เครื่องยนต์ Mercedes AMG M139 ใน AMG GLC 43 และ AMG GLC 63 SE Performance รุ่นใหม่ นับเป็นเครื่องยนต์ 2.0L ให้กำลังสูงสุดติดอันดับเครื่องยนต์ 2.0 ลิตร ที่มีความรุนแรงมากที่สุดในโลก กำลัง 671 แรงม้า กับแรงบิด 1,020 นิวตันเมตร เกิดจากการปรับแต่งชิ้นส่วนต่างๆ โดยเฉพาะระบบอัดอากาศ ควบรวมกับระบบ Plug in Hybrid ผนวกมอเตอร์เสริมแรงบิดที่ถ่ายแรงฉุดลากลงเพลาหลัง การเพิ่มแรงม้าจากเครื่องยนต์แบบ displacement ขนาดเล็กความจุไม่มาก มักเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนไปใช้เทอร์โบชาร์จเจอร์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น และขนาดที่ใหญ่ขึ้นของเทอร์โบ นั่นก็หมายถึงอาการแลค หรืออาการรอรอบก่อนเทอร์โบจะบูสต์จนถึงรอบที่มากขึ้น
ไม่มีใครชอบอาการเทอร์โบแลค และอุตสาหกรรมยานยนต์โดยเฉพาะฝั่งเยอรมัน ได้เปลี่ยนไปใช้ระบบ shifting toward hybridization with high voltage electronics (ไฮบริไดเซชันกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไฟฟ้าแรงสูง) เพื่อปรับปรุงอัตราสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง และการตอบสนองต่อการเร่งความเร็วแบบฉับพลันทันที การใช้พลังงานไฟฟ้าเสริม มีประโยชน์ด้านการปรับแต่งระบบส่งกำลังให้ทรงพลังมากยิ่งขึ้น เช่นเดียวกับรถ Formula 1 ซึ่งใช้ระบบไฮบริดที่มีเครื่องยนต์เทอร์โบชาร์จเจอร์รูปตัว V พ่วงไฮบริดมาตั้งแต่ปี 2014 ในที่สุด เทคโนโลยีดังกล่าวก็พร้อมให้ใช้งานในรถยนต์ที่คุณสามารถซื้อได้ เทคโนโลยีหลักที่ AMG ใช้ เพื่อดึงกำลัง 442 แรงม้าจากเครื่องยนต์ M139 ใหม่ ได้แก่ E-turbo และชุดแบตเตอรี่ที่มีระบบระบายความร้อนประสิทธิภาพสูง
...
เคล็ดลับในการปั่นครีบเทอร์ไบน์ที่ใหญ่ขึ้น โดยปราศจากอาการแลค ก็คือ กลไกไฟฟ้า E-turbo Electric Anti-lag เป็นเทอร์โบไฟฟ้าที่มีชุดป้องกันความล่าช้าในการตอบสนองเมื่อกดคันเร่ง การใช้ E-turbo ต้องมีแหล่งพลังงานไฟฟ้าแรงดันสูง และนั่นคือที่มาของการผสมผสานแบบ Plug in Hybrid ค่าย Garrett จัดหา E-turbo สำหรับใช้ในเครื่องยนต์ AMG M139 รุ่นใหม่ หากคุณไม่เคยรู้มาก่อน บริษัท Garrett เป็นผู้จัดหาเทอร์โบชาร์จเจอร์ให้กับแบรนด์ม้าลำพอง Ferrari สำหรับโปรแกรม Formula 1 และอีกหลายๆ บริษัทตกแต่งรถยนต์ ที่ต้องการระบบอัดอากาศประสิทธิภาพสูง
Garrett E-turbo ที่ใช้ในเครื่องยนต์ AMG M139 มีการติดตั้งมอเตอร์ไฟฟ้าอยู่ที่แกนด้านข้างของชุดคอมเพรสเซอร์ ในสภาวะปกติ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะไม่ชอบความร้อนหรืออุณหภูมิที่สูงมากเกินไป ดังนั้น มอเตอร์ไฟฟ้าของ E-turbo จึงออกแบบตำแหน่งติดตั้งให้อยู่ห่างจากฝั่งเทอร์ไบน์ที่มีอุณหภูมิสูง (มาก) อินเวอร์เตอร์/อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ที่ติดตั้งอยู่ใต้ชุดเทอร์โบ จะนำไฟฟ้าจากชุดแบตเตอรี่ ป้อนไปยังมอเตอร์ไฟฟ้าของ E-Turbo เพื่อหมุนเทอร์โบในรอบต่ำ ให้ไปถึงรอบสูงอย่างรวดเร็วภายในพริบตา ในเครื่องยนต์ของรถแข่ง Formula 1 มอเตอร์ E-turbo เรียกอีกอย่างว่า MGU-H (Motor Generator Unit - Heat) ใช้พลังงานจากก๊าซไอเสียและสามารถชาร์จแบตเตอรี่สำรองได้
Garrett E-turbo ยังคงใช้ Wastegate เพื่อระบายแรงดันส่วนเกิน แต่ Garrett ทำการปรับแต่งประสิทธิภาพในขั้นตอนการทำงานของกังหันเทอร์ไบน์ให้ดีขึ้น เนื่องจากทุกๆ รายละเอียดของการบีบอัดกำลังอัตราส่วน 221 แรงม้า/ลิตร ในรถคันเล็ก มีผลลัพธ์ที่ยากต่อการผลิตจริง เพื่อลดอาการแลค หรืออาการรอรอบของเทอร์โบ วาล์วก้านสูบของเวสต์เกตภายใน ถูกออกแบบพื้นผิวให้ทำมุมเหมือนที่คุณเคยเห็นบนวาล์วไอดีและวาล์วไอเสีย เพื่อปรับปรุงการรั่วไหลของก๊าซไอเสียให้น้อยลง ก๊าซไอเสียทั้งหมดไหลอย่างรวดเร็วไปที่ครีบเทอร์ไบน์ การวางตำแหน่งที่ทำให้ไอเสียไหลได้อย่างสะดวก ปรับปรุงประสิทธิภาพของกังหันเทอร์ไบน์ใหม่ การออกแบบส่วนสุดท้ายที่ช่วยในเรื่องประสิทธิภาพของกังหันก็คือตัวกระจายลมแบบมุมแคบ สำหรับการคายประจุของกังหัน การทำมุมแคบนั้นต้องใช้พื้นที่ ซึ่งก็คือสาเหตุที่ทำให้ตัวเทอร์ไบน์ยาวมากขึ้น คุณลักษณะอีกอย่างหนึ่งของ E-turbo ก็คือ ช่วยให้สามารถใช้ turbine housing A/R ขนาดใหญ่ขึ้น เพื่อลดแรงดันย้อนกลับของไอเสีย โดยปกติ โครงสร้างกังหัน A/R ที่ใหญ่ขึ้น จะเพิ่มเวลาและความล่าช้าของแกนอย่างมีนัยสำคัญ แต่มอเตอร์ไฟฟ้าที่ติดตั้งอยู่กับแกนเทอร์ไบน์ จะชดเชยสิ่งที่สูญเสียไปให้ดีกว่าเดิม
...
Garrett E-turbo ใช้แอคทูเอเตอร์ไฟฟ้าสำหรับ wastegate ระบบตลับลูกปืนแบริ่งใช้แทนหน่วยแบริ่งลูกปืนที่มีราคาแพงกว่า โดยทั่วไปแล้วตลับลูกปืนจะใช้เพื่อลดความล่าช้าและปรับปรุงการตอบสนองชั่วคราว แต่ Garrett E-turbo มีมอเตอร์ 6kW (6000W) 746W = 1hp ตลับลูกปืนค่อนข้าง "มีเสียงดัง" ช่องทางเดินเล็กๆ ออกแบบเป็นวงกลมเหนือมอเตอร์ เป็นทางสำหรับน้ำหล่อเย็น เพื่อช่วยให้มอเตอร์เย็นอยู่เสมอ การไหลของน้ำมันที่อยู่ระหว่างมอเตอร์และเทอร์ไบน์เป็นอีกหนึ่งเกราะป้องกันความร้อน เพื่อกันความร้อนแพร่ออกจากมอเตอร์มากจนเกินไป
...
อันที่จริง เครื่องยนต์ 2.0 ลิตร ที่มีกำลังแรงม้าสูงกว่าปกติ ไม่ใช่เรื่องใหม่ และมีบริษัทรถเคยทำสำเร็จมาแล้วเป็นเวลากว่าสองทศวรรษ ใช่ครับ ถ้าเป็นเมื่อก่อนเราสามารถทำเครื่องสองลิตรเทอร์โบ ให้แรงสุดกู่ได้ง่ายๆ โดยไม่ต้องคำนึงถึงอะไรต่อมิอะไรให้มากเรื่อง แต่ปัจจุบัน ทุกสิ่งเปลี่ยนไปตามมาตรฐานการปล่อยมลพิษที่เข้มงวดขึ้นเรื่อยๆ การรับประกันอายุการใช้งานหลังการขาย เครื่องและเกียร์แม้จะโดนอัดอย่างรุนแรงในสนามแข่งยังต้องเหนียวสุดๆ ไม่งั้นลูกค้าด่ากันยับ รวมกับมาตรฐานการปล่อยมลพิษสมัยใหม่ ซึ่งต้องมีเครื่องฟอกไอเสียขนาดใหญ่อยู่ด้านหลังเทอร์โบ พร้อมตัวกรองอนุภาคก๊าซไอเสียบนชิ้นส่วนท่อไอเสีย นั่นมันเป็นงานวิศวกรรมที่ซับซ้อนและทำโคตรจะทำยาก
...
ส่วนหนึ่งของปริศนาในการขับเคลื่อนเครื่องยนต์ที่ติดตั้งระบบ Garrett E-turbo คือ ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ตามข้อกำหนดของ AMG ที่มีกำลังต่อเนื่อง 70 กิโลวัตต์และกำลังสูงสุด 150 กิโลวัตต์ จากชุดแบตฯ ที่มีความจุเพียง 6.1 กิโลวัตต์ต่อชั่วโมง วิศวกรของ AMG กำลังผลักดันเซลล์แบตเตอรี่อย่างหนักมากถึง 70 กิโลวัตต์ เพื่อปรับให้สอดคล้องกับอัตรา C ประมาณ 11 คุณต้องการให้เซลล์แบตเตอรี่ของคุณอยู่ได้นานที่สุด อย่าใช้อัตรา C ที่ 1 อัตรา C สำหรับแบตเตอรี่ เทียบเท่ากับ HP/L สำหรับเครื่องยนต์ ยิ่งสูงก็ยิ่งมีความเครียดในทุกสิ่ง และโดยทั่วไปแล้วอายุการใช้งานจะสั้นลง การวิ่งที่มีอัตรา C สูงหมายถึงความร้อนสูง เหมือนกับการเพิ่ม hp/L จำนวนมาก ดังนั้นชุดแบตฯจึงจำเป็นต้องมีการระบายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ และ Mercedes AMG กำลังใช้การระบายความร้อนด้วยการแช่ของเหลวโดยตรง ด้วยการออกแบบให้เซลล์แบตเตอรี่ จมอยู่ในของเหลวอิเล็กทริก (ที่ไม่เหนี่ยวนำไฟฟ้า) นี่เป็นเทคโนโลยีแรกที่ออกสู่ตลาด ซึ่งอยู่ในรถยนต์ที่ผลิตในปริมาณน้อยนิดอย่าง McLaren Speedtail ซึ่งใช้ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวโดยตรง และ Faraday Future ที่ลงมือลงทุนพัฒนาเทคโนโลยีนี้เมื่อหลายปีก่อน แต่ยังไม่ได้มีการเปิดตัวรถรุ่นใหม่ออกมาให้เห็น
ความสามารถในการทำความเย็น 10 กิโลวัตต์ เป็นตัวเลขที่ระบุไว้จาก Mercedes AMG แต่ในทุกวันนี้ ฝั่งการตลาดของค่ายรถ มักจะชอบเพิ่มหรือปรับแต่งตัวเลขให้ดูดีอยู่เสมอ และนั่นก็น่าจะเป็นจำนวนสูงสุด คำถามอยู่ภายใต้เงื่อนไขที่การกำจัดความร้อน 10 กิโลวัตต์เกิดขึ้น หากเราคิดว่าการปฏิเสธความร้อน 10 กิโลวัตต์ ที่เกิดขึ้นระหว่างพลังงานต่อเนื่อง 70 กิโลวัตต์ นั่นคือประมาณ 12-15% ของการสูญเสียพลังงานจากความร้อน ประสิทธิภาพสำหรับเซลล์แบตเตอรี่นั้นค่อนข้างแย่ ไดอะแกรมของ AMG แสดงเลย์เอาต์พื้นฐานภายในก้อนแบตเตอรี่ ปั๊มน้ำหล่อเย็นจะหมุนเวียนของเหลวอิเล็กทริก ผ่านก้อนแบตเตอรี่เพื่อลดอุณหภูมิ ของเหลวนี้น่าจะเป็นน้ำมันประเภทหนึ่ง คล้ายกับน้ำมันไดอิเล็กทริกที่ใช้สำหรับทำความเย็นหม้อแปลงไฟฟ้าที่คุณเห็นบนเสาไฟขนาดใหญ่
ปั๊มหล่อเย็นและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อยู่ที่ปลายด้านหนึ่งของกล่องแบตเตอรี่อะลูมิเนียม ดูเหมือนว่าจะอยู่ในช่องแยกจากเซลล์แบตเตอรี่และไม่ได้แช่อยู่ในน้ำหล่อเย็น ตัวเฟรมอะลูมิเนียมนั้นดูเหมือนหล่อขึ้นรูปด้วยทราย โดยมีครีบระบายความร้อนอยู่ด้านนอกเพื่อความแข็งแรงและพื้นผิวสำหรับการถ่ายเทความร้อน (ครีบ) ความแข็งแกร่งเป็นสิ่งสำคัญในสถานการณ์ที่เกิดการชน เพื่อป้องกันความเสียหายต่อเซลล์แบตฯ ซึ่งอาจเป็นสาเหตุทำให้เกิดไฟไหม้ เมื่อเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนติดไฟ โดยทั่วไปจะเผาไหม้จนไม่เหลือสิ่งใด คุณไม่สามารถตัดออกซิเจนได้เพราะลิเธียมทำหน้าที่เป็นตัวออกซิไดเซอร์ที่เผาผลาญอย่างรวดเร็วและรุนแรงเอาเรื่อง
ประโยชน์ของแนวคิดการทำความเย็นให้กับเซลล์แบตเตอรี่แบบแช่ของเหลว น้ำหล่อเย็นสามารถดูดซับความร้อนได้อย่างรวดเร็ว จากจุดร้อนใดๆ ในเซลล์แบตเตอรี่ และอาจป้องกันไม่ให้เซลล์เข้าสู่การแพร่ความร้อน หากเซลล์เข้าสู่โหมดระบายความร้อน สารหล่อเย็นสามารถดูดซับความร้อนและหวังว่าจะป้องกันไม่ให้เซลล์ข้างเคียงติดไฟ ปั๊มน้ำหล่อเย็นจะดูดน้ำหล่อเย็นแบตเตอรี่ที่ร้อนจากด้านล่างของช่องเซลล์แบตเตอรี่ จากนั้น จะสูบจ่ายน้ำหล่อเย็นไปยังตัวแลกเปลี่ยนความร้อนน้ำหล่อเย็นซึ่งเป็นน้ำมัน ติดตั้งอยู่ที่ด้านข้างของโมดูลแบตเตอรี่ด้านนอก หลังจากที่น้ำหล่อเย็นของแบตเตอรี่ลดอุณหภูมิลง น้ำหล่อเย็นจะไหลผ่านท่อร่วมจ่ายที่วิ่งไปตามด้านบนของเซลล์แบตเตอรี่ เพื่อกระจายน้ำหล่อเย็นส่วนใหญ่อย่างสม่ำเสมอทั่วชุดแบตเตอรี่ น้ำหล่อเย็นทำงานโดยลดความร้อนและวงจรการทำงานจะเกิดซ้ำๆ อย่างต่อเนื่อง น้ำยาหล่อเย็นแบตเตอรี่จะค่อนข้างหนาแน่นเมื่อเย็น นั่นเป็นกรรมวิธีที่ฉลาด ในการใช้ปั๊มดูดของเหลวที่ดึงความร้อนจากเซลล์แบตเตอรี่ ในขณะที่มีความหนืดน้อยลงเมื่อมีอุณหภูมิสูงขึ้น
แบตเตอรี่ในเครื่องยนต์ M139 เมื่อทำการคำนวณพบว่า มี 7 เซลล์ที่ซ้อนกัน จากหัวถึงหางตามความยาวของชุดแบตฯ มีเซลล์แบตฯ 8 แถว นั่นทำให้ 56 เซลล์ต่ออนุกรมกัน ด้วยแรงดันไฟฟ้าเล็กน้อยที่ 3.65 V ต่อเซลล์ นั่นคือ 204.4 V ภายในก้อนแบตเตอรี่อะลูมิเนียมมีโมดูลย่อยสองโมดูล โดยแต่ละโมดูลย่อยมีสแต็คซีรีส์ 56 เซลล์ 5 ชุด แบบขนานกัน ดังนั้น เมื่อคุณใส่โมดูลย่อยของแบตเตอรี่ 204.4 V สองชุดเป็นอนุกรม ซึ่งจะทำให้คุณได้รับกำลังไฟรวม 400 V ของชุดแบตเตอรี่ แพ็กนี้มีความจุ 6.1 kWh ซึ่งหมายความว่าแต่ละเซลล์ มีความจุ 6 Ah สำหรับเซลล์ขนาด 21,700 สมมติว่ามีแรงดันไฟฟ้าเซลล์ที่ระบุ 3.65 V ความจุนั้นค่อนข้างสูง บางทีอาจจะดีที่สุดในตอนนี้ สำหรับเซลล์แบตเตอรี่ 21,700 เซลล์
ความท้าทายประการหนึ่งในการสร้างโมดูลแบตเตอรี่ โดยใช้เซลล์ทรงกระบอก นั่นก็คือ การเชื่อมต่อทางไฟฟ้า เพราะมีเซลล์อยู่หลายพันเซลล์ บริษัท Tesla ใช้เวลานานมากในการพัฒนาเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยลวด โมดูลแบตเตอรี่อื่นๆ ใช้การเชื่อมบางรูปแบบ ไม่มีเทคนิคใดที่ง่ายและมักจะล้มเหลว เซลล์ที่ใช้ใน Mercedes AMG pack ใช้ง่ามเล็กๆ สี่อันซึ่งจับเซลล์ถัดไปและเป็นเพียงข้อต่อทางกลไกอย่างง่ายๆ ไม่ต่างอะไรกับการใส่แบตเตอรี่ AA ลงในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชิ้นในช่วงครึ่งศตวรรษที่ผ่านมา
การจับกองเซลล์เข้าด้วยกัน มีลักษณะเป็นแท่งเกลียว วิ่งตามความยาวของเซลล์และมีนอตอยู่ที่ปลาย เพื่อป้องกันการรั่วไหลของของเหลวหล่อเย็นของแบตเตอรี่ มีปะเก็นเล็กน้อยระหว่างส่วนอะลูมิเนียมด้านบนและด้านล่างของก้อนแบตเตอรี่
ทศวรรษที่แล้ว ผู้คนบ่นเกี่ยวกับเครื่องยนต์เทอร์โบที่ลดขนาดลง ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อปรับปรุงการประหยัดเชื้อเพลิงและการลดมลพิษ ผมเขียนเกี่ยวกับเครื่องยนต์เทอร์โบที่ลดขนาดลงเมื่อเก้าปีที่แล้ว ใช่ครับ เรากำลังสูญเสียเครื่องยนต์ NA หายใจเองโดยธรรมชาติไม่ต้องพึ่งพาเทอร์โบ แต่เครื่องยนต์เทอร์โบที่ลดขนาดลงนั้นมีเทคนิคใหม่ๆ ที่ยอดเยี่ยมมาก เทคโนโลยีใน Formula 1 ได้เพิ่มประสิทธิภาพเครื่องยนต์ไฮบริดและ E-turbo มาตั้งแต่ปี 2014 ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นจาก 29% เป็นมากกว่า 50% รถยนต์ F1 ในปัจจุบันที่ใช้เครื่องยนต์ตัวเล็กนิดเดียวมีกำลังมากกว่าเครื่อง V8 ที่ไม่มีเทอร์โบในรถ F1 รุ่นเก่า ในขณะที่มีอัตราสิ้นเปลืองและค่าการปล่อย Co2 ที่ดีขึ้นอย่างมากเช่นกันตอนนี้คุณสามารถมีเทคโนโลยีดังกล่าวในรถถนน จากผลงานการประดิษฐ์ของ Mercedes AMG.