บทความ

ATKINSON CYCLE แปรผันกำลังอัด กับ โตโยตา


การพัฒนาเครื่องยนต์ยุคแรกเริ่ม มักเน้นในเรื่องสมรรถนะ ขอให้มีกำลังฉุดลาก พอที่จะนำพาคนไปที่ใดที่หนึ่งอย่างราบรื่นก็เป็นอันใช้ได้ ยังไม่มีความกังวลในเรื่องของความประหยัด และมลพิษเลย

ยิ่งถ้าพูดถึง น้ำมันหมดโลก หรือมลภาวะเป็นพิษ ก็ยิ่งเป็นเรื่องไกลตัว แต่เมื่อรถยนต์เริ่มเยอะขึ้น น้ำมันกลายเป็นสินค้าที่ผูกขาดมีราคาแพง แถมบางช่วงมีการขาดแคลน บวกกับปัญหาเรื่องมลพิษในเมืองใหญ่ๆ และปัญหาการจราจรติดขัด ทำให้ผู้บริหารเมืองใหญ่ เริ่มเห็นความสำคัญในเรื่องของการควบคุมมลพิษอย่างจริงจัง จึงมีข้อกำหนดของเมืองหรือประเทศขึ้นมาว่า รถที่จะนำมาขายนั้นต้องมีค่าไอเสียไม่เกินที่กำหนด

วิศวกรรถยนต์ค่ายต่างๆ จึงมีแนวคิดในการออกแบบเครื่องยนต์ให้มีสมรรถนะสูง และมีความประหยัดเชื้อเพลิงมากขึ้น ทำให้ข้อกำหนดของภาครัฐในบางประเทศ และแนวคิดของวิศวกรนั้นไปด้วยกันได้ คือ ต้องทำให้เครื่องยนต์มีสมรรถนะสูง ประหยัด และมีมลพิษต่ำ นั่นเป็นเพราะเมื่อเทคโนโลยีด้านต่างๆก้าวหน้าขึ้น การใช้น้ำมันมากขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดมลภาวะและการลดลงของน้ำมันใต้ผืนโลก

2 ไป 4

ยุคเครื่องยนต์ 4 จังหวะ ซึ่งเป็นเครื่องยนต์เบนซินสันดาปภายใน จึงได้เกิดขึ้นแทนที่เครื่องยนต์ 2 จังหวะ เราเรียกวัฏจักรการทำงานของเครื่องยนต์ประเภทนี้ว่า OTTO CYCLE เครื่องยนต์ 4 จังหวะ มีวัฏจักรการทำงาน คือ 1. จังหวะดูด 2. จังหวะอัด 3. จังหวะกำลัง (จุดระเบิด) 4. จังหวะคาย โดยทั่วไปเครื่องยนต์จะหมุน 2 รอบ จังหวะดูดนั้นลูกสูบจะเคลื่อนที่ลงจากจุดสูงสุด หรือ TDC (TOP DEAD CENTER) ลงมายังจุดต่ำสุด หรือ BDC (BOTTOM DEAD CENTER) ข้อเหวี่ยงจะหมุน 180 องศา จังหวะนี้เครื่องยนต์จะดูดอากาศจากภายนอก พร้อมๆ กับละอองน้ำมันที่จ่ายเข้ามาในห้องเผาไหม้ เกิดการคลุกเคล้าระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศ

OTTO CYCLE

จังหวะต่อไป คือ จังหวะอัดลูกสูบจากการเคลื่อนที่จาก BDC ขึ้นไปยัง TDC จังหวะนี้อากาศกับละอองน้ำมันจะถูกอัดให้มีปริมาตรเล็กลง เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ถึง TDC หัวเทียนจะจุดประกายไฟ ทำให้เกิดการลุกไหม้ของเชื้อเพลิง และเชื้อเพลิงที่ถูกเผาไหม้ในพื้นที่จำกัดจะเกิดแรงดันรุนแรงไปทุกทิศทาง แต่ในที่นี้มีลูกสูบเพียงตัวเดียวที่เคลื่อนที่ได้ แรงดันก็จะทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่ลง

จังหวะการเผาไหม้นี้เป็นการเปลี่ยนรูปพลังงานตามหลักวิทยาศาสตร์ คือ การเปลี่ยนพลังงานความร้อนให้เป็นพลังงานกล นั่นเอง เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลง ก็เป็นจังหวะคายไอเสียนั่นเอง ทุกจังหวะการทำงานนั้น เพลาข้อเหวี่ยงจะหมุน 180 องศา แต่ในความเป็นจริงนั้น การเปิด/ปิดของวาล์วไอดี/ไอเสียและจังหวะการจุดระเบิดนั้นจะเกิดขึ้นตามการออกแบบของผู้ผลิตเครื่องยนต์

ATKINSON CYCLE

เครื่องยนต์ 4 จังหวะนั้น การเคลื่อนที่ขึ้น/ลงไม่ว่าจังหวะไหนก็จะมีระยะเคลื่อนที่เท่ากัน แต่แนวคิดของ ATKINSON CYCLE นั้น ต้องการทำให้กำลังอัดของเครื่องยนต์แปรผันได้ตามความเหมาะสมความเหมาะสมในที่นี้ เช่น จังหวะออกตัว ต้องการแรงบิดมากเพื่อให้ออกตัวง่าย เมื่อรถเคลื่อนที่แล้วความต้องการแรงบิดจะน้อยลง ถ้าเป็นเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนกำลังอัดตายตัวจะไม่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพในจังหวะที่เครื่องยนต์ต้องการแรงบิดมากๆ ไม่ได้

วิศวกรของ ซาบ (SAAB) เคยออกแบบเครื่องยนต์อัตราส่วนกำลังอัดแปรผันขึ้นมา โดยใช้หลักการยกฝาสูบให้ขยับได้ เพื่อเปลี่ยนแปลงปริมาตรห้องเผาไหม้ให้เหมาะสมตามรอบการทำงานของเครื่องยนต์ แต่ติดในเรื่องของความทนทาน เพราะมีชิ้นส่วนที่ต้องขยับมาก

ทำไมถึงต้องเปลี่ยนแปลงกำลังอัดของเครื่องยนต์ นั่นเป็นเพราะว่าการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงในพื้นที่แคบๆ ด้วยปริมาณเชื้อเพลิงที่เท่ากัน การเผาไหม้ในที่แคบให้ความรุนแรงมากกว่า ซึ่งนำไปใช้ในการดันลูกสูบได้มีประสิทธิภาพมากกว่านั่นเอง แนวคิดก็คือ การทำให้จังหวะอัดเริ่มต้น และสิ้นสุดเร็วขึ้น จะทำให้สามารถจุดระเบิดได้อย่างต่อเนื่อง และให้กำลังมากกว่า นอกเหนือจากกำลังที่มากขึ้นแล้ว ยังลดมลพิษจากการเผาไหม้ได้อีกทางหนึ่งด้วย

จากบนลงล่าง

การขยับฝาสูบเพื่อเปลี่ยนแปลงปริมาตรห้องเผาไหม้เป็นเรื่องที่ยากเพราะความทนทานจะต่ำ แถมมีโอกาสผิดพลาดได้ง่าย จึงหันมาเล่นกับระยะชักของลูกสูบแทน ในจังหวะอัดจะต้องลดระยะทางในการเคลื่อนที่ขึ้นให้น้อยลง เท่ากับว่าทำให้จังหวะอัดเกิดเร็วขึ้น เพราะไม่ต้องรอให้ข้อเหวี่ยงหมุนครบ 180 องศาก่อน โดยการเพิ่มกลไกระหว่างก้านสูบ และเพลาข้อเหวี่ยงเข้าไป เพื่อให้จังหวะอัดลูกสูบใช้ระยะทางเครื่องที่น้อยลงนั่นเอง

กลไกนี้มีการขยับไม่กี่ มม. แต่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอัตราส่วนกำลังอัด ซึ่งเป็นหัวใจในการเพิ่มสมรรถนะด้านการสร้างแรงบิดให้กับเครื่องยนต์ เราจะเห็นได้ว่าอัตราส่วนกำลังอัดของเครื่องยนต์ไฮบริด จะสูงถึง 12.5:1 ขณะที่เครื่องยนต์ในรุ่นปกติจะอยู่ที่ 9.8:1 เท่านั้น แม้แรงม้าและแรงบิดของเครื่องยนต์ไฮบริดจะต่ำกว่า ทั้งๆ ที่พื้นฐานเครื่องยนต์เป็นตัวเดียวกัน เพราะว่าต้องการให้เกิดการเผาไหม้ที่สะอาดหมดจด แม้กำลังจะน้อยกว่า แต่เมื่อบวกรวมเข้าไปกับแรงบิดจากมอเตอร์ไฟฟ้าที่มาใช้เสริมแล้ว สมรรถนะโดยรวมไม่แตกต่างกัน

เทคโนโลยีของ ATKINSON CYCLE เกิดมานานแล้ว แต่ไม่ได้นำมาใช้อย่างจริงจัง เนื่องจากยุคสมัยนั้นเทคโนโลยีด้านโลหะและการผลิตยังต่ำอยู่ กลไกเกิดการสึกหรอง่าย มีความทนทานต่ำเพราะต้องปรับเปลี่ยนกำลังอัดให้เหมาะสมกับรอบเครื่องตลอดเวลา แต่ปัจจุบัน โตโยตา ได้นำเทคโนโลยีนี้มาใช้ เพราะมีกรรมวิธีในการผลิตที่ล้ำหน้าไปมาก ไม่ต้องเป็นกังวลเรื่องความทนทานอีกต่อไป

สิ่งสำคัญอีกอย่างในเครื่องยนต์ที่แปรผันกำลังอัดได้ คือ ความสามารถในการใช้เชื้อเพลิงได้หลากหลายค่าออคเทนมากกว่า อีซียูสามารถทำหน้าที่ปรับเปลี่ยนระยะเวลาการเปิด/ปิดของวาล์วไอดีให้สัมพันธ์กับรอบเครื่องในแต่ละช่วง รวมถึงจังหวะการจุดระเบิดด้วย เพื่อให้เหมาะสมกับชนิดของเชื้อเพลิงและรอบการทำงานของเครื่องยนต์

รถเปลี่ยน คนเปลี่ยน

เพื่อความมุ่งหมายในการลดการใช้เชื้อเพลิง และลดมลพิษจากการเผาใหม้ให้เกิดขึ้นน้อยที่สุด เครื่องยนต์ของรถไฮบริดจึงมีการทำงานที่ซับซ้อนกว่า แต่ที่ยิ่งกว่านั้น คือ ผู้ขับขี่ต้องเรียนรู้ และทำความเข้าใจในจุดเด่นของเทคโนโลยีเหล่านี้ เพื่อจะใช้งานได้อย่างคุ้มค่าตามจุดประสงค์ในการออกแบบของทีมวิศวกร ถ้าไม่เรียนรู้ และทำความเข้าใจ ก็เหมือนกับกิ้งก่าได้ทอง ไม่รู้จะมีไว้ทำไม สู้เปลี่ยนเป็นแมลงยังจะอิ่มท้องกว่าเป็นไหนๆ

ถ้าเปรียบในเรื่องรถยนต์ ถ้าไม่รู้จักใช้ก็เหมือนกับซื้อรถสปอร์ท 500-600 แรงม้า มาวิ่งในกรุงเทพ ฯช่วงเวลาเร่งด่วน เท่อย่างเดียว แต่แทบไม่ได้ใช้แรงม้าที่มีให้เกิดประโยชน์เลย ถ้าจะใช้รถไฮบริดให้ได้คุ้มค่า ต้องปรับเปลี่ยนลักษณะนิสัยการขับขี่เสียใหม่ ออกตัวด้วยความนุ่มนวล เหยียบคันเร่งอย่างสม่ำเสมอ หาจังหวะในการเร่งแซงหน่อย แค่นี้ก็จะใช้งานได้เต็มตามจุดประสงค์ในการออกแบบ



------------------------------
เรื่องโดย : พหล ฯ 30
นิตยสาร 4WHEELS ฉบับเดือน มีนาคม ปี 2553
คอลัมน์ : รู้ทันเทคนิค
ลิงค์สำหรับแชร์ : https://autoinfo.co.th/ju1qX

บทความที่เกี่ยวข้อง

โพร์เช คาเยนน์ เทอร์โบ มาพร้อมระบบขับเคลื่อนที่เหนือชั้น
ระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติ ไม่ไกลเกินฝัน
หุ่นยนต์ขับขี่อัตโนมัติ เทคโนโลยีเพื่ออนาคตจาก ฮันเด
คอนทิเนนทัล
คอนทิเนนทัล
อัพเดทล่าสุด
21 Nov 2017

Buyer's Guide | คู่มือซื้อรถ

Model Start Price (THB)
1.
21,900,000
2.
11,530,000
3.
14,900,000
4.
3,699,000
5.
2,930,000
6.
679,000
7.
1,290,000
8.
21,890,000
9.
3,090,000
10.
75,000,000
12.
1,545,000
13.
1,465,000
14.
2,390,000
15.
489,000
16.
1,199,000
18.
2,490,000
19.
479,000
20.
939,000
  • MAIN SEARCH
  • EASY SEARCH
Make
Model
Price
Engine
More Option >
วัตถุประสงค์ในการใช้รถ (ประเภทรถ)
งบประมาณ
พฤติกรรมการขับรถ

Follow autoinfo.co.th