รูปแบบการจัดเรียงกระบอกสูบมีอะไรบ้าง

[AutoFun] ในเครื่องยนต์แบบสันดาปนั้น ลูกสูบและกระบอกสูบเป็นสิ่งสำคัญที่ช่วยให้รถยนต์เคลื่อนที่ได้ ซึ่งรถยนต์แต่ละรุ่นก็มีรูปแบบการจัดเรียงกระบอกสูบไม่เหมือนกัน กล่าวคือรูปแบบการจัดเรียงกระบอกสูบมีผลต่อการขับเคลื่อนของเครื่องยนต์

ส่วนใหญ่รูปแบบการจัดเรียงกระบอกสูบในเครื่องยนต์มีหลายแบบ ได้แก่ เครื่องยนต์แบบสูบเรียงหรือ Inline  (L หรือ I), เครื่องยนต์แบบสูบ V (V-type), เครื่องยนต์แบบสูบเยื้อง  (W-type), เครื่องยนต์แบบสูบนอน (Horizontally opposed), เครื่องยนต์แบบสูบหมุน (Rotor) และ เครื่องยนต์ VR (VR-type)

เครื่องยนต์แบบสูบเรียง (Inline Engine)

โดยทั่วไปเครื่องยนต์แบบแถวเรียง (Inline Engine) จะใช้ชื่อว่า L ตัวอย่างเช่น L4 หมายถึงเครื่องยนต์แบบแถวเรียง 4 สูบ ในปัจจุบันมีการใช้รูปแบบกระบอกสูบที่เป็นเครื่องยนต์แบบแถวเรียงกันมากในเครื่องยนต์ที่มีขนาดต่ำกว่า 2.5L

รูปแบบการเรียงกระบอกสูบของเครื่องยนต์แบบสูบเรียงนี้ส่วนใหญ่จะเรียงเป็นแถวตรงแบบขวางในห้องเครื่อง แต่ก็มีบ้างที่เรียงตามขนานไปกับตัวรถ โครงสร้างการจัดวางกระบอกสูบและเพลาข้อเหวี่ยงค่อนข้างเรียบง่าย ไม่ซับซ้อน

โดยทั่วไปรูปแบบการเรียงกระบอกสูบของเครื่องยนต์แบบสูบเรียงนี้มีจำนวนสูบ 3-6 สูบ ได้แก่ L3, L4, L5, L6 (ตัวเลขแสดงถึงจำนวนกระบอกสูบ)  ข้อดีของเครื่องยนต์แบบสูบเรียงนี้คือโครงสร้างไม่ซับซ้อน ขนาดกะทัดรัด มีความเสถียร ให้แรงบิดต่ำ ใช้พลังงานน้อย และต้นทุนต่ำ  

ในขณะเดียวกันด้วยรูปแบบการเรียงกระบอกสูบของเครื่องยนต์แบบสูบเรียงที่มีขนาดกะทัดรัด ทำให้สามารถติดตั้งอุปกรณ์ดูดอากาศอย่างซูเปอร์ชาร์จเจอร์เข้าไปได้ด้วย แต่ข้อเสียคือ ให้กำลังเครื่องยนต์ต่ำ เครื่องยนต์แบบแถวเรียง 4 หรือ 5 สูบจะมีความนุ่มนวลน้อยกว่าแบบแถวเรียง 6 สูบ

เครื่องยนต์แบบสูบ V (V-type)

เครื่องยนต์แบบสูบ V เป็นเครื่องยนต์ที่การแบ่งเป็น 2 แถว ฝาสูบแยกจากกัน โดยเรียงเอียงออกด้านข้าง เมื่อมองแล้วจะดูเหมือนรูปตัว V จึงทำให้เรียกว่า เครื่องยนต์แบบสูบ V มุมการเอียงก็มีตั้งแต่ 15-120 องศา (วัดองศาการทำมุมของกระบอกสูบ 2 ข้าง) แต่องศาที่นิยมมากที่สุดอยู่ระหว่าง 60-90 องศา

เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์แบบแถวเรียง การจัดเรียงกระบอกสูบแบบตัว V ทำให้สั้นกว่าเครื่องยนต์แบบแถวเรียง และไปเพิ่มพื้นที่ทางด้านกว้างแทน ส่งผลให้การออกแบบตัวรถเป็นไปได้อย่างอิสระ และสามารถเพิ่มจำนวนซีซีได้มากกว่าเดิม ข้อดีของเครื่องยนต์แบบสูบ V ทำให้การทำงานของเครื่องยนต์มีความนุ่มนวลมากกว่าเครื่องยนต์แบบแถวเรียง และทำให้เครื่องยนต์มีแรงบิดในรอบที่ต่ำกว่าด้วย 

สรุปแล้วเครื่องยนต์แบบสูบ V มีประสิทธิภพาความนุ่มนวลที่เหนือกว่าเครื่องยนต์แบบแถวเรียงก็จริง แต่ก็มีข้อเสียก็คือในการผลิตนั้นต้องใช้ขั้นตอนในการผลิตมากขึ้น ซับซ้อน และยากที่จะติดตั้งอุปกรณ์เสริมอื่นๆเนื่องจากการวางของกระบอกลูกสูบ และด้วยความยุ่งยากในการผลิตจึงทำให้ต้นทุนสูงขึ้นด้วย การบำรุงรักษาก็ยากกว่าเครื่องยนต์แบบแถวเรียงด้วยเช่นกัน 

เครื่องยนต์แบบสูบเยื้อง (W-type)

เครื่องยนต์แบบสูบเยื้องเป็นเครื่องยนต์ที่พัฒนาต่อจากเครื่องยนต์แบบสูบ V แทนที่จะวางแนวลูกสูบแต่ละฝั่งให้เป็นแนวเดียวกัน แต่เพิ่มความกว้างของฝาสูบให้มากขึ้น เพื่อให้ลูกสูบเยื้องกันเล็กน้อย ทำให้ความยาวรวมสั้นลง เมื่อก่อนเครื่องยนต์แบบสูบเยื้องใช้เครื่องยนต์แบบสูบ V มาเป็นต้นแบบ แต่เพิ่มแนวลูกสูบตัวกลางขึ้นกลายเป็นเครื่องยนต์ 3 แถว และก็ไม่ได้รับความนิยมจึงทำให้หายไป แต่ล่าสุดโฟล์คสวาเกน (Volkswagen) นำเครื่องยนต์แบบนี้ออกสู่ตลาดอีกครั้ง ทำให้เครื่องยนต์นี้เริ่มกลับมาเป็นที่รู้จักอีกครั้ง 

เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์แบบสูบ V แล้วเครื่องยนต์แบบสูบเยื้องทำให้เครื่องยนต์มีความยาวสั้นลงและเพลาข้อเหวี่ยงก็สั้นลงด้วย ทำให้มีพื้นที่เหลือสามารถใส่อุปกรณ์เพิ่มสมารรถนะได้อีก อีกทั้งน้ำหนักก็เบาลง ช่วยให้เราคล่องตัวขึ้น 

แต่ข้อเสียของเครื่องยนต์แบบสูบเยื้องก็คือการแบบเครื่องยนต์ออกเป็น 2 ส่วน ทำให้การขับเคลื่อนค่อนข้างมีแรงสั่นสะเทือนมาก ซึ่งทาง Volkswagen ก็ได้แก้ปัญหานี้ด้วยการออกแบบให้มีเพลาถ่วงดุลบนเครื่องยนต์แบบสูบเยื้อง เพื่อช่วยลดการสั่นสะเทือนของเครื่องยนต์

เครื่องยนต์แบบสูบนอน (Horizontally opposed)

เครื่องยนต์แบบสูบนอนหรือที่เรามักเรียกกันว่าเครื่องยนต์ Boxer ใช้รูปแบบเครื่องยนต์แบบสูบ V ที่ โดยเครื่องยนต์แบบสูบ V มักเป็น 60 องศา (วัดองศาการทำมุมของกระบอกสูบ 2 ข้าง) ขณะที่เครื่องยนต์แบบสูบนอนเป็นเครื่องยนต์ที่วางในแนวระนาบหรือวางทำมุมแบบ 180 องศา

อย่างไรก็ตามเครื่องยนต์แบบสูบนอนมีโครงสร้างค่อนข้างซับซ้อน ทำให้การผลิตค่อนข้างยาก ทำให้ราคารถยนต์สูงตามไปด้วย ดังนั้นเครื่องยนต์แบบสูบนอนส่วนใหญ่จะอยู่ในรถหรู อย่าง Porsche และ Subaru เท่านั้น

ข้อดี

ข้อดีของเครื่องยนต์แบบสูบนอนนี้ทำให้มีจุดศูนย์ถ่วงต่ำ ช่วยลดอาการโคลงและมีความสมดุล สามารถออกแบบตัวถังรถให้ลู่ลมได้มากกว่ารถที่ใช้เครื่องยนต์ทั่วไป และปัจจัยเหล่านี้ยังเป็นตัวเสริมให้รถมีเสถียรภาพในการขับขี่เพิ่มขึ้น .

ในขณะเดียวกันด้วยการจัดวางแบบแนวนอนของเครื่องยนต์แบบสูบนอนนี้ ทำให้เครื่องยนต์ทำงานได้ดีกว่าเครื่องยนต์แบบสูบ V และการสิ้นเปลืองพลังงานก็น้อยกว่าด้วย และการที่มีจุดศูนย์ถ่วงต่ำก็ทำให้สามารถกระจายแรงได้ดียิ่งขึ้น 

ข้อสีย

เครื่องยนต์แบบสูบนอนไม่ค่อยมีความนุ่มนวลเท่าไหร่ ขณะเครื่องยนต์ทำงานจะทำให้รับรู้ถึงการสั่นสะเทือนได้อย่างชัดเจน อีกทั้งยังมีเสียงดังอีกด้วย นอกจากนี้ด้วยโครงสร้างของเครื่องยนต์แบบสูบนอนที่ซับซ้อนอีกด้วย

เครื่องยนต์แบบสูบนอนนี้จะทำให้น้ำมันหล่อลื่นไหลไม่ทั่วถึง เนื่องจากแรงโน้มถ่วงทำให้ด้านหนึ่งของกระบอกสูบไม่ได้รับน้ำมันหล่อลื่น แต่ในปัจจุบันทาง Porsche และ Subaru ได้แก้ไขข้อบกพร่องเหล่านี้แล้ว แต่ด้วยขั้นตอนการผลิตที่มีความซับซ้อน ส่งผลให้เครื่องยนต์แบบสูบนอนดูแลรักษายาก 

เครื่องยนต์แบบสูบหมุน

เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์แบบแถวเรียงหรือเครื่องยนต์แบบสูบ V แล้วชื่อเครื่องยนต์แบบสูบหมุนหรือ Rotary Engine อาจไม่คุ้นเคยนัก เครื่องยนต์แบบสูบหมุนถูกคิดค้นโดย Feigas Wankel (ฟีลิกซ์ แวนเคิล) ชาวเยอรมันและต่อมาเทคโนโลยีนี้ทาง Mazda ก็ได้นำมาใช้ผลิตรถยนต์

เรารู้อยู่แล้วว่าเครื่องยนต์แบบอื่นจะเป็นการชักขึ้นและลงของกระบอกลูกสูบ โดยจะใช้เพลาข้อเหวี่ยงให้เครื่องยนต์ทำงาน 

เครื่องยนต์แบบสูบหมุนจะมีลักษณะที่แตกต่างไปจากเครื่องยนต์สูบอื่น เพราะใช้รูปแบบของสูบที่เป็นสามเหลี่ยมหน้าตาคล้ายข้าวปั้นของญี่ปุ่นหรือที่เรียกว่าโรเตอร์ เป็นตัวหมุนอยู่ภายใน โดยจะมีขนาดที่เล็กกว่าสูบในรูปแบบอื่นถึงครึ่งหนึ่งและมีน้ำหนักน้อยถึง 3 เท่า ทำให้เครื่องยนต์แบบสูบหมุนนี้มีการสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนน้อยกว่า 

หลักการทำงาน

เครื่องยนต์แบบสูบหมุนจะมีโรเตอร์ที่จะทำหน้าที่หมุนอยู่ภายในเพลาขับของตัวเครื่องยนต์แทนรูปแบบการชักขึ้นลงของลูกสูบแบบอื่น โดยจะมีการเหวี่งตัวเองและหมุนไปเรื่อยๆ ซึ่งการหมุนนี้จะอยู่ภายในห้องเผาไหม้ที่คล้ายเลข 8 โดยเครื่องยนต์แบบสูบหมุนนี้จะเป็นการแยกชิ้นส่วนให้เคลื่อนไหวและเสียดสีกัน จะใช้ชิ้นส่วนหลักเพียงแค่ 3 ชิ้นเท่านั้น

เครื่องยนต์แบบสูบหมุนจะมีการจุดระเบิด 3 ครั้งใน 1 รอบของการหมุน จึงทำให้รถมีสมรรถนะสูง รอบจัด กว่าเครื่องยนต์แบบอื่น เครื่องยนต์แบบนี้มักถูกใช้ในรถยนต์ของค่าย Mazda ซึ่งค่ายนี้ได้มีการพัฒนาการใช้เครื่องยนต์แบบสูบหมุนโรเตอร์มาอย่างต่อเนื่อง และทำให้ได้รับความนิยมมากขึ้น

ส่วนที่แตกต่างจากเครื่องยนต์ทั่วไปอย่างเห็นได้ชัดคือ ใน 1 รอบการหมุนเพลาข้อเหวี่ยง เครื่องยนต์แบบสูบหมุนจะสามารถสร้างกำลังได้ถึง 3 ครั้ง ซึ่งต่างจากเครื่องยนต์ลูกสูบที่เพลาข้อเหวี่ยวต้องหมุนถึง 2 ครั้งจึงจะสามารถสร้างกำลังได้ ทำให้เครื่องยนต์แบบสูบหมุนสามารถสร้างกำลังได้มากกว่าเครื่องยนต์ลูกสูบทั่วไป 

ในเครื่องยนต์​แบบสูบหมุนใช้ชิ้นส่วนที่น้อยกว่าเครื่องยนต์แบบลูกสูบ ทำให้มีนำ้หนักเบาและกะทัดรัด อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักจึงสูงมาก ทำให้การออกแบบตัวรถมีความเป็นสปอร์ตที่เพรียวลมและสามารถลดแรงต้านลมได้อย่างดี

นอกจากข้อดีที่เครื่องยนต์แบบสูบหมุนมีน้ำหนักเบาแล้ว ด้วยการออกแบบคล้ายเครื่องยนต์แบบสูบนอนจึงทำให้จุดศูนย์ถ่วงต่ำด้วย แต่ข้อเสียของเครื่องยนต์แบบสูบหมุนก็มีนั่นคือ เครื่องยนต์อาจมีอากาศรั่วเข้าไป เนื่องจากการสึกหรอของตัวปลายซีลโรเตอร์ แม้ว่าจะมีการพัฒนาให้มีความแข็งแรงมากขึ้น แต่ก็ยังคงเสียหายง่ายอยู่

เครื่องยนต์ VR (VR-type)

เครื่องยนต์ VR เป็นเครื่องยนต์ที่ออกแบบโดยค่าย Volkswagen โดยได้เปิดตัวเครื่องยนต์ VR ครั้งแรกแรกในปี 1991 เป็นเครื่องยนต์ V6 2.8L มุมแคบ 15 องศา ซึ่งใช้ชื่อว่า VR6 และติดตั้งบน Golf เจนเนอร์เรชั่นที่ 3 เครื่องยนต์นี้มีขนาดกะทัดรัดใกล้เคียงกับเครื่องยนต์แบบแถวเรียง และความยาวไม่เกินเครื่องยนต์ 4 สูบ 

มุมกระบอกสูบของเครื่องยนต์ VR มีขนาดเล็กมาก กระบอกสูบเทือบจะขนานกัน และรูหัวเทียนฝาสูบเกือบจะเป็นเส้นตรง ด้วยความที่เครื่องยนต์ ​VR มีขนาดเล็กมาก ดังนั้นจึงง่ายกว่าที่จะติดตั้งเครื่องยนต์ภายในช่องใส่เครื่องยนต์ด้านหน้าซึ่งเดิมออกแบบมาสำหรับเครื่องยนต์ 4 สูบ แต่ด้วยเครื่องยนต์ด้านหน้าของ Volkswagen อยู่ก่อนเพลาหน้าทำให้ต้องออกแบบให้เครื่องยนต์ไม่ยาวเกินไป ไม่อยากนั้นแล้วจะไม่สามารถใส่อุปกรณ์ลดการสั่นสะเทือนได้

เครื่องยนต์นี้มีขนาดกะทัดรัดมาก แม้ว่าจะมีลักษณะคล้ายกับเครื่องยนต์แบบสูบ V แต่มุมกระบอกสูบทั้งสองอยู่ใกล้กันมาก ทำให้ใช้ฝาสูบเพียงอันเดียวก็ได้แล้ว ดังนั้นทำให้ใช้ชิ้นส่วนน้อยกว่าจึงราคาถูกกว่าเครื่องยนต์แบบสูบ V อย่าง V6 ที่มีมุมกระบอกสูบของ  90 องศาและ 60 องศามาก (เนื่องจากถ้าเป็นเครื่องยนต์สูบแบบ V ใช้เพลาลูกเบี้ยวมากกว่าจึงทำให้ค่าใช้จ่ายสูงขึ้น)

แต่จากการทดลองจากการจำลองสถานการณ์จริงหลายครั้งพลว่า เครื่องยนต์แบบสูบ V ที่มีมุมลูกสูบ 60 องศาเป็นมุมที่เหมาะสมที่สุดแล้ว ดังนั้นทำให้เครื่องยนต์แบบสูบ V ส่วนใหญ่จึงใช้ 60 องศา รวมทั้งเครื่องยนต์ V6 ด้วย แต่ด้วยการพัฒนาของ Volkswagen Group ทำให้ได้มุมที่ 15 องศา และสามารถใช้งานได้จริง 

จากการทดลองก็พบว่ากำลังของเครื่องยนต์ VR ไม่ได้ด้อยไปกว่ากำลังของเครื่องยนต์ V6 ทั่วไปเลย แต่ปัญหาที่เห็นได้ชัดคือเสถียรภาพและการสั่นสะเทือนขณะขับขี่ ถึงแม้ว่าจะมีการพัฒนาแล้วก็ตาม แต่ก็ยังคงมีการสั่นสะเทือนมากกว่าเครื่องยนต์แบบ V6 อยู่ดี