ประเภทของเครื่องยนต์ || รู้จักเครื่องยนต์ให้มากยิ่งขึ้น ก่อนการมาแบบเต็มตัวของ EV

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