Industrial Documentary: กว่าจะเป็นเครื่องยนต์อย่างในวันนี้

บทความ Industrial Documentary (InDoc) ในวันนี้ขอพาทุกท่านไปรู้จักกับประวัติความเป็นมาของ ‘เครื่องยนต์ (Engine)’ ซึ่งเป็นสิ่งที่ทุกคนใช้ในชีวิตประจำวันตั้งแต่ยานพาหนะไปจนถึงเครื่องปั่นไฟ เริ่มต้นตั้งแต่เครื่องยนต์ตัวแรกจากสมัยโรมันอียิปต์ จนถึงเครื่องยนต์ควอนตัมที่กำลังเกิดขึ้นในปัจจุบัน ติดตามกันได้เลย

https://youtu.be/XbCeJR_1kUw

เครื่องยนต์คืออะไร?

เครื่องยนต์ (Engine) ตามความหมายของ Webster Dictionary คือ เครื่องจักรที่สามารถแปลงพลังงานรูปแบบใดๆ ก็ตามเป็นแรง (Force) หรือการเคลื่อนไหว (Motion) โดยในปัจจุบันสามารถพบเครื่องยนต์ได้ในชีวิตประจำวันไม่ว่าจะเป็นยานพาหนะต่างๆ เครื่องกำเนิดพลังงาน ฯลฯ ซึ่งการจำแนกกลุ่มของเครื่องยนต์สามารถแบ่งได้เป็นสองกลุ่มใหญ่ๆ ได้แก่

1. สันดาปภายใน (Internal Combustion)
2. สันดาปภายนอก (External Combustion)

นอกจากนี้ยังสามารถแยกกลุ่มย่อยได้อีกมากมายภายใต้จุดเด่นต่างๆ เช่น แบ่งตามกลุ่มพลังงานที่ใช้ แบ่งตามการจัดเรียงลูกสูบ ประเภทการจุดระเบิดเป็นต้น โดยการทำงานของเครื่องยนต์นั้นจะใช้แหล่งพลังงานสร้างความร้อน การจุดระเบิด หรือแรงดันเพื่อทำให้เกิดแรงหรือการขับเคลื่อนได้ ยกตัวอย่างเครื่องยนต์สี่จังหวะ ที่มีการทำงานตามลำดับดังนี้

1. ดูด (Intake)
2. อัด (Compression)
3. ระเบิด (Expansion)
4. คาย (Exhaust)

ก้าวแรกของเครื่องยนต์-เครื่องจักรไอน้ำ

เครื่องยนต์หรือเครื่อจักรในยุคแรกๆ นั้นเป็นเครื่องจักรที่ใช้พลังไอน้ำทำให้เกิดการเคลื่อนไหวชื่อว่า Aeolipile ถูกคิดค้นโดย Heron แห่ง Alexandria ในศตวรรษที่ 1 แห่งโรมันอียิปต์ซึ่งมีไว้ใช้เพื่อความบันเทิงเป็นหลัก ต่อมาในปี 1705 วิศวกรชาวอังกฤษได้คิดค้นเครื่องจักรเพื่อสูบน้ำออกจากเหมือนถ่านหินได้เป็นผลสำเร็จโดยใช้ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นลงในกระบอกเป็นตัวทำงานหลัก

จุดเปลี่ยนสำคัญ คือ James Watt ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัย Glasgow พัฒนาเครื่องจักรไอน้ำให้สามารถใช้งานกับเครื่องจักรได้ การพัฒนาครั้งนี้ส่งผลให้เกิดความก้าวหน้าต่างๆ ขึ้น เช่น ยุคอุตสาหกรรมในสหราชอาณาจักร เรือกลไฟ หัวรถจักรไอน้ำ โลกทั้งใบดูเล็กลงเมื่อยุคของเครื่องจักรไอน้ำมาถึง ต่อมากลางศตวรรษที่ 18 George Henry Corliss ได้พัฒนาเครื่องจักรไอน้ำให้สามารถใช้งานวาล์วซึ่งทำให้เครื่องมีความเสถียรมากขึ้น

เครื่องจักรไอน้ำได้รับการพัฒนาเป็นกังหันไอน้ำ (Steam Turbine) โดย Giovanni Branca และ John Wilkins ซึ่งในปัจจุบันยังคงมีการใช้งานกันอย่างแพร่หลายทั่วโลก กังหันไอน้ำได้ก่อให้เกิดความเปลี่ยนแปลงต่างๆ มากมาย อาทิ เรือเดินสมุทรขนาดใหญ่ เรือรบขนอากาศยาน โรงงานผลิตไฟฟ้า แม้กระทั่งเรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์ซึ่งมีการใช้งานระบบกังหันไอน้ำด้วยเช่นกัน

เครื่องยนต์แห่งยุคสมัยใหม่

ในศตวรรษที่ 19 เกิดการพัฒนาเครื่องจักรใหม่โดยนับเป็นจุดเริ่มต้นของเครื่องยนต์สันดาปภายใน โดยเครื่องยนต์ตัวแรกที่ประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์นั้นใช้ก๊าซเชื้อเพลิงเป็นพลังงาน ต่อมา Nikolaus Otto ได้ค้นคว้าเครื่องยนต์สันดาปขึ้นสำเร็จในปี 1877 ซึ่งเป็นเครื่องยนต์สี่จังหวะที่ต่อไปถูกพัฒนาเป็นเครื่องยนต์สำหรับยานยนต์

ไม่นานนักชิ้นส่วนต่างๆ อาทิ หัวฉีด หัวเทียน คอยล์จุดระเบิดถูกคิดค้นขึ้นโดย Edward Butler วิศวกรชาวอังกฤษ Supercharger นั้นถูกจดสิทธิบัตรโดย Gottlieb Daimler ในปี 1885 และ Karl Benz คิดค้นเครื่องยนต์แกสโซลีน 2 จังหวะและเครื่อง Boxer ขึ้นมา ในปี 1893 เครื่องยนต์ดีเซลถูกคิดค้นขึ้นและจดสิทธิบัตรโดย Rudolph Diesel แต่เชื่อหรือไม่ว่าเครื่องยนต์แกสโซลีน/ไฮบริด ถูกพัฒนาขึ้นในช่วงเวลานี้โดย James Atkinson เช่นกัน  จากการพัฒนาอย่างต่อเนื่องทำให้เกิดการผลิตเครื่องยนต์ V8 และ V6 ขึ้นตามลำดับ ส่วนเครื่องยนต์ไฮโดรเจนเป็นรูปเป็นร่างขึ้นจริงในปี 1970 และในปี 2000 เครื่องยนต์ Rotary อันมีชื่อเสียงได้ถือกำเนิดขึ้นมา

ในช่วงเวลาเดียวกันเครื่องยนต์สันดาปภายนอกถูกทำให้เป็นจริงขึ้นมาด้วย Stirling Engine ซึ่งคิดค้นโดย Robert Stirling ซึ่งในช่วงต้นถือว่ายังมีราคาแพงแม้จะมีศักยภาพสูงมากก็ตาม เปรียบเทียบรถยนต์ Stanley ที่ใช้การสันดาปภายนอกสามารถทำความเร็วได้สูงที่สุด 127 ไมล์ต่อชั่วโมงในขณะที่ Model T ซึ่งใช้การสันดาปภายในทำความเร็วได้เพียง 40 ไมล์ต่อชั่วโมง (Stanley ราคา 3,950$) ในช่วงยุคศตวรรษที่ 20 มีการพยายามนำเครื่องยนต์สันดาปภายนอกมาติดตั้งในรถยนต์ เช่น Chevrolet Chevelle SE124 และ Pontiac Grand Prix SE101 ซึ่งเครื่องยนต์สันดาปภายนอกนี้เองที่ถูกพัฒนาแนวคิด ZED (Zero Emission Design) หรือการออกแบบที่ปราศจากมลภาวะในปี 1992 และในปี 1996 Volkswagen ได้พัฒนา ZEE (Zero Emissions Engine) หรือเครื่องยนต์ปราศจากมลพิษขึ้นสำหรับรถยนต์ Skoda ซึ่ง ZED ได้รับการปกป้องด้านสิทธิบัตรในปี 2013 ซึ่งกินเวลานานอยู่โข

ปัจจุบันเครื่องยนต์ได้ถูกพัฒนาเพื่อใช้งานหลากหลายแตกต่างกันตามความต้องการ โดยหนึ่งในเครื่องยนต์ที่มีเทคโนโลยีสูง คือ เครื่องยนต์เจ็ท ซึ่งถูกพัฒนาขึ้นในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 ซึ่งต่อยอดไปสู่การเดินทางออกนอกโลกของมนุษยชาติ ปัจจุบันมีนักวิจัยมีความพยายามในการพัฒนาเครื่องยนต์ควอนตัม (Quantum Engine) ขึ้นมาโดยคาดว่าจะมีศักยภาพที่แตกต่างจากเครื่องยนต์ในปัจจุบันอย่างมาก แต่ด้วยข้อจำกัดและองค์ความรู้ในปัจจุบันทำให้เกิดข้อจำกัดในการใช้งานจริง สำหรับรายละเอียดการพัฒนาสามารถอ่านได้ที่นี่

https://www.youtube.com/watch?v=PrVwDvq9Rw4

อ้างอิง:

• http://iml.jou.ufl.edu/projects/Fall08/Keeley/engine.html
• https://phys.org/news/2017-08-physicists-fundamental-limits-quantum.html
• http://www.atom.rmutphysics.com/charud/howstuffwork/howstuff1/engine/enginethai4.htm
• http://www.crankshift.com/history-internal-combustion-engine/
• http://zedengines.com
• https://cs.stanford.edu/people/eroberts/courses/ww2/projects/jet-airplanes/planes.html