บทความนี้สนับสนุนโดย Motys Oil Thailand

ปกติแล้ว เครื่องยนต์เครื่องหนึ่งจะมี รอบสูงสุด ที่ถูกตั้งไว้มาจากโรงงาน ซึ่งเราๆ ท่านๆ อาจจะคุ้นหูในชื่อ เรดไลน์ (Redline) โดยที่รอบสูงสุดนี้ ถูกกำหนดโดยวิศวกรผู้ออกแบบเครื่องยนต์ เพื่อเป็นการการันตีว่า ภายใต้รอบการใช้งานที่ต่ำกว่า เรดไลน์ นั้น เครื่องยนต์จะสามารถทำงานได้อย่างสมบูรณ์ และไม่กลับบ้านเก่าก่อนเวลาอันควรอย่างแน่นอน

รถยนต์ส่วนบุคคลที่วิ่งกันอยู่บนท้องถนนนั้น มีรอบเครื่องสูงสุดประมาณ 6000-RPM เท่านั้นเอง แต่ว่าทำไม เครื่องยนต์ของมอเตอร์ไซด์บิ๊กไบค์ รวมไปถึงเครื่องยนต์ของรถแข่งสูตรหนึ่งอย่างรถแข่ง F1 จึงสามารถเร่งรอบได้สูงถึง 20,000-RPM ความแตกต่างนี้...เกิดขึ้นจากปัจจัยอะไร น้ำหนักของลูกสูบหรือเปล่า ระบบหล่อลื่น เชื้อเพลิงที่ใช้ หรือว่าความแข็งแรง

Ariel Atom 500 มีเรดไลน์สูงชวนเสียวที่ 10,500-RPM

สำหรับเครื่องยนต์รุ่นใหม่นั้น จะมีการ จำกัด รอบเครื่องยนต์ เพื่อไม่ให้รอบกวาดไปเกินค่าที่กำหนด เป็นการช่วยป้องกันเครื่องยนต์ไม่ให้เกิดความเสียหายเนื่องจากการ Over-Revving (โอเวอร์-เรฟวิง) หรือการเร่งเครื่องยนต์เกินกว่ารอบเครื่องยนต์ที่ปลอดภัย แต่คำถามก็คือว่า ถ้าหากเราทำการปลดล็อครอบเครื่องยนต์ แล้วเร่งเครื่องไปจนกระทั่งถึงค่าสูงสุดนั้น เครื่องยนต์ของเราจะสามารถทำรอบสูงสุดได้เท่าไหร่ มันจะพังไหม หรือว่ามันจะดับเอาดื้อๆ

HONDA S2000 มาพร้อมกับเครื่องยนต์รอบจัด F20C ที่มีเรดไลน์สูงถึง 9000-RPM

และในวันนี้ เราจะไปศึกษาปัจจัยต่างๆ ที่เป็นตัวกำหนดรอบสูงสุดของเครื่องยนต์โดยกำเนิด ซึ่งหมายความว่า ในบทความนี้ เราจะ ไม่มี การพูดถึงระบบ จำกัดรอบเครื่องยนต์ อัตโนมัติ (Engine Rev Limiter) แต่เราจะไปโฟกัสที่รอบสูงสุดของเครื่องยนต์ โดยกรรมพันธุ์ นั่นก็คือ RPM สูงที่สุดที่เครื่องยนต์เครื่องนั้นสามารถไต้ไปถึงแบบเพียวๆ เพื่อหาคำตอบว่า... ชิ้นส่วนหรือกลไกใดบ้าง ที่มีส่วนสำคัญในการสร้างความได้เปรียบ และส่งผลให้เครื่องยนต์เหล่านี้ มีรอบที่สูงชวนเสียว-กวางเหลียวหลัง

สำหรับบทความนี้ก็จะค่อนข้างวิชาการนิดๆ แต่ผมจะพยายามเรียบเรียงให้เข้าใจง่ายที่สุด โดยหวังว่าท่านผู้อ่านจะสนุกกับบทความ และสามารถนำความรู้ไปต่อยอดได้อย่างเป็นประโยชน์ ว่าแล้ว...เราก็ไปเริ่มกันเลยดีกว่ากับ ปัจจัยข้อที่ 1

1. สปริงวาล์ว คือ หัวใจสำคัญ DYNAMICS IN VALVETRAIN!

แน่นอนว่า ถ้าเราพูดถึง สมรรถนะ หรือว่า รอบสูงสุด ของเครื่องยนต์ หลายๆ คนจะโฟกัสไปที่ชิ้นส่วนหลักๆ อย่างเช่น ลูกสูบ, ก้านสูบ และเพลาข้อเหวี่ยง แต่เชื่อหรือไม่ว่า หนึ่งในปัจจัยที่เป็นตัวจำกัดรอบเครื่องยนต์นั้น ไม่ได้เป็นชิ้นส่วนหลักที่หอยู่ในเสื้อสูบ แต่มันคือ สปริงวาล์ว ที่ประจำการอยู่บนฝาสูบนั่นเอง

โดยปกติแล้ว แคมชาฟท์ จะทำหน้าที่ดันวาล์วเพื่อเปิดให้ ไอดี ไหลเข้าไปในจังหวะดูด หรือ ไอเสีย ไหลออกในจังหวะคาย ส่วน สปริงวาล์ว นั้น จะทำหน้าที่ ดีด ให้วาล์วกลับมาอยู่ตำแหน่งเดิม และในช่วงรอบเครื่องยนต์สูงๆ นั้น ถ้าหากว่า สปริงวาล์ว ไม่มีความแข็งพอที่จะดีดให้วาล์วกลับมาตำแหน่งเดิมได้ทันเวลา หรือพูดง่ายๆ ว่า สปริงไม่สามารถทำให้วาล์วปิดได้ เราจะเรียกอาการนี้ว่า อาการวาล์วลอย (Valve Float)

อาการวาล์วลอย...มาเกี่ยวอะไรกับ เรดไลน์

อาการวาล์วลอย (Valve Float) จะเกิดขึ้นที่รอบเครื่องยนต์สูงๆ ...สาเหตุก็คือว่าที่ความเร็วสูงๆ นั้น วัฏจักรของเครื่องยนต์จะมีเวลาที่สั้นๆ มากๆ ...พูดง่ายๆ ก็คือว่า การหมุนของเครื่องยนต์ในหนึ่งรอบนั้น กินเวลาเพียงเศษเสี้ยวของวินาที และถ้าหากว่าในจังหวะปิดวาล์วนั้น สปริงวาล์ว ไม่สามารถ ดีด วาล์วให้กลับมายังตำแหน่งเดิมได้อย่างทันเวลา (ก่อนจังหวะอัด) จะทำให้เครื่องยนต์สูญเสียกำลังอัด หรือที่แย่ก็ว่านั้นก็คือว่า ...ขณะที่วาล์วยังไม่ปิดสนิทนั้น ลูกสูบจะเคลื่อนที่ขึ้นมา กระแทก กับวาล์ว มีผลทำให้ชิ้นส่วนภายในเกิดความเสียหายได้

เครื่องยนต์ทุกเครื่อง มีโอกาสที่จะเกิดอาการวาล์วลอย ด้วยกันทั้งหมด แต่จะเกิดขึ้นที่รอบเท่าไหร่นั้น ก็ขึ้นอยู่กับค่าความแข็งของสปริง, กลไกการกดวาล์ว รวมไปถึงระยะยกของวาล์วอีกด้วย สำหรับเครื่องยนต์รอบจัดอย่างรถแข่ง F1 นั้น ไม่ได้ใช้สปริงวาล์วแบบขดที่ใช้กันในรถยนต์โดยทั่วไป แต่สำหรับรถแข่งพวกนี้ จะใช้ 'สปริงอัดอากาศ' (Pneumatic Valve Spring) เพื่อป้องการอาการวาล์วลอยนั่นเองครับ และนี่ก็คือหนึ่งในเหตุผลที่รถแข่งพวกนี้ สามารถเร่งรอบได้เกือบ 20,000-RPM ได้อย่างไม่มีปัญหา

วาล์วอัดอากาศของเครื่องยนต์รถแข่ง F1

นอกจากนั้นแล้ว วิธีการแก้ปัญหาอาการ วาล์วลอย อีกหนึ่งวิธีก็คือ ทำให้มันเป็นอิเล็กทรอนิคส์ซะเลย พูดง่ายๆ ก็คือว่า ยก แคม ออก...แล้วเอามอเตอร์ไฟฟ้ามาควบคุมการเปิดวาล์วอย่างเบ็ดเสร็จเบ็ดเสร็จ จะเปิด-จะปิด ที่องศาเท่าไหร่...ก็จูนกันให้เต็มที่เลย ซึ่งการควบคุมกลไกการเปิด-ปิดวาล์วด้วยไฟฟ้านี้ ถูกคิดค้นและพัฒนาอย่างจริงจังแล้ว แต่ทว่าในขณะนี้ ก็ยังไม่มีใครที่ใจกล้า-บ้าบิ่นพอที่จะนำมาผลิตและจำหน่ายอย่างจริงจัง ทำให้เทคโนโลยีที่ว่านี้ เป็นเพียงต้นแบบที่รอวัน เปิดตัว อย่างไม่มีกำหนด

บทความแนะนำ -IVA เทคโนโลยี วาล์วไฟฟ้า อัจฉริยะ

2. แรงเสียดทาน คือ ศัตรูตัวฉกาจ FRICTION IS AN ENEMY!

แรงเสียดทานภายในเครื่องยนต์ เกิดขึ้นจากชิ้นส่วนทั้งหมดที่มีการเคลื่อนที่และเกิดการเสียดสี ไม่ว่าจะเป็นแรงเสียดทานจากแหวนลูกสูบและกระโปรงลูกสูบ ชาฟท์อก-ชาฟท์ก้าน (แบริ่งเพลาข้อเหวี่ยง-แบริ่งก้านสูบ) แคมชาฟท์, สปริงวาล์ว ชิ้นส่วนเหล่านี้ ล้วนนำมาซึ่งแรงเสียดทานที่เครื่องยนต์จะต้องเอาชนะด้วยกันทั้งหมด

โดยแรงเสียดทานนี้ จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าของรอบการหมุน นั่นหมายความว่า ยิ่งรอบเครื่องสูงเท่าไหร่ แรงเสียดทานก็จะมีค่าเพิ่มขึ้นอย่างมหาศาล จนกระทั่งถึงจุดหนึ่ง ที่แรงจุดระเบิด ไม่สามารถ ดันให้ลูกสูบเคลื่อนที่ได้แล้ว และที่รอบเครื่องยนต์ ณ ขณะนั้น ก็จะเป็นรอบเครื่องยนต์สูงสุดที่เครื่องยนต์ทำได้นั่นเองครับ

สำหรับรถแข่งสูตรหนึ่งอย่างรถแข่ง F1 นั้น ในขณะที่วิ่งแข่งขันด้วยรอบเครื่องยนต์สูงๆ แรงเสียดทานที่เกิดขึ้นภายในเครื่องยนต์ กินพลังงานมากถึง 40% ของกำลังที่เครื่องยนต์สร้างได้ (แรงต้านอื่นๆ ได้แก่ แรงเสียดทานของชุดเกียร์และระบบส่งกำลัง, แรงต้านอากาศ, แรงเฉื่อยเนื่องมาจากน้ำหนักรถแข่ง) ดังนั้น แรงเสียดทานภายในเครื่องยนต์จึงถือเป็นตัวการสำคัญที่จำกัดรอบการหมุนสูงสุดของเครื่องยนต์อย่างปฏิเสธไม่ได้

เพราะฉะนั้น สำหรับรถเครื่องยนต์ที่ต้องการที่จะเพิ่มรอบเครื่องยนต์ให้ไหลขึ้นไปอย่างต่อเนื่อง สิ่งที่ต้องทำก็คือ การลดแรงเสียดทาน ซึ่งแน่นอนว่าวิธีการที่จะลดภาระที่เกิดจากการเสียดสีเหล่านี้ ก็ตกเป็นหน้าที่ของ ระบบหล่อลื่น โดยเบ็ดเสร็จสมบูรณ์

ระบบหล่อลื่นของเครื่องยนต์โดยทั่วไป

ระบบหล่อลื่นที่ดีนั้น นอกจากจะต้องสามารถลำเลียงน้ำมันเครื่องไปหล่อเลี้ยงชิ้นส่วนต่างๆ อย่างเพียงพอแล้ว คุณภาพ ของน้ำมันเครื่องก็เป็นปัจจัยสำคัญเช่นเดียวกัน เนื่องว่าชิ้นส่วนภายในเครื่องยนต์รอบจัดนั้น จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่สูงกว่าปกติ ผลลัพธ์ก็คือความร้อนที่สูงขึ้นอย่างเลี่ยงไม่ได้ เพราะฉะนั้นแล้ว น้ำมันเครื่องสำหรับเครื่องยนต์รอบจัด จะต้องสามารถทนความร้อนได้สูง ในขณะเดียวกันก็ต้องมีความหนืดเพียงพอที่จะสร้างชั้นฟิล์มเพื่อป้องกันการสัมผัสโดยตรงของชิ้นส่วนเหล่านี้

โซนโปรโมทสินค้า

สำหรับสาวกสาย NA-ไร้ระบบอัดอากาศ แน่นอนว่า การที่จะงัดเอาสมรรถนะของเครื่องยนต์ประเภท หายใจด้วยตัวเอง ออกมาให้มากที่สุดนั้น ...ต้องอาศัยรอบเครื่องยนต์ที่สูงลิบลิ่ว เรียกได้ว่า รอบยิ่งจัด-ม้ายิ่งจ้าน แต่ในขณะเดียวกัน แรงม้าที่ผลิตมาได้นั้น ก็ต้องสังเวยให้กับนายหน้าอย่าง แรงเสียดทาน ไปเกือบครึ่งฝูง

เพราะฉะนั้น ในวันนี้ ผมก็เลยขออนุญาตมาแนะนำน้ำมันเครื่อง Motys M111น้ำมันเครื่องสังเคราะห์ 100% คุณภาพสูง มีที่ออกแบบมาเพื่อช่วยลดแรงเสียดทานภายในเครื่องยนต์เป็นอันดับแรก ในขณะเดียวกัน ก็ยังคงความยืดหยุ่นและสามารถทนความร้อนสูง เหมาะอย่างยิ่งสำหรับสาวก NA รอบจัด ที่ชื่นชอบการตอบสนองที่รวดเร็วทั้งในช่วงรอบต่ำและรอบสูง

นอกจากนั้นแล้ว Motys ยังได้พัฒนาน้ำมันเครื่องคุณภาพสูงสำหรับ สายบูสต์ อย่างเครื่องยนต์เทอร์โบ ซึ่งขึ้นชื่อในเรื่องของ ความร้อน ที่มาพร้อมกับ ความแรง ...น้ำมันเครื่อง Motys M111Hถูกพัฒนาขึ้นมาจากรุ่น M111 (น้ำมันเครื่องของเครื่องยนต์ NA) ให้สามารถทนความร้อนได้สูงขึ้นอีก เหมาะสำหรับเครื่องยนต์ที่มีระบบอัดอากาศ ไม่ว่าจะบูสต์เบาหรือบูสต์หนัก รวมไปถึงเครื่องยนต์ NA ที่ได้รับการโมดิฟายมาหนัก ก็สามารถใช้น้ำมันเครื่อง Motys M111H ได้อย่างไม่มีปัญหา

3. เครื่องยนต์ต้องหายใจได้เต็มปอด BREATHING DOES MATTER

ถึงแม้ว่าเครื่องยนต์ที่ประจำการอยู่ใต้ฝากระโปรงนั้น จะเป็นเครื่องยนต์ V8 ความจุ 4,000-ซีซี แต่ถ้าหากว่าเครื่องยนต์เครื่องนี้ ไม่มี ระบบลำเลียงอากาศที่ดีแล้วล่ะก็ ความจุมหาศาลก็จะไร้ซึ่งความหมายโดยทันที ถ้าจะให้เปรียบเทียบก็คงเหมือนกับ การวิ่งระยะไกล อย่างการวิ่งมาราธอน นอกจากนักวิ่งจะต้องมีพลังงานเพียงพอเพื่อวิ่งจนถึงเส้นชัยแล้ว สิ่งสำคัญอีกหนึ่งอย่างก็คือว่า การกำหนดจังหวะการหายใจ เพราะฉะนั้น ปัจจัยที่จะทำให้ไปถึงเส้นชัยนั้น ไม่ได้อยู่ที่ว่า แข็งแรงแค่ไหน...แต่อยู่ตรงที่ หายใจทันหรือเปล่า

เพราะฉะนั้น ปัจจัยอันดับ 3 ที่เป็นตัวกำหนด เรดไลน์ ของเครื่องยนต์ ก็คือ ระบบลำเลียงอากาศ นั่นเองครับ ระบบลำเลียงที่ดีต้องสามารถนำอ็อกซิเจนบริสุทธิ์ไปป้อนให้กับห้องเผาไหม้อย่างเพียงพอและต่อเนื่อง ในขณะเดียวกันนั้น ระบบกรองอากาศต้องไม่ทำตัวเป็น ภาระ ของกระแสอากาศ ไม่กัก-ไม่กั้น ปริมาณอากาศมากเกินความจำเป็น นอกจากนั้นแล้ว วาล์วไอดีต้องมีขนาดใหญ่เพียงพอที่จะเป็นทางผ่านให้มวลอากาศปริมาณมหาศาล เพื่อให้ไหลเข้าสู่ห้องเผาไหม้ได้อย่างเต็มปอด

สำหรับรถยนต์ส่วนบุคคลที่วิ่งกันตามท้องถนนนั้น ระบบอากาศจะเป็นแบบปิด นั่นหมายความว่าทุกอย่างจะถูก ยัด เอาไว้ในห้องเครื่องยนต์ เพราะฉะนั้นแล้ว ถึงแม้ว่าจะทำการปลดล็อครอบ เพิ่มอัตราทดเกียร์ แต่ถึงอย่างไร ระบบอากาศแบบปิดนี้ เมื่อถึง RPM รอบหนึ่งๆ เครื่องยนต์ก็จะไม่สามารถเร่งรอบขึ้นได้อีก เนื่องจากขาดอากาศหายใจนั่นเองครับ

แต่สำหรับรถแข่งหรือรถซุปเปอร์คาร์ที่มีรอบเครื่องยนต์สูงๆ นั้น ทางเข้า ของอากาศจะถูกออกแบบให้เป็นส่วนหนึ่งของบอดี้รถโดยสมบูรณ์ เพื่อทำหน้าที่ปะทะลมโดยตรง และดักเอาอากาศบริสุทธิ์เพื่อป้อนให้กับเครื่องยนต์ต่อไป

ตัวเลขสถิติที่น่าตกใจของรถแข่ง F1 ก็คือว่า...ขณะที่ใช้รอบเครื่องยนต์อยู่ที่ 18,000-RPM เครื่องจอมตะกละนี้ บริโภคอากาศมากถึง 650-ลิตร ต่อ วินาที คิดดูแล้วกันครับว่า... ถ้ามีเศษใบไม้หรือว่าอะไรก็ตามแต่ไปอุดตันที่กรองอากาศ เครื่องยนต์รอบจีดพวกนี้ มีโอกาสจะดับโดยทันที เนื่องจากว่าปริมาณอากาศไม่เพียงพอต่อความต้องการในขณะนั้นนั่นเองครับ

4. วัสดุศาสตร์ คือ คำตอบสุดท้าย MATERIALS IS A KEY!

ถึงแม้ว่าเครื่องยนต์จะสามารถหายใจได้อย่างสะดวก และมีระบบหล่อลื่นที่สมบูรณ์แบบแล้ว แต่ก็มีอีกหนึ่งข้อจำกัด ที่ไม่มีใครสามารถปฏิเสธได้ ข้อจำกัดที่ว่านี้ก็คือ ความแข็งแรง ของชิ้นส่วนภายในเครื่องยนต์นั่นเอง

ขณะที่เครื่องยนต์กำลังหมุนด้วยความเร็วสูงนั้น นอกจากความดันและอุณหภูมิที่สูงแบบสุดติ่งแล้ว แรงกระทำอันเนื่องมาจากเคลื่อนที่ ก็มีค่าสูงลิบลิ่วด้วยเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งลูกสูบและก้านสูบ ที่ต้องเคลื่อนที่ไป-กลับด้วยความเร็วพอๆ กับกระสุนปืน ความเร่งที่เกิดขึ้นหรือที่เรียกว่า G-Force มีค่าตั้งแต่ 1000-9000 G-force ส่งผลให้เกิดความเค้นมหาศาลกระทำต่อชิ้นส่วนเหล่านี้ ถ้าหากว่า ความเค้น ที่กระทำ มีค่ามากกว่า ความแข็งแรง ของวัสดุ ชิ้นส่วนภายในก็จะแยกย้ายกันกลับบ้านเก่าโดยทันทีครับ

นอกจากชิ้นส่วนภายในจะต้องมีความแข็งแรงแล้ว ก็ต้องมี น้ำหนักเบา ด้วยเช่นกัน น้ำหนักจะมีความสัมพันธ์โดยตรงกับแรงเฉื่อย ดังนั้น การใช้ชิ้นส่วนน้ำหนักเบา จึงเป็นการช่วยลดความเค้นที่จะเกิดขึ้นกับโครงสร้างภายในอย่างมีประสิทธิภาพ

วิดีโอ - World Fastest Evo - 13.000RPM 2000+HP

เพราะฉะนั้นแล้ว ปัจจัยด้านวัสดุศาสตร์ หรือพูดอีกนัยหนึ่งก็คือ ความแข็งแรง จึงกลายมาเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่จะบ่งชี้ว่า เครื่องยนต์แต่ละเครื่องจะสามารถเร่งรอบสูงสุดได้เท่าไหร่ โดยที่ชิ้นส่วนภายใน ไม่เกิดความเสียหายนั่นเองครับ

และนี่ก็คือปัจจัยทั้งหมดที่กลายมาเป็น ข้อจำกัด ของรอบการหมุนเครื่องยนต์ และการจะเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ ต้องอาศัยทั้งเทคโนโลยีและต้นทุนอย่างมหาศาล แต่ผลลัพธ์ที่ได้ก็คุ้มค่าอย่างแน่นอนครับ สำหรับบทความนี้ ก็ขอจบแต่เพียงเท่านี้ หวังว่าท่านผู้อ่านจะได้รับความรู้ไม่มากก็น้อย และท่านผู้อ่านสามารถติดตาม ข่าวสารยานยนต์ หรือ บทความอื่นๆ ได้ที่ แฟนเพจ Joh's Autolife ได้เลยครับผม

และสำหรับท่านผู้อ่านที่สนใจในผลิตภัณฑ์ของ Motys ไม่ว่าจะเป็นน้ำมันเครื่อง น้ำมันเกียร์ หรือน้ำมันคลัตช์ ก็สามารถสอบถามโดยตรงได้ที่ แฟนเพจ Motys Oil Thailandหรือเข้าไปเยี่ยมชมเว็ปไซต์ของ Motys ได้ทางhttps://motysthailand.wordpress.com/