คำตอบที่ 6
ขออนุญาตนำคำตอบของพี่ โอแมน ณ ป่ายิ้มในกระทู้เพื่อน KZ (น่าจะภาค 13) มาให้อ่านนะครับ เพื่อเป็นการขยายความในคต. 4 ครับ เผื่อจะเข้าใจมากขึ้นในเรื่องแรงม้ากับแรงบิด
ลองอ่านดูแล้วจะเข้าใจ ความรู้เล็ก ๆ น้อย ๆ
แรงบิด (Torque) คือ แรงหมุนของเพลาเครื่องยนต์ เป็นแรงที่ใช้เพื่อส่งกำลังของเครื่องยนต์ไปหมุนเกียร์ เพลา และ ล้อรถ เพื่อให้รถเคลื่อนที่ไปได้ แรงบิดจะมีค่า แตกต่างกันไปที่ความเร็วรอบเครื่องยนต์ต่างๆ ซึ่ง ขึ้นอยู่กับการออกแบบของผู้ผลิตว่าต้องการให้มีแรงบิด สูงสุดอยู่ที่ความเร็วรอบเครื่องยนต์ต่ำ ปานกลาง หรือ สูง รถที่ใช้เครื่องยนต์ที่มีแรงบิดสูงก็จะมีอัตราเร่ง ดีกว่ารถที่ใช้เครื่องยนต์ที่มีแรงบิดต่ำกว่าพูดง่ายๆก็คือ แรงบิดจะเป็นตัวบ่งชี้ว่ารถคันใดวิ่งเร็วกว่าอีกคันครับ ยกตัวอย่าง รถคันแรกมี 115 แรงม้าที่6500รอบ แรงบิด 14 ก.ก./เมตรที่4500รอบ คันที่สองมี100แรงม้า แรงบิด 14 ก.ก./เมตรที่ 2750 รอบ ถามว่ารถคันแรกหรือคันที่สองวิ่งกว่ากันคำตอบก็คือ รถคันที่สองจะวิ่งเร็วกว่าคันแรกครับ เพราะแรงบิดสูงสุดมาที่รอบต่ำกว่า 2750 รอบแม้ว่าจะ14กก/เมตรเท่ากันทั้งสองคันก็ตาม แรงม้าเกินกันอีก15แรงก็ตาม รถคันแรกไม่มีทางไล่รถคันที่สองทันทุกกรณี อัตตราเร่ง0-100 คันที่สองก็ใช้เวลาน้อยกว่า จับมาอัดกัน0-400เมตร คันที่สองก็อยู่หน้าคันแรกอยู่ดี ทำไมรถแข่งในสนามจึงเอามาวิ่งใช้งานปรกติไม่ได้ ก็เพราะเหตุนี้ล่ะครับแรงบิดสูงสุดมันมาที่เป็นหมื่นๆรอบ แค่ออกตัวก็ต้องออกที่รอบ4000-6000รอบ ไม่มีทางทุกกรณีที่จะเอามาวิ่งในถนนปรกติได้เลย วิธีสังเกตุหรือดูง่ายๆก็คือว่ารถคันไหนแรงบิดมันมาที่รอบต่ำกว่าคันนั้นล่ะ วิ่งกว่าครับ
รถที่ใช้เครื่องยนต์ที่มีแรงบิดสูงสุดในรอบเครื่องต่ำ หรือปานกลาง จะออกตัวได้ดีกว่าและให้อัตราเร่งที่ดีกว่า ในช่วงความเร็วต่ำหรือความเร็วปานกลาง ในขณะที่ รถที่ใช้เครื่องยนต์ที่มีแรงบิดสูงสุดในรอบเครื่องสูง จะให้อัตราเร่งที่ดีกว่าในช่วงความเร็วสูง และมีแนวโน้ม ที่จะให้ความเร็วสูงสุดที่สูงกว่า (ดูในเรื่องแรงม้า) แต่ใน
การออกตัวหรือในช่วงที่ใช้ความเร็วต่ำสมรรถนะ จะด้อยกว่า หรือ ที่มักเรียกกันว่า "ต้องรอรอบ" เครื่องยนต์ที่มีแรงบิดสูงสุดที่รอบเครื่องต่ำมักเหมาะกับรถเก๋งที่ใช้งานใน เมือง รถบรรทุก รถขับเคลื่อน 4 ล้อ ที่ใช้งานในป่าหรือที่ทุรกันดาร ส่วนเครื่องยนต์ที่มีแรงบิด สูงสุดที่ความเร็วรอบสูงจะเหมาะกับรถที่ใช้เดินทางไกล บ่อยๆ ต้องการอัตราเร่งที่ดีที่ความเร็วสูง หน่วยของแรงบิดที่นิยมใช้กัน คือ Kg-m, Nm และ Ft-lbs
.............แรงม้า (Horse Power) คือ หน่วยอันหนึ่งสำหรับ ใช้วัดกำลังของเครื่องยนต์ หน่วยวัดกำลังที่นิยมใช้กัน คือ แรงม้า (HP),แรงม้า (PS) และ กิโลวัตต์ (KW)นอกจากนี้ ในบางครั้งเราจะเห็นตัวย่อ BHP ซึ่งย่อมาจาก Brake Horse Power หมายถึง กำลังของเครื่องยนต์ที่ได้รับจากเพลาเครื่อง ซึ่งเท่ากับกำลังที่เครื่องยนต์ผลิตได้หักออก ด้วยแรงเสียดทานภายเครื่องยนต์ ดัง สูตร BHP = IHP - FHP โดยที่ IHP คือ Indicated Horse Power หมายถึงกำลัง ที่เครื่องยนต์ผลิตได้ และ FHP คือ Friction Horse Power ซึ่งหมายถึงแรงเสียดทานภายในเครื่องยนต์ กำลังของเครื่องยนต์สามารถคำนวณได้จากสูตร HP = K x Torque x RPM โดยที่ K คือ ค่าคงที่ T คือแรงบิด และ RPM คือความเร็วรอบของเครื่องยนต์ แรงม้าสูงสุดของเครื่องยนต์แต่ละรุ่นแต่ละแบบจะอยู่ที่ ความเร็วรอบเครื่องยนต์แตกต่างกันไปแล้วแต่การ ออกแบบของผู้ผลิต แล้วแรงม้าเห็นกันในหนังสือ หรือใน specification ต่างๆ นั้นเป็น BHP หรือ IHP คำตอบน่าจะเป็นBHP เพราะเป็นแรงม้าที่ได้มาจากการทดสอบสมรรถนะของเครื่องยนต์ แรงม้าสูงสุดจะอยู่ที่ความเร็วรอบสูงกว่าความเร็วรอบที่มี แรงบิดสูงสุดเสมอจากที่แรงบิดของเครื่องยนต์จะแสดงถึงอัตราเร่ง แรงม้าของเครื่องยนต์ก็จะแสดงถึงความเร็วสูงสุดของรถ ซึ่งหมายถึงความสามารถในการเอาชนะแรงเสียดทาน และ แรงต้านของอากาศ ที่จะมีมากขึ้นเป็นทวีคูณ (อัตราความเร็วยกกำลังสอง)เมื่อความเร็วสูงขึ้น จากสูตรคำนวณแรงม้าจะเห็นได้ว่า สำหรับเครื่องยนต์ที่มี ขนาดเท่าๆ กัน เครื่องยนต์ที่มีแรงบิดสูงสุดที่รอบต่ำจะมีแนวโน้มที่จะมีแรงม้าสูงสุด ต่ำกว่า เครื่องยนต์ที่มีแรงบิดสูงสุดที่รอบสูงกว่า แต่ถ้าต้องการให้มีทั้งแรงบิดและ แรงม้ามากขึ้น ก็จะต้องเป็นเครื่องยนต์ที่มีเทคโนโลยีสูงกว่า
หรือ เป็นเครื่องยนต์ที่มีขนาดใหญ่กว่า หรือ มีการติดตั้ง อุปกรณ์อื่นเพิ่ม เช่น turbocharger supercharger ฯลฯ ซึ่งแน่นอนว่าราคาของเครื่องยนต์จะสูงขึ้น ค่าใช้จ่าย ในการซ่อมบำรุงก็จะสูงขึ้น และ มักจะต้องจ่ายค่าน้ำมันเชื้อเพลิงมากขึ้นอีกด้วย
อันความรู้เรื่องแรงบิดและแรงม้านั้น ผมว่าไม่ใช่รู้เพื่อความเท่ห์เฉยๆ แต่มันมีประโยชน์ต่อการใช้งานรถเราด้วยครับ อย่างเช่น เรารู้แรงบิดสูงสุดว่าอยู่ที่กี่รอบ ก็ควรเปลี่ยนเกียร์(ให้สูงขึ้น)ที่ความเร็วรอบไม่เกินนั้น(อย่างเช่นอยู่ที่ 3000 รอบ เราก็ควรเปลี่ยนเกียร์ที่ 2500-3000 รอบ เพราะไปเปลี่ยนเกียร์ที่รอบสูงกว่านี้ก็ไม่เกิดประโยชน์อะไร ทำร้ายเครื่องเราปล่าวๆ) เรารู้แรงม้าสูงสุดว่าอยู่ที่กี่รอบ ก็ควรใช้ความเร็วสูงสุดไม่เกินที่เขากำหนดรอบมา
การทดเกียร์ในรถยนต์ทำเพื่ออะไร?
การทดเกียร์มีจุดประสงค์ 2 ประการคือ
หนึ่ง เพื่อให้สามารถควบคุมความเร็วรถได้อย่างเหมะสมตามรอบเครื่องยนต์
สอง เพื่อให้สามารถสร้างอัตตราเร่งของรถได้ด้วยการทำให้แรงบิดของเพลาขับสูงกว่าแรงที่รถต้องการในแต่ละช่วงความเร็ว
ประการที่หนึ่ง นั้นคงไม่ต้องอธิบายมาก แต่อยากจะบอกให้หายสงสัยว่า ทำไมรถที่เครื่องแรงมากๆๆๆๆๆ เช่น รถสปอร์ต 300-500 แรงม้า ยังคงต้องมีเกียร์ หนึ่ง ที่มีอัตราทดพอๆ กับรถจ่ายตลาดที่มีแรงม้าแค่ปริ่มๆ 100 แรงม้า ถามว่ารถที่แรงมากๆ ออกเกียร์ สอง ได้มั๊ย ก็ตอบว่า อาจได้ครับ แต่ไม่เห็นมีประโยชน์อะไร รถยนต์ต้องออกตัวจากจุดหยุดนิ่ง เสมอไม่ว่าจะเป็นคันไหน และถ้าไม่มีครัช เครื่องยนต์ก็ต้องเริ่มหมุนจาก 0 รอบต่อนาทีเหมือนกัน และไม่ว่าเครื่องจะมีแรงเท่าไหร่ ถ้าเครื่องหมุน 0 รอบต่อนาที ก็มีแรงเท่ากับ 0 เหมือนกันทุกเครื่องยนต์ ดังนั้น คุณต้องการเกียร์ หนึ่ง ที่มีอัตราทดมาก ไม่ได้ไว้เพื่อให้มีแรงอย่างเดียว แต่เพื่อความเหมาะสมต่อการเลี้ยงรอบเครื่องในการออกตัว ส่วนการทดในเกียร์ต่อๆ ไปก็เพื่อให้เครื่องได้ทำงานในรอบเครื่องยนต์ที่ให้การตอบสนองเหมาะสมต่อการใช้งานที่ดีที่สุดนั่นเอง
ประการที่สอง อันนี้สำคัญ เพราะว่าการที่รถจะมีความเร็วคงที่อยู่ได้ หรือสามารถเร่งความเร็วเพิ่มขึ้นได้นั้น แรงบิดที่เพลาขับต้องมีเหลือมากกว่าแรงที่รถต้องการ ยิ่งความแตกต่างของแรงบิดที่เพลาขับมากกว่าแรงบิดที่รถต้องการมากเท่าใด รถก็จะยิ่งมีอัตราเร่งสูงขึ้นเท่านั้น แต่แรงที่รถต้องการเมื่อความเร็วสูงขึ้นเรื่อยๆ คือแรงต้านของอากาศที่มีสมการอยู่ในรูปของ ความเร็วยกกำลังสอง ทำให้แรงต้านนี้จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วกว่าการเพิ่มของความเร็วของรถ และบังเอิญว่า แรงบิด ของรถก็มักจะลดลงเมื่อรอบเครื่องยนต์พ้นรอบแรงบิดสูงสุดไป การทดเกียร์ จึงเป็นการเพิ่มแรงบิดของเพลาขับให้มากกว่าแรงที่รถต้องการตลอดช่วงการไต่หาความเร็วสูงสุด การทดเกียร์นี้จะเพิ่มเฉพาะ แรงบิด โดยที่ แรงม้า จะยังคงเท่าเดิมเสมอ
ตัวอย่างการทดเกียร์ที่อัตรา 2 : 1 ของเครื่องยนต์ A ในตัวอย่างที่ 1 เมื่อเครื่องยนต์หมุนที่ 3,600 รอบต่อนาที เพลาจะหมุน 1,800 รอบต่อนาที แต่เพลาจะมีแรงบิดเป็น 40.0 กิโลกรัม-เมตร และเมื่อคำนวณแรงม้าของแรงบิด 40.0 กิโลกรัม-เมตร ที่ 1,800 รอบต่อนาที ก็จะได้ 99.072 แรงม้าเท่าเดิม ถ้าเราไม่ทดเกียร์เลย ปล่อยให้เพลาขับหมุนเท่าข้อเหวี่ยง เมื่อเพลาขับหมุน 1,800 รอบต่อนาที ก็จะมีแรงบิดน้อยกว่า 20 กิโลกรัม-เมตร เสียอีก ซึ่งถ้าสมมุตว่า ความเร็วรถขณะที่เพลาหมุน 1,800 รอบนั้นต้องการ แรงบิด 20 กิโลกรัมเมตร รถคันนี้ก็จะไม่สามารถเร่งให้เร็วขึ้นได้ และจะลดความเร็วลงด้วย
เครื่องยนต์ที่ดีควรเป็นอย่างไร
อันดับแรกเลยก็คือ ต้องมีประสิทธิภาพ ในการเปลี่ยนน้ำมันออกมาเป็นแรงม้าให้ได้มากที่สุด ตรงนี้เราไม่ต้องสนใจเรื่องแรงบิด เพราะเราใช้การทดเกียร์เพิ่มแรงบิดได้ แต่เราไม่สามารถทดเกียร์ใดๆ เพื่อเพิ่มแรงม้าได้ ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ตรงนี้ เป็นสิ่งที่คุณหาไม่ได้ใน สเป็ค จากโบชัวร์ ใดๆ และคงไม่มีบริษัทใดกล้าให้ข้อมูลตรงนี้แก่ลูกค้า หรือแม้กระทั่ง ตัวแทนจำหน่ายรถ เพราะว่าถ้าหากมีข้อมูลตรงนี้ อาจทำให้การแข่งขันในตลาดรถวุ่นวายกว่านี้ได้
หลายๆ คนไปผูก อัตราการกินน้ำมัน กับ ขนาดความจุของเครื่องยนต์ ซึ่งเสี่ยงต่อความผิดพลาดในการตัดสินใจเลือกขนาดเครื่องยนต์เพื่อความประหยัด (ขนาดและน้ำหนักรถ แน่นอนกว่า รถยิ่งหนักยิ่งเปลือง) แต่ในความเป็นจริงแล้ว เครื่องยนต์ความจุมากรุ่นใหม่ๆ และมีเทคโนโลยีสูง มักมีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์เล็กๆ แต่มีเทคโนโลยีต่ำกว่า ซึ่งถ้าจะคิดถึงอัตราสิ้นเปลืองเพื่อการเปรียบเทียบก ันจริงๆ แล้ว ข้อมูลเพียงแค่ ขนาดความจุ แรงม้าสูงสุด หรือ แรงบิดสูงสุด ของเครื่องยนต์ นั้น ไม่เพียงพอต่อการฟันธง ดังนั้นส่วนใหญ่ก็ได้แต่เดาๆ เอา ไม่ว่าจะเป็นเซียนใดๆ ก็ต้องนั่งเทียนเอาถ้ามีข้อมูลเพียงเท่านี้
สิ่งที่ผมคิดว่า น่าจะเป็นประโยชน์กว่า การให้ตัวเลข แรงม้า และ แรงบิดสูงสุด ก็คือ กราฟที่แสดงค่าแรงม้า และ/หรือ แรงบิด ของเครื่องยนต์ ตลอดช่วงรอบการทำงาน ที่เราไม่จำเป็นต้องได้กราฟของ ทั้งคู่ เพราะว่า เราสามารถคำนวณได้เองจากข้อมูลอันใดอันหนึ่ง จากกราฟ เราก็อาจจะพอบอกได้คร่าวๆ ว่า เครื่องยนต์ตัวไหนดี กว่า ตัวไหน ซึ่งสิ่งที่เราต้องการก็คือ ค่าแรงบิดที่ได้ออกมามากที่รอบต่ำ และมีช่วงห่างของรอบแรงบิดสูงสุดกับแรงม้าสูงสุดมากๆ เข้าไว้ เพื่อเป็นการบอกว่า เครื่องยนต์มีแรงบิดออกมาให้ใช้งานได้ในรอบความเร็วท ี่กว้าง ไม่ใช่ ขึ้นเร็วลงเร็ว ซึ่งจากความรู้ในเรื่อง แรงม้า และ แรงบิด เราก็พอจะสรุปได้คร่าวๆ ว่า เครื่องยนต์ A ในตัวอย่างที่ 1 อาจมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์ B เพราะว่าทำงานที่รอบต่ำกว่า และมีช่วงแรงบิดในการใช้งานกว้างกว่า (แสดงว่าเครื่องยนต์สามารถทำงานในสภาวะที่สมบูรณ์ครอ บคลุมในย่านรอบความเร็วที่กว้างกว่า มีพื้นที่ใต้กราฟที่มากกว่า)
อย่างไรก็ตาม เครื่องยนต์ที่มีแรงม้ามากกว่าเครื่องอื่นๆ ในขนาดความจุเดียวกัน ก็ไม่ได้หมายความว่า เป็นเครื่องที่มีประสิทธิภาพมากกว่า ตัวอย่างเช่น เครื่องยนต์เทอร์โบ กับ ไม่โบ ที่ความจุเดียวกัน เครื่องเทอร์โบมักให้แรงมากกว่าทั้งนี้เพราะว่า เผาน้ำมันไปมากกว่า ซึ่งการได้แรงม้าเพิ่มขึ้นมาอีก 50% อาจต้องเผาน้ำมันมากขึ้นเกินกว่า 50% ซึ่งก็แปลว่าเครื่องมีประสิทธิภาพต่ำลง อย่างไรก็ตาม การรีดแรงม้า จากความจุน้อยๆ ยังคงเป็นเรื่องที่ท้าทาย แต่สำหรับการแข่งขันระดับ F1 นั้น การเพิ่มแรงม้าขึ้นด้วยการกินน้ำมันเท่าเดิม ก็ยิ่งเป็นเรื่องที่ท้าทายกว่า
อยู่ที่ว่าคุณต้องการ ประหยัด หรือ แรง หรือ ทั้งสองอย่าง ในที่นี้ทำให้ แรง ง่ายที่สุด ยากขึ้นอีกหน่อยก็เรื่อง ความประหยัด ยากที่สุดก็คือ ประหยัดด้วย แรงด้วย นี่แหละครับ
ENGINEERING แรงบิด แรงม้า อีกรอบ
วันนี้จะขอเล่าเรื่อง การประณีประนอมในการออกแบบรถยนต์กันนะครับ โดยจะขอว่าทางด้านเครื่องยนต์กันก่อน บทความนี้ มีจุดมุ่งหมายให้พวกเราเลือกใช้รถยนต์ที่เหมาะสมกับความต้องการใช้งานอย่างแท้จริงโดยไม่หลงทางไปกับคำโฆษณาของฝ่ายการตลาดของบริษัทรถยนต์ กฏของฟิสิกส์ยังคงอยู่เสมอครับ ไม่มีทางหลีกเลี่ยงได้ เราต้องทำความเข้าใจกับมันครับ ทุกคนคงเคยได้ยินเสียงคนรอบข้างบ่นกันว่า ทำไมรถรุ่นนี้กินน้ำมันจัง ยกตัวอย่างครับ Honda CRV รถลักษะนี้ สูง คันใหญ่ ต้านลม เครื่องยนต์เล็ก เครื่องยนต์ทำงานหนักแน่นอนครับ แต่ถ้าเราต้องการความสะดวกสบายจากขนาดและส่วนสูงของมัน เราจะต้องเข้าใจธรรมชาติของมันครับ และทำนองเดียวกัน รถที่เดิมทีออกแบบมาให้บรรทุกของ ใช้งานหนัก ดูแลง่าย ทนทาน มันก็ยากครับ ที่จะนั่งให้นุ่มสบายเหมือนรถ Mercedes-Benz ใครที่ใช้รถกระบะดัดแปลงคงนึกออกนะครับ ว่ามันแข็งแค่ไหน แต่เราก้อได้ความทนทานแข็งแรงของช่วงล่างเป็นข้อตอบแทนไงครับ MB สู้ไม่ได้แน่นอนในแง่นี้ แต่ และเมื่อถึงเวลาที่ต้องเปลี่ยนลูกยางให้กับช่วงล่าง multi-link ในรถM-Bแล้ว ก้อให้เข้าใจกับราคาค่าเปลี่ยนด้วยนะครับ เพราะว่าสิ่งนี้มันรอวันเกิดตั้งแต่วันเปิด catalog เลือกซื้อรถแล้วอ่ะครับ เพื่อแลกกับสุดยอดแห่งความเกาะถนนและนุ่มนวลของมัน
ช่วงล่างแบบ Multi-link
ผู้ที่หนักใจไม่แพ้พวกเราผู้เลือกซื้อรถคือวิศวกรผู้ออกแบบรถยนต์ครับ เพราะประโยคที่ว่า ได้อย่าง ก้อต้องเสียอย่าง มันยังคงเป็นจริงอยู่เสมอไป ว่ากันที่เครื่องยนต์ก่อน output ของเครื่องยนต์ที่เรารับรู้ได้คือแรงบิดและแรงม้าครับ และเจ้าสองค่านี้แหละครับ ที่จะบ่งบอก character ของรถยนต์โดยรวม ว่าจะให้การขับขี่เป็นอย่างไร เจ้าแรงบิดนี้ คือความสามารถในการเบ่งแรงออกมาครับ เหมือนนักกล้ามยกข้าวสาร 100kg ขึ้นกระไดได้ เทียบกับเด็กหนุ่มผอมบาง ยกไหวแค่ 20kg นี่แหละครับแรงบิด แต่แรงม้านี่สิครับ มันแปลง่ายๆว่า จำนวนงานที่ทำได้ในเวลาที่กำหนด ฉนั้นเด็กหนุ่มที่แรงบิดน้อย ยกข้าวได้แค่ 20kg แต่ภายในเวลาเท่ากัน ถ้าเจ้าเด็กนี่วิ่งเอาข้าวขึ้นกระได้ไปแล้ว 5 รอบแต่เจ้านักกล้ามที่เชื่องช้า ยกข้าว 100kg ได้รอบเดียว พอเวลาหมด ทั้งนักกล้าม และเด็กหนุ่ม นำข้าวขึ้นกระได้ไปได้ 100KG เท่ากันครับ แปลว่า สองคนนี้ แรงม้าเท่ากันครับ ทำงานได้ปริมาณเท่ากันในเวลาเท่าๆกัน แต่ทำได้ในลักษณะที่ต่างกันครับ เราจะจ้างใครมาทำงานให้เราดีครับ ?? ข้าวของเรากระสอบนึงหนักแค่ไหนครับ ขั้นกระได้เราสูงแต่น้อยขั้น หรือว่าเตี้ยแต่ซอยเป็นหลายขั้นล่ะครับ กระไดแคบและคดโค้งหรือไม่ครับ นักกล้ามผมเรียกให้เป็น D4D diesel ละกันนะ เด็กหนุ่มให้เป็น 2.0 vtec ของ Honda เจ้า D4d ให้แรงบิดมหาศาล พลังฉุดลาก ขึ้นเนิน มีเหลือเฟือครับ แต่ความที่มันเป็น diesel ครับ รอบสูงสุดมันต่ำมากครับ เอาผลคูณระหว่างแรงบิด กับรอบการทำงานออกมาแล้ว ก้อได้แรงม้าไม่สูงมากมายนัก แต่กับเครื่อง vtec แรงบิดน้อยๆนั้น แต่สามารถลากไปได้ถึง 7000-8000 rpm แล้ว ออกมา ก้อได้แรงม้าไม่แพ้เครือง d4d ได้ จะเห็นว่าเครื่องที่มีแรงม้าราวๆ 150-160 เท่าๆกันสองเครื่องนี้มี character ที่ต่างกันมากเลย อืม แล้วถ้าอยากทราบว่ามีพวกกล้ามโต แล้ววิ่งเร็วด้วยมีหรือไม่ อ่า มีครับ นึกถึงพวกเครื่อง 6000 V12 ของ Ferrari หรือ Lamborghini ไว้ครับ นั่นหละ แรงบิดสูง รอบจัด แรงบิดสูงมาก แต่รอบต่ำจาก D4D ของ Toyota
ในทางฟิสิกส์แล้ว แรงม้า เป็นค่าผลคูณมาจาก แรงบิด กับรอบเครื่องยนต์ครับ ที่รอบเครื่องยนต์ต่างกันจะให้ค่าแรงม้าต่างกันไป นี่หละครับ เป็น character ของเครื่องยนต์แต่ละตัว โดยที่ความเร็วสูงสุดขึ้นกับแรงม้าครับ ลองดูหน่วยสิครับ กม/ชม การที่รถต้องออกแรงฝ่าลม (เหมือนน้ำหนักระสอบที่แบกขึ้นกระได) ไปให้ได้ 250 กิโลเมตร ภายในเวลา 1 ชั่วโมง นี่หละครับ เข้านิยามของแรงม้าเลย ประมาณงานที่ทำในหนึ่งหน่วยเวลา อยากให้เร็ว เพิ่มแรงม้า ลด aerodynamic drag เข้าไว้ครับ อ้อแต่ อัตราเร่งของรถยนต์จะขึ้นกับแรงบิด(ซึ่งอัตราทดเกียร์มีเอี่ยว) กับนน .รถครับ อยากเร่งไวๆ ก้อเพิ่มแรงบิด(อัตราทดเกียร์มีเอี่ยว)และลดนน.รถครับ
ค่าใน catalogที่เราอ่านๆกัน ไอ้เจ้าเลขแรงบิดจะระบุแรงบิดสูงสุดที่เครื่องยนต์ทำได้โดยจะระบุรอบเครื่องที่ให้ค่าแรงบิดนี้ออกมาไว้ด้วย ส่วนแรงเลขแรงม้า จะระบุค่าแรงม้าสูงสุดที่ทำได้โดยบอกรอบเครื่องมาด้วยเช่นกัน ซึ่งที่รอบนั้นๆ จะให้ผลคุณระหว่างแรงบิดกับรอบเครื่องออกมาสูงที่สุดครับ อย่าพยายามไปลองคูณเอาเองเลยนะครับ ออกมาไม่ตรงหรอก เพราะจริงแล้ว มันต้องมีการแปลงหน่วยและมีค่าคงที่ตัวนึงอยู่ในสมการด้วย พวกโอเมกาอะไรนี่หละครับ และรอบต้องแปลงเป็นรอบต่อวินาทีก่อน เรารู้แค่หลักการสั้นๆก้อพอ
เราพูดถึงเรื่องการเลือกลักษณะ character ของเครื่องยนต์ให้ตรงกับการใช้งานมามั่งแล้ว เรามาดูดีว่า วิศวกรทำยังไงให้บรรลุความต้องการเหล่านั้นอ่ะครับ
แรงบิด เป็นผลโดยตรงมาจากค่า BMEP หรือค่าเฉลี่ยของแรงดันในห้องเผาไหม้ในจังหวะจุดระเบิด, ระยะเวลาที่แรงดันนั้นกระทำต่อลูกสูบ, ช่วงชัก, กำลังอัดของเครื่องยนต์ นอกนั้น ตัวแปรอื่นมีผลกับแรงบิดเพียงเล็กน้อยเท่านั้นอ่ะครับ แรงบิดนี้ เพิ่มทีหลังยากครับ เพราะตัวแปรหลักๆ เปลี่ยนแปลงไม่ได้ครับ นอกจากการติดตั้งระบบอัดอากาศเช่น turbocharger, supercharger สำหรับเครื่องยนต์ธรรมดา เราได้เห็นค่าแรงบิด ไม่มากไปกว่า 100Nm ต่อ ขนาดเครื่องยนต์ 1000 c.c. ซักเท่าไหร่หรอกครับ ประมาณนี้หละ
แรงม้านั้น เพิ่มง่ายกว่าครับ แรงม้านี่ขึ้นกับความสามารถในการเผ้าไหม้เชื้อเพลิงในหนึ่งหน่วยเวลาครับ ยิ่งเผาได้เร็วก้อออกมาเป็นแรงม้าที่มากนี่หละครับ นี่หละครับเหตุผลที่รถแรง ไม่สามารถจริงๆที่จะประหยัดน้ำมันได้ เราเพิ่มอัตราการไหลเข้าออกของอากาศและน้ำมันได้เร็วๆยิ่งแรงม้าสูงดีน่ะหละครับ จะทำแบบนี้ได้ เครื่องยนต์ต้องหมุนเร็วๆ ขนาดทางเข้าออกของอากาศและน้ำมันต้องใหญ่ๆ วงการ F1 ทราบกันดีครับว่า ทุก 1000rpm ที่เพิ่มขึ้น หมายถึงอีกได้มาอีก 50 แรงม้า และไอ้การที่จะเพิ่มความสามารถในการไหลเข้าออกของอากาศและน้ำมันให้ได้เยอะๆนี่หละครับ เป็นที่มาของสารพัด technique พิสดารในเครื่องยนต์ต่างๆ
วิศวกรจะต้องเลือกออกแบบเครื่องให้ได้ความสัมพันธ์ระหว่างแรงม้า และ แรงบิด ให้เข้ากับลักษณะการใช้งานที่ต้องการครับ รวมถึงเลือกอัตราทดเกียร์ให้เหมาะสมด้วยกับการใช้งานและลักษณะของเครื่องยนต์ นอกจากนั้นวิศวกรยังต้องการให้เครื่องยนต์ใช้น้ำมันให้น้อยที่สุด ปล่อยมลพิษน้อย อายุการใช้งานยาวนาน และมี drivability หรือขับง่าย ทั้งหมดนี้ ในราคาที่ต่ำที่สุด เฮ่อ หนักใจแทนนะครับ แต่เชื่อผมเถอะเค้าไม่สามารถได้
ทุกอย่างที่ต้องการแล้วหรอก ถ้าทำได้งั้น Ferrari คงเอาเครื่อง Toyota ไป OEM แล้วครับ เพราะมันทั้งทนทั้งถูก หรือเราอาจจะได้เห็น Altis วาง v8 จาก F430 ไปแล้วเพราะมันแรงดีจัง แต่ในความเป็นจริง Ferrari ทำเครื่อง v8 ตัวนี้มาวาง F430 เพราะมันแรงดีจังครับ จะแพง เสียงดัง(แต่เพราะนะ) กินน้ำมัน ดูแลลำบาก ซ่อมแพงไปมากก้อตาม เค้าไม่สนครับ เพราะไม่ใช่สิ่งที่เราต้องการจากรถคันนี้ แต่ Altis บอกว่าไม่ได้ครับ รถ Toyota จะทำแบบนั้นไม่ได้ ต้องถูกทน ซ่อมง่าย สร้างง่าย ประหยัดเงิน วางใจได้ ไม่ต้องแรงมากก้อได้เพราะขับไปคาร์ฟูหรือรับส่งผู้โดยสาร 100 แรงม้าถือว่าเหลือเฟือครับ แถมโดน F430 สวน ก้อไม่โดนเพื่อนล้อหรอก
เชื่อหรือไม่ครับว่าพลังงานความร้อนจากน้ำมันมันเนี่ย ออกมาหมุนล้อให้เราได้ซิ่งกันประมาณ 38% เท่านั้น หรือ 42% สำหรับเครื่องดีเซล มันหายไปไหนหรือครับ เป็นความร้อนที่ออกไปทางไอเสีย หรือน้ำหล่อเย็นนั่นก้อโขอยู่ แล้ว ยังมีจาก
Pumping loss หรือกำลังงานมหาศาลที่เครื่องยนต์ต้องใช้(เสียไป)เพียงในการสูบอากาศเข้าและออกจากเครื่องยนต์ครับ โดยเฉพาะที่รอบสูงๆ หากอยากได้ทางเข้าของอากาศที่โล่งคล่องจมูกในรอบสูงๆนี้ ต้องทำทางเข้าออกให้ใหญ่ครับ แต่ไอ้ช่องกว้างๆนี่หละครับ กลับทำให้ความเร็วในการไหลของอากาศที่รอบต่ำๆกลับช้าลง ทำให้การขับขี่ที่รอบต่ำๆไม่ดีนัก การออกแบบท่อไอดีและขนาดวาล์วพอร์ต จะต้องประณีประนอมระหว่างให้ขับขี่สบายที่รอบต่ำๆ หรือว่าให้ลดการสูญเสียแรงม้าที่รอบสูงครับ
Friction loss ความฝืดจากการเสียดสีกันของโลหะครับ ทั้งที่เมนแบริ่ง และที่แหวนลูกสูบกับผนังสูบ น้ำมันเครื่องดีๆช่วยได้ครับ รวมทั้งโลหะที่ดีขึ้น ทำให้เราออกแบบให้ลดพื้นที่สัมผัสลงโดยไม่เสียความแข็งแรงลงก้อช่วยได้ friction loss นี่เป็นสาเหตุที่เครื่องขนาดเท่าๆกัน ถ้าจำนวนลูกสูบมากกว่า จะสูญเสียตรงนี้มากกว่าครับ ทำให้กินน้ำมันมากกว่า ก้อ แลกกับความ smooth หละครับ อ้อแต่ที่รอบสูง ความหนืดของน้ำมันเครื่องเอง ก้อสามาถสร้างความฝืดได้ไม่น้อย โดยเฉพาะที่รอบสูงเกินกว่า 6000rpm
Wind age loss เป็นแรงต้านอากาศที่อยู่ภายในเครื่องยนต์นี่เอง ที่ต้านอากาศใต้ลูกสูบ หรือต้านการหมุนของข้อเหวี่ยง ตรงนี้เพิ่งมีคนสนใจมาใส่ใจกันเมื่อ 20 ปีที่แล้วนี่เอง
อ้อ ก่อนจะอ่านกันต่อไป อยากให้ไปดู animation การทำงานของเครื่องยนต์ได้ที่นี่ครับ จะได้พอมองภาพออกหน่อยนะครับ http://auto.howstuffworks.com/engine1.htm
ลักษณะทางกายภาพของเครื่องยนต์
ที่จริงก้อแค่แบ่งเป็นสองเรื่องคือ จำนวนลูกสูบ และวิธีการเรียงลูกสูบน่ะครับ แต่ค่าที่เราจะสนใจมากกว่า ก้อคือ
1.ขนาด diameter ของลูกสูบ หรือ bore
2.ความยาวของช่วงชัก(stroke)หรือระยะห่างระหว่างจุดที่ลูกสูบอยู่จุดสูงสุด และจุดต่ำสุด หรือระยะทางที่ลูกสูบเคลื่อนที่ในหนึ่งจังหวะอ่ะคับ
3.ขนาดความจุของเครื่องยนต์ โดยคำนวณมาจากค่าปริมาตรของ bore*stroke*จำนวนลูกสูบ
รูปเดียว เห็นหมดเลยครับ ตั้งแต่ flywheel, balance shaft, crankshaft, ลูกสูบ ก้านสูบ camshaft, valve นี่เป็นรูปผ่าเครื่อง valvetronic ของ BMW
เครื่องยนต์ที่ให้แรงม้าสูงหรือเครื่องรถแข่ง มักจะมี bore ที่มีค่าสูงกว่า stroke (over square) คือสูบใหญ่แต่ช่วงชักสั้น พวกนี้จะรอบจัดครับแรงบิดไม่มากนักเพราะมีเวลาที่ให้ BMEP น้อย แต่ไปรอบจัดได้เพราะ มีพื้นที่ให้วาล์วได้ใหญ่กว่า และเครื่องยนต์จะเตี้ย วางลงรถแข่งหรือรถสปอร์ตได้ไม่ยากเย็น
ส่วนเครื่องยนต์รถใช้งานทั่วไปจะมี bore และ stroke เท่าๆกัน ( square )ครับ หรือไม่ก้อมี stroke ยาวกว่า bore (under square) ซึ่งจะให้แรงบิดดีเหมาะสมแก่การใช้งานโดยทั่วไปมากกว่า แต่พวกนี้รอบไม่จัดครับ เพราะหน้าลูกสูบเล็ก ทำช่องวาล์วใหญ่ไม่ได้ และช่วงชักที่ยาวจะทำให้ความเร็วเฉลี่ยของลูกสูบสูงมากที่รอบสูงมากๆ เกินกว่าที่ฟิล์มน้ำมันเครื่องจะทนได้ สังเกตุว่าถ้าเครื่องยนต์แบบ square ที่มีช่วงชักและ diameter ของลูกสูบขนาด 86mm. แล้ว จะให้ความจุ 2000 cc ในสี่สูบ 3000cc ในหกสูบ และ 4000ccกับแปดสูบพอดี ขนาดยอดนิยมพอดีเลย
จำนวณลูกสูบที่มากขึ้น จะทำให้เครื่องยนต์ทำงานได้ราบเรียบขึ้นครับหรือจริงๆแล้วกระตุกอันเนื่องมาจากการจุดระเบิดน้อยลง เพราะในหนึ่งรอบการหมุนจะมีจังหวะ power จากหลายๆสูบเรียงๆกันมาถี่ๆเฉลี่ยๆกัน แทนที่จะมีจังหวะเดียวจากการหมุนสองรอบหากมีเพียงหนึ่งลูกสูบ ลองนึกเวลานั่งมอเตอไซค์คันเล็กๆสิครับ มันจะกระตุกขนาดนั้นเลยหละ แต่สูบน้อยๆ ก้อแก้กระตุกได้ด้วยการใช้ตุ้มน้ำหนักมาต่อไว้ครับ หรือ flywheel นั่นเอง ในจังหวะที่ไม่มี power stroke ไอ้เจ้าแรงเฉื่อยจาก flywheel นี่แหละ ที่จะรักษาการหมุนของเครื่องยนต์ไว้ และในจังหวะ power มันก้อจะคอยหน่วงไม่ให้การหมุนกระชากมากไปนัก แต่ไอ้เจ้า flywheel ที่มีโมเมนตั้มสูงๆนี่ จะทำให้เครื่องยนต์เร่งได้ช้า และสร้างภาระกับระบบเกียร์ในขณะเปลี่ยนเกียร์ได้มากเลย รถแข่งจะมี flywheel ที่นนเบากว่า ครับ เร่งได้เร็วกว่า แต่ก้อไม่นุ่มนวลนัก รถที่เครื่องยนต์มีหลายสูบก็สามารถใช้ flywheel ที่เล็กลงได้ โดยไม่กระเทือนมากขึ้นเช่นกัน อ้อ แต่ flywheel ช่วยลดได้แค่การกระตุกอันเนื่องมากจาการจุดระเบิดนะครับ ส่วนการสั่นสะเทือนอันเนื่องจากการเคลื่อนที่ไปมาของลูกสูบไม่เกี่ยว
เราจะเลือกอะไรครับ ระหว่างสูบมาก-น้อย flywheel หนัก-เบา หรือเครื่องยนต์ที่ตอบเร็วแต่สั่น กับเดินเรียบๆแต่เฉื่อยชา ??? ต้องประณีประนอมอีกแล้วอ่ะครับ
ขนาดของกระบอกสูบที่เหมาะสมสำหรับแต่ล่ะสูบล่ะครับ เท่าไหร่ดีเอ่ย จริงๆแล้ว ไม่เล็กไม่ใหญ่น่ะหละดี
เพราะว่าปริมาตรที่เล็กลงจะทำให้มีพื้นที่ผนังกระบอกสูบมากไป เกิดการสูญเสียความร้อนไปทางนั้นมาก แต่หากปริมาตรมากไป เมื่อหัวเทียนจุดประกายไฟแล้ว การเผาไหม้จะทำไม่ทันในจังหวังหวะ power stroke ครับ ที่มันกว้างไปน่ะ ทำให้มีน้ำมันเหลือออกไปทางท่อไอเสียได้ สรุปว่า อย่าให้ต่ำกว่า 200cc และเกิน800cc ต่อสูบครับ โดยที่ 500cc น่าจะกำลังพอดี มีเยอะเลยนะครับ รถสี่สูบ 2000 หกสูบ 3000 แปดสูบ 4000 ก็ของมันกำลังพอดีน่ะครับ ใครๆก้อเลยทำกัน
ส่วนวิธีการวางลูกสูบและจำนวนลูกสูบ มีผลมากกับความราบเรียบในการทำงานครับ ลองนึกดูนะครับ ในการหมุนของเครื่องยนต์ ลูกสูบเด้งขึ้นลง ข้อเหวี่ยงหมุน ก้านสูบ ทั้งขึ้นลงและแกว่งออกข้างไปมา เครื่องยนต์ก้ออยู่ไม่สุขละครับ ต้องมีการสั่นไปสั่นมาแน่นอน เนื่องจากมวลต่างๆภายในมีการเคลื่อนที่ไปมาตลอดเวลา การเรียงสูบแต่ละแบบหรือจำนวนลูกสูบต่างๆกันไป ก้อให้การสั่นที่ไม่ซ้ำแบบกัน และต้องอาศัยคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนในการวิเคราะห์และแก้ไข แต่สรุปให้เลยว่า สี่สูบแถวเรียงบาลานซ์พอใช้ได้ หกสูบเรียงก้อยิ่งดีขึ้นอีก
V8 ก้อบาลานซ์ดี และ V12 ให้บาลานซ์ดีที่สุดเลย มุมของ V8 ที่ดีที่สุดคือ 90 degree ของ V12 คือ 60 หรือ 120 degree แต่ 120 มันจะทำให้เครื่องกว้างเกินไปหน่อยนะ
แม้หกสูบเรียงจะบาลานซ์ดีซะจนรถอย่าง BMW ยังยึดมั่นอยู่ตลอด แต่ V6 ก้อทำให้เครื่องมีขนาดเล็กลงมากและมุมที่เหมาะสมกับมันก้อคือ 60 120 180 ในกรณี 180 ก้อคือเครื่องของ Porsche กับSubaru ไงครับ นอนยันนั่นหละ แต่บางที่ เราต้องใช้มุม 90 เพราะเดิมทีเครื่องถือกำเนิดมาจาก block V8 เดิม หรือเพื่อให้เครื่องยนต์เตี้ยลง ไว้รองรับกับความสูงและซับซ้อนของระบบท่อไอดีข้างบนโดยยอมแลกความนุ่มนวลไปบ้าง แต่ทั้งนี้ เราก้อนำ balancer shaft มาติดตั้งเพื่อช่วยลดการสั่นสะเทือนลงได้บ้างนะครับ
Balance shaft
เจ้า balance shaft นี่เป็นของขาดไม่ได้เลยของรถที่จำนวนลูกสูบเป็นเลขคี่ ครับไม่งั้นมันจะสั่นน่ะ แล้วทำเลขคี่ทำไมน่ะหรอครับ บางครั้งจำนวนคู่ก้อทำให้ขนาดห้องเผาไหม้ใหญ่ไปหรือเล็กไปสำหรับแต่ละสูบ ดังที่กล่าวไว้แล้ว หรือ บางครั้งเป็นการเติมลูกสูบเพิ่มอีกหนึ่งเพื่อให้เครื่องใหญ่ขึ้นโดยทำแบบนี้ประหยัดต้นทุนกว่าไปออกแบบเครื่อง V6 ใหม่นะ รถที่แอบประหยัดโดยทำแบบนี้ก้อมี FIAT กับ VOLVO น่ะครับ สำหรับ Volvo ยืดเพลินไปจนกลายเป็นหกสูบเรียงก้อมี
ส่วนเครื่อง V10 ซึ่งไม่ค่อย balance นัก แต่กำลังมาแรงนะครับ ที่นึกออกก้อมี Lambogini, Audi, BMW มันก้อมีที่มาเหมือนกัน คือบางทีแปดสูบก้อน้อยไป เอาอากาศเข้าไม่ทันที่แรงม้าสูงมากๆ ในขณะที่สิบสองก็มากไป ทำให้แรงเสียดทาน friction loss มาก ก้อเลยใช้ V10 และมุมที่เหมาะสมก้อคือ 72 และ 144 แต่ยังไม่มีใครลอง 144 นะครับ
