Formula 1 Hybrid Engine ทำงานอย่างไร
Formula 1 ถูกนับว่าเป็น Pinnacle หรือจุดสูงสุดของวงการ Motoshort โดยคำว่าจุดสูงสุดนั้น ไม่ได้หมายถึงความเร็วที่รถ Formula 1 ทำได้ในสนามแข่งเพียงอย่างเดียว แน่นอนว่าอาจจะมีรถแข่งหลาย ๆ รายการที่สามารถทำความเร็วได้มากกว่ารถของ Formula 1 แต่สิ่งหนึ่งที่ทำให้ Formula 1 อยู่ในจุดที่สูงที่สุดได้ก็คือ การออกแบบและพัฒนาเครื่องยนต์ของตัวรถ Formula 1
เครื่องยนต์ของรถ Formula 1 เป็นเครื่องยนต์ที่ซับซ้อนและประกอบด้วยส่วนประกอบหลักหลายส่วน โดยเครื่องยนต์ของรถ Formula 1 ได้ปรับเปลี่ยนไปตามกฎเกษณข้อบังคับของ FIA มาเรื่อยๆ โดยในปัจจุบัน (2021) เครื่องยนต์ของ Formula 1 เป็นเครื่องยนต์ V6 ขนาด 1.6 ลิตร พร้อมกับระบบ Energy Recovery Systems (ERS) ที่ใช้ในการเก็บพลังงานที่ถูกทิ้ง นำมาเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและการขับเคลื่อน เพื่อให้กำลังสูงสุด 1,000 แรงม้า โดยเครื่องยนต์หรือ Power Unit ของรถ Formula 1 ประกอบไปด้วย 5 ส่วนประกอบหลัก ๆ ดังนี้
Internal Combustion Engine (ICE)
ICE หรือ Internal Combustion Engine เป็นกำลังหลังของระบบเครื่องยนต์ในรถ Formula 1 โดยเป็นเครื่องยนต์สันดาปที่เราพบเห็นได้ทั่วไปในรถแทบทุกรุ่น โดยหลักการทำงานก็คล้ายกับเครื่องยนต์ปกติทั่วไป คือการทำงานแบบ 4-Stroke Cycle หรือว่า เครื่องยนต์สี่จังหวะ โดยจะประกอบไปด้วย
- Intake - ลูกสูบจะเลื่อนลง ทำให้มีปริมาตรมากขึ้น เกิดความต่างระหว่างความดัน ส่งผลให้อากาศเข้ามาในกระบอกสูบ ลิ้นไอดีเปิดเพื่อนำเชื้อเพลิงเข้ามาผสมกับอากาศ
- Compression - ลูกสูบเลื่อนขึ้นทำให้อากาศและเชื้อเพลิงถูกดันในพื้นที่แคบลง ความร้อนเพิ่มสูงขึ้นจากการอัดอากาศและเชื้อเพลิง
- Combustion - ลูกสูบเลื่อนขึ้นใกล้ศูนย์ตายด้านบน หัวเทียนทำการจุดประกายไฟ ทำให้เกิดการระเบิด แรงจากการระเบิดดันลูกสูบลงและทำให้เพลาเกิดการหมุน
- Exhaust - ลูกสูบเลื่อนขึ้น ลิ้นไอดีปิด ลิ้นไอเสียเปิด ทำให้เกิดการดันไอ้เสียที่เกิดจากการเผาไหม้ออกไปทางไอเสีย
Turbocharger (TC)
เมื่อเราต้องการพลังการขับเคลื่อนจาก ICE มากขึ้น สิ่งที่เราต้องทำก็ง่ายนิดเดียว นั้นก็คือการเพิ่มเชื้อเพลิงและอากาศเข้าไปใน 1 รอบของ 4-Stroke Cycle ซึ่งการเพิ่มเชื้อเพลิงเข้าไปมากขึ้นก็ไม่ได้ยากเย็นนัก แต่การจะเพิ่มอากาศที่เข้าไปในกระบอกสูบนั้นทำได้อยากกว่า เพราะการที่อากาศเข้าไปนั้น เกิดจากความต่างระว่างความกดอากาศในสองที่ ดังนั้นเมื่อต้องการจะอัพอากาศเข้าไปมากขึ้น การใช้งาน Turbocharger จึงช่วยทำให้ความต่างของความกดอากาศนั้นมีมากขึ้น
การทำงานของ Turbocharger เริ่มจากการที่มี Turbine ที่คอยรับไอเสียร้อน ๆ ซึ่งต่ออยู่กับ ใบพัดของ Compressor ที่คอยรับอากาศจากภายนอกเข้ามา เมื่อ Turbine หมุน ก็จะทำให้ ใบพัดของ Compressor หมุนไปด้วย เป็นการนำอากาศจากภายนอกเข้ามาและนำไปอัดให้มีความดันอากาศสูงกว่าปกติ ดังนั้นอากาศที่จะเข้าในไป ICE ก็จะมีความต่างของความกดอากาศทั้งสองจุด มากกว่าปกติ ทำให้อากาศไหลเข้าไปในกระบอกสูบได้มากขึ้น ส่งผลให้เกิดพลังขับเคลื่อนที่มากขึ้นตามไปด้วย
Motor Generator Unit Heat (MGU-H)
Turbocharger ที่ใช้พลังงานจากไอเสีย นำมาหมุนใบพัดเพื่ออัดอากาศเข้าไปใน ICE นั้น โดนปกติแล้วจะมีการจำกัดการทำงานสูงที่สุดของมันไว้ เพื่อป้องกันความเสียหายต่อ ICE และตัว Turbocharger เอง ดังนั้นเมื่อมีไอเสียร้อน ๆ มากเกินกว่า Turbocharger จะนำไปใช้ MGU-H จึงถูกใส่เข้ามาเพื่อทำหน้าที่ในการเปลี่ยนพลังงานส่วนเกินนั้น กลับเป็นพลังงานไฟฟ้า และเก็บไว้เพื่อการใช้งานต่อไป โดย MGU-H จะติดอยู่กับ Turbocharger โดยตรงเพื่อทำงานร่วมกัน
นอกจาก MGU-H จะช่วยในการเปลี่ยนพลังงานความร้อนจากไอเสีย ออกมาเป็นพลังงานไฟฟ้าแล้ว ในช่วงที่รถลดความเร็วลงอย่างรวดเร็วใน Breaking Zone ทำให้มีไอเสียออกมาน้อยลง ส่งผลให้ Turbocharger อัดกาศเข้าไปใน ICE ในช่วงของการเร่งเครื่องได้ไม่มากเท่าที่ควร MGU-H สามารถทำงานเป็นมอเตอร์เพื่อช่วยหมุน Turbine ทำให้สามารถอัดกาศเข้าไปใช้ในช่วงของการเร่งออกจากโค้งได้
Motor Generator Unit Kinetic (MGU-K)
MGU-K เป็นส่วนประกอบที่ช่วยเปลี่ยนพลังงานจลน์ให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยทำงานคล้ายกับ Regenerative Braking ของรถที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า คือการใช้ MGU-K เชื่อมต่อเข้ากับเพลาข้อเหวี่ยง (Crankshaft) เมื่อรถมีการเบรก MGU-K จะทำงานเป็น Generator นำเอาพลังงานจลน์ของการหมุนเพลาข้อเหวี่ยงมาเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า ทำให้รถเกิดการเบรก โดยการเบรกจริง ๆ จะถูกควบคุมด้วยระบบคอมพิวเตอร์ ที่จะคอยคำนวณว่าในการเบรกครั้งที่จะใช้การเบรกจาก MGU-K เท่าไหร และจะใช้การเบรกจากระบบเบรกปกติอีกเท่าไหร
ในช่วงเวลาที่รถต้องการกำลังในการขับเคลื่อนมากขึ้น MGU-K ซึ่งต่ออยู่กับเพลาข้อเหวี่ยง สามารถถูกใช้งานเป็นมอเตอร์ขับเคลื่อนได้ โดยใช้พลังงานไฟฟ้าที่เก็บไว้มาเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ และนำมาหมุนเพลาข้อเหวี่ยง
Energy Store (ES)
Energy Store เป็นส่วนของแบตเตอร์รี่ที่ถูกใช้เพื่อเก็บพลังงานไฟฟ้าที่ได้จาก MGU-K และ MGU-H
โดยรวมแล้วจะเห็นได้ว่า เครื่องยนต์ของรถ Formula 1 ซึ่งเป็น V6 1.6 ลิตร นั้นไม่ได้แตกต่างไปกับเครื่องยนต์ในรถยนต์ปกติเลย แต่ในความจริงแล้ว เครื่องยนต์ตัวนี้ถูกสร้างขึ้นมาด้วยความซับซ้อนและมีประสิทธิภาพสูงเป็นอย่างมาก ประกอบเข้ากับ Energy Recovery Systems ที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน
Power Unit นั้นเป็นเพียงส่วนประกอบเดียวเท่านั้นในรถ Formula 1 ส่วนประกอบอื่น ๆ เช่น ระบบเบรก ระบบกันสะเทือน รวมไปถึงแผนในการจัดการการแข่งขันในแต่ล่ะสัปดาห์ สิ่งเหล่านี้เป็นการท้าทายความสามารถของวิศกร ที่จะพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ ๆ ให้กับโลกของเราต่อไป
