เทคโนโลยีปิดใช้งานกระบอกสูบ: การจับส่วนหนึ่งของเครื่องยนต์ให้หลับ

การปิดกระบอกสูบคือเทคโนโลยีเพื่อประสิทธิภาพที่ทำให้กระบอกสูบบางส่วนไม่ทำงานโดยการปิดวาล์วในช่วงที่เครื่องยนต์ไม่ต้องการกำลังเต็มที่ ทำให้เครื่องยนต์ทำงานจริงด้วยความจุที่เล็กลง ในภาวะเดินเบา การขับขี่บนทางด่วน หรือการกดคันเร่งเบา ๆ จะไม่มีการฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในกระบอกสูบที่ไม่ได้ใช้งาน เครื่องยนต์จึงไม่สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงเพื่อผลิตกำลังที่ไม่จำเป็น ในระบบสมัยใหม่ การเปลี่ยนสภาวะนี้ราบรื่นจนคนขับส่วนใหญ่แทบไม่รู้สึก และช่วยปรับปรุงการใช้เชื้อเพลิงให้ดีขึ้นอย่างวัดผลได้ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการใช้งาน

เทคโนโลยีปิดกระบอกสูบทำงานอย่างไร?

หลักการพื้นฐานนั้นง่าย: เครื่องยนต์ที่มีกระบอกสูบจำนวนมากมักต้องการกำลังเพียงบางส่วนเท่านั้น เพื่อรักษารถที่วิ่งด้วยความเร็วคงที่บนถนนตรง กระบอกสูบสี่หรือหกกระบอกก็เพียงพอแล้ว ระบบปิดกระบอกสูบเข้ามาทำหน้าที่ ณ จุดนี้พอดี โดยคงวาล์วไอดีและวาล์วไอเสียของกระบอกสูบบางส่วนให้ปิดอยู่ และตัดการฉีดเชื้อเพลิงเข้ากระบอกสูบเหล่านั้น เมื่อวาล์วปิดอยู่ กระบอกสูบที่เกี่ยวข้องจะหลุดออกจากรอบจุดระเบิด เครื่องยนต์ก็ทำงานเสมือนมีความจุที่เล็กกว่า

แล้วลูกสูบในกระบอกสูบที่วาล์วปิดอยู่ทำอะไร? แก๊สไอเสียจะถูกกักอยู่ในห้องเผาไหม้ ถูกอัดขณะลูกสูบขึ้น และขยายตัวอีกครั้งขณะลูกสูบลง ปรากฏการณ์ "แรงสปริงอากาศ" นี้ชดเชยกันในสองทิศทาง กระบอกสูบที่ปิดอยู่ไม่สร้างภาระสุทธิต่อเครื่องยนต์ กล่าวคือ กระบอกสูบที่ปิดไม่ได้ทำให้เครื่องยนต์ช้าลง แต่ถือว่า "ลาพัก" อย่างเงียบ ๆ

ผู้ตัดสินใจคือหน่วยควบคุมเครื่องยนต์ (ECU) ECU ที่ติดตามข้อมูลเซนเซอร์อย่างต่อเนื่อง เช่น ความเร็ว ภาระเครื่องยนต์ และตำแหน่งลิ้นเร่ง จะปิดการทำงานของกระบอกสูบในภาวะภาระต่ำ เมื่อคนขับกดคันเร่ง ระบบจะจุดกระบอกสูบทั้งหมดอีกครั้งภายในไม่กี่มิลลิวินาที ในเครื่องยนต์เบนซิน จุดมุ่งหมายคือลดการสูญเสียจากการแลกเปลี่ยนแก๊ส: ในภาวะภาระต่ำ ลิ้นเร่งจะเกือบปิดสนิท และเครื่องยนต์ต้องทำงานโดยไม่จำเป็นเพื่อดึงอากาศเข้าไป เมื่อกระบอกสูบทำงานน้อยลง กระบอกสูบแต่ละกระบอกจะทำงานหนักขึ้น ลิ้นเร่งต้องเปิดมากขึ้น และเครื่องยนต์ทำงานในช่วงที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

ในเครื่องยนต์ดีเซลจุดมุ่งหมายต่างออกไป

แรงจูงใจหลักของการปิดกระบอกสูบในเครื่องยนต์ดีเซลคือการให้ความร้อนกับระบบไอเสีย เครื่องยนต์ดีเซลในภาวะภาระต่ำมีปัญหาในการทำให้อุณหภูมิไอเสียถึงระดับที่ต้องการ และเมื่อกระบอกสูบที่เหลือทำงานภายใต้ภาระที่สูงขึ้น ความร้อนที่ผลิตได้จะมีมากขึ้น ความร้อนนี้ทำให้ระบบบำบัดหลังท่อไอเสียไปถึงอุณหภูมิใช้งานได้เร็วขึ้นและช่วยลดการปล่อยมลพิษ ในงานยานหนัก การเปลี่ยนจากเครื่องยนต์ 6 สูบเป็น 4 สูบสามารถให้การปรับปรุงอัตราการใช้น้ำมันตอนรอบเดินเบาได้ถึงระดับ 14-18%

สูบใดปิดการทำงานภายใต้เงื่อนไขใด?

ระบบส่วนใหญ่จะปิดสูบครึ่งหนึ่งพร้อมกัน: เครื่องยนต์ V8 ลดลงเหลือสี่สูบ V6 ลดลงเหลือสามสูบ และเครื่องยนต์สี่สูบลดลงเหลือสองสูบ เป้าหมายคือการรักษาจังหวะการจุดระเบิดโดยไม่ทำลายความสมดุลของเครื่องยนต์ ด้วยเหตุนี้จึงเลือกคู่ที่สมดุลแทนการกระจายแบบไม่สม่ำเสมอ อย่างไรก็ตาม แนวทางของแต่ละผู้ผลิตไม่เหมือนกัน

แม้แต่ตัวอย่างในยุคแรกก็สะท้อนความหลากหลายนี้ Mitsubishi MD (1982) ปิดสูบหมายเลข 1 และ 4 ที่ความเร็วต่ำกว่า 70 km/h ตอนรอบเดินเบาและตอนชะลอความเร็ว การใช้น้ำมันดีขึ้นประมาณ 20% แต่เครื่องยนต์สั่นสะเทือนเมื่อทำงานในโหมดสองสูบ ระบบ VCM ของ Honda (ตั้งแต่ปี 2003) สามารถสลับระหว่างหก สี่ และสามสูบได้โดยการปิดชุดสูบ ที่น่าสนใจยิ่งกว่าคือ Dynamic Fuel Management ที่ GM เปิดตัวในปี 2018: ระบบนี้ซึ่งอ้างอิงจากแนวทาง "Dynamic Skip Fire" ของ Tula Technology สามารถปิดสูบได้ตามจำนวนที่ต้องการในรูปแบบต่างๆ ตามความต้องการ นั่นคือสูบทั้งหมดในลำดับการจุดระเบิดสามารถถูกข้ามได้ทีละสูบ

ส่วน Mazda เลือกให้สูบกลางยังคงจุดระเบิดต่อไปในเครื่องยนต์แบบดูดอากาศธรรมชาติ 2.5 ลิตร: ภายใต้ภาระเบา สูบหมายเลข 1 และ 4 จะถูกปิด ส่วนสูบ 2 และ 3 ยังคงทำงานต่อไป

คนขับจะสังเกตเห็นหรือไม่? วิศวกรรมการสั่นสะเทือนและ NVH

คำตอบของคำถามนี้เปลี่ยนแปลงไปอย่างมากขึ้นอยู่กับประวัติของเทคโนโลยีนี้ ในระบบรุ่นแรกๆ การสังเกตเห็นความแตกต่างไม่ใช่เรื่องยาก แม้กระทั่งง่ายดาย Cadillac V8-6-4 (1981) ทำให้เกิดความกระด้างและการสะดุดระหว่างการสลับโหมด แม้จะมีการอัปเดตซอฟต์แวร์ถึง 13 ครั้ง ระบบก็ถูกยกเลิกหลังจากผ่านไปเพียงปีรุ่นเดียว และถูกปิดการใช้งานอย่างถาวรในยานพาหนะที่จำหน่ายไปแล้วในปีก่อนหน้า ระบบ MD รุ่นแรกของ Mitsubishi ก็ต้องต่อสู้กับการสั่นสะเทือนของโหมดสองสูบเช่นกัน: มีการใช้มาตรการต่างๆ เช่น ยางมอเตอร์แบบหน่วงไฮดรอลิกพิเศษ ส่วนท่อไอเสียที่ยืดหยุ่น มูฟลี่ย์ที่หนักขึ้น 70% และระบบจะไม่ทำงานจนกว่าน้ำหล่อเย็นจะไปถึง 70°C

ระบบ MIVEC-MD รุ่นที่สองของ Mitsubishi ในปี 1993 ทำให้การสลับจาก 4 เป็น 2 สูบแทบไม่รู้สึกได้ด้วยการควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ที่พัฒนาแล้ว - บรรพบุรุษของระบบปัจจุบันก่อตัวขึ้น ณ จุดนี้ ในระบบสมัยใหม่ การสลับเกือบจะทันทีและถูกทำให้นุ่มนวลขึ้นด้วยการปรับจุดจุดระเบิดล่วงหน้า จังหวะเพลาลูกเบี้ยว และลิ้นเร่งอิเล็กทรอนิกส์ ในเครื่องยนต์ V6 ความท้าทายด้าน NVH (เสียง การสั่นสะเทือน ความกระด้าง) ยังคงมีอยู่อย่างมากเนื่องจากลำดับการจุดระเบิดและการเปลี่ยนแปลงของแรงบิด จึงทำให้โครงสร้างเหล่านี้เป็นหนึ่งในสิ่งที่ท้าทายที่สุดในแง่วิศวกรรม

ปิดวาล์วอย่างไร?

กลไกจะแตกต่างกันไปตามระบบวาล์วของเครื่องยนต์:

• เครื่องยนต์แบบ pushrod: โซลินอยด์เปลี่ยนแรงดันน้ำมันที่ส่งไปยังหมุดล็อกใน lifter เมื่อพินดึงออก แขนลิฟเตอร์จะยุบลงและวาล์วจะค้างอยู่ในสภาพปิด
• เครื่องยนต์แบบลูกเบี้ยวเหนือหัวสูบ (overhead cam): ใช้แขนโยกคู่ที่ล็อกเข้าหากันสำหรับวาล์วแต่ละตัว เมื่อแรงดันน้ำมันที่ควบคุมด้วยโซลินอยด์ปลดหมุดล็อก แขนหนึ่งจะตามลูกเบี้ยว ส่วนอีกแขนจะหยุดนิ่ง
• วิธีแก้ของ Mazda: สวิตช์ที่เพิ่มเข้าไปในตัวปรับวาล์วไฮดรอลิก จะเปลี่ยนจุดหมุนของแขนโยกเพื่อหยุดการเคลื่อนไหวของวาล์ว

การประหยัดเชื้อเพลิงในทางปฏิบัติได้มากแค่ไหน?

ตัวเลขแปรผันในช่วงกว้างขึ้นอยู่กับการใช้งานและเงื่อนไข กระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ประมาณการปรับปรุงประสิทธิภาพเชื้อเพลิงไว้ราว 7.5% ขณะที่ผู้ผลิตอ้างว่าเพิ่มประสิทธิภาพได้ถึง 20% มีรายงานว่าในสภาพการขับขี่บนทางด่วน การลดการใช้เชื้อเพลิงอาจอยู่ระหว่าง 8-25% ฝั่งเครื่องยนต์ดีเซล มุ่งหวังลดการใช้เชื้อเพลิงในช่วง 5-25% ด้วยเทคนิค CDA และการปิดวาล์วไอเสียเร็ว

การทดสอบในโลกจริงอาจให้ผลลัพธ์ที่ประหยัดกว่า ในรถบรรทุกดีเซล การทดสอบเชื้อเพลิงมาตรฐานวัดการประหยัดได้ 2.76% และ 2% ในเส้นทางขนส่ง - การจราจร น้ำหนักบรรทุก และสภาพอากาศที่ปะปนในการขับขี่ประจำวัน ทำให้การไปถึงขอบบนของช่วงที่วัดในห้องแล็บเป็นเรื่องยาก คำอ้างสิทธิ์ในอดีตก็วาดภาพที่คล้ายคลึงกัน: Cadillac V8-6-4 เคยสัญญาว่าปรับปรุงได้ถึง 15% Alfa Romeo Alfetta CEM (1983) วัดการลดลงได้ 12% เมื่อเทียบกับเวอร์ชันที่ไม่มีระบบแปรผันตัว และเกือบ 25% เมื่อเทียบกับรถที่ใช้คาร์บูเรเตอร์ สรุปคือ: การประหยัดเป็นเรื่องจริง แต่ขนาดของมันขึ้นอยู่กับว่าคุณขับได้นานเพียงใดกับสูบที่ปิดอยู่ - คนขับที่เร่งแล้วเบรกบ่อยครั้งในการจราจรเมืองที่แน่นขนัด จะได้ประโยชน์น้อยกว่าคนที่ขับบนทางด่วนด้วยความเร็วคงที่มาก

ความแตกต่างในการใช้งานระหว่างเครื่องยนต์ธรรมชาติและเทอร์โบ

การปิดสูบเป็นแนวทางทางเลือกหนึ่งสำหรับเครื่องยนต์เทอร์โบขนาดเล็กในบางมุมมอง: ทั้งสองมุ่งสู่เป้าหมาย "ทรงพลังเมื่อจำเป็น ประหยัดเมื่อไม่จำเป็น" แนวทางเทอร์โบเริ่มต้นด้วยเครื่องยนต์ขนาดเล็ก ส่วนการปิดสูบเริ่มจากเครื่องยนต์ทรงพลังแล้วลดขนาดจริงลงเมื่อโหลดเบา แม้ทั้งสองจะมีข้อดีและข้อเสีย แต่เทคโนโลยีการปิดสูบให้จุดสมดุลที่ต่างออกไปจากปัญหาดีเลย์และการตอบสนองที่เป็นธรรมชาติของเทอร์โบ

ขอบเขตการใช้งานก็กว้างขวางจนน่าประหลาดใจ Ford EcoBoost สามสูบที่เปิดตัวปี 2016 ซึ่งปิดสูบหนึ่งได้ เป็นเครื่องยนต์ขนาดเล็กที่สุดเท่าที่ทราบว่าใช้เทคโนโลยีนี้ ส่วน Mazda Skyactiv-G 2.5 เป็นหนึ่งในตัวอย่างการปิดสูบบนเครื่องยนต์ธรรมชาติตั้งแต่ปี 2018 ฝั่งดีเซล แสดงให้เห็นว่าสามารถใช้การปิดสูบที่โหลดต่ำได้โดยไม่เสียสมรรถนะด้านแรงบิดและกำลัง และไม่พบผลกระทบเชิงลบต่อการตอบสนองของเครื่องยนต์

มาตรวัดที่จับต้องได้เกี่ยวกับการแพร่หลายของเทคโนโลยีนี้: ในปีรุ่น 2020 รถยนต์อเนกประสงค์ขนาดเล็กที่ขายในสหรัฐฯ ราว 15% มีระบบปิดสูบ ส่วนใหญ่เป็นผลิตภัณฑ์ของ Mazda, GM, Honda และ FCA

ความน่าเชื่อถือระยะยาว: ระบบนี้ทำให้เครื่องยนต์สึกหรอจริงหรือ?

ภายใต้หัวข้อนี้ การวาดตารางสองฝ่ายคือแนวทางที่ซื่อสัตย์ที่สุด ในทางหนึ่ง การที่กระบอกสูบทั้งหมดทำงานอย่างสม่ำเสมอ ทำให้การมีอยู่ของระบบนี้ไม่ใช่ปัญหาสำหรับผู้ใช้ส่วนใหญ่ แต่ในอีกทางหนึ่ง ระบบเองก็นำจุดบกพร่องใหม่มาพร้อมกลไกเสริม

การเรียกคืนอย่างเป็นทางการบอกอะไรบ้าง?

สองตัวอย่างใหญ่แสดงให้เห็นโหมดความล้มเหลวที่เป็นไปได้ของระบบ Mercedes เรียกคืนรถซีดาน S580 และ Maybach รุ่นปี 2021-2023 จำนวน 26,200 คัน: หากระบบ Camtronic ล้มเหลว หัวฉีดอาจฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงมากเกินไปและทำลายตัวเร่งปฏิกิริยา และในกรณีที่แย่ที่สุดอาจมีความเสี่ยงเครื่องยนต์ดับ ส่วน Mazda เรียกคืนยานพาหนะ 262,000 คัน รวมถึง CX-5, Mazda 6 และ Mazda 3 ความล้มเหลวที่เกิดขึ้นในการเปลี่ยนจากโหมดปิดการทำงานไปสู่การเปิดเต็มที่ อาจทำให้รถหยุดและไม่สามารถสตาร์ทใหม่ได้

ข้อร้องเรียนของผู้ใช้และความจริงด้านการบำรุงรักษา

ปัญหาที่รายงานจากการใช้งานจริงพบมากกว่า แต่ระดับการยืนยันต่ำกว่า การยุบตัวของลิฟเตอร์ในระบบ AFM ของ GM เป็นข้อร้องเรียนที่พบบ่อย ระบุว่าหากไม่ถูกตรวจพบแต่เนิ่นๆ อาจทำให้ก้านสุญญากาศโก่งตัว และค่าซ่อมอาจสูงถึงหลายพันดอลลาร์ ปัญหาอื่นๆ ที่รายงาน ได้แก่ การสิ้นเปลืองน้ำมันมากเกินไป การสะสมคาร์บอน และการสั่นสะเทือนในช่วงเปลี่ยนโหมด - เจ้าของ Mazda CX-30 บางรายรายงานว่าสัมผัสได้ถึงการเปลี่ยนโหมดที่รุนแรงระหว่างโหมด 2 และ 4 กระบอกสูบทั้งในด้านเสียงและความรู้สึก เนื่องจากสิ่งเหล่านี้เป็นประสบการณ์ของผู้ใช้รายบุคคลจากฟอรัม การนำไปสรุปกับทุกคันจึงเป็นการทำให้เข้าใจผิด

ด้านการบำรุงรักษา มีประเด็นปฏิบัติหลายข้อที่ควรทราบ ในบางระบบ คอมพิวเตอร์จะไม่เปิดใช้งานการปิดกระบอกสูบเป็นมาตรการป้องกัน หากการบำรุงรักษารถล่าช้า - กล่าวคือ ระบบไม่ใช่ปัญหา สภาพการบำรุงรักษาอาจเป็นตัวชี้ขาด การปิดการใช้งานระบบด้วยซอฟต์แวร์เป็นการตัดสินใจที่มีสองด้าน: แม้ดูเหมือนว่าความเสี่ยงจากความล้มเหลวของลิฟเตอร์จะหายไป แต่การที่กระบอกสูบทั้งหมดต้องผ่านทุกรอบการจุดระเบิด อาจลดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนในทางทฤษฎี ท่าทีที่สมเหตุสมผลที่สุดคือ ยอมรับระบบตามที่เป็น ไม่ละเลยการบำรุงรักษาตามระยะ และตรวจสอบระดับน้ำมันเครื่องสม่ำเสมอ กลไกที่อาศัยลิฟเตอร์และแรงดันน้ำมัน เป็นหนึ่งในชิ้นส่วนที่ได้รับผลกระทบมากที่สุดจากน้ำมันที่สกปรกหรือไม่เพียงพอ

บทสรุป: รูปแบบที่เป็นผู้ใหญ่ของไอเดียที่ฉลาด

การปิดกระบอกสูบคือผลผลิตของเรื่องราวการเติบโตอันยาวนาน ซึ่งย้อนกลับไปตั้งแต่เครื่องยนต์ "hit-and-miss" ในปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 ผ่านประสบการณ์ที่ย่ำแย่ของ Cadillac ในปี 1981 ไปจนถึงระบบที่ทำงานอย่างไม่เป็นที่สังเกตในยานพาหนะนับล้านคันในปัจจุบัน หลักการพื้นฐาน - การไม่ผลิตกำลังที่ไม่จำเป็น - เป็นสามัญสำนึกที่สมบูรณ์แบบ ส่วนที่เหลือทั้งหมดคือรายละเอียดทางวิศวกรรมที่ทำให้การเปลี่ยนโหมดไม่รู้สึก และการควบคุมอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ได้เอาชนะอุปสรรคนี้ไปได้มาก ผลประโยชน์ที่แท้จริงแตกต่างกันตามเงื่อนไข: มีนัยสำคัญในการขับขี่บนทางหลวง แต่ระดับปานกลางในเมือง การถกเถียงเรื่องความน่าเชื่อถือนั้นสมเหตุสมผลอย่างสมบูรณ์ แต่ควรอ่านโดยไม่สุดโต่งเกินไป: แม้การเรียกคืนอย่างเป็นทางการจะร้ายแรง แต่ก็ได้รับการแก้ไขแล้ว และเทคโนโลยีนี้ยังคงอยู่ในปัจจุบันในฐานะโซลูชันมาตรฐานในยานพาหนะหลากหลายประเภท

แหล่งข้อมูล

• การปิดกระบอกสูบ (เครื่องยนต์เบนซินและดีเซล) - Eaton
• การเปลี่ยนแปลงปริมาตรกระบอกสูบ - Wikipedia
• การปิดกระบอกสูบเป็นอันตรายต่อเครื่องยนต์ของคุณหรือไม่? - Popular Mechanics
• ระบบปิดกระบอกสูบ - Cummins Inc.
• ระบบปิดกระบอกสูบ - Clemson University
• การปิดกระบอกสูบ ทำงานอย่างไร? - Driving.ca
• สิ่งที่คุณควรรู้เกี่ยวกับการปิดกระบอกสูบของเครื่องยนต์ - CarParts.com
• อธิบายระบบปิดกระบอกสูบ: AFM, DFM และ MDS - Holley
• การศึกษาเปรียบเทียบพลศาสตร์ของเครื่องยนต์ระหว่างการปิดกระบอกสูบแบบหมุนเวียนและแบบเลือกสรร - ScienceDirect
• ปัญหาที่พบบ่อย 4 ประการของการปิดกระบอกสูบ - Yahoo Autos