โรตารี่ไม่มีวันตาย! ตอน เครื่องยนต์สูบหมุนทำงานอย่างไร ?

ปี 2019 Akira Marumoto ซึ่งดำรงตำแหน่งประธานบริษัท Mazda ในขณะนั้น ได้เชิญ Akio Toyoda (หรือที่รู้จักในชื่อ Morizo) ให้เข้าร่วมการแข่งขัน Media Roadster 4 Hours Endurance Race ซึ่งถือเป็นรายการแข่งขันประวัติศาสตร์ของ Mazda ไม่ใช่ในฐานะประธานบริษัท Toyota แต่ในฐานะส่วนหนึ่งของแขกรับเชิญพิเศษ

ก่อนการแข่งขัน Morizo รู้สึกตื่นเต้นกับรถสปอร์ตเปิดหลังคาแบบสองที่นั่ง Mazda MX-5 Roadster ของเขา และพูดแบบติดตลกขึ้นมาว่า "ผมหวังว่าใต้ฝากระโปรงของ MX-5 คันนี้ จะมีเครื่องยนต์โรตารี่นะ" แน่นอนว่า Morizo และผู้คนอีกเป็นจำนวนมากตกอยู่ภายใต้มนต์สะกดของเครื่องสูบหมุนโรตารี่มานานแล้ว นอกจากประสิทธิภาพด้านการให้พลังงานในรูปของแรงบิด เสียงของเครื่องยนต์ยังสร้างความประทับใจให้กับคนที่ได้ยิน เสียงหมุนของโรเตอร์ในรอบสูงนั้นดังชัดเจนและแทบจะไม่ต้องผ่านการปรับแต่งแต่อย่างใดทั้งสิ้น แล้วเครื่องยนต์โรตารี่มันทำเสียงที่ทำให้หัวใจเต้นแรงได้ยังไรกัน?

หลักการทำงานของเครื่องยนต์โรตารี
หลักการทำงานของเครื่องยนต์โรตารี ซึ่งไม่มีลูกสูบชัก ขึ้น-ลง เหมือนเครื่องยนต์ปกติ ไม่มีก้านสูบ ลิ้นและสปริงรวมถึงเพลาลูกเบี้ยวที่ค่อนข้างมีความเสถียรน้อยกว่าเมื่อทำงาน เครื่องยนต์โรตารีจึงเป็นเครื่องยนต์ที่มีห้องเผาไหม้แบบเดี่ยว ภายในห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ชนิดนี้มีส่วนที่เคลื่อนไหวอยู่สองส่วนคือ โรเตอร์หรือลูกสูบทรงสามเหลี่ยมด้านเท่า ชิ้นส่วนอีกชิ้นคือแครงชาร์ฟที่อยู่ในโรเตอร์ ปลายทั้งสามของโรเตอร์ จะหมุนไปรอบๆ ห้องเผาไหม้ ส่วนที่แบ่งออกเป็นสามส่วนของผนังสูบจะทำให้กำลังอัดของเครื่องโรตารี่เพิ่ม หรือลด แล้วแต่การหมุนของโรเตอร์ว่าอยู่ในตำแหน่งใด

แนวคิดของเครื่องยนต์โรตารีหรือเครื่องยนต์ Wankel (คิดค้นขึ้นโดยวิศวกรชาวเยอรมันชื่อ Felix Wankel) ใช้โรเตอร์หนึ่งตัวรูปสามเหลี่ยม หมุนอยู่ในเสื้อสูบรูปวงรี การหมุนครบหนึ่งรอบมีระบบการทำงานที่คล้ายเครื่องยนต์สี่จังหวะ คือดูด อัด ระเบิด คาย โดยโรเตอร์เพียงตัวเดียวทำหน้าที่ทั้งหมด ในยุคแรกเริ่ม เครื่องยนต์ชนิดนี้ถูกนำมาวางในรถเยอรมันยี่ห้อ NSU และได้รับความนิยมพอสมควรแต่ไม่มากเท่าที่ควร 

เครื่องยนต์โรตารีถูกออกแบบให้มีการส่งถ่ายกำลังอยู่ในแกนเดียวกัน ทำให้สามารถวางเครื่องในระดับที่ต่ำ ส่งผลไปถึงค่า Center Of Gravity (CG) ที่ต่ำกว่าเครื่องยนต์แบบอื่น (ยกเว้น Boxer) สร้างความได้เปรียบในด้านการทรงตัว รอบเครื่องที่จัดจ้านมากกว่าเครื่องสูบเรียงทำให้ขับสนุกและให้ย่านกำลังแรงบิดที่ต่อเนื่องตั้งแต่รอบต่ำไปจนถึงรอบสูงสุด การที่ไม่มีชิ้นส่วนพวกวาล์ว โดยผนังด้านข้างเสื้อสูบจะมีพอร์ตหลัก 2 พอร์ตคือ พอร์ตไอดีและพอร์ตไอเสีย ทำหน้าที่ป้อนไอดีหรือเชื้อเพลิงกับอากาศ และพอร์ตไอเสียสำหรับการระบายไอเสียจากการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ออกจากกระบอกสูบ รูปทรงรีของผนังกระบอกสูบและเพลาเยื้องศูนย์จะให้มุมของลูกสูบทั้งสามมุม เมื่อมันทำงานโดยหมุนตามเข็มนาฬิกาจะรีดทั้งไอดีและไอเสียไปตามผนังกระบอกสูบ

หลังจากไอดีถูกดูดผ่านเข้ามาทางพอร์ตไอดีเป็นการทำงานในสเตปแรกแล้ว สเตปที่สอง-รูปทรงของผนังกระบอกสูบจะบังคับให้ไอดีดังกล่าวถูกบีบอัดลด พื้นที่ลง สเต็ปที่สาม เมื่อไอดีถูกบีบอัดจนร้อนและมีความดันสูงขึ้น มันจะระเบิดด้วยการจุดประกายไฟจากหัวเทียน 2 ตำแหน่ง แรงระเบิดจะเป็นแรงผลักดันให้ลูกสูบหมุนเคลื่อนที่ต่อไป จนกระทั่งไอเสียที่เกิดขึ้นจากการสันดาปผ่านพอร์ตไอเสียออกไปสู่บรรยากาศ หรือที่ช่างเครื่องยนต์เรียกกันทั่วไปว่า จังหวะคายนั่นเอง

จังหวะของการหมุนในสเตปถัดไป ก็จะหมุนเวียนไปเข้าสู่จังหวะดูดอีกครั้ง ต่อเนื่องวนเวียนอยู่แบบนี้จนกว่าเชื้อเพลิงในถังจะหมดลง เช่นเดียวกับวัฏจักรการทำงานของเครื่องยนต์สูบเรียงแบบ 4 จังหวะ แต่เครื่องยนต์แบบโรตารีของ Mazda RX-8 จะใช้การทำงานของลูกสูบแบบสามเหลี่ยมที่หมุนเป็นวงกลมภายในผนังกระบอกสูบรูปทรงรี การหมุนของลูกสูบในเครื่องโรตารีจำนวน 1 รอบ จะได้กำลังจากการระเบิดถึง 3 ครั้ง ในขณะที่เครื่องยนต์แบบสูบเรียงจะต้องหมุนถึง 2 รอบ แล้วสร้างกำลังได้แค่ครั้งเดียว

1. เครื่องยนต์โรตารี่ มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวเพียงไม่กี่ชิ้น น้อยกว่าเครื่องยนต์ลูกสูบ 4 จังหวะมาก ทำให้การออกแบบเครื่องยนต์ง่ายขึ้นและเครื่องยนต์มีความน่าเชื่อถือ

2. มีขนาดประมาณ 1/3 ของเครื่องยนต์ลูกสูบที่ให้กำลังเท่ากัน

3. ทำรอบต่อนาทีได้สูงกว่าเครื่องยนต์ลูกสูบ

4. เครื่องยนต์โรตารี่ มีน้ำหนักแค่ 1/3 ของน้ำหนักเครื่องยนต์ลูกสูบที่ให้กำลังเท่ากัน ทำให้มีอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักที่เหนือกว่า

ข้อเสีย
1. เนื่องจากแต่ละส่วนมีความแตกต่างของอุณหภูมิ การขยายตัวของวัสดุภายในตัวเฟรมจึงแตกต่างกันในแต่ละบริเวณ บางครั้งโรเตอร์ไม่สามารถปิดผนึกห้องเผาไหม้ได้อย่างสมบูรณ์ ในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง

2. การเผาไหม้ช้า เนื่องจากห้องเผาไหม้ยาว บาง และเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา ดังนั้น มีความเป็นไปได้ที่ชิงจุดระเบิดโดยที่เผาไหม้ไม่หมด

3. เนื่องจากเชื้อเพลิงที่ไม่ถูกเผาไหม้ผสมอยู่ในไอเสียที่ระบายออกมา จึงยากที่จะปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านการปล่อยมลพิษ

เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว เครื่องโรตารีของ RX-8 ที่ปราศจากเทอร์โบ จะมีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องสูบชักในปริมาตรความจุซีซีเท่ากันถึง 6 เท่า การพัฒนาเครื่องสูบหมุนที่ไม่เคยหยุดยั้งของ Mazda ก่อกำเนิดวิศวกรรมทางการขับเคลื่อนที่เป็นเอกเทศ ถึงแม้มันจะไม่ค่อยได้รับความนิยมจากปัญหาในเรื่องของความร้อนและการสึกหรอมากกว่าเครื่องสูบชัก จากการหมุนที่รวดเร็วของลูกสูบสามเหลี่ยม แต่ปัญหาดังกล่าวได้รับการปรับปรุงแก้ไขอยู่ตลอดเวลาในห้องทดสอบเครื่องยนต์ของ Mazda การใช้วัสดุที่แข็งแกร่งทนทานมากขึ้นช่วยเพิ่มความมั่นใจให้กับผู้ใช้รถ Mazda ที่วางเครื่องโรตารี เช่น โมเดล Crossmo ในยุค 70′ ถัดมาในยุค 80′ ด้วยตัวรถที่ร้อนแรงรุ่น RX-3 ต่อเนื่องด้วย RX-7 อีกสามโมเดล คือรหัส FA/FC/FD และมาถึงยุคปัจจุบันในโมเดล RX-8 ก่อนยุติสายการผลิตไปในปี 2012

เพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างเครื่องยนต์โรตารี่กับเสียง ทีมงานของ Toyota Times ได้เข้าเยี่ยมชมแผนกรถแรงของ Mazda เพื่อพูดคุยกับ Kiyoaki Iwata ผู้จัดการฝ่ายพัฒนาสมรรถนะเครื่องยนต์กลุ่มที่ 1 ในแผนกพัฒนาระบบส่งกำลังของบริษัท Mazda ในช่วงเวลาที่ทำงานให้กับบริษัทนี้ Kiyoaki Iwata มีส่วนร่วมในการพัฒนาเสียงและการสั่นสะเทือน (NV) ในเครื่องยนต์หลายรุ่นของ Mazda ตั้งแต่เครื่องยนต์เบนซิน ดีเซลไปจนเครื่องยนต์โรตารี่

เครื่องยนต์โรตารี่ไม่มีลูกสูบเหมือนเครื่องยนต์ทั่วไป และไม่มีระบบวาล์วเปิดปิดเพื่อรับและปล่อยอากาศเข้า นั่นหมายความว่าเครื่องยนต์โรตารี่มีชิ้นส่วนน้อยมากและมีโครงสร้างที่เรียบง่ายกว่า ชิ้นส่วนที่น้อยกว่าทำให้เกิดการสั่นสะเทือนน้อยลง ซึ่งเป็นสาเหตุของเสียงรบกวนที่ไม่พึงประสงค์ นี่คือคุณสมบัติอย่างหนึ่งของเครื่องยนต์สูบหมุนโรตารี่ ช่วงการเผาไหม้แตกต่างจากเครื่องยนต์ลูกสูบชัก ในเครื่องยนต์ลูกสูบ เราจะได้การเผาไหม้หนึ่งครั้ง (การระเบิด) ทุกๆ การหมุนสองรอบของเพลาข้อเหวี่ยง (ซึ่งการหมุนจะกลายเป็นแรงบิดที่ส่งต่อจากระบบเกียร์ไปยังล้อเพื่อขับเคลื่อนรถยนต์) ในทางตรงกันข้าม เครื่องยนต์โรตารี่จะทำการเผาไหม้ทุกๆ การหมุนของเพลาลูกเบี้ยว นั่นหมายความว่าเสียงที่เกิดขึ้น จะเกิดภายในหนึ่งรอบเท่านั้น การเผาไหม้จำนวนเท่ากัน ให้ปริมาณและช่วงของเสียงที่แตกต่างกัน

เครื่องยนต์โรตารี่ของ Mazda ยุติสายการผลิตในปี 2012 ภายใต้ฝากระโปรงของรถ Mazda RX-8 แต่จริงๆแล้ว Mazda ไม่ได้ยุติโครงการเครื่องสูบหมุนและยังคงพัฒนาเครื่องยนต์นี้ต่อไปอย่างต่อเนื่องนานถึง 12 ปี  ล่าสุดเครื่องยนต์โรตารี่ก็กลับมาอยู่ในรถยนต์ Mazda อีกครั้ง แต่ไม่ใช่เพื่อใช้ขับเคลื่อนล้อ แต่ใช้ปั่นกระแสไฟฟ้าป้อนให้กับแบตเตอรี่เพื่อสำรองไฟในระบบมอเตอร์ขับเคลื่อน 

ทีมงาน Toyota Times ถาม Kiyoaki Iwata ว่า เครื่องยนต์โรตารี่ 8C ใน MX-30 จะยังคงรักษาเสียงที่คลาสสิกเอาไว้ได้หรือไม่ Kiyoaki Iwata อธิบายว่า "แม้ว่าลูกค้าจำนวนมากต่างคาดหวังว่าจะได้ยินเสียงการทำงานในรอบสูงของเครื่องปั่นไฟโรตารี่แบบ 1 โรเตอร์ แต่เครื่องสูบหมุนรุ่นใหม่ที่ถูกใช้เพื่อสร้างพลังงานนั้นมีขนาดเล็ก หมายความว่าจะไม่สามารถเร่งเครื่องให้ถึงรอบสูงที่จะทำให้เครื่องเปล่งเสียงอันไพเราะของเครื่องยนต์โรตารี่ออกมาได้" ในทางกลับกัน ความเงียบของเครื่องยนต์โรตารี่ที่ใช้เป็นเจนเนอเรเตอร์ ทำให้เครื่องสูบหมุนขนาดเล็กที่ใช้สำหรับปั่นกระแสไฟฟ้าเหมาะกับรถยนต์แบบปลั๊กอินไฮบริดของ Mazda

โครงสร้างของเครื่องยนต์โรตารี่ทำให้เครื่องยนต์เงียบมากเมื่อทำงานด้วยตัวมันเอง และด้วยโรเตอร์สองตัว แรงสั่นสะเทือนจึงหักล้างกันเอง แต่ MX-30 ใช้โรเตอร์แค่ตัวเดียว ดังนั้นวิศวกรต้องจัดการกับส่วนประกอบของแรงสั่นสะเทือนที่ไม่สามารถชดเชยได้ และก่อให้เกิดเสียงรบกวนภายในห้องโดยสาร เพื่อป้องกันไม่ให้แรงสั่นสะเทือนผ่านตัวรถ จึงจำเป็นต้องปิดกั้นเส้นทางการส่งกำลังจากชิ้นส่วนต่างๆ ที่เชื่อมต่อกับตัวรถ เพิ่มอุปกรณ์ลดแรงสั่นสะเทือนซึ่งถือเป็นความท้าทาย นอกจากนั้นยังมีการ ปรับระบบควบคุมการทำงานของเครื่องยนต์ เพื่อให้เสียงตอบสนองต่ออินพุตของผู้ขับ รวมถึงความรู้สึกของรอบเครื่องที่สูงขึ้นเมื่อเร่งความเร็ว หรือการตอบสนองเมื่อเหยียบคันเร่ง ความจริงที่เครื่องยนต์ถูกใช้เพื่อการผลิตพลังงานไฟฟ้าเพียงอย่างเดียวทำให้ Mazda สร้างมันได้อย่างอิสระมากขึ้น

สำหรับแฟนมอเตอร์สปอร์ต เสียงเครื่องยนต์โรตารี่ที่หวีแหลมของ Mazda 787B ในปี 1991 รถญี่ปุ่นคันแรกที่ชนะการแข่งขัน 24 Hours of Le Mans ถือเป็นหนึ่งในเสียงที่น่าจดจำ  787B ใช้การปรับแต่งพอร์ต ช่วยให้โรเตอร์หมุนเร็วขึ้น และเพิ่มความเร็วโดยช่วยให้แรงดันไอเสียภายในตัวเรือนลดลงอย่างรวดเร็ว ทำให้เครื่องยนต์สี่โรเตอร์ส่งเสียงหอนที่รอบสูงออกมาในโทนแหลมจัด ช่องรับอากาศและช่องระบายไอเสียออกแบบตัวเรือนทรงรังไหม ทำให้มีช่องเปิดขนาดใหญ่ขึ้น ช่วยลดแรงต้านอากาศที่เข้า/ออก การออกแบบในลักษณะดังกล่าว เพื่อเพิ่มกำลังที่รอบสูง ในทางกลับกัน ที่รอบต่ำ ช่องเปิดขนาดใหญ่ขึ้น หมายความว่าก๊าซไอเสียจะถูกขับออกมาเป็นชุด ทำให้มีเสียงเต้นรัวแรงที่ทรงพลัง เป็นเอกลักษณ์ของรถแข่งเครื่องสูบหมุน 787B มีโรเตอร์สี่ตัว เครื่องยนต์จึงสร้างเสียงคำรามอันไพเราะเมื่อรอบเครื่องยนต์กวาดขึ้นรอบสูง ตั้งแต่ 4,500 ถึง 7,000 รอบต่อนาที แต่อย่าลืมว่า เสียงเครื่องยนต์ V10 ที่ผ่านท่อระบายท้ายของ Lexus LFA ซึ่งปรับแต่งโดย Yamaha  ให้ความรู้สึกใกล้เคียงกับเสียงเครื่องสี่โรเตอร์มากที่สุด

“สมัยผมยังเด็ก ผมชอบเสียงการทำงานของเครื่องยนต์ Honda VTEC ที่เปลี่ยนไปตามรอบเครื่องยนต์ เมื่อวาล์วอากาศเปิดขึ้นที่รอบเครื่องมากกว่า 6,000 รอบต่อนาที เสียงที่เป็นเอกลักษณ์อาจฟังดูเป็นเสียงรบกวนหรือน่ารำคาญสำหรับบางคนที่ไม่ได้ชอบมอเตอร์สปอร์ตหรือสมรรถนะของเครื่องยนต์พลังสูง ดังนั้นเสียงการทำงานที่ส่งผ่านมาจากเครื่องยนต์แบบต่างๆ จึงเป็นเรื่องของรสนิยม” Kiyoaki Iwata กล่าวต่อ “โดยส่วนตัวแล้ว ผมหวังว่าเราจะสามารถรักษาเสียงที่แสดงถึงโครงสร้างและกลไกในเครื่องยนต์อันเป็นเอกลักษณ์ของแต่ละบริษัทเอาไว้ เหมือนกับเสียงคำรามอันเป็นเอกลักษณ์ของเครื่องยนต์สูบนอนของ Subaru ผมคิดว่าเสียงเครื่องยนต์ที่ดี จะเกิดขึ้นเมื่อคุณเหยียบคันเร่งและเร่งเครื่องโดยใช้รอบสูงอย่างต่อเนื่อง เครื่องยนต์โรตารี่มีเสียงที่ไพเราะและจะยิ่งเสนาะหูมากยิ่งขึ้นในรอบสูง ในความหมายกว้างๆ ผมคิดว่า "เสียงเครื่องยนต์ที่สมบูรณ์แบบ" นั้น ต้องสัมพันธ์กับสิ่งที่คุณคาดหวังจากสถานการณ์การขับและการตอบสนองของเครื่องยนต์

"Mazda แข่งขันใน Super Taikyu ด้วยเครื่องยนต์ดีเซล ซึ่งไม่สามารถทำรอบสูงได้เท่ากับเครื่องยนต์เบนซิน นอกจากนี้ เทอร์โบยังช่วยลดการสั่นของจังหวะการทำงาน ทำให้เสียงเครื่องยนต์รถแข่งดีเซลของทีม Mazda เบาลง ทีมงานในสนามแข่งยังถามด้วยซ้ำว่าเราจะทำให้เสียงเครื่องให้ฟังดู ทรงพลังมากกว่านี้ได้หรือไม่ ท้ายที่สุดแล้ว ผมคิดว่าเสียงที่ดีจะต้องสร้างความรู้สึกที่ดีให้กับผู้ฟัง แนวคิดของ Mazda ก็คือ การผลิตรถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยปรัชญา Jinba-Ittai (ความเป็นหนึ่งเดียวระหว่างม้าและผู้ขี่) และการปรับแต่งเสียงเครื่องยนต์ก็เป็นส่วนหนึ่งของปรัชญานั้น Mazda จะยังคงมุ่งมั่นพัฒนาเสียงที่สอดประสานกับประสาทสัมผัสของผู้ขับ สอดคล้องกับการควบคุม  ไม่ว่าจะเป็นเครื่องโรตารี่ ลูกสูบชัก เบนซินหรือดีเซล ผมมั่นใจว่าผู้ผลิตทุกแบรนด์ ต่างก็ทุ่มเทอย่างหนักเพื่อบรรลุเป้าหมายเดียวกัน" Kiyoaki Iwata กล่าวปิดท้าย

เครื่องยนต์โรตารี่ถูกออกแบบให้มีรอบการทำงานที่จัดจ้านมากกว่าเครื่องยนต์สูบเรียงหรือสูบนอน เครื่องสูบหมุนของ Mazda บางรุ่นมีรอบเครื่องเกิน 10,000 รอบต่อนาที ทำให้เกิดความร้อนแพร่กระจายสะสมในห้องเครื่องยนต์ จากการหมุนด้วยความเร็วสูงของโรเตอร์ ส่งผลให้ประเกน สายไฟและอุปกรณ์ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวในเครื่องยนต์ เช่น สูบโรเตอร์แบบสามเหลี่ยม การเสื่อมสภาพสึกหรอจากที่สูบต้องหมุนในรอบที่รอบสูงมาก ชิ้นส่วนภายในเครื่องยนต์โรตารี่ยังมีราคาแพง และมีต้นทุนในการผลิตสูงกว่าเครื่องยนต์สูบเรียง ช่างที่มีความเชี่ยวชาญชำนาญกับการซ่อมบำรุงเครื่องยนต์ชนิดนี้มีน้อย ความนิยมชมชอบจึงค่อยๆ ลดลงไปเรื่อยๆ เหลือเพียงนักเลงรถกลุ่มเล็กๆ ที่ยังมั่นคงกับเครื่องโรตารี่โดยพยายามรักษาสภาพปรับปรุงตกแต่งและบูรณะให้รถและเครื่องยนต์อยู่ในสภาพที่วิ่งใช้งานได้ ส่วนเครื่องโรตารี่รุ่นใหม่แบบโรเตอร์เดี่ยวที่ใช้ปั่นกระแสไฟใส่แบตฯในรถ Mazda PHEV จะมีขนาดเล็กกว่า กินเชื้อเพลิงเท่าที่จำเป็น มลพิษต่ำและมีค่าการสึกหรอน้อยกว่าเดิมมาก.

อาคม รวมสุวรรณ
E-Mail chang.arcom@thairath.co.th 
Facebook https://www.facebook.com/chang.arcom 
https://www.facebook.com/ARCOM-CHANG-Thairath-Online-525369247505358/