เครื่องยนต์ยานยนต์

มีระบบขับเคลื่อนหลากหลายทั้งที่มีอยู่แล้วหรือมีศักยภาพที่จะนำมาใช้สำหรับยานยนต์และยานพาหนะอื่น ๆ ตัวเลือกเหล่านี้รวมถึงเครื่องยนต์สันดาปภายในซึ่งใช้เชื้อเพลิงจากน้ำมันเบนซิน ดีเซล โพรเพน หรือแก๊สธรรมชาติ ยานยนต์ไฮบริด พลักอินไฮบริด ยานยนต์เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ไฮโดรเจนและ ยานยนต์ไฟฟ้าล้วน ยานพาหนะที่ใช้เชื้อเพลิงดูเหมือนจะได้เปรียบด้วยระยะทางวิ่งที่จำกัดและต้นทุนที่สูงของแบตเตอรี่ ตัวเลือกบางอย่างจำเป็นต้องมีการก่อสร้างเครือข่ายสถานีบริการน้ำมันหรือสถานีชาร์จ เมื่อไม่มีข้อได้เปรียบที่น่าสนใจสำหรับตัวเลือกใดตัวเลือกหนึ่งโดยเฉพาะ ผู้ผลิตรถยนต์จึงดำเนินการตามแนวทางการพัฒนาคู่ขนานโดยใช้ตัวเลือกที่หลากหลาย การลดน้ำหนักของยานพาหนะเป็นกลยุทธ์หนึ่งที่ถูกนำมาใช้

พัฒนาการล่าสุด
การใช้เทคโนโลยีขั้นสูง (เช่น ชุดควบคุมเครื่องยนต์) ในการออกแบบขั้นสูงซึ่งเป็นผลมาจากการลงทุนจำนวนมากในการวิจัยและพัฒนาโดยประเทศในยุโรปและญี่ปุ่น ดูเหมือนจะให้ความได้เปรียบแก่พวกเขาเหนือนักผลิตยานยนต์และผู้จัดหาชิ้นส่วนชาวจีน ซึ่ง ณ ค.ส. 2013 มีงบประมาณในการพัฒนาที่ต่ำและขาดศักยภาพในการผลิตชิ้นส่วนสำหรับเครื่องยนต์และขบวนส่งกำลังที่มีการออกแบบด้วยเทคโนโลยีขั้นสูง

ลักษณะเฉพาะ
ลักษณะเฉพาะหลักของเครื่องยนต์ยานยนต์ (เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์อยู่กับที่หรือเครื่องยนต์เรือ) คือการมีอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักสูง สิ่งนี้ทำได้โดยการใช้ความเร็วรอบสูง อย่างไรก็ตาม บางครั้งเครื่องยนต์ยานยนต์ก็ถูกดัดแปลงเพื่อใช้ในเรือ ซึ่งกลายเป็นเครื่องยนต์เรือยนต์

ประวัติศาสตร์

ในหลายปีแรกนั้น มีการทดลองใช้เครื่องจักรไอน้ำและมอเตอร์ไฟฟ้า แต่ประสบความสำเร็จอย่างจำกัด ในศตวรรษที่ 20 เครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE) กลายเป็นเครื่องยนต์ที่ได้รับความนิยมมากที่สุด ใน ค.ศ. 2015 เครื่องยนต์สันดาปภายในยังคงเป็นเครื่องยนต์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด แต่ดูเหมือนว่าไฟฟ้าจะกลับมาได้รับความนิยมอีกครั้งจากความกังวลที่เพิ่มขึ้นเกี่ยวกับการปล่อยไอเสียของเครื่องยนต์สันดาปภายใน

ข้อมูล ณ ค.ศ. 2017 รถยนต์ส่วนใหญ่ในสหรัฐใช้เชื้อเพลิงเบนซิน ในช่วงต้นทศวรรษ 1900 เครื่องยนต์สันดาปภายในต้องเผชิญกับการแข่งขันจากเครื่องจักรไอน้ำและมอเตอร์ไฟฟ้า เครื่องยนต์สันดาปภายในในสมัยนั้นใช้พลังงานจากน้ำมันเบนซิน เครื่องยนต์สันดาปภายในทำงานด้วยแนวคิดที่ว่าลูกสูบถูกผลักโดยความดันของการระเบิดCummins Jr., Lyle C. (1976) Early IC and Automotive Engines. SAE Technical Papers. Wilsonville: Carnot Press, 760604, 1976. การระเบิดนี้คือการเผาไหม้ไฮโดรคาร์บอนภายในกระบอกสูบของเครื่องยนต์ จากรถยนต์ทั้งหมดที่ผลิตในช่วงเวลานั้น มีเพียงประมาณหนึ่งในสี่เท่านั้นที่ถูกจัดว่าเป็นเครื่องยนต์สันดาปภายใน ภายในสองสามปีต่อมา เครื่องยนต์สันดาปภายในก็กลายเป็นเครื่องยนต์ยานยนต์ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดL. Collier, James. (2006) Steam Engines. 1st ed. Tarrytown: Cavendish Square Publishing, 2006. ในช่วงเวลาหนึ่งในศตวรรษที่ 19 รูด็อล์ฟ ดีเซิลได้คิดค้นรูปแบบใหม่ของพลังงานสันดาปภายใน โดยใช้แนวคิดของการฉีดเชื้อเพลิงเหลวเข้าไปในอากาศที่ถูกทำให้ร้อนโดยการอัดแต่เพียงอย่างเดียว นี่คือต้นแบบของเครื่องยนต์ดีเซลสมัยใหม่ที่ใช้ในยานยนต์ โดยเฉพาะยานพาหนะขนาดใหญ่ เช่น รถบรรทุกกึ่งพ่วง

 ประเภทเครื่องยนต์ 

 เครื่องยนต์สันดาปภายใน 

เครื่องยนต์เบนซินกลายเป็นตัวเลือกของผู้ผลิตและผู้บริโภคอย่างรวดเร็ว แม้จะมีจุดเริ่มต้นที่ไม่ราบรื่น เป็นเครื่องยนต์ที่มีเสียงดัง สกปรก และมีการเปลี่ยนเกียร์ที่ยากลำบาก แต่เทคโนโลยีใหม่ ๆ เช่น สายการผลิตและความก้าวหน้าของเครื่องยนต์ได้ทำให้การผลิตยานยนต์แก๊สเป็นมาตรฐานเกิดขึ้นได้ นี่คือจุดเริ่มต้นนับตั้งแต่การประดิษฐ์ยานยนต์แก๊สใน ค.ศ. 1876 จนถึงการเริ่มการผลิตจำนวนมากในช่วงทศวรรษ 1890 โมเดลทีของเฮนรี ฟอร์ดได้ลดราคารถยนต์ลงจนอยู่ในระดับที่ผู้คนเข้าถึงได้มากขึ้น ในเวลาเดียวกันชาลส์ เค็ตเทอริงได้ประดิษฐ์ระบบสตาร์ตไฟฟ้า ทำให้สามารถสตาร์ตเครื่องยนต์ได้โดยไม่ต้องใช้ข้อเหวี่ยงมือThe History of the Electric Car. (2014). Energy.gov. Retrieved 28 March 2017, from https://energy.gov/articles/history-electric-car ความอุดมสมบูรณ์ของเชื้อเพลิงผลักดันให้ยานยนต์แก๊สมีความสามารถสูงและมีราคาไม่แพง ความต้องการน้ำมันเบนซินเพิ่มขึ้นจาก 3,000 ล้านบาร์เรลใน ค.ศ. 1919 เป็นประมาณ 15,000 ล้านบาร์เรลใน ค.ศ. 1929Melosi, M. (2004). Automobile and the Environment in American History: Energy Use and the Internal Combustion Engine. Autolife.umd.umich.edu. Retrieved 28 March 2017, from http://www.autolife.umd.umich.edu/Environment/E_Overview/E_Overview3.htm

เครื่องยนต์สันดาปภายในขับเคลื่อนด้วยการขยายตัวของแก๊สซึ่งเกิดจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงแก๊สไฮโดรคาร์บอนChambers, A. (1902). Lee's American Automobile Handbook (1st ed.). Chicago: Laird & Lee. Retrieved from https://play.google.com/store/books/details/Alfred_B_Chambers_Lee_s_American_Automobile_Manual?id=_lYF6H7Q0GYC. อธิบายเพิ่มเติมคือ เครื่องยนต์สันดาปภายในใช้ความร้อนจากการเผาไหม้ที่สร้างขึ้นโดยเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนที่ฉีดเข้าไปเพื่อสร้างการเคลื่อนที่ทางกล ในช่วงต้นทศวรรษ 1900 แอลกอฮอล์จากไม้เป็นเชื้อเพลิงยอดนิยมสำหรับยานยนต์ของฝรั่งเศสและเยอรมนี แต่เมื่อรัฐบาลกำหนดภาษีการผลิตที่สูง ราคาของแอลกอฮอล์จากไม้ก็สูงขึ้นกว่าน้ำมันเบนซิน ด้วยเหตุนี้ เครื่องยนต์เบนซินจึงได้รับความนิยม เนื่องจากเครื่องยนต์สันดาปภายในเป็นที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อเครื่องยนต์เบนซิน แม้เครื่องยนต์เบนซินจะได้รับความนิยม แต่ก็ไม่เป็นที่ต้องการมากนักจากอันตรายของการรั่วไหลของเชื้อเพลิงที่อาจทำให้เกิดการระเบิดได้ ดังนั้น นักประดิษฐ์หลายคนจึงพยายามสร้างเครื่องยนต์ที่ใช้น้ำมันก๊าดเป็นผลตามมา แต่ก็ไม่ประสบความสำเร็จในการนำไปใช้กับยานยนต์ มีเชื้อเพลิงหลายประเภทสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน รวมถึงดีเซล เบนซิน และเอทานอล

 เครื่องจักรไอน้ำ 

เครื่องจักรไอน้ำถูกประดิษฐ์ขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1700 และเป็นวิธีการหลักในการให้พลังงานแก่เครื่องยนต์ และต่อมาก็เป็นรถจักร ยานยนต์ไอน้ำที่ได้รับความนิยมมากที่สุดรุ่นหนึ่งคือ "สแตนลีย์สตีมเมอร์ (Stanley Steamer)" ซึ่งมีมลพิษต่ำ มีกำลัง และมีความเร็ว ข้อเสียของยานยนต์ไอน้ำเหล่านี้คือความไม่น่าเชื่อถือ ความซับซ้อน และอุบัติเหตุที่เกิดขึ้นบ่อยครั้ง เวลาในการเริ่มต้นใช้งานยานยนต์ไอน้ำอาจใช้เวลาถึง 45 นาที ซึ่งขัดกับจุดประสงค์ของการขนส่งที่รวดเร็ว เมื่อถึงเวลาที่ยานยนต์ไอน้ำได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น ความซับซ้อนในการผลิตเมื่อเทียบกับยานยนต์แก๊สก็ทำให้ยานยนต์ไอน้ำไม่ทำกำไร

เครื่องจักรไอน้ำเป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนความร้อนเป็นการเคลื่อนที่เชิงกล สิ่งนี้ทำได้โดยการใช้หม้อต้ม ซึ่งสร้างไอน้ำโดยการต้มน้ำ ในช่วงต้นทศวรรษ 1900 อับเนอร์ โดเบิลได้นำเสนอรถยนต์พลังไอน้ำในสหรัฐ ซึ่งมีความสามารถที่อาจมีประสิทธิภาพเหนือกว่าโมเดลทีของฟอร์ดGeoghegan, J. (2017). Full Steam Ahead. American History, (1), 26-31. ไอน้ำเป็นที่ทราบกันดีว่ามีประสิทธิภาพในการประหยัดเชื้อเพลิงสูงพร้อมกับแหล่งพลังงานที่มีกำลังสูง นั่นคือเหตุผลที่เกือบครึ่งโลกขับเคลื่อนด้วยไอน้ำเกือบตลอดศตวรรษที่ 19 และเกือบครึ่งศตวรรษที่ 20 ข้อเสียเปรียบหลักของเครื่องจักรไอน้ำในยานยนต์คือผู้ควบคุมต้องมีความรู้เกี่ยวกับหม้อต้มและเครื่องจักรไอน้ำอย่างเต็มที่ก่อนการใช้งาน เพราะจะเป็นอันตรายต่อตัวเครื่องจักรเองถ้าผู้ควบคุมละเลย

 มอเตอร์ไฟฟ้า 

ยานยนต์ไฟฟ้าดูเหมือนจะเป็นตัวเลือกที่ใช้งานได้จริงมากที่สุด คล้ายกับยานยนต์ไอน้ำ ถูกประดิษฐ์ขึ้นครั้งแรกในช่วงต้นทศวรรษ 1800 และกลายเป็นทางเลือกในการขนส่งที่ใช้งานได้จริงประมาณ ค.ศ. 1890 เมื่อวิลเลียม มอร์ริสันสร้างรถยนต์ไฟฟ้าคันแรกที่เดินทางด้วยความเร็ว 14 ไมล์ต่อชั่วโมง รถยนต์ไฟฟ้ามีมลพิษต่ำและขับขี่ได้เงียบ ต่างจากรถยนต์เบนซิน ข้อเสียที่ใหญ่ที่สุดของรถยนต์ไฟฟ้าคือระยะทางวิ่ง รถยนต์ไฟฟ้าทั่วไปสามารถวิ่งได้ประมาณ 20 ไมล์ก่อนที่จะต้องชาร์จใหม่ ผู้ผลิตไม่สามารถเพิ่มจำนวนแบตเตอรี่ได้ ด้วยขนาดของแบตเตอรี่ที่ใหญ่ในขณะนั้น เมื่อไม่มีแรงจูงใจในการซื้อยานยนต์ไฟฟ้า ยานยนต์แก๊สจึงเป็นทางเลือกที่ใช้งานได้จริงที่สุดในขณะนั้น

ยานยนต์ไฟฟ้าใช้แบตเตอรี่เพื่อเก็บไฟฟ้าซึ่งใช้ในการให้พลังงานแก่มอเตอร์ไฟฟ้า แบตเตอรี่จะส่งพลังงานไปยังมอเตอร์ ซึ่งอาจเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) หรือไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ความแตกต่างระหว่างมอเตอร์กระแสสลับและกระแสตรงคือประเภทของระบบที่จำเป็นในการใช้งานในยานยนต์ไฟฟ้า มอเตอร์กระแสสลับโดยทั่วไปมีราคาถูกกว่าแต่ส่วนประกอบที่จำเป็นในการใช้งานในยานยนต์ไฟฟ้า เช่น ตัวควบคุมและตัวทำกระแสสลับทำให้มีราคาแพงกว่ามอเตอร์กระแสตรง คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของยานยนต์ไฟฟ้าเมื่อเทียบกับยานยนต์เบนซินคือยานยนต์ไฟฟ้านั้นเรียบง่ายกว่าSchwitters, C. (2017). AC versus DC charging - what is the difference - Plug In America. Plug In America. Retrieved 11 April 2017, from https://pluginamerica.org/ac-versus-dc-charging-what-difference/ ยานยนต์ไฟฟ้าก้าวข้ามส่วนประกอบของยานยนต์เบนซิน เช่น เพลาข้อเหวี่ยง ซึ่งช่วยให้สามารถสร้างพลังงานได้เร็วกว่ายานยนต์เบนซินมาก เนื่องจากการถ่ายโอนพลังงานที่เร็วกว่า ยานยนต์ไฟฟ้าจึงสามารถเร่งความเร็วได้เร็วกว่ายานยนต์เบนซินHow Do Battery Electric Cars Work?. (2017). Union of Concerned Scientists. Retrieved 11 April 2017, from http://www.ucsusa.org/clean-vehicles/electric-vehicles/how-do-battery-electric-cars-work#.WOqfj_ krK70

ในทศวรรษ 1970 ยานยนต์ไฟฟ้ากลับมาอีกครั้งจากการคว่ำบาตรน้ำมันของโอเปก ค.ศ. 1973 ก่อนหน้านี้ น้ำมันเบนซินที่มีอยู่มากมายได้กลายเป็นแหล่งเชื้อเพลิงหลักสำหรับยานยนต์ แต่หลังจากขาดแคลน ผู้ผลิตก็เริ่มมองหายานยนต์ไฟฟ้าอีกครั้ง แม้จะมีเทคโนโลยีที่ดีขึ้นกว่าทศวรรษ 1800 แต่ยานยนต์ไฟฟ้าก็ยังเผชิญกับข้อบกพร่องทางเทคโนโลยีที่คล้ายกัน เช่น ระยะทางจำกัดและความเร็วที่จำกัด สามารถเดินทางได้สูงสุดเพียง 45 ไมล์ต่อชั่วโมง และมีระยะทางประมาณ 40 ไมล์Alternative Fuels Data Center: How Do All-Electric Cars Work?. (2017). Afdc.energy.gov. Retrieved 9 April 2017, from http://www.afdc.energy.gov/vehicles/how-do-all-electric-cars-work

 อ้างอิง 

หมวดหมู่:ระบบขับเคลื่อน
หมวดหมู่:เทคโนโลยียานยนต์
หมวดหมู่:เทคโนโลยีเครื่องยนต์