ประเภทของเครื่องยนต์ || รู้จักเครื่องยนต์ให้มากยิ่งขึ้น ก่อนการมาแบบเต็มตัวของ EV

2074 จำนวนผู้เข้าชม  | 

เรียบเรียง : Pitak Boon

 

ผู้ผลิตรถยนต์หลายค่าย ทั้งจากยุโรป และญี่ปุ่น ทยอยประกาศยกเลิกการผลิตเครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE: Internal Combustion Engine) สอดรับกับหลายประเทศ ที่พร้อมยุติการจำหน่ายรถใช้เครื่องยนต์เช่นกัน เร็วสุดจะเป็นประเทศนอร์เวย์ซึ่งห้ามจำหน่ายนับตั้งแต่ปี 2025, ประเทศเยอรมนีในปี 2030, สหราชอาณาจักรปี 2035 ส่วนฝรั่งเศสราวปี 2040 ฯลฯ

เป็นเวลาต่อเนื่องยาวนานกว่า 100 ปี ที่มนุษยชาติได้ใช้เครื่องยนต์เป็นต้นกำลัง (Powertrain) กับพาหนะรูปแบบต่างๆ และมีการพัฒนาทุกองค์ประกอบของเครื่องยนต์มาเป็นลำดับ เพื่อให้สอดรับกับเทคโนโลยีที่ก้าวหน้ายิ่งขึ้น ทั้งในเรื่องของการออกแบบ ระบบควบคุม และโลหะวิทยา



การเคลื่อนที่ ขึ้น-ลง ของลูกสูบภายในกระบอกสูบ เป็นจุดเริ่มต้นของพลังงานกลในการขับเคลื่อน การออกแบบปริมาตรกระบอกสูบ และจำนวนลูกสูบ ขึ้นอยู่กับการใช้งานและตำแหน่งการจัดวางในห้องเครื่อง เริ่มต้นตั้งแต่ 1 สูบ, 2 สูบ, 3 สูบ, 4 สูบ ไล่ไปจนถึง 16 สูบ (หรือ อาจมากกว่านั้น) รูปแบบการวางตัวของกระบอกสูบจะแตกต่างกันไป ตามความชำนาญของแต่ละค่าย เช่น ยุคหนึ่งวิศวกร VOLVO ถนัดกับการเค้นแรงม้าจากเครื่องยนต์แถวเรียง 5 สูบ พ่วงมาด้วยเทอร์โบ ขณะที่ AUDI เลิกเล่นกับเครื่องยนต์รูปแบบนี้ (ก่อนที่จะนำกลับมาปัดฝุ่นอีกรอบ) หันมาพัฒนาเครื่อง V6 แทน


ส่วน BMW เก่งในการรีดกำลังจากเครื่องแถวเรียง 6 สูบ จนไม่มีใครเทียบชั้น และก็เริ่มพัฒนาเครื่องยนต์ V8 ก่อนจะมาจบที่บล็อกแถวเรียง 4 สูบ กับเทอร์โบคู่ ทว่าฝั่ง Volkswagen ก็มีเครื่องยนต์ใหม่แบบพลิกตำรา ได้แก่ W – Engine เพื่อไม่ให้เสียเวลา มาดูการจัดประเภทเครื่องยนต์ตามการจัดวางกระบอกสูบกันดีกว่าครับ

 
Inline Engines

การจัดวางกระบอกสูบแบบ Inline หรือ ‘แถวเรียง’ ใช้กระบอกสูบมาเรียงต่อเนื่องกัน การออกแบบทำได้ง่าย เป็นที่นิยมมาตั้งแต่ยุคเริ่มต้นของเครื่องยนต์ การจัดกระบอกสูบทั้งแผงจะเอียงไปทางด้านใดด้านหนึ่ง (Slant) ไม่ได้ตั้งฉาก 90 องศา กับพื้นถนน เพื่อให้แนวฝากระโปรงหน้า เทลาดต่ำลงได้ตามการออกแบบรถ (แอร์โร่ไดนามิค) เริ่มต้นใช้ตั้งแต่ 1 สูบ ไปจนถึง 12 สูบ (หรืออาจมากกว่านั้น สำหรับเรือเดินสมุทร) สำหรับรถยนต์ ตัวเครื่องแถวเรียงจะเริ่มต้นที่ 3 สูบ จนถึง 6 สูบ จำนวนสูบมากกว่านั้นไม่เวิร์ค เพราะจะไปสร้างปัญหาในการออกแบบรถ หน้ารถจะยาวผิดปกติ

ปัจจุบันเครื่องยนต์แถวเรียง 3 สูบ และ 4 สูบ ได้รับความนิยมโดยเฉพาะกับรถขับเคลื่อนล้อหน้า เป็นการจับเครื่องมาวางขวาง (วางตามยาวมีในรถ Audi และ VW) และจะต่อเชื่อมเป็นหน่วยเดียวกับ ชุดคลัตช์, กระปุกเกียร์, และเฟืองท้าย โดยที่ทั้งบล็อกยังมีขนาดกะทัดรัดเหมือนเดิม

 


 
Horizontally Opposed Engines

คุ้นเคยในชื่อ Boxer Engine กระบอกสูบได้รับการออกแบบให้อยู่ในแนวระนาบ ลูกสูบทั้ง 2 ฝั่งวางทำมุม 180 องศา ถ้าเป็นเครื่องยนต์ 4 สูบ ก็จะมีฝั่งละ 2 สูบ โดยลูกสูบทั้ง 2 ฝั่ง จะทำงานตรงกันข้ามกัน มีเพลาข้อเหวี่ยงเชื่อมการทำงานอยู่ตรงกลาง การต่อเชื่อมเครื่องยนต์ Boxer กับกระปุกเกียร์จะเกิดการสูญเสียประสิทธิภาพเชิงกลในการขับเคลื่อนต่ำ เพราะการส่งกำลังจะเป็นเส้นตรง รถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์ลักษณะนี้ จึงเป็นรถสมรรถนะสูง อาทิ เครื่องยนต์ Boxer 4 สูบ ตระกูล ‘EJ 20’ และ ‘EJ 25’ ในรถ Subaru และ เครื่องยนต์ 6 สูบนอน ใน Porsche ตระกูล 911เป็นต้น


ข้อดีของการวางกระบอกสูบในลักษณะนี้ คือจะทำให้รถมีจุดศูนย์ถ่วง (C.G.) ที่ต่ำ เพราะตัวเครื่องยนต์มีมิติเรื่องความสูงไม่มาก จึงสามารถออกแบบให้ตัวถังเพรียว ลู่ลมตามหลักอากาศพลศาสตร์ ได้ดีกว่ารถยนต์ที่วางลูกสูบในรูปแบบอื่นๆ การทรงตัวขณะขับเคลื่อนด้วยความเร็วสูง และขณะเข้าโค้งจึงทำได้อย่างโดดเด่น

 



V – Engines

ได้รับความนิยมไม่เป็นรองเครื่องยนต์แถวเรียง จุดเด่นคือ การเพิ่มขนาดความจุ หรือ เพิ่มจำนวนลูกสูบ จะส่งผลต่อขนาดความยาวรวมของตัวเครื่องน้อยกว่าบล็อกแถวเรียง การจัดวางกระบอกสูบในลักษณะตัว ‘V’ ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อลดขนาดของเครื่องยนต์โดยเฉพาะ

V – Engines กระบอกสูบจะถูกแบ่งออกเป็น 2 แถว (Bank) หากเป็นเครื่องยนต์ V6 สูบ ก็จะมีแถวละ 3 สูบ โดยกระบอกสูบทั้ง 2 แถว จะวางทำมุมระหว่าง 15 ถึง 120 องศา นิยมใช้ที่ 60 และ 90 องศา ในอดีตเครื่องยนต์ที่จัดวางกระบอกสูบในลักษณะนี้ จะมีจำนวนกระบอกสูบเป็นเลขคู่ ตั้งแต่ 2 ถึง 16 สูบ (หรือมากกว่านั้น) โดยเฉพาะ เครื่อง V6 และ V8 จะได้รับความนิยมเป็นพิเศษ แต่หลายปีที่ผ่านมา ต้องอัพเดททฤษฎีในตำรากันยกใหญ่ เพราะ VW ได้นำเครื่องยนต์ V5 (มี 5 สูบ) มาใช้กับรถในสังกัด แถวหนึ่งใช้ 3 สูบ ส่วนอีกแถวหนึ่งใช้ 2 สูบ จุดได้เปรียบคือการลดขนาดของเครื่องยนต์ลงได้อีก ดูผิวเผินการทำงานของเครื่องยนต์ V5 อาจสมดุลสู่เครื่อง V เลขคู่ไม่ได้ ทางผู้ออกแบบแก้ปัญหาด้วยการใช้ ‘เพลาสมดุล’ (Balance Shafts) หมุนสวนทิศทางกับการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยง เพื่อหักล้างแรงสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้น

 


 
W – Engines

ผลิตออกมาเพื่อแก้ปัญหาเรื่องขนาดของเครื่องยนต์เช่นเดียวกับ V – Engines แต่ทำได้ดีกว่า เครื่องยนต์รูปแบบนี้ในตำราเยอรมันเก่าๆ มีอ้างอิงอยู่บ้าง แต่แตกต่างกับ W – Engines ที่เปิดตัวใหม่ในช่วง 15 ปีที่ผ่านมา ตรงที่เครื่องยนต์ W ในอดีตจะเพิ่มลูกสูบขึ้นมาอีก 1 แถว ตรงกลางระหว่างทั้ง 2 แถว ตัว V (ใช้เพลาข้อเหวี่ยงร่วมกัน) ถ้าเป็นเครื่องยนต์ 6 สูบ ก็จะมี 3 แถวๆ ละ 2 สูบ และถ้าเป็นเครื่อง 12 สูบ ก็จะมี 3 แถวเช่นกัน แต่เป็นแถวละ 4 สูบ เป็นต้น

สำหรับเครื่อง W ยุคใหม่ภายใต้การพัฒนาของ VW รูปแบบการวางกระบอกสูบจะเหมือนการนำตัว V มาซ้อนไขว้กัน 2 ตัว การออกแบบท่อร่วมไอดี และไอเสียจึงทำได้ง่ายกว่าเครื่อง W แบบแรกมาก แต่ความหนาของเสื้อสูบแต่ละฝั่งจะมีมากกว่า การออกแบบท่อทางระบายความร้อนในเสื้อสูบจึงต้องทำได้ดีเพียงพอ



จุดเด่นของ W – Engines (รุ่นใหม่) เมื่อเทียบกับ V – Engines คือ สามารถลดความยาวของเครื่อง และเพลาข้อเหวี่ยงลงได้อีก ภาระหนักจะตกไปอยู่กับเพลาข้อเหวี่ยง เพราะบนพื้นที่หน้าตัดเท่าเดิม ต้องรับแรงเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่า แต่ไม่เป็นปัญหา ด้วยความก้าวหน้าด้านโลหะวิทยาดังที่กล่าวไว้ข้างต้น การออกแบบเพลาข้อเหวี่ยงให้รับแรงในระดับนี้จึงทำได้แบบสบายๆ

 


Rotary Engine

เครื่องยนต์สูบหมุน (Rotary Engine) มีจุดได้เปรียบเครื่องยนต์ลูกสูบชักอยู่หลายประการ เริ่มต้นที่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่ขณะทำงานน้อยกว่าเกือบเท่าตัว ส่งผลให้น้ำหนักเครื่องน้อยลงตามไปด้วย การส่งกำลังจากลูกสูบหมุนไปยังเพลาเยื้องศูนย์ (ทำหน้าที่เดียวกับเพลาข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์ลูกสูบชัก) จะอยู่บนแกนเดียวกัน ต่อเนื่องไปถึงเพลาของระบบส่งกำลังและเพลากลาง เครื่องยนต์สูบหมุนจึงมีการสูญเสีย (Friction Loss) ระหว่าง ‘จุดส่งต่อกำลัง’ ต่ำกว่า

เมื่อสามารถทำให้การส่งกำลังอยู่บนแกนเดียวกันได้ นั่นหมายความว่าเครื่องยนต์จะต้องอยู่ในระดับต่ำ ซึ่งจะส่งผลโดยตรงกับเรื่องจุดศูนย์ถ่วง (C.G.) ได้เปรียบแบบเต็มๆ ในเรื่องของการทรงตัว และที่โดดเด่นมากคือ เครื่องยนต์สูบหมุนมีรอบการทำงานที่จัด เป็นพฤติกรรมประจำตัว

เครื่องยนต์โรตารี่จะไม่มีวาล์ว แบบเครื่องยนต์ลูกสูบชัก 4 จังหวะ ใช้พอร์ททำหน้าที่นี้แทน ที่ผนังด้านข้างของเสื้อสูบจะมี ‘พอร์ทหลัก’ จำนวน 2 พอร์ท ได้แก่ ‘พอร์ทไอดี’ (Intake Port) ทำหน้าที่ป้อนไอดี (น้ำมันเชื้อเพลิง+อากาศ) และ ‘พอร์ทไอเสีย’ (Exhaust Port) สำหรับการระบายไอเสียหลักการสันดาปออกจากห้องเผาไหม้



รูปทรงรีของผนังกระบอกสูบ และเพลาเยื้องศูนย์ จะทำให้ ‘มุม’ ของลูกสูบหมุนทั้ง 3 มุม เมื่อหมุนตามเข็มนาฬิกาจะ ‘รีด’ ทั้งไอดีและไอเสียไปตามผนังกระบอกสูบ หลังจากไอดีถูก ‘ดูด’ ผ่านเข้ามาทางพอร์ทไอดีเป็นสเต็ปแรกแล้ว สเต็ปที่สอง รูปทรงของผนังกระบอกสูบจะบังคับให้ไอดีดังกล่าวถูกลดพื้นที่ลง ซึ่งเปรียบเสมือนการ ‘อัด’ ส่วนสเต็ปที่สามไอดีที่ถูกอัดจนร้อนและความดันสูงขึ้นจะ ‘ระเบิด’ ด้วยการจุดประกายไฟจากหัวเทียน แรงระเบิดจะเป็นตัวผลักดันให้ลูกสูบหมุน หมุนเคลื่อนที่ต่อไปอีก จนกระทั่งไอเสียจากการสันดาปเคลื่อนผ่านพอร์ทไอเสีย และระบายออกสู่บรรยากาศ หรือที่เรียกว่า จังหวะ ‘คาย’ นั่นเอง

สเต็ปการหมุนถัดไป ก็จะเข้าสู่จังหวะดูดอีกครั้งหนึ่ง ต่อเนื่องเช่นนี้ไปเรื่อยๆ เช่นเดียวกับวัฏจักรการทำงานของเครื่องยนต์ 4 จังหวะ แต่ที่กล่าวมาทั้งหมด จะเป็นการทำงานของลูกสูบเพียง ‘ด้านเดียว’ จากทั้งหมด ‘สามด้าน’ ของตัวสูบหมุน ดังนั้น ถ้าลูกสูบของเครื่องยนต์โรตารี่หมุนเพียง 1 รอบจะได้ ‘กำลัง’ จากจังหวะระเบิดถึง 3 ครั้ง ขณะที่เครื่องยนต์แบบลูกสูบชัก เพลาข้อเหวี่ยงต้องหมุนถึง 2 รอบ จึงจะสร้างกำลังได้ 1 ครั้ง หากคำนวณออกมาเป็นตัวเลขเครื่องยนต์โรตารี่จะมีประสิทธิภาพในการทำงานสูงกว่าเครื่องยนต์สูบชักมากถึง 6 เท่า เลยทีเดียว

ก่อนการมาของ EVs เทคโนโลยีเครื่องยนต์ ICE ได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง จากเหตุผลหลักเรื่องลดมลพิษ อุตสาหกรรมยานยนต์โลกถูกบังคับด้วยมาตรฐานไอเสีย ที่เข้มข้นขึ้นเรื่อยๆ โดยมีเป้าหมายสูงสุด อยู่ที่ระดับ ZEV (Zero Emission Vehicle) หรือไร้มลพิษโดยสิ้นเชิง ดังนั้นมันจึงเป็นไปไม่ได้เลยที่ ICE (กับ Fossil Fuel) จะได้ไปต่อ ในยุคที่พาหนะปรับตัวเข้าสู่ยุค Clean Energy อย่างเต็มตัว

Powered by MakeWebEasy.com
เว็บไซต์นี้มีการใช้งานคุกกี้ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและประสบการณ์ที่ดีในการใช้งานเว็บไซต์ของท่าน ท่านสามารถอ่านรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ นโยบายความเป็นส่วนตัว  และ  นโยบายคุกกี้