ปัจจุบัน ความท้าทาย ในการพัฒนารถยนต์ คือ ความพยายาม ทำให้รถมีประสิทธิภาพในการทำงานมากขึ้น เครื่องยนต์ไฮบริดกลายเป็นมาตรฐานใหม่ในโลกวันนี้ และพวกมัน ถูกพัฒนาให้มีความสามารถ ในการทำงานแบบ Atkinson Cycle ซึ่งน้อยคนจะรู้เรื่องนี้
Atkinson cycle คืออะไร
Atkinson Cycle คือ รูปแบบการทำงานของเครื่องยนต์สันดาป ภายในแบบ 4 จังหวะคิดค้นและพัฒนาขึ้นโดย James Atkinson ตั้งแต่ปี 1882 ด้วยความมุ่งมัน ในการทำให้เครื่องยนต์มีประสิทธิภาพในการใช้น้ำมันมากที่สุด โดยการลดแรงเสียดทานกำลังและเพิ่มส่วนผสมระหว่างอากาศกับน้ำมันให้บางลง และมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการใช้น้ำมัน (ข้อมูลจาก Wikipedia)
หลักการของเขา พุ่งเป้าในการทำให้เครื่องยนต์สันดาป มี Thermal Efficient หรือ ประสิทธิภาพในการสร้างความร้อนในเครื่องยนต์ดีขึ้น ในทางวิศวกรรมค่าความร้อนที่ดีขึ้นหมายถึง ประสิทธิภาพในการใช้น้ำมันมากขึ้น รวมถึงการในทิศทางเดียวกันกับ การลดการปล่อยไอเสียจากเครื่องยนต์ด้วย
สู่ทิศทางเครื่องประหยัดรักษ์โลก
ในยุคก่อนไม่มีใครสนสจ เครื่องยนต์แบบนี้เท่าไรนัก เนื่องจากตามการออกแบบเครื่องยนต์ดั้งเดิม มันจะมีปัญหาในรอบเครื่องยนต์ต่ำ มีกำลังน้อยไม่ค่อยตอบสนองต่อการขับขี่ดีเท่าที่ควร ผู้ผลิตรถยนต์ส่วนใหญ่จึงไม่มีใครสนใจนำมาใช้
จนกระทั่งปี 1995 เมื่อโตโยต้า สำรวจโลกอนาคตพวกเขามีโครงการที่จะแนะนำยานยนต์ใหม่แห่งศตวรรษหน้า ตามวิสัยทัศน์ของ CEO บริษัท ทีมวิศวกรตัดสินใจในการพัฒนาเครื่องยนต์ที่มีรูปแบบการทำงานผสมผสาน กับการขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า หรือ ที่เรารู้จัก กันในยุคนี้ ว่า “เครื่องยนต์ไฮบริด”
วิศวกร ได้ตัดสินใจว่า จะพัฒนาเครื่องยนต์ให้มีประสิทธิภาพประหยัดน้ำมันสูงที่สุด เท่าที่เทคโนโลยีในเวลานั้นเอื้ออำนวย(อ้างอิง จาก การพัฒนา Prius)
ท้ายที่สุด ได้ตัดสินใจ เอามอเตอร์ไฟฟ้ามาให้กำลังขับเคลื่อนในช่วงความเร็วต่ำ จึงสามารถชดเชย ข้อด้อยของ เครื่องยนต์ Atkinson ในอดีต และกลายเป็นคู่จิ้นที่เหมาะสมต่อการใช้งานในประจำวันอย่างดี
สู่ความกว้างขวางมากขึ้น
เครื่องยนต์ Atkinson Cycle มาเฟื่องฟูจริงยุคระบบวาล์วแปรผันเฟื่องฟู เมื่อวิศววกรสามารถกำหนดการควบคุมวาล์วให้เปิดมาก-น้อย ได้จากการใช้กล่องประมวลผลกลางหรือ ECU จากเดิมที่บางยี่ห้อ อย่างฮอนด้า ใช้กลไกพิเศษเท่านั้น
บริษัทรถยนต์จำนวนไม่น้อยสามารถพิชิตการเปลี่ยนวิธีการทำงานของเครื่องยนต์ในระหว่างการขับขี่ สามารถสลับไปมา ระหว่าง Otto Cycle (การทำงานแบบปกติ) กับ การทำงานแบบ Atkinson Cycle ช่วยให้เครื่องยนต์มีความสามารถในการใช้น้ำมันอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น หรือ อย่างน้อยสุด ก็สามารถทำได้ใกล้เคียง มากขึ้น
ประกอบกับ ตั้งแต่ช่วงต้น ยุค 2000 เแ็นต้นมา เริ่มมีการวางระเบียบการปล่อยไอเสียจากบรรดาองค์กรสิ่งแวดล้อม และข้อตกลงความร่วมมือระหว่างประเทศหลายฉบับ ทำให้ เครื่องยนต์สันดาปปติทั่วไป ในบางจังหวะก็อาจจะแอบทำงานเป็นแอทคินสันบ้างในรอบสูงๆ เพื่อลดการปล่อยไอเสีย มอบกำลังขับให้ตามที่ลูกค้าต้องการ
แต่มีปัญหาที่เดิม ระบบนี้ ไม่ถูกนำมาใช้มากนัก เนื่องจากว่า กำลังเครื่องยนต์ในช่วงรอบเครื่องต่ำจะไม่ดีเอาเสียเลย ขับแล้วอืด เร่งไม่ออก ไม่ตอบโจทย์ แต่มันก็มีดีแลกมา นั่นคือ ประสิทธิภาพการประหยัดน้ำมันเวลาขับเคลื่อนดีกว่า วิะีการสันดาปดั้งเดิม (ข้อมูลจาก Science Direct)
นอกจากนี้ในอดีต การพัฒนาเครื่องยนต์แบบนี้ทำได้ยาก เนื่องจาก จังหวะสุดท้ายมีความใกล้กันมาก จน วิศวกร บางคน อาจจะเรียกว่าเครื่องยนต์นี้ ว่า เครื่องยนต์ 3 จังหวะ
เปรียบเทียบ Atkinson Cycle VS Otto Cycle
ถ้าเปรียบเทียบระหว่าง Otto Cycle กับ Atkinson Cycle แม้ทั้งคู่จะเป็นเครื่องยนต์ที่ทำงานแบบ 4 จังหวะเหมือนกัน
แต่ส่วนที่แตกต่างกันระหว่างเครื่องยนต์ทั้ง 2 แบบ อยู่ที่วิธีการเปิดวาลืวไอดี ให้อากาศเข้ามาสู่ห้องเผาไม้
เครื่องยนต์ปกติ จะเปิดวาล์วไอดีและไอเสียไว้สั้นกว่ามาก เพียงให้อากาศถูกดูดเข้านามสัดส่วนผสมที่สมควรเท่านั้น แล้วปิด เพื่อรอทำดารจุดระเบิดต่อไป
ทางฝั่ง Atkisonจะบังคับให้มีการเปิดวาล์วไอดีนานกว่าราวๆ 20-30% เพื่อ
- อากาศที่ไหลเวียนเข้ามา ช่วยลดอุณหภูมิในห้องเผาไหม้
- ลดการสูญเสียกำลังในขั้นตอน การเลื่อนลูกสูบ หรือที่เรียกว่า “Pumping Loss” ทำให้ลูกสูบไหลลงได้เร็วกว่า
ความแตกต่างเพียงการเปิดวาล์วค้างไว้จนกว่าลูกสูบจะเลื่อนขึ้นมาถึงจังหวะใกล้จุดระเบิด ทำให้อากาศบางส่วนสามารถหนีออกไปจากห้องเผาไหม้ได้ ช่วยให้ค่าการแลกเปลี่ยนอุณหภูมิเครื่องยนต์ดีขึ้นด้วย รวมถึงแรงดันในการเลื่อนลูกสูบก็น้อยลง มีผลต่อการทำงานที่ดีในภาพรวมยิ่งขึ้น
แต่ปัจจุบัน ด้วยเทคโนโลยีสมัยใหม่ อย่างการควบคุมการทำงานหัวฉีด ,รวมถึง ระบบวาล์วแปรผัน ด้วยระบบคอมพิวเตอร์ ภายในรถ ทำให้ง่ายต่อการพัฒนา และควบคุม จังหวะ อากาศเข้าออก ห้องเผาไหม้มากขึ้น จนได้รับความนิยมมากขึ้น
แต่ประเด็นสำคัญเลย คือ การทำงานแบบนี้มีประสิทธิภาพสูงในการทำงาน โดยเฉพาะประสิทธิภาพ Thermal Efficientcy เมื่อประกอบกับ ความเข้มงวดในการลดการปล่อยไอเสีย ทั่วโลก ทำให้ รถยนต์ไฮบริดได้รับความนิยมมากขึ้น
และด้วย มอเตอร์ไฟฟ้าเอง ก็สามารถเข้าขาได้ดีกับเครื่องยนต์แบบนี้ ซึ่งมีข้อด้อยสำคัญ คืออืดในความเร็วต่ำ เมื่อรวมกัน มันจึงตอบสนองการขับขี่ และการใช้งานได้ จนไม่แปลกที่ รถไฮบริด ทั้งหมด จะใช้วิธีการแบบนี้ในการให้พลังขับ แทน Otto Cycle ดั้งเดิม
เราได้เห็นแล้วว่าในทศวรรษนี้ รถยนต์ไฮบริดกำลังกลายเป็นมาตรฐานใหม่ในการนำเสอน ระบบขับเคลื่อนยุคหน้า รถทุกรุ่นทุกแบบออกมาเป็นเครื่องยนต์ไฮบริดที่มีความทันสมทัย ประหยัดน้ำมัน และพลังขับสูง
คุณควรรู้ว่าไว้ เบื้องหลังเครื่องยนต์เหล่านั้น คือ เครื่อ Atkinson cycle