ท่อดูดอากาศที่ปรับแต่งให้เหมาะสมแล้วช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์หรือไม่?

การออกแบบไส้กรองอากาศมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพเชิงปริมาตรและประสิทธิภาพเชิงความร้อนอย่างไร

ประสิทธิภาพเชิงปริมาตรเป็นปัจจัยพื้นฐานที่ขับเคลื่อนประสิทธิภาพการเผาไหม้

ประสิทธิภาพเชิงปริมาตร หรือที่เรียกย่อว่า VE (Volumetric Efficiency) โดยพื้นฐานแล้วบ่งชี้ว่าเครื่องยนต์สามารถดูดอากาศเข้าสู่ห้องทรงกระบอกได้ดีเพียงใด เมื่อเปรียบเทียบกับปริมาตรสูงสุดที่ห้องทรงกระบอกนั้นสามารถบรรจุได้จริง เมื่อค่า VE เพิ่มขึ้น ความหนาแน่นของส่วนผสมระหว่างอากาศกับเชื้อเพลิงภายในห้องเผาไหม้ก็จะสูงขึ้นตามไปด้วย ส่งผลให้การเผาไหม้มีประสิทธิภาพดีขึ้นและกำลังขับที่ได้ออกมาเพิ่มขึ้น รูปร่างและขนาดของท่อรับอากาศ (intake manifold) มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในประเด็นนี้ ความยาวของท่อรับอากาศ (runner length) และขนาดของห้องรวม (plenum size) จะสร้างรูปแบบการไหลของอากาศที่แตกต่างกัน ซึ่งขึ้นอยู่กับหลักการทางฟิสิกส์ เช่น ปรากฏการณ์ความเฉื่อย (inertia) และคลื่นความดัน (pressure waves) ตัวอย่างเช่น ท่อรับอากาศที่มีความยาวมากกว่ามักให้ผลดีกว่าในช่วงรอบหมุนต่ำ (low RPM) เนื่องจากสามารถใช้ประโยชน์จากผลกระทบของการสั่นพ้องทางเสียง (acoustic resonance) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่ท่อรับอากาศที่สั้นกว่านั้นช่วยให้อากาศไหลได้เร็วขึ้นเมื่อเครื่องยนต์ทำงานที่รอบหมุนสูง แม้กระนั้นก็มักจะมีการประนีประนอมบางประการเกิดขึ้นเสมอ ผู้คนส่วนใหญ่มักพบว่า การเพิ่มค่า VE ขึ้นประมาณร้อยละ 10 มักส่งผลให้กำลังขับเพิ่มขึ้นราว 3–5 แรงม้า เนื่องจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงมีความสมบูรณ์ยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตาม ควรระวังการออกแบบท่อรับอากาศที่ไม่เหมาะสม ซึ่งอาจก่อให้เกิดปัญหาต่าง ๆ มากมาย อาทิ การไหลของอากาศที่ปั่นป่วน (turbulent airflow) หรือแม้แต่การไหลย้อนกลับเข้าสู่ท่อรับอากาศ (reverse flow) จนทำให้บางกระบอกสูบได้รับเชื้อเพลิงไม่เพียงพอ และปล่อยไฮโดรคาร์บอนที่ไม่ได้เผาไหม้ออกมามากกว่าที่จำเป็น

เหตุใดประสิทธิภาพเชิงปริมาตรสูงสุดจึงไม่รับประกันประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงสุด: บทบาทของอุณหภูมิของประจุและการจัดเวลาการเผาไหม้

การเพิ่มประสิทธิภาพเชิงปริมาตร (VE) ให้สูงสุดเพียงอย่างเดียวไม่สามารถรับประกันประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่ดีที่สุดได้ เนื่องจากปัจจัยอื่นๆ เช่น อุณหภูมิของไอดีและช่วงเวลาการเผาไหม้ก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน เมื่อท่อรับอากาศเกิดการสะสมความร้อน (heat soak) จะทำให้อุณหภูมิอากาศที่เข้าสู่เครื่องยนต์สูงขึ้นประมาณ 15 ถึง 20 องศาเซลเซียส ส่งผลให้ความหนาแน่นของออกซิเจนลดลง แม้ว่าค่า VE จะดูดีในเชิงทฤษฎีก็ตาม เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาการระเบิดก่อนเวลา (knock) เครื่องยนต์จึงจำเป็นต้องทำงานด้วยส่วนผสมเชื้อเพลิงที่เข้มข้นกว่าปกติ (richer fuel mixtures) ซึ่งส่งผลให้สูญเสียพลังงานที่อาจได้รับเพิ่มเติมไปประมาณ 7 ถึง 9 เปอร์เซ็นต์ ขณะเดียวกัน หากการไหลของอากาศไม่สม่ำเสมอผ่านท่อรับอากาศ (runners) กระบอกสูบแต่ละตัวจะได้รับอากาศและเชื้อเพลิงในปริมาณที่แตกต่างกัน ส่วนผสมที่จางเกินไป (leaner mixtures) มักจะติดไฟช้ากว่าที่ควร ในขณะที่ส่วนผสมที่เข้มข้นเกินไป (richer ones) อาจเกิดการระเบิดก่อนเวลาได้ ทั้งสองสถานการณ์นี้ล้วนส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพโดยรวมของเครื่องยนต์ ดังนั้น เพื่อให้ได้รับประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่แท้จริง วิศวกรจึงจำเป็นต้องสร้างสมดุลระหว่างการเพิ่มประสิทธิภาพ VE กับการจัดการอุณหภูมิของไอดีอย่างเหมาะสม หากองค์ประกอบทั้งสองนี้ไม่ทำงานร่วมกันอย่างสอดคล้องกัน ประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่อาจได้รับเพิ่มเติมได้ถึง 10 ถึง 12 เปอร์เซ็นต์ก็จะหายไปอย่างสิ้นเชิง ไม่ว่าค่า VE จะสูงเพียงใดก็ตาม นี่คือเหตุผลที่การออกแบบเครื่องยนต์ในปัจจุบันจึงรวมเอาเทคโนโลยีต่างๆ เช่น สารเคลือบกันความร้อน (thermal barrier coatings), ห้องรับอากาศแบบฉนวนกันความร้อน (insulated plenum chambers) และพื้นผิวของท่อรับอากาศที่ออกแบบให้ระบายความร้อนได้เป็นพิเศษ เพื่อจัดการกับความท้าทายเหล่านี้อย่างตรงจุด

ท่อดูดอากาศที่ปรับความยาวให้เหมาะสม: การเพิ่มประสิทธิภาพตามเป้าหมายรอบต่อนาที (RPM) และการแลกเปลี่ยนด้านประสิทธิภาพในการใช้เชื้อเพลิงในโลกแห่งความเป็นจริง

การปรับแต่งการสั่นพ้อง ไดนามิกของคลื่นความดัน และผลกระทบต่อการประหยัดน้ำมันขณะใช้คันเร่งบางส่วน

การปรับแต่งความถี่เรโซแนนซ์ (Resonance tuning) ทำงานโดยใช้คลื่นความดันที่เคลื่อนผ่านท่อดูดอากาศ (intake runners) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเติมอากาศลงในกระบอกสูบให้ดีขึ้นที่ความเร็วของเครื่องยนต์เฉพาะช่วงหนึ่ง เมื่อวาล์วดูดอากาศปิดลง จะเกิดคลื่นการอัดกลับขึ้นไปตามท่อดูดอากาศ หากทุกอย่างสอดคล้องกันอย่างเหมาะสม คลื่นนี้จะเดินทางกลับมาถึงพอดีในขณะที่วาล์วดูดอากาศเปิดในรอบถัดไป จึงเกิดผลคล้ายการเสริมแรงดัน (boost effect) ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า 'การอัดอากาศแบบอาศัยความเฉื่อย (inertial supercharging)' เนื่องจากช่วยให้เครื่องยนต์ดูดอากาศเข้ามาได้มากขึ้นโดยไม่จำเป็นต้องใช้ชิ้นส่วนกลไกเพิ่มเติมแต่อย่างใด ที่ตำแหน่งคันเร่งแบบครึ่งเปิด (partial throttle settings) ซึ่งเครื่องยนต์ส่วนใหญ่สูญเสียพลังงานจำนวนมากไปกับการต้านแรงต้านของแผ่นควบคุมการไหลของอากาศ (throttle plate) การปรับแต่งเรโซแนนซ์ที่ดีจะช่วยลดภาระการทำงานของเครื่องยนต์ในการดูดอากาศเข้ามาอย่างมีนัยสำคัญ ตามรายงานการศึกษาของสมาคมวิศวกรยานยนต์และอากาศยานแห่งสหรัฐอเมริกา (SAE) เมื่อปีที่ผ่านมา ระบบที่ออกแบบเช่นนี้สามารถช่วยลดการบริโภคน้ำมันของรถยนต์ได้ประมาณ 4 ถึง 6 เปอร์เซ็นต์ในระหว่างการขับขี่ในเมือง สาเหตุหลักคือการสูญเสียพลังงานน้อยลง และประสิทธิภาพที่ดีขึ้นเมื่อเครื่องยนต์ไม่หมุนด้วยความเร็วสูงมากนัก อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดสำคัญคือ ท่อดูดอากาศแบบความยาวคงที่ (fixed length intake manifolds) ส่วนใหญ่จะให้ผลดีได้เฉพาะในช่วงความเร็วของเครื่องยนต์ที่แคบมากเท่านั้น ดังนั้น วิศวกรจึงจำเป็นต้องเลือกระหว่างสมรรถนะที่ดีที่ความเร็วต่ำ หรือกำลังขับที่แข็งแกร่งที่ความเร็วสูง เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วการออกแบบแบบมาตรฐานไม่สามารถให้ทั้งสองคุณลักษณะพร้อมกันได้

กรณีศึกษา: ท่อดูดอากาศแบบความยาวแปรผันในเครื่องยนต์แถวเรียง 6 สูบแบบเทอร์โบชาร์จ และการเพิ่มแรงบิดที่รอบต่ำขึ้น 7.2% โดยมีผลกระทบเชิงลบต่อประสิทธิภาพน้อยที่สุด

เครื่องยนต์แถวเรียง 6 สูบแบบเทอร์โบชาร์จที่กล่าวถึงนี้มาพร้อมกับระบบไส้กรองอากาศแบบสองทางที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ เมื่อเครื่องยนต์ทำงานที่รอบต่ำกว่าประมาณ 3,500 รอบต่อนาที ระบบจะเปิดใช้งานท่อรับอากาศที่มีความยาวมากขึ้น ซึ่งช่วยเพิ่มแรงบิดที่รอบต่ำผ่านการเพิ่มความหนาแน่นของอากาศ ผลการทดสอบแสดงว่า การจัดวางระบบนี้สามารถเพิ่มแรงบิดได้ประมาณ 7.2% ทำให้รถมีสมรรถนะการขับขี่ที่ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัดในชีวิตประจำวันบนถนนทั่วไป ขณะที่การบริโภคน้ำมันเชื้อเพลิงกลับเพิ่มขึ้นเพียงไม่ถึง 1% เท่านั้น เมื่อทุกระบบทำงานที่ระดับประสิทธิภาพสูงสุด ตามผลการวัดที่เก็บรวบรวมระหว่างขั้นตอนการทดสอบ อย่างไรก็ตาม เมื่อเครื่องยนต์ทำงานที่รอบสูงกว่า 3,500 รอบต่อนาที ระบบจะเปลี่ยนไปใช้ท่อรับอากาศที่สั้นลง เพื่อลดข้อจำกัดต่อการไหลของอากาศ พร้อมรักษาสมรรถนะที่ดีไว้ในช่วงความเร็วสูง สิ่งที่ทำให้เทคโนโลยีนี้น่าสนใจคือ มันสามารถลดการแลกเปลี่ยนแบบดั้งเดิมระหว่างเวลาตอบสนองที่รวดเร็วและประสิทธิภาพการใช้น้ำมันเชื้อเพลิงได้อย่างมีประสิทธิผล งานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร International Journal of Engine Research เมื่อปี ค.ศ. 2023 สนับสนุนผลการค้นพบเหล่านี้ โดยชี้ให้เห็นว่า ระบบไส้กรองอากาศแบบความยาวแปรผันสามารถช่วยปรับปรุงการส่งกำลังได้อย่างแท้จริงในช่วงรอบต่ำ โดยไม่ส่งผลกระทบต่ออัตราการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงมากนัก นี่จึงเป็นเหตุผลที่เราเริ่มเห็นผู้ผลิตรถยนต์หลายรายนำแนวทางดังกล่าวมาใช้กับเครื่องยนต์สำหรับการผลิตจริง

ระบบระบายความร้อนระหว่างขั้นตอนและควบคุมอุณหภูมิของอากาศที่ไหลเข้าแบบบูรณาการภายในท่อดูดอากาศ

ประโยชน์จากอากาศที่ไหลเข้าที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า 45°C: ประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่เพิ่มขึ้นตามหลักฐานเชิงประจักษ์

การรักษาอุณหภูมิของอากาศที่เข้าสู่เครื่องยนต์ให้ต่ำกว่า 45°C (ประมาณ 113°F) ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าช่วยเพิ่มประสิทธิภาพเชิงความร้อนในเครื่องยนต์เทอร์โบได้อย่างแท้จริง เมื่ออากาศยังคงเย็นอยู่ จะทำให้มีปริมาณออกซิเจนมากขึ้นในแต่ละจังหวะของการทำงานในกระบอกสูบ ส่งผลให้เชื้อเพลิงเผาไหม้ได้ดีขึ้น สามารถควบคุมเวลาการจุดระเบิดได้แม่นยำยิ่งขึ้น และลดความจำเป็นในการใช้เชื้อเพลิงเพิ่มเติมเพื่อป้องกันปรากฏการณ์การระเบิดก่อนเวลา (knocking) เราได้ทดสอบระบบนี้กับระบบเครื่องยนต์เทอร์โบขนาด 2.3 ลิตร ที่มีระบบควบคุมวาล์วแบบแปรผัน (variable valve timing) และหม้อแปลงความร้อน (intercooler) แบบติดตั้งอยู่ภายในฝาครอบท่อไอดี (manifold) โดยผลลัพธ์ที่ได้นั้นน่าประทับใจมากจริงๆ — พบว่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนเพิ่มขึ้นประมาณ 2.3% และการใช้เชื้อเพลิงลดลงราว 3.1% ต่อหน่วยพลังงานที่ผลิตได้ ในการทดสอบมาตรฐานบนเครื่องวัดกำลังขับ (dyno tests) อะไรคือเหตุผลที่ระบบนี้ทำงานได้ยอดเยี่ยมเช่นนี้? ระบบดังกล่าวสามารถลดอุณหภูมิของอากาศหลังผ่านเทอร์โบซึ่งมักอยู่ระหว่าง 150 ถึง 200°C ให้ต่ำลงถึงระดับที่ควบคุมได้โดยตรงที่บริเวณช่องไอดีของกระบอกสูบ ไม่จำเป็นต้องสูญเสียความร้อนผ่านท่อเดินอากาศที่ยาวหรือเผชิญกับความล่าช้าที่เกิดจากหม้อแปลงความร้อนแบบติดตั้งหน้ารถ (front-mounted intercoolers) แบบดั้งเดิมอีกต่อไป นอกจากนี้ เมื่ออุณหภูมิสามารถคงที่เร็วขึ้นและรักษาระดับไว้ในช่วงแคบ ๆ ได้ดีขึ้น การเผาไหม้ก็จะมีความคาดการณ์ได้แม่นยำยิ่งขึ้นภายใต้สภาวะการทำงานที่หลากหลาย ส่งผลให้เกิดการปรับปรุงประสิทธิภาพที่วัดได้จริงตามที่เราประเมินไว้

การผสานระบบจ่ายเชื้อเพลิง: การจัดวางหัวฉีดและการปรับแต่งการกระจายส่วนผสมอากาศ-เชื้อเพลิงในท่อรับเข้า

ตำแหน่งที่หัวฉีดติดตั้งอยู่ภายในท่อดูดอากาศมีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพของการเผาไหม้ เนื่องจากส่งผลต่อทั้งความละเอียดของการกระจายเชื้อเพลิง และความสม่ำเสมอของส่วนผสมเชื้อเพลิง-อากาศที่ส่งไปยังแต่ละกระบอกสูบ กล่าวคือ เมื่อติดตั้งหัวฉีดไว้สูงขึ้นในท่อที่ยาวเหล่านั้น เชื้อเพลิงจะมีเวลาในการระเหยให้เป็นไอมากขึ้นก่อนเข้าสู่ห้องเผาไหม้ ซึ่งช่วยลดอุณหภูมิของอากาศที่ไหลเข้า (intake air charge) และเพิ่มกำลังสูงสุดที่เครื่องยนต์สามารถสร้างได้ ในทางกลับกัน การติดตั้งหัวฉีดใกล้กับวาล์วดูดมากขึ้นจะทำให้การตอบสนองของคันเร่งดีขึ้น เนื่องจากมีเชื้อเพลิงเกาะผนังท่อดูดน้อยลง และมีเชื้อเพลิงค้างอยู่หลังการดับเครื่องยนต์น้อยลง ปัจจุบัน เครื่องยนต์รุ่นใหม่ส่วนใหญ่ใช้ระบบฉีดเชื้อเพลิงแบบสองช่อง (dual injection systems) ซึ่งรวมเอาการฉีดเชื้อเพลิงแบบพอร์ต (port fuel injection) ที่ใช้เมื่อเครื่องยนต์ทำงานเบา กับการฉีดเชื้อเพลิงโดยตรง (direct injection) ที่ใช้เมื่อต้องการกำลังสูงสุด อย่างไรก็ตาม แม้จะมีระบบที่ซับซ้อนเช่นนี้ วิศวกรก็ยังคงประสบความยากลำบากในการปรับสมดุลทุกปัจจัยให้เหมาะสม เนื่องจากรูปร่างของท่อดูดอากาศ (intake runners) มักไม่สมมาตรเสมอไป จึงจำเป็นต้องปรับจูนเวลาในการฉีดและพารามิเตอร์อื่นๆ เพื่อให้มั่นใจว่าอากาศจะไหลเข้าสู่แต่ละกระบอกสูบอย่างสม่ำเสมอ หากไม่แก้ไขความไม่สมดุลเหล่านี้ บางกระบอกสูบอาจทำงานในสภาวะส่วนผสมอุดมสมบูรณ์เกินไป (rich) ในขณะที่กระบอกสูบอื่นๆ กลับทำงานในสภาวะส่วนผสมขาดแคลน (lean) ซึ่งจากการวิจัยของ SAE พบว่า อาจทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมของเครื่องยนต์ลดลงได้มากถึง 5% การให้การจ่ายเชื้อเพลิงที่สม่ำเสมอในทุกสภาวะการขับขี่ จึงไม่สามารถอาศัยแค่การทดสอบการไหลพื้นฐานเท่านั้น วิศวกรจำเป็นต้องสร้างแผนที่แสดงเส้นทางการเคลื่อนที่ของเชื้อเพลิงด้วยการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ ซึ่งคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของแรงดันและอุณหภูมิจริงที่เกิดขึ้นระหว่างการใช้งานจริง