รถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน: หลักการทำงาน ประเภท และอนาคต

ลอส เครื่องยนต์สันดาปภายในยังคงเป็นหัวใจสำคัญ รถยนต์ส่วนใหญ่ที่เราเห็นในชีวิตประจำวันยังคงเป็นรถยนต์ไฟฟ้า แม้ว่าการใช้พลังงานไฟฟ้าจะกำลังได้รับความนิยมมากขึ้นอย่างรวดเร็วก็ตาม การทำความเข้าใจวิธีการทำงาน ประเภทต่างๆ ข้อดีที่แต่ละแบบมี และอนาคตของรถยนต์ไฟฟ้าเมื่อเทียบกับรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน เป็นสิ่งสำคัญสำหรับผู้ขับขี่ทุกคนที่กำลังพิจารณาซื้อรถยนต์คันใหม่ หรือเพียงแค่ต้องการทราบว่าเกิดอะไรขึ้นภายใต้ฝากระโปรงรถ

ในบทความนี้ เราจะอธิบายรายละเอียดอย่างชัดเจนและตรงไปตรงมา เครื่องยนต์สันดาปภายในคืออะไร จัดอยู่ในประเภทใด มีส่วนประกอบอะไรบ้าง และวัฏจักรการทำงานสี่จังหวะเป็นอย่างไร? และจะเปรียบเทียบกับมอเตอร์ไฟฟ้าในรถยนต์จริงและรถบังคับวิทยุ นอกจากนี้ เราจะทบทวนการถกเถียงในปัจจุบันเกี่ยวกับการสิ้นสุดของเครื่องยนต์ประเภทนี้ กฎระเบียบใหม่ของยุโรป และบทบาทของเทคโนโลยีในการลดการปล่อยมลพิษโดยไม่ต้องละทิ้งเครื่องยนต์ประเภทนี้โดยสิ้นเชิง

เครื่องยนต์สันดาปภายในคืออะไร และแตกต่างจากเครื่องยนต์สันดาปภายนอกอย่างไร?

เครื่องยนต์สันดาปภายในเป็นเครื่องจักรที่... เชื้อเพลิงจะถูกเผาไหม้ภายในห้องเผาไหม้ ซึ่งเป็นจุดที่เกิดงานเชิงกลขึ้นในรถยนต์ทั่วไป ส่วนผสมของอากาศและเชื้อเพลิงจะถูกเผาไหม้ภายในกระบอกสูบ และแรงดันที่เกิดจากการเผาไหม้นั้นจะดันลูกสูบ ซึ่งจะไปหมุนเพลาข้อเหวี่ยงและทำให้ล้อเคลื่อนที่ในที่สุด

ในเครื่องยนต์สันดาปภายนอก รูปแบบการทำงานจะเปลี่ยนไป: การเผาไหม้เกิดขึ้นภายนอกกระบอกสูบ ซึ่งเป็นบริเวณที่พลังงานถูกแปลงสภาพตัวอย่างคลาสสิกคือหัวรถจักรไอน้ำ: เชื้อเพลิงถูกเผาในหม้อไอน้ำ น้ำถูกทำให้ร้อนจนกลายเป็นไอน้ำที่มีแรงดัน และไอน้ำนี้จะดันลูกสูบในวงจรแยกต่างหาก พลังงานจะผ่านตัวกลาง (น้ำ/ไอน้ำ) ก่อน และไม่ได้ถูกสร้างขึ้นโดยตรงในกระบอกสูบเหมือนในรถยนต์

ด้วยเหตุนี้ เมื่อเราพูดถึงรถยนต์สมัยใหม่ เราจึงมักหมายถึงรถยนต์สมัยใหม่เกือบทุกครั้ง เครื่องยนต์สันดาปภายใน ไม่ว่าจะเป็นเครื่องยนต์เบนซินหรือดีเซลซึ่งเปลี่ยนพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงให้เป็นพลังงานกลโดยตรงภายในเครื่องยนต์ผ่านวงจรการระเบิดที่ควบคุมได้

ประเภทหลักของเครื่องยนต์ในรถยนต์สมัยใหม่

ปัจจุบัน เทคโนโลยีหลายอย่างมีอยู่ร่วมกันในตลาด: เครื่องยนต์เบนซิน ดีเซล ระบบไฟฟ้า และเครื่องยนต์ที่ใช้ก๊าซ (LPG หรือ CNG)ทั้งหมดเริ่มต้นด้วยปุ่มหรือคีย์ แต่รูปแบบการเคลื่อนไหวแตกต่างกันมาก

ในแง่ของปริมาณการขาย ราชาแห่งวงการเพลงในอดีตได้แก่... เครื่องยนต์สันดาปภายใน (เบนซินและดีเซล)นอกจากนี้ รถยนต์ไฮบริด (ซึ่งผสมผสานเครื่องยนต์สันดาปภายในและมอเตอร์ไฟฟ้า) รถยนต์ปลั๊กอินไฮบริด และในระดับที่น้อยกว่านั้น เครื่องยนต์ที่ออกแบบมาเพื่อใช้เชื้อเพลิงก๊าซปิโตรเลียมเหลวหรือก๊าซธรรมชาติอัด ก็กำลังได้รับความนิยมมากขึ้นเช่นกัน

ขนาน, มอเตอร์ไฟฟ้าล้วนได้ก้าวเข้ามามีบทบาทอย่างมากแล้ว ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา รถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิงได้รับความนิยมมากขึ้นเนื่องจากกฎระเบียบด้านสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวดขึ้นและต้นทุนแบตเตอรี่ที่ลดลงอย่างต่อเนื่อง แม้ว่าจะมีหลักการทางกายภาพที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง แต่ก็สามารถแข่งขันกับเครื่องยนต์สันดาปภายในได้ทั้งในด้านประสิทธิภาพและต้นทุนการใช้งาน

ส่วนประกอบสำคัญของเครื่องยนต์สันดาปภายใน

เพื่อให้เครื่องยนต์สันดาปภายในเปลี่ยนเชื้อเพลิงให้เป็นพลังงานเคลื่อนที่ได้ จำเป็นต้องมีกระบวนการต่างๆ เกิดขึ้น ชิ้นส่วนต่างๆ ที่ทำงานร่วมกันได้อย่างลงตัวแม้ว่าจะมีข้อแตกต่างกันระหว่างน้ำมันเบนซินและน้ำมันดีเซล แต่พื้นฐานของทั้งสองประเภทนั้นคล้ายคลึงกัน

บล็อกเครื่องยนต์เป็นโครงสร้างหลักที่ทุกอย่างถูกรวมเข้าไว้ด้วยกัน ภายในนั้นมีกระบอกสูบซึ่งเป็นที่ที่ลูกสูบเคลื่อนที่รวมถึงท่อระบายความร้อนและท่อหล่อลื่น โดยปกติจะทำจากเหล็กหล่อหรืออะลูมิเนียมเพื่อทนต่อแรงดันและอุณหภูมิสูงที่เกิดขึ้นระหว่างการเผาไหม้

ลูกสูบเป็นชิ้นส่วนทรงกระบอกที่ พวกมันเคลื่อนที่ขึ้นลงภายในกระบอกสูบแต่ละอันเพื่อใช้ประโยชน์จากการขยายตัวของแก๊สชิ้นส่วนเหล่านี้มีส่วนประกอบรอบขอบเพื่อปิดผนึกห้องเผาไหม้และควบคุมการไหลของน้ำมัน การเคลื่อนที่ในแนวดิ่งของชิ้นส่วนเหล่านี้จะถูกส่งผ่านก้านเชื่อมต่อไปยังเพลาข้อเหวี่ยง เปลี่ยนการเคลื่อนที่เชิงเส้นเป็นการหมุน

เพลาข้อเหวี่ยงที่มีรูปทรงไม่สม่ำเสมอและได้รับการรองรับด้วยแบริ่ง มีหน้าที่รับผิดชอบในเรื่องต่อไปนี้ แปลงการเคลื่อนที่แบบไป-กลับของลูกสูบให้เป็นการหมุนอย่างต่อเนื่องก้านเชื่อมต่อทั้งหมดมาบรรจบกันที่จุดนี้ และจากจุดนั้น พลังงานจะถูกส่งไปยังเกียร์ และสุดท้ายไปยังล้อ

ด้านล่างสุดเราจะพบอ่างพักน้ำ ซึ่งเป็นถาดหรืออ่างโลหะชนิดหนึ่งที่ มันทำหน้าที่เป็นอ่างเก็บน้ำมันเครื่องน้ำมันนี้จะถูกสูบอย่างต่อเนื่องเพื่อหล่อลื่นและระบายความร้อนให้กับชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ (ลูกสูบ ก้านสูบ เพลาข้อเหวี่ยง เพลาลูกเบี้ยว ฯลฯ) ช่วยลดแรงเสียดทานและการสึกหรอ

ส่วนบนสุดคือตัวลำกล้อง ซึ่งเป็นชิ้นส่วนที่ซับซ้อนและบรรจุชิ้นส่วนต่างๆ ไว้ภายใน วาล์วไอดีและไอเสีย สปริง ห้องเผาไหม้ และในเครื่องยนต์เบนซินก็คือหัวเทียนฝาสูบปิดกระบอกสูบจากด้านบนและเชื่อมต่อกับเสื้อเครื่องยนต์ผ่านปะเก็นฝาสูบ ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญที่ช่วยให้เกิดการปิดผนึกระหว่างทั้งสองส่วน

ปะเก็นฝาสูบมีหน้าที่ดังนี้ ปิดกั้นทางเดินของก๊าซ น้ำมัน และสารทำความเย็น อยู่ระหว่างบล็อกเครื่องยนต์และฝาสูบ หากเกิดความเสียหาย ของเหลวอาจผสมกันหรือแรงอัดอาจลดลงอย่างมาก ทำให้สมรรถนะของเครื่องยนต์ลดลงอย่างรุนแรงและอาจก่อให้เกิดความเสียหายร้ายแรงได้

ภายในแต่ละกระบอกสูบ ลูกสูบจะเคลื่อนที่ในระยะทางที่กำหนดระหว่างจุดศูนย์ตายบน (TDC) และจุดศูนย์ตายล่าง (BDC) การเคลื่อนที่นั้นเรียกว่าจังหวะลูกสูบและปริมาตรกระบอกสูบรวมของเครื่องยนต์จะถูกกำหนดโดยความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลางของกระบอกสูบ

วัฏจักรสี่จังหวะ: หลักการทำงานของเครื่องยนต์รถยนต์

รถยนต์นั่งส่วนบุคคลสมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้ เครื่องยนต์สันดาปภายในแบบสี่จังหวะโดยอิงตามวัฏจักรออตโต (ในเครื่องยนต์เบนซิน) หรือวัฏจักรดีเซลที่คล้ายคลึงกันมาก โดยมีความแตกต่างกันเล็กน้อยในเรื่องระบบจุดระเบิด

ในระหว่างช่วงดูดอากาศ ลูกสูบจะเคลื่อนที่ลงจากจุดสูงสุด (TDC) ไปยังจุดต่ำสุด (BDC) สร้างสุญญากาศที่เอื้อต่อการเข้าของอากาศหรือส่วนผสมของอากาศและเชื้อเพลิงเข้าไปในกระบอกสูบ ผ่านวาล์วไอดีซึ่งเปิดอยู่ตลอดการเดินทางนี้

ในระหว่างช่วงการอัด วาล์วไอดีจะปิดลง และลูกสูบจะยกตัวขึ้นอีกครั้ง ส่วนผสมของอากาศและเชื้อเพลิงถูกอัดให้มีปริมาตรเล็กมากซึ่งจะทำให้ความดันและอุณหภูมิของส่วนผสมเพิ่มขึ้นอย่างมาก และทำให้ส่วนผสมพร้อมสำหรับการเผาไหม้

ในขั้นตอนการเผไหม้ (หรือการระเบิด) ส่วนผสมที่ถูกอัดแน่นจะลุกไหม้ ในเครื่องยนต์เบนซิน ประกายไฟเกิดจากหัวเทียนในทางกลับกัน ในเครื่องยนต์ดีเซล เชื้อเพลิงจะถูกฉีดเข้าไปเมื่ออากาศร้อนจัดเนื่องจากการอัด ทำให้เกิดการลุกไหม้เองโดยธรรมชาติ การขยายตัวอย่างฉับพลันของก๊าซจะดันลูกสูบลงอย่างรุนแรง

ในระหว่างจังหวะไอเสีย ลูกสูบจะยกตัวขึ้นอีกครั้งเมื่อวาล์วไอเสียเปิดออก ก๊าซที่เผาไหม้แล้วจะถูกปล่อยออกไปยังท่อร่วมไอดีและระบบท่อไอเสียเมื่อสิ้นสุดขั้นตอนนี้ วงจรก็จะเริ่มต้นใหม่อีกครั้ง โดยจะวนซ้ำหลายพันครั้งต่อนาที นับตั้งแต่ที่เราสตาร์ทเครื่องยนต์จนกระทั่งเราดับเครื่องยนต์

นอกจากนี้ยังมีเครื่องยนต์สองจังหวะ ซึ่ง การหมุนครบหนึ่งรอบของเพลาข้อเหวี่ยงแต่ละครั้งจะก่อให้เกิดการเผาไหม้สิ่งนี้มาพร้อมกับต้นทุนของการผสมผสานกระบวนการและลดความซับซ้อนของการจัดจำหน่าย ระบบเหล่านี้พบได้ทั่วไปในรถจักรยานยนต์ขนาดเล็กและเครื่องจักรขนาดเบา แต่แทบจะหายไปจากอุตสาหกรรมยานยนต์แล้วเนื่องจากความกังวลเกี่ยวกับมลพิษและความทนทาน

การจำแนกประเภทของเครื่องยนต์สันดาปภายใน

สามารถสั่งซื้อเครื่องยนต์สันดาปภายในได้ตามเกณฑ์หลายประการ: ประเภทเชื้อเพลิง การจัดเรียงกระบอกสูบ จำนวนกระบอกสูบ หรือวิธีการทำงานแต่ละแบบได้รับการออกแบบมาเพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะด้าน ทั้งประสิทธิภาพ ต้นทุน ขนาด และความนุ่มนวล

ตามประเภทของเชื้อเพลิง การแบ่งประเภทแบบดั้งเดิมในอุตสาหกรรมยานยนต์จะแบ่งออกเป็น... เครื่องยนต์เบนซินและเครื่องยนต์ดีเซลอย่างไรก็ตาม ยังมีเครื่องยนต์ที่ใช้ก๊าซ (LPG, CNG) และแม้แต่เครื่องยนต์แบบหลายเชื้อเพลิงที่สามารถทำงานได้ด้วยส่วนผสมที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ ยังมีเครื่องยนต์ที่ดัดแปลงให้ใช้เชื้อเพลิงสังเคราะห์หรือเชื้อเพลิงที่เป็นกลางทางคาร์บอน ซึ่งในทางทฤษฎีแล้วสามารถยืดอายุการใช้งานของเครื่องยนต์สันดาปภายในพร้อมทั้งลดผลกระทบต่อสภาพภูมิอากาศได้

เมื่อพิจารณาการจัดเรียงกระบอกสูบ เราจะพบเครื่องยนต์แบบอินไลน์ (กระบอกสูบเรียงต่อกัน) เครื่องยนต์แบบวี (สองแถวทำมุมกัน) เครื่องยนต์แบบบ็อกเซอร์หรือแบบตรงข้าม (กระบอกสูบหันหน้าเข้าหากันในระนาบแนวนอน) และรูปแบบที่แปลกใหม่กว่านั้น เช่น เครื่องยนต์รูปตัว W, เครื่องยนต์รูปตัว H, เครื่องยนต์รูปตัว X หรือเครื่องยนต์แบบเรเดียลที่มีกระบอกสูบเรียงตัวเป็นรูปดาวซึ่งมักพบได้ในอุตสาหกรรมการบินและการใช้งานเฉพาะทาง

ในส่วนของจำนวนกระบอกสูบ รถยนต์สามารถติดตั้งเครื่องยนต์ได้หลากหลายประเภท: จากเครื่องยนต์ขนาดเล็ก 3 สูบ ไปจนถึง 12 หรือแม้กระทั่ง 16 สูบ ในรถยนต์สมรรถนะสูง การเพิ่มจำนวนกระบอกสูบมักจะช่วยให้การขับขี่ราบรื่นและมีกำลังมากขึ้น แต่ก็ทำให้การออกแบบซับซ้อนขึ้นและต้นทุนโดยรวมสูงขึ้นด้วย

ในแง่ของการทำงานเชิงกล นอกเหนือจากเครื่องยนต์สี่จังหวะที่กล่าวมาแล้ว เรายังสามารถพบเครื่องยนต์สองจังหวะ และเครื่องยนต์โรตารี่แบบแวนเคลได้อีกด้วย กังหันก๊าซและสถาปัตยกรรมอื่นๆ ที่พบได้ไม่บ่อยนักในทางปฏิบัติ เครื่องยนต์สี่จังหวะเป็นที่นิยมสำหรับรถยนต์นั่งส่วนบุคคล เนื่องจากมีความสมดุลที่ดีระหว่างประสิทธิภาพ กำลังจำเพาะ การสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง และต้นทุนการผลิต

การเปรียบเทียบเชิงปฏิบัติ: รถยนต์ไฟฟ้าเทียบกับรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน

การเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ที่สุดในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาคือการเกิดขึ้นของรถยนต์ไฟฟ้าล้วนในฐานะทางเลือกที่แท้จริง ความแตกต่างพื้นฐานอยู่ที่... วิธีการผลิตและส่งพลังงานไปยังระบบขับเคลื่อนเครื่องยนต์ความร้อนเผาไหม้เชื้อเพลิงเป็นรอบๆ อย่างต่อเนื่อง ในขณะที่มอเตอร์ไฟฟ้าทำงานโดยอาศัยสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า

ในรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน วาล์วปีกผีเสื้อจะควบคุมปริมาณอากาศที่เข้าสู่เครื่องยนต์ และทำงานร่วมกับการฉีดเชื้อเพลิง กำหนดปริมาณส่วนผสมที่เข้าสู่กระบอกสูบในแต่ละรอบการทำงานประกายไฟหรือแรงอัดสูงทำให้เกิดการเผาไหม้ ซึ่งขับเคลื่อนลูกสูบและทำให้ชิ้นส่วนกลไกทั้งหมดเคลื่อนที่ไปจนถึงล้อ

ในรถยนต์ไฟฟ้า มอเตอร์ประกอบด้วยขดลวดและโรเตอร์ โดยการกลับทิศทางและปรับสนามแม่เหล็กโดยใช้อินเวอร์เตอร์ แรงบิดที่เกิดขึ้นจะเป็นสัดส่วนกับกระแสไฟฟ้าที่มอเตอร์ได้รับกระแสไฟฟ้ายิ่งมาก แรงบิดก็จะยิ่งมาก และส่งผลให้แรงผลักดันเกิดขึ้นทันทีมากขึ้น โดยไม่ต้องเปลี่ยนเกียร์ที่ซับซ้อน

หากเราวิเคราะห์การปล่อยมลพิษ รถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในจะปล่อยมลพิษออกมา ก๊าซมลพิษและคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ที่ถูกปล่อยออกมาทางท่อไอเสียในทางกลับกัน รถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่จะไม่ปล่อยก๊าซขณะใช้งาน แม้ว่าจะมีการปล่อยก๊าซที่เกี่ยวข้องกับการผลิตไฟฟ้าและตัวแบตเตอรี่เองก็ตาม รถยนต์ไฮบริดแบบเสียบปลั๊ก (PHEV) และรถยนต์ไฮบริดแบบดั้งเดิม (HEV) ช่วยลดการปล่อยก๊าซเมื่อเทียบกับรถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในเพียงอย่างเดียว แต่ก็ยังคงต้องพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลอยู่ดี

ในส่วนของน้ำหนักนั้น โดยทั่วไปแล้วรถยนต์ไฟฟ้าจะมีน้ำหนักมากกว่า หนักกว่าวัสดุที่เผาไหม้เทียบเท่ากันประมาณ 20 ถึง 30% เนื่องจากชุดแบตเตอรี่ น้ำหนักที่เพิ่มขึ้นนี้ซึ่งวางอยู่บนพื้นรถ ช่วยลดจุดศูนย์ถ่วงและเพิ่มเสถียรภาพ แม้ว่าจะทำให้สิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงมากขึ้นเล็กน้อยเมื่อขับด้วยความเร็วสูงก็ตาม

ในแง่ของอัตราเร่ง แรงบิดสูงสุดของมอเตอร์ไฟฟ้าสามารถใช้งานได้เกือบตั้งแต่รอบการหมุนศูนย์ ดังนั้น การตอบสนองต่อการเหยียบคันเร่งนั้นรวดเร็วทันทีรถยนต์ไฟฟ้าทั่วไปหลายรุ่นมีอัตราเร่งที่เหนือกว่ารถยนต์ขนาดเล็กที่ใช้เครื่องยนต์เบนซินอย่างเห็นได้ชัด ในแง่ของความเร็วสูงสุด รถสปอร์ตที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปบางรุ่นยังคงครองตำแหน่งสูงสุด แต่ในการใช้งานประจำวัน รถยนต์ไฟฟ้ามักให้ความรู้สึกว่า "เร็วกว่า"

ในแง่ของค่าใช้จ่าย การเติมน้ำมันเบนซินหรือดีเซลมีราคาแพงขึ้นเรื่อยๆ การชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าที่บ้าน แม้จะด้วยราคาค่าไฟฟ้าในปัจจุบัน ก็ยัง... โดยปกติแล้วค่าใช้จ่ายจะน้อยกว่าครึ่งหนึ่งหรือเท่ากับการเดินทางในระยะทางเดียวกันด้วยรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายในความแตกต่างจะยิ่งมากขึ้นไปอีกหากคุณใช้ประโยชน์จากอัตราค่าไฟฟ้าช่วงนอกเวลาเร่งด่วนหรือเติมเงินเพิ่มเพื่อการทำงาน

ประสบการณ์การขับขี่ก็เปลี่ยนไปเช่นกัน: รถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายในสร้างเสียงกลไกและเสียงไอเสีย รวมถึงการสั่นสะเทือน ในขณะที่ มอเตอร์ไฟฟ้ามีลักษณะเด่นคือทำงานเงียบและราบรื่นมากวิธีนี้ช่วยลดความเหนื่อยล้าจากการเดินทางและมลภาวะทางเสียงในเมือง แต่ก็แลกมากับการสูญเสีย "เอกลักษณ์" ด้านเสียงบางส่วนที่ผู้ชื่นชอบเครื่องยนต์เบนซินหลายคนชื่นชอบ

รถบังคับวิทยุไฟฟ้าเทียบกับรถบังคับวิทยุเครื่องยนต์สันดาป: การถกเถียงแบบเดียวกันในขนาดเล็ก

ที่น่าสนใจคือ การเผชิญหน้าแบบเดียวกันระหว่าง การใช้มอเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องยนต์สันดาปภายในเป็นธีมที่พบเห็นได้บ่อยในโลกของรถบังคับวิทยุมองเผินๆ แล้วอาจดูคล้ายกัน แต่ระบบขับเคลื่อนที่แตกต่างกันนั้นทำให้ลักษณะของยานพาหนะเปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิง

รถบังคับวิทยุไฟฟ้าใช้พลังงานจากแบตเตอรี่และใช้มอเตอร์แบบมีแปรงถ่านหรือแบบไม่มีแปรงถ่าน มอเตอร์แบบแปรงถ่านนั้นเรียบง่ายกว่า มีการปรับแต่งน้อยกว่า และมีแรงเสียดทานมากกว่าดังนั้น จึงมักใช้ในของเล่นและรุ่นเริ่มต้นเท่านั้น ประสิทธิภาพจึงมีจำกัด และมักเกิดความร้อนสูงกว่า

ในทางกลับกัน มอเตอร์ไร้แปรงถ่านนั้นไม่มีแปรงถ่านและให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่า พลังงานมากขึ้น ประสิทธิภาพสูงขึ้น และบำรุงรักษาน้อยลงในการแข่งขัน โมเดลที่จริงจังเกือบทั้งหมดเลือกใช้เทคโนโลยีนี้ ซึ่งสามารถทำผลงานได้ดีกว่าเครื่องยนต์ไนโตรขนาดเล็กเสียอีก

ในด้านระบบความร้อน เราจะพบเครื่องยนต์ไนโตร ซึ่งเป็นกลไกที่ซับซ้อน ประกอบด้วยคาร์บูเรเตอร์ ตัวกรองอากาศ หัวเทียน ลูกสูบ ถังน้ำมัน และท่อไอเสีย เสน่ห์ของ Nitro อยู่ที่เสียง ควัน และขั้นตอนการปรับแต่งเครื่องยนต์ซึ่งดึงดูดผู้ที่ชื่นชอบเทคโนโลยีขั้นสูงและชอบ "ปรับแต่ง" กลไกต่างๆ

ตัวถังรถก็มีความสำคัญเช่นกัน ในรถยนต์ไฟฟ้า มักพบว่า... ตัวถังพลาสติกพบได้ในรุ่นราคาประหยัด ส่วนตัวถังโลหะหรือคาร์บอนไฟเบอร์พบได้ในรุ่นระดับไฮเอนด์โดยมุ่งเน้นที่ความเบาและความแข็งแรง ในเครื่องยนต์สันดาปภายใน โครงตัวถังโลหะยังช่วยระบายความร้อนที่เกิดจากเครื่องยนต์ได้อีกด้วย

สำหรับข้อดีนั้น รถบังคับวิทยุไฟฟ้าเป็นที่นิยมมากในหมู่ผู้เริ่มต้นเล่น เพราะ มันสะอาดกว่า เงียบกว่า และใช้งานง่ายกว่าเพียงแค่ชาร์จแบตเตอรี่ก็พร้อมใช้งานได้ทันที โดยไม่ต้องบำรุงรักษามากนัก ข้อเสียหลักคือระยะทางการใช้งานที่จำกัด (15-30 นาทีต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง) และเวลาในการชาร์จ ซึ่งทำให้จำเป็นต้องมีแบตเตอรี่หลายก้อนเพื่อให้สามารถขับขี่ได้อย่างต่อเนื่อง

รถแข่งไนโตรโดดเด่นในการแข่งขันระยะยาว: เพราะแต่ละถังน้ำมันช่วยให้วิ่งได้นานขึ้น เติมน้ำมันเพียงไม่กี่วินาทีก็พร้อมสนุกต่อได้เลยอย่างไรก็ตาม เครื่องยนต์เหล่านี้ต้องการการทำความสะอาดบ่อยครั้ง การตรวจสอบหัวเทียน และความเชี่ยวชาญระดับหนึ่งในการปรับแต่งคาร์บูเรเตอร์ นอกจากนี้ยังมีเสียงดังกว่าและไวต่อความชื้นมากกว่าอีกด้วย

ประเด็นถกเถียงในปัจจุบัน: เครื่องยนต์สันดาปภายในยังมีอนาคตหรือไม่?

การเปลี่ยนผ่านไปสู่ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าได้จุดประกายการถกเถียงอย่างดุเดือดเกี่ยวกับอนาคตของเครื่องยนต์สันดาปภายใน ผู้ผลิตอย่างโตโยต้า ผ่านทางแผนกมอเตอร์สปอร์ต Toyota Gazoo Racing ต่างก็ให้เหตุผลว่า “ศัตรูที่แท้จริงไม่ใช่เครื่องยนต์สันดาปภายใน แต่เป็นคาร์บอน”กล่าวอีกนัยหนึ่ง ปัญหาอยู่ที่การปล่อยมลพิษ ไม่ใช่เทคโนโลยีการเผาไหม้เอง

จากมุมมองนี้ แบรนด์ดังกล่าวจึงโต้แย้งว่าเครื่องยนต์สันดาปภายในยังคงสามารถใช้งานต่อไปได้ หากนำมาใช้ร่วมกับเชื้อเพลิงที่เป็นกลางทางคาร์บอน ระบบไฮบริด และการปรับปรุงประสิทธิภาพเชิงความร้อนด้วยวิธีนี้ ผลกระทบต่อสภาพภูมิอากาศจะลดลงอย่างมากโดยไม่ต้องกำจัดเครื่องยนต์แบบดั้งเดิมออกไปทั้งหมด

ในทางกลับกัน การใช้ไฟฟ้าในปริมาณมากจำเป็นต้องมีการสกัดแร่ธาตุที่สำคัญอย่างเข้มข้น เช่น ใช้ลิเธียม โคบอลต์ หรือนิกเกล ในการผลิตแบตเตอรี่ในปริมาณมากสิ่งนี้ก่อให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและสังคมในพื้นที่เหมืองแร่ และปัญหาด้านอุปทานที่อาจเกิดขึ้นเมื่อความต้องการทั่วโลกเพิ่มสูงขึ้น

โตโยต้าและผู้ผลิตรายอื่นๆ เลือกใช้กลยุทธ์ที่หลากหลาย ได้แก่ รถยนต์ไฮบริดแบบดั้งเดิม รถยนต์ไฮบริดแบบเสียบปลั๊ก และรถยนต์ไฟฟ้าล้วน เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนและเครื่องยนต์ที่ออกแบบมาสำหรับเชื้อเพลิงสังเคราะห์แนวคิดคือไม่ควรพึ่งพาระบบไฟฟ้าเพียงระบบเดียว แต่ควรสำรวจหาทางเลือกหลายๆ ทางควบคู่กันไป

ขณะนี้กำลังมีการพัฒนาเครื่องยนต์สันดาปภายในที่มีขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพทางความร้อนสูงขึ้น ซึ่งสามารถ... เพื่อให้ได้สมรรถนะที่ดี พร้อมประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิงและลดการปล่อยมลพิษจากมุมมองของแบรนด์อย่าง Toyota Gazoo Racing คุณค่าของรถยนต์ไม่ได้วัดจากตัวเลขความเร่งเพียงอย่างเดียว แต่มาจาก "ความสนุกสนานหลังพวงมาลัย" และประสบการณ์การขับขี่ โดยพยายามสร้างสมดุลระหว่างความสุขนั้นกับข้อกำหนดด้านความยั่งยืน

กฎระเบียบของยุโรปและวันสำคัญสำหรับรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน

ในยุโรป การถกเถียงไม่ได้มีเพียงประเด็นทางเทคนิคเท่านั้น แต่ยังรวมถึงประเด็นด้านกฎระเบียบด้วย รัฐสภายุโรปและสภาได้เห็นพ้องกันแล้ว ห้ามการผลิตและการจดทะเบียนรถยนต์และรถตู้ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในรุ่นใหม่ ตั้งแต่ปี 2035 เป็นต้นไป ซึ่งถือเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญของอุตสาหกรรมนี้

ก่อนถึงวันนั้น มาตรการ "Fit for 55" จะถูกนำมาใช้ ซึ่งกำหนดเป้าหมายไว้ที่ปี 2030 ลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) จากรถยนต์นั่งส่วนบุคคลลง 55% และจากรถยนต์เพื่อการพาณิชย์ขนาดเล็ก 50% เมื่อเทียบกับปี 2021 สิ่งนี้บังคับให้ผู้ผลิตต้องเร่งการเปลี่ยนไปใช้รุ่นที่มีการปล่อยมลพิษต่ำหรือเป็นศูนย์

นอกจากนี้ มาตรฐานยูโร 7 ซึ่งมีกำหนดบังคับใช้เต็มรูปแบบประมาณปี 2025 ยังกำหนดข้อจำกัดที่เข้มงวดมากขึ้น ไม่เพียงแต่สำหรับปริมาณการปล่อยมลพิษเท่านั้น แต่ยังรวมถึงด้านอื่นๆ ด้วย อนุภาคที่เกิดจากเบรกและยางรถยนต์เป้าหมายคือการลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมโดยรวมของยานพาหนะ ไม่ใช่แค่สิ่งที่ปล่อยออกมาจากท่อไอเสียเท่านั้น

ตั้งแต่ปี 2035 เป็นต้นไป จะอนุญาตให้จดทะเบียนเฉพาะรถยนต์ที่ปล่อยมลพิษเป็นศูนย์รุ่นใหม่ในสหภาพยุโรปเท่านั้น กล่าวคือ ส่วนใหญ่ใช้พลังงานไฟฟ้าจากแบตเตอรี่และไฮโดรเจนรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายในและรถยนต์ไฮบริดจะไม่วางจำหน่ายเป็นรถใหม่แล้ว แต่รถยนต์ที่จดทะเบียนแล้วจะยังคงหมุนเวียนอยู่ในตลาด และอาจยังมีตลาดรถมือสองอยู่ โดยคาดว่าจะมีข้อจำกัดและภาษีที่เข้มงวดมากขึ้น

ต้นทุนในการปรับตัวสำหรับผู้ผลิตรายใหญ่มีมหาศาล โดยคาดการณ์ว่ากลุ่มบริษัทอย่าง Volkswagen หรือ Stellantis จะต้องลงทุนอย่างมาก ระหว่าง 350 ถึง 450 พันล้านยูโร เพื่อลดการปล่อยคาร์บอนในผลิตภัณฑ์ของตน ส่งผลให้หลายแบรนด์ตัดสินใจปิดแผนกที่ทุ่มเทให้กับการพัฒนาเครื่องยนต์สันดาปภายในรุ่นใหม่ และหันไปมุ่งเน้นที่ยานยนต์ไฟฟ้าแทน

ทุกอย่างบ่งชี้ว่าการผลิตรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายในกำลังจะสิ้นสุดลงอย่างแท้จริง อาจมีการเลื่อนกำหนดการให้เร็วกว่ากำหนดเส้นตายทางกฎหมายด้วยซ้ำเนื่องจากรถยนต์เหล่านั้นจะไม่สามารถแข่งขันหรือทำกำไรได้อีกต่อไปก่อนปี 2035 อย่างไรก็ตาม รถยนต์ที่ผลิตไปแล้วจะยังคงถูกใช้งานต่อไปจนหมดอายุการใช้งาน ซึ่งสามารถยืดออกไปได้อีก 15 ปีหรือมากกว่านั้น

ปริมาณการปล่อยมลพิษจริงและเทคโนโลยีเพื่อลดผลกระทบจากเครื่องยนต์สันดาปภายใน

หลักการพื้นฐานของเครื่องยนต์สันดาปภายในหมายความว่า ตามนิยามแล้ว ก่อให้เกิดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และมลพิษอื่นๆ โดยการเผาไหม้ไฮโดรคาร์บอน อย่างไรก็ตาม ตัวเลขดังกล่าวดีขึ้นอย่างมากในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา ด้วยเทคโนโลยีต่อต้านมลพิษมากมาย

สำหรับเครื่องยนต์เบนซิน จะใช้ส่วนประกอบดังต่อไปนี้: ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบสามทางที่ช่วยลดไนโตรเจนออกไซด์ คาร์บอนมอนอกไซด์ และไฮโดรคาร์บอนที่ยังไม่เผาไหม้ในเครื่องยนต์ดีเซล ตัวกรองอนุภาค (DPF หรือ FAP), ระบบหมุนเวียนก๊าซไอเสีย (EGR) และตัวเร่งปฏิกิริยา SCR ร่วมกับ AdBlue เพื่อลด NOx เป็นอุปกรณ์ที่ใช้กันทั่วไป

จากข้อมูลที่รวบรวมโดย JATO Dynamics พบว่า ปริมาณการปล่อยก๊าซ CO₂ เฉลี่ยของรถยนต์ใหม่ที่จำหน่ายใน 21 ประเทศในยุโรป ปริมาณการปล่อยก๊าซเรือนกระจกต่อกิโลเมตรลดลงจากประมาณ 120 กรัมต่อกิโลเมตรในปี 2015 เหลือประมาณ 106,7 กรัมต่อกิโลเมตรในปี 2020 ประเทศต่างๆ เช่น เนเธอร์แลนด์ เดนมาร์ก โปรตุเกส และสวีเดน มีค่าต่ำกว่านั้น โดยใกล้เคียงหรือสูงกว่าเป้าหมาย 95 กรัมต่อกิโลเมตรที่สหภาพยุโรปกำหนดไว้

กฎระเบียบยูโร 7 ที่กำลังจะมาถึงไม่ได้เข้มงวดเรื่องขีดจำกัด CO₂ เนื่องจากคาดการณ์ไว้ว่า ภายในปี 2035 รถยนต์ใหม่ทุกคันจะไม่มีการปล่อยมลพิษโดยตรงแต่การเปลี่ยนแปลงนี้จะลดขีดจำกัดของก๊าซ NOx ลงอีก (โดยเฉพาะสำหรับเครื่องยนต์ดีเซล ซึ่งลดลงจาก 80 เหลือ 60 มิลลิกรัม/กิโลเมตร) และกำหนดให้รถยนต์ต้องรักษามาตรฐานการปล่อยมลพิษเป็นระยะเวลานานขึ้น จาก 5 ปี หรือ 100.000 กิโลเมตร เป็น 10 ปี หรือ 200.000 กิโลเมตร

นอกจากนี้ ยังมีการตัดสินใจลดงบประมาณลงประมาณ 13% ด้วย การปล่อยอนุภาคจากท่อไอเสีย และ 27% มาจากน้ำมันเบรก ซึ่งรวมถึงการประเมินฝุ่นที่เกิดจากระบบเบรกเป็นครั้งแรก แม้ว่าวิธีการวัดที่แน่นอนยังคงต้องกำหนดต่อไป

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายเหล่านี้ อุตสาหกรรมจึงหันมาใช้มาตรการต่างๆ เช่น การลดน้ำหนักโครงสร้าง การปรับปรุงด้านอากาศพลศาสตร์ การเพิ่มประสิทธิภาพระบบขับเคลื่อน และการใช้วัสดุใหม่ ซึ่งช่วยให้รถยนต์มีน้ำหนักเบาและประหยัดพลังงานมากขึ้นตั้งแต่เริ่มต้น

วัสดุน้ำหนักเบาและการมีส่วนช่วยลดการปล่อยมลพิษ

วิธีที่มีประสิทธิภาพมากในการลดการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงและการปล่อยมลพิษของรถยนต์คือ ลดน้ำหนักโดยไม่กระทบต่อความปลอดภัยหรือความแข็งแรงของโครงสร้างนี่คือจุดที่พลาสติกทางเทคนิคขั้นสูงและวัสดุเซลลูลาร์เข้ามามีบทบาท

ตัวอย่างที่สำคัญคือ โพลีโพรพีลีนขยายตัว (EPP) ซึ่งเป็นวัสดุที่มีโครงสร้างภายในที่ ประกอบด้วยอากาศประมาณ 95%แม้จะมีน้ำหนักเบา แต่ก็สามารถดูดซับแรงกระแทกได้โดยไม่เสียรูปทรงถาวร จึงถูกนำไปใช้ในองค์ประกอบด้านความปลอดภัยเชิงรับ เช่น ตัวดูดซับพลังงานหรือวัสดุอุดช่องว่างกันชน

เนื่องจากคุณสมบัติในการเป็นฉนวนกันความร้อนและไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม EPP จึงถูกนำไปใช้ในด้านต่างๆ อีกด้วย กล่องหุ้มแบตเตอรี่และระบบฉนวนในรถยนต์ไฟฟ้าช่วยปกป้องเซลล์จากความเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและแรงกระแทก และช่วยยืดอายุการใช้งานและความสามารถในการทำงานของเซลล์ให้ยาวนานขึ้น

ในรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน การใช้ชิ้นส่วนน้ำหนักเบาเหล่านี้ในห้องโดยสาร แผงโครงสร้าง และองค์ประกอบเสริมต่างๆ มีส่วนช่วยให้ ลดมวลรวมของยานพาหนะสิ่งนี้ส่งผลโดยตรงต่อการประหยัดเชื้อเพลิง และด้วยเหตุนี้จึงปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) น้อยลงต่อกิโลเมตรที่เดินทาง

ด้วยการผสมผสานการลดน้ำหนักอย่างชาญฉลาด หลักอากาศพลศาสตร์ที่ได้รับการปรับปรุง และระบบบำบัดไอเสีย ผู้ผลิตกำลังพัฒนาเครื่องยนต์สันดาปภายในที่สะอาดกว่าเมื่อสิบปีก่อนมากถึงแม้ว่ารถยนต์ไฟฟ้าล้วนจะไม่สามารถปล่อยมลพิษในพื้นที่ได้เป็นศูนย์เหมือนรถยนต์ไฟฟ้าทั่วไปก็ตาม

เมื่อมองภาพรวมแล้ว เครื่องยนต์สันดาปภายในยังคงครองตลาดในแง่ของจำนวนยานพาหนะบนท้องถนนและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี แต่แรงกดดันด้านกฎระเบียบ ความก้าวหน้าของรถยนต์ไฟฟ้า และความกังวลเกี่ยวกับสภาพภูมิอากาศกำลังกำหนดบทบาทของเครื่องยนต์สันดาปภายในใหม่ ทุกอย่างชี้ให้เห็นว่าเครื่องยนต์สันดาปภายในจะอยู่ร่วมกับรถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ไฮบริดไปอีกหลายปี โดยได้รับการสนับสนุนจากการปรับปรุงประสิทธิภาพ เชื้อเพลิงที่สะอาดขึ้น และวัสดุน้ำหนักเบา ในขณะที่โครงสร้างพื้นฐานและเทคโนโลยีแบตเตอรี่จะช่วยเสริมสร้างความแข็งแกร่งให้กับสถานการณ์ที่ยานพาหนะที่ปล่อยมลพิษเป็นศูนย์จะครองตลาด