้เวลาดูสักระยะ ก่อนที่จะโดดลงไปตัดสินใจซื้อ ซึ่งเทคโนโลยีที่จะช่วยประหยัดเชื้อเพลิงที่สามารถเห็นได้ชัด จริง ๆ แล้วหาได้ยาก แม้ตัวเทคโนโลยี อาจจะประหยัดน้ำมันได้จริง แต่บางทีก็อาจสร้างต้นทุนที่มองไม่เห็น ซึ่งเมื่อคิดๆ ไปแล้ว ก็ไม่ได้ช่วยประหยัดสักเท่าไหร่ มิหนำซ้ำ เคราะห์ร้าย อาจเกิดค่าใช้จ่ายที่มากกว่าด้วยซ้ำ