เครื่องยนต์มหัศจรรย์ Mercedes AMG M139 with E-turbo และระบบ Battery Cooling

เครื่องยนต์ Mercedes AMG M139 ใน A45 และ CLA45 รุ่นใหม่ ซึ่งต่อไปจะกลายเป็นเครื่องยนต์ของ AMG C63 รุ่นใหม่ นับเป็นเครื่องยนต์ 2.0L ให้กำลังสูงสุดติดอันดับเครื่องยนต์ตัวเล็กที่มีความรุนแรงมากที่สุดในโลก แรงม้าที่ได้ 416 ตัว ถูกปรับเพิ่มเป็น 442 ตัว เกิดจากการปรับแต่งชิ้นส่วนต่างๆ โดยเฉพาะระบบอัดอากาศ การเพิ่มแรงม้าจากเครื่องยนต์แบบ displacement ขนาดเล็กความจุไม่มาก มักเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนไปใช้เทอร์โบชาร์จเจอร์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น และขนาดที่ใหญ่ขึ้นของเทอร์โบ นั่นก็หมายถึงอาการแลค หรืออาการรอรอบก่อนเทอร์โบจะบูสจนถึงรอบที่มากขึ้น ไม่มีใครชอบอาการเทอร์โบแลค และอุตสาหกรรมยานยนต์โดยเฉพาะฝั่งเยอรมัน ได้เปลี่ยนไปใช้ระบบ shifting toward hybridization with high voltage electronics (ไฮบริไดเซชันกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไฟฟ้าแรงสูง) เพื่อปรับปรุงอัตราสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง และการตอบสนองต่อการเร่งความเร็วแบบฉับพลันทันที การใช้พลังงานไฟฟ้าเสริม มีประโยชน์ด้านการทำสิ่งต่างๆ ให้เร็วขึ้น เช่นเดียวกับรถ Formula 1 ซึ่งใช้ระบบไฮบริดที่มีเครื่องยนต์เทอร์โบชาร์จเจอร์รูปตัว V พ่วงไฮบริดมาตั้งแต่ปี 2014 ในที่สุด เทคโนโลยีดังกล่าวก็พร้อมให้ใช้งานในรถยนต์ที่คุณสามารถซื้อได้ เทคโนโลยีหลักที่ AMG ใช้ เพื่อดึงกำลัง 442 แรงม้าจากเครื่องยนต์ M139 ใหม่ ได้แก่ E-turbo และชุดแบตเตอรี่ที่มีระบบระบายความร้อนประสิทธิภาพสูง

เคล็ดลับในการขับเคลื่อนเทอร์โบที่ใหญ่ขึ้น โดยปราศจากอาการแลคคือ E-turbo Electric Anti-lag เป็นเทอร์โบไฟฟ้าป้องกันความล่าช้าในการตอบสนองเมื่อกดคันเร่ง การใช้ E-turbo ต้องมีแหล่งพลังงานไฟฟ้าแรงดันสูง และนั่นคือที่มาของการผสมผสานแบบไฮบริด ค่าย Garrett จัดหา E-turbo สำหรับใช้ในเครื่องยนต์ AMG M139 ใหม่ หากคุณไม่รู้ Garrett เป็นผู้จัดหาเทอร์โบชาร์จเจอร์ให้กับ Ferrari สำหรับโปรแกรม Formula 1 และอีกหลายๆ บริษัทตกแต่งรถยนต์ที่ต้องการระบบอัดอากาศประสิทธิภาพสูง 

สำหรับการออกแบบ Garrett E-turbo ที่ใช้ในเครื่องยนต์ AMG M139 มีการติดตั้งมอเตอร์ไฟฟ้าอยู่ที่แกนด้านข้างของชุดคอมเพรสเซอร์ ในสภาวะปกติ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไม่ชอบความร้อนมากเกินไป ดังนั้น มอเตอร์ไฟฟ้าของ E-turbo จึงอยู่ห่างจากฝั่งเทอร์ไบน์ที่มีอุณหภูมิสูง (มาก) อินเวอร์เตอร์/อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ที่ติดตั้งอยู่ใต้เทอร์โบ จะนำไฟฟ้าจากชุดแบตเตอรี่ ป้อนไปยังมอเตอร์ไฟฟ้าของเทอร์โบ เพื่อหมุนเทอร์โบในรอบต่ำให้ไปถึงรอบสูงอย่างรวดเร็วภายในพริบตา ใน Formula 1 มอเตอร์ E-turbo เรียกอีกอย่างว่า MGU-H (Motor Generator Unit – Heat) ใช้พลังงานจากก๊าซไอเสียและสามารถชาร์จแบตเตอรี่สำรองได้

Garrett E-turbo ยังคงใช้ Wastegate แต่ Garrett ทำการปรับแต่งประสิทธิภาพในขั้นตอนการทำงานของกังหันเทอร์ไบน์ เนื่องจากทุกๆ รายละเอียดของการบีบอัดกำลังอัตราส่วน 221 แรงม้า/ลิตร ในรถคันเล็ก มีผลลัพธ์ที่ยากต่อการผลิตจริง เพื่อลดอาการแลค หรืออาการรอรอบของเทอร์โบ วาล์วก้านสูบของเวสต์เกตภายใน มีพื้นผิวทำมุมเหมือนที่คุณเคยเห็นบนวาล์วไอดีและวาล์วไอเสีย ปรับปรุงการรั่วไหลของก๊าซไอเสียให้น้อยลง ก๊าซไอเสียทั้งหมดไหลอย่างรวดเร็วไปที่ครีบเทอร์ไบน์ การวางตำแหน่งที่ทำให้ไอเสียไหลได้อย่างสะดวก ปรับปรุงประสิทธิภาพของกังหันเทอร์ไบน์ใหม่ การออกแบบส่วนสุดท้ายที่ช่วยในเรื่องประสิทธิภาพของกังหันคือตัวกระจายลมแบบมุมแคบ สำหรับการคายประจุของกังหัน การทำมุมแคบนั้นต้องใช้พื้นที่ ซึ่งก็คือสาเหตุที่ทำให้ตัวเทอร์ไบน์ยาวมากขึ้น คุณลักษณะสุดท้ายประการหนึ่งของ E-turbo คือช่วยให้สามารถใช้ 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 น่าจะเป็นทางสำหรับน้ำหล่อเย็น เพื่อช่วยให้มอเตอร์เย็นอยู่เสมอ การไหลของน้ำมันที่อยู่ระหว่างมอเตอร์และเทอร์ไบน์เป็นอีกหนึ่งเกราะป้องกันความร้อนเพื่อกันความร้อนแพร่ออกจากมอเตอร์มากจนเกินไป

อันที่จริง เครื่องยนต์ 2.0 ลิตร ที่มีกำลัง 442 แรงม้า ไม่ใช่เรื่องใหม่ และมีบริษัทรถเคยทำสำเร็จมาแล้วเป็นเวลากว่าสองทศวรรษ ใช่ครับ ถ้าเป็นเมื่อก่อนเราสามารถทำเครื่องสองลิตรเทอร์โบ ให้แรงสุดกู่ได้ง่ายๆ โดยไม่ต้องคำนึงถึงอะไรต่อมิอะไรให้มากเรื่อง แต่ปัจจุบัน ทุกสิ่งเปลี่ยนไปตามมาตรฐานการปล่อยมลพิษที่เข้มงวดขึ้นเรื่อยๆ การรับประกันอายุการใช้งานหลังการขาย เครื่องและเกียร์ต้องเหนียวสุดๆ ไม่งั้นลูกค้าด่ากันยับ รวมกับมาตรฐานการปล่อยมลพิษสมัยใหม่ ซึ่งต้องมีเครื่องฟอกไอเสียขนาดใหญ่อยู่ด้านหลังเทอร์โบ พร้อมตัวกรองอนุภาคก๊าซไอเสียบนชิ้นส่วนท่อไอเสีย นั่นมันโคตรจะทำยากเลยล่ะครับท่านผู้ชม

ส่วนหนึ่งของปริศนาในการขับเคลื่อนเครื่องยนต์ที่ติดตั้งระบบ Garrett E-turbo คือก้อนแบตเตอรี่ 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 ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการระบายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ และ Mercedes AMG กำลังใช้การระบายความร้อนด้วยการแช่ของเหลวโดยตรง ด้วยการออกแบบให้เซลล์แบตเตอรี่จมอยู่ในของเหลวอิเล็กทริก (ที่ไม่เหนี่ยวนำไฟฟ้า) นี่เป็นเทคโนโลยีแรกที่ออกสู่ตลาด ซึ่งอยู่ในรถยนต์ที่ผลิตในปริมาณน้อยนิดอย่าง McLaren Speedtail ซึ่งใช้ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวโดยตรง และ Faraday Future ที่ลงมือลงทุนพัฒนาเทคโนโลยีนี้เมื่อหลายปีก่อน แต่พวกเขายังไม่ได้ทำการเปิดตัวรถรุ่นใหม่แต่อย่างใดทั้งสิ้น

ความสามารถในการทำความเย็น 10 กิโลวัตต์เป็นตัวเลขที่ระบุไว้จาก Mercedes AMG แต่ในทุกวันนี้ ฝั่งการตลาดของค่ายรถมักจะชอบเพิ่มหรือปรับแต่งตัวเลขอยู่เสมอเพื่อให้ดูดี 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.  

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/