ย้อนรอย เครื่องยนต์ดีเซล นี้พัฒนา กันมาอย่างไร

ในบรรดารถยนต์ที่ได้รับความนิยมในไทย เราไม่สามารถปฏิเสธได้ว่า รถกระบะ เครื่องยนต์ดีเซล ได้รับความนิยมอย่างมากจนมียอดขายอันดับหนึ่ง มายาวนาน

ขุมพลังดีเซล กลายเป็นกำลังหลักในรถยนต์เพื่อการพาณิชย์ ก่อนระยะหลังจะก้าวมาสู่รถยนต์นั่งตอบตลาดด้วยการโฆษณาว่าปล่อยไอเสียต่ำกว่าเครื่องยนต์เบนซินที่ใช้มายาวนาน กระแสเรื่องราว  PM 2.5   ถูกตีแผ่ออกมาด้วยความชัดเจนจากหลักฐานงานวิจัยในหลายแหล่งว่า ท้ายที่สุดรถยนต์เครื่องยนต์ดีเซลมีส่วนในการปล่อยฝุ่น และก๊าซไอเสียอีกจำนวนมาก ถ้าไม่ได้รับการบำบัดที่ดี วันนี้ เราจะพาย้อนเวลากลับไปรู้จักเครื่องยนต์ดีเซล ว่ามีความเป็นมาเป็นไปอย่างไร มาจนถึงวันนี้

ก่อกำเนิด เครื่องดีเซล

จุดเริ่มต้นเครื่องยนต์ดีเซล เผื่อใครไม่ทราบ มาจาก นาย รูดอล์ฟ ดีเซล เขาเป็นศิษย์ของ คาร์ล วอน ไลนด์ นักวิทยาศาสตร์ และวิศวกรเยอรมันที่เก่งมาในยุค 1878 รูดอล์ฟ ได้ฟังเรื่องเกี่ยวกับ Carnot Cycle ว่าด้วยการบีบอัดอากาศ และถ่ายเทความร้อน  เขาคิดว่า หลักการนี้สามารถสร้างเครืองยนต์ได้ จึงเริ่มทำการศึกษาและพัฒนา

อันที่จริง ดีเซล มาได้ความคิดบีบอัดอากาศเพิ่มเติมจาก   Fire Piston   เข็มจุดไฟโบราณ ที่ได้รับความนิยมในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ (ก็แถวบ้านเรานี่แหละ) เขาได้มาจากไลนด์ แล้วคิดมาต่อยอด จนในที่สุด เครื่องยนต์ดีเซลก็เกิดขึ้นบนโลกใบนี้

เครื่องยนต์ดีเซล ได้รับความนิยมใช้ในงานที่ต้องการกำลัง-พลังสูง มันถูกติดตั้งในบรรดาเรือ , รถไฟ หลักจากยุคเครื่องจักไอน้ำ ก่อนจะมาได้รับความนิยมในรถบรรทุก และนั่นเป็นจุดเริ่มต้น ที่ทำให้มันมาอยู่ในรถกระบะทั้งหลาย

บริษัทรถยนต์หลายเจ้ามีส่วนงานรถบรรทุกรวมอยู่ด้วย 3 ค่าย สำคัญ อย่าง   Nissan  , Toyota  และ   Isuzu   ต่างมีส่วนงานรถบรรทุก ในช่วงเบิกตลาดช่วงแรกด้วยคนไทยเราเป็นสังคมเกษตรกรรม รถเก๋งจึงไม่เหมาะต่อการใช้งาน รถบรรทุกก็คันใหญ่ไป จุดเริ่มต้นรถกระบะจึงสอดแทรกเข้ามา ท่ามกลางการเติบโตรถเก๋ง และเริ่มได้รับความนิยมอย่างต่อเนื่อง ด้วยความสามารถในการใช้งานหลากหลายในอดีต ทั้งขนของบรรทุก ในวันทำงาน  ไปจนถึง พาเพื่อนเที่ยวได้หลายคน  ตลอดจนยังได้รถที่มีขนาดใหญ่กว่ารถเก๋ง เมื่อจ่ายในราคาเท่าๆ กัน

ดูดสด…ก่อนยุคเทอร์โบ

ในยุคเริ่มแรก ปฐมบทรถกระบะไม่ได้มาเป็นรถเครื่องยนต์ดีเซลอย่างทุกวันนี้ เดิมทีรถกระบะก็ใช้เครื่องยนต์เบนซินเหมือนรถเก๋ง เพียงมีพื้นที่ด้านหลังเปิดโล่ง สำหรับการบรรทุก ไม่ได้มีพื้นที่การโดยสารเลย ยกเว้นคนขับกับผู้โดยสารตอนหน้าเท่านั้น ไม่ได้มีทรวดทรงหลากหลายแบบปัจจุบัน

การนำเครื่องยนต์เบนซินมาใช้เพื่อการบรรทุก นับว่าเป็นอุปสรรคสำคัญ ในการใช้งาน เนื่องจากน้ำหนักบรรทุกมาก ก่อให้เกิดปัญหาในด้านอัตราเร่งและอัตราประหยัด แถมในยุคเริ่มแรก เครื่องยนต์เบนซินในกระบะก็ไม่ได้มีขนาดใหญ่มาก ยกตัวอย่างเครื่องยนต์ในกระบะดัทสัน รุ่นช้างเหยียบ มันใช้เครื่องยนต์เบนซิน 1,300 ซีซี 65 แรงม้า และ มีทางเลือก 1,500 ซีซี 74 แรงม้า

ด้วยความต้องการในการบรรทุกมากขึ้น จากผู้บริโภคจึงเริ่มแนะนำเครื่องยนต์ดีเซลเข้าสู่ตลาด เริ่มจากเครื่องยนต์ 2.0 ลิตร เช่นใน ดัทสัน ช้างเหยียบ หรือใน  Isuzu  KB   รุ่นแรกๆ ก่อน เริ่มขยับขนาดมาเป็น 2.2 ลิตร และ 2.5 ลิตร เพื่อให้มีกำลังมากขึ้นตามลำดับ

พอปลายยุค พ.ศ. 252x  เป็นต้นมา รถกระบะส่วนใหญ่โละ รุ่นเครื่องยนต์เบนซินออกไป เนื่องจากไม่เป็นที่ต้องการของลูกค้า ดีเซลจึงเริ่มครองตลาดตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาจนถึงวันนี้

เครื่องยนต์ดีเซลยุคแรกเริ่มไม่ได้ทันสมัยอย่างในวันนี้ พวกมันออกแบบให้เป็นเครื่องยนต์ Natural Aspiration ดูดอากาศเข้าห้องเผาไหม้ โดยการดูดของการเลื่อนขึ้น-ลงของลูกสูบ เท่านั้น

นอกจากนี้กระบวนการจ่ายน้ำมันก็ยังใช้วิธีการ Pre Combustion Chamber  ในเครื่องยนต์ (ส่วนฝาสูบ) จะมีห้องอากาศแยกอิสระจากห้องเผาไหม้ เพื่อติดตั้งหัวฉีด และ ปลั้กหัวเผา สำหรับการสตาร์ทรถครั้งแรก ถ้าใครเคยเล่นรถพ่อตอนเด็กๆ แล้วถูกสอนว่า จะต้องรอรูปขดสปริง บนหน้าปัด หายก่อน มันคือการรอหัวเผาทำงานเต็มที่ มันจะมีความร้อนมากพอให้เกิดการจุดระเบิดในครั้งแรก ซึ่งแต่ละยี่ห้อ ก็จะมีชื่อเรียกต่างกันไป อาทิ  Swirl Chamber

การใช้ระบบ   Pre Chamber   เป็นที่นิยมในเครื่องยนต์ดีเซลยุคแรก เนื่องจากแรงระเบิดจะเกิดในที่จำกัด และได้ส่วนผสมถูกต้อง ก่อนขยายตัวออกสู่ห้องเผาไหม้

จนกระทั่ง   Isuzu   เป็นผู้นำทางด้านการเปลี่ยนจากระบบนี้มาสู่ ระบบ  Direct injection  แนะนำ มาตั้งแต่  Isuzu  KB 2500 นับเป็นก้าวสำคัญ ทำให้หลายบริษัทคิดพัฒนาตาม เนื่องจากการฉีดน้ำมันเข้าห้องเผาไหม้โดยตรงได้ประสิทธิภาพมากกว่า  และยังลดการสิ้นเปลืองงานออกแบบ อีซูซุ จึงได้รับความนิยม เนื่องจากกำลังเครื่องยนต์ดีกว่า

การก้าวล้ำของ อีซูซุ ทำให้แบรนด์ ก้าวขึ้นมาในใจคนไทย ที่ต้องการรถกระบะมาใช้งาน แต่ตลาดส่วนใหญ่ ก็ยังใช้เครื่องยนต์ดีเซลแบบ  Swirl Chamber  เนื่องจากเชื่อว่า การขยายตัวของการจุดระเบิดมีประสิทธิภาพกว่า

ในช่วง ยุค 90 เครื่องยนต์ดีเซล ไม่มีการเปลี่ยนแปลงมากนัก นอกจาก มีขนาดเครื่องยนต์ใหญ่ขึ้นตอบโจทย์ ตามแนวทางการเพิ่มไลน์อัพตามความต้องการของลูกค้าที่ต้องการบรรทุกหนักขึ้น มีการขยายไปสู่ขนาด 2,800 ซีซี และบางค่ายขยายไปถึง 3,000 ซีซี

จนกระทั่งวิศวกรทั้งหลายมองว่าการติดตั้งเทอร์โบให้รถเครื่องยนต์ดีเซล อาจจะเป็นประโยชน์มากกว่า จึงเริ่มมีการติดตั้งเทอร์โบชาร์จเข้ามา ระยะแรก เทอร์โบ ถูกติดตั้ง โดยไม่มีตัวปรับความร้อนอากาศ ที่มาจากชุดเทอร์โบชาร์จ หรือ อินเตอร์คูลเลอร์ ก่อนที่จะเพิ่มเข้ามาในภายหลัง ซึ่งสามารถเพิ่มกำลังเครื่องยนต์ จนยกระดับสู่ระดับ 100 แรงม้าเป็นครั้งแรก

ทุกอย่างใช้ไฟฟ้า

การใช้หัวฉีดแบบปั้มสาย เป็นปัญหาสำคัญทางด้านสมรรถนะ เนื่องจากเครื่องยนต์ดีเซล อาศัยการจุดระเบิดด้วยการจ่ายน้ำมันเข้าห้องเผาไหม้ ระบบจ่ายน้ำมันด้วยไฟฟ้า จึงถูกแนะนำเข้ามา พร้อมๆ กับระบบหัวฉีดและรางหัวฉีดรวม หรือ ที่เรียกว่า   “Commonrail”

ระบบ  Common Rail  เป็นการปฏวัติครั้งสำคัญของเครื่องยนต์ดีเซล ให้มีความสามารถที่ดีขึ้น ด้วยการใช้ระบบไฟฟ้ามาควบคุมการจ่ายน้ำมันทั้งระบบ ตั้งแต่ตัวปั้มน้ำมัน การควบคุมแรงดันในชุดราง ไปจนถึงตัวหัวฉีดไฟฟ้าเอง ซึ่งเป็นแนวคิดที่ได้มาจากเครืองยนต์เบนซิน ที่มีการพัฒนามาแล้วก่อนหน้านี้

การใช้หัวฉีดไฟฟ้า ทำให้ การจ่ายน้ำมันมีความละเอียดกว่าเดิม และแรงดันสูงจากน้ำมันภายในราง ทำให้ฉีดน้ำมันเป็นฝอยละเอียดจนช่วยให้การผสมและจุดระเบิดมีประสิทธิภาพสมบูรณ์ขึ้น ส่งผลให้เครื่องยนต์มีกำลังมากขึ้น และยังลดมลภาวะ จากการปล่อยไอเสียของเครื่องยนต์ดีเซลได้ส่วนหนึ่งด้วย

ด้วยความสามารถระบบหัวฉีดไฟฟ้า ทำให้เครื่องยนต์ดีเซล มีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่วิศวกรบริษัทรถยนต์คิดว่ามันยังมีความสามารถได้อีก ระบบเทอร์โบชาร์จ ที่ใช้มาตั้งแต่อดีต ปัจจุบันสามารถปรับให้มันแปรผันได้ ในระยะหลังจึงแนะนำระบบเทอร์โบปรับแรงดันอากาศได้เข้ามาติดตั้งเพิ่มเติม

ระบบ  Variable Geometry Turbo  หรือ อาจจะมีชื่ออื่นๆ ที่ต่างออกไปจากนี้ ถูกนำเข้ามาติดตั้งในเครื่องยนต์เทอร์โบระยะหลัง ด้วยความต้องการลดการสูญเสียจังหวะการทำงานจากเทอร์โบ หรืออาการ  Turbo Lag  ที่เกิดขึ้นในอดีต ตัวเทอร์โบยังทำงานโดยเชิงกล แต่ควบคุมด้วยระบบไฟฟ้า ที่สามารถปิด-เปิด คลีบ ที่อยู่ในโข่งเทอร์โบ เพื่อ รีดอากาศ ได้  ตามความต้องการของผู้ขับขี่ เพื่อให้เทอร์โบสร้างแรงดันได้เร็วหรือช้า ตามสภาวะการขับขี่ของผู้ใช้

การให้เทอร์โบใหม่ ทำให้แรงบิดสูงมาในรอบต่ำลงกว่าเดิม รถตอบสนองการขับขี่ดีขึ้นตามลำดับ

โลกยุคใหม่เครื่องดีเซล

ในระยะหลังมา วงการอุตสาหกรรมยานยนต์ถูกบีบบังคับด้วยกฎทางด้านไอเสีย ทำให้บริษัทผู้ผลิต ต้องเริ่มติดตั้งระบบบำบัดไอเสียออกมาด้วย

ระบบหนึ่งที่ติดตั้งมายาวนานจนน่าจะคุ้นเคยในไทย คือ ระบบหมุนวนไอเสีย หรือ  Exhaust Gas Recirculation  เรียกสั้นๆ ว่า   EGR   ระบบนี้ใช้หลักการหมุนวนไอเสียที่ต้องปล่อยออกไป กลับมาเผาไหม้ซ้ำบางส่วน เพื่อลดมลภาวะ

อย่างไรก็ดี นั่นอาจจะยังไม่พอต่อการลดมลพิษที่เกิดขึ้น เราจึงได้เห็นการลดขนาดเครื่องยนต์ดีเซล จากเดิม ในเครื่องยนต์ที่ผลิตออกมาตั้งแต่ปี 2014 ขึ้นมา

รถกระบะยุคใหม่ทุกรุ่น ปรับลดขนาดเครื่องยนต์จากเดิมลดลง อาทิ โตโยต้า ลดขนาดลงเหลือเพียง 2.4 และ 2.8 ลิตร , อีซูซุ แนะนำ เครื่องยนต์ 1.9 ลิตร หรือ ฟอร์ด ลงขนาดเครื่องยนต์เหลือเพียง 2.0 ลิตร แต่สังเกตว่า ทั้งหมดไม่ด้อย ประสิทธิภาพลงไป

ด้วยการวิศวกรรมยุคใหม่ เครื่องยนต์ดีเซล ถึงจะมีขนาดเล็กลง แต่ก็ยังให้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้น ด้วยความสามารถของการจ่ายน้ำมัน รวมถึงความทันสมัยของเทอร์โบชาร์จ เครื่องยนต์สมัยใหม่มีประสิทธิภาพ จน สามารถทำการเผาไหม้ด้วยสัดส่วนน้ำมันน้อยลง แต่ยังคงให้ประสิทธิภาพเท่าเดิม จนกลายเป็นภาพใหม่ของรถในวันนี้ แล้วหันมาใชประสิทธิภาพของชุดเกียร์เข้าช่วยอีกแรงด้วย

อนาคตข้างหน้า การบำบัดไอเสียจากเครื่องยนต์ดีเซล จะยังเป็นหัวข้อสำคัญ ถูกหยิบยกนำมาเป็นประเด็นการพัฒนา โดยเฉพาะยิ่งประเทศไทย มีปัญหาฝุ่นละอองในอากาศ ยิ่งเป็นส่วนสำคัญในเรื่องนี้  ยิ่งต้องมุ่งไปสู่การพัฒนาระบบบำบัดไอเสียยูโร 5 และ 6 ตามลำดับ รวมถึงยังมีแนวคิดของระบบไฮบริดผสมเครื่องยนต์ดีเซล เป็นแนวทางที่ถูกพูดถึงมาตลอด ว่าจะมีการปรับนำมาใช้งานในอนาคต

ความหวังในการพัฒนา เครื่องยนต์ดีเซล ยังมีอีกหลายส่วนที่สามารถทำได้ เราได้เห็นการเปลี่ยนแปลงเครื่องยนต์ดีเซลมาแล้วมากมาย ในวันนั้นพวกมันจะสะอาดขึ้น และยังคงประสิทธิภาพในการใช้งาน