อัตราส่วนกำลังอัดเครื่องยนต์ (Compression Ratio) และอัตราส่วนความกว้างกระบอกสูบ / ระยะชัก (Bore to Stroke Ratio) คืออะไร และมีความสำคัญอย่างไร

ศัพท์ที่ต้องรู้เกี่ยวกับเครื่องยนต์

Displacement = ความจุของกระบอกสูบ (ไม่รวมปริมาตรฝาสูบ)
TDC = Top Dead Center = ศูนย์ตายบน = ตำแหน่งที่ลูกสูบเลื่อนขึ้นสูงสุด
BDC = Bottom Dead Center = ศูนย์ตายล่าง = ตำแหน่งที่ลูกสูบเลื่อนขึ้นต่ำสุด
Vc = Clearance Volume = ปริมาตรกระบอกสูบ ขณะที่ลูกสูบอยู่ศูนย์ตายบน
Bore = ความกว้างกระบอกสูบ
Stroke = ระยะที่ลูกสูบเลื่อนขึ้นสุดและเลื่อนลงสุดหรือ ระยะชัก

อัตราส่วนกำลังอัด คือ อัตราส่วนระหว่างปริมาตรความจุของกระบอกสูบ กับปริมาตรในกระบอกสูบในขณะที่ลูกสูบอยู่ศูนย์ตายบน
เครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนกำลังอัดเท่ากับ 10 ก็คือเครื่องยนต์ที่ลูกสูบสามารถบีบส่วนผสมในห้องเผาไหม้ให้เหลือเพียง 1 ใน 10 ของปริมาตรความจุนั่นเอง

ยกตัวอย่างรถ Ninja300 ที่มีความจุของห้องเผาไหม้ทั้งหมดสูบนึง 163.42 cc และปริมาตรในกระบอกสูบ ขณะลูกสูบอยู่ศูนย์ตายบนเท่ากับ 15.42 cc อัตราส่วนกำลังอัดจะเท่ากับ 163.42 หาร 15.42 หรือเท่ากับ 10.6 : 1 นั่นเอง

ข้อดีของการมีอัตราส่วนกำลังอัดเครื่องยนต์ที่สูง : เครื่องยนต์ยิ่งอัตราส่วนกำลังอัดมาก ถ้าให้เชื้อเพลิงเท่ากันย่อมมีแรงกระทำกับเพลาข้อเหวี่ยงมากกว่าเครื่องยนต์ที่กำลังอัดน้อยกว่า
นอกจากนี้การที่เครื่องยนต์มีกำลังอัดที่สูง ก็จะทำให้การเผาไหม้หมดจดมากขึ้น ทำให้ประหยัดเชื้อเพลิงมากกว่า

ข้อเสียของเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนกำลังอัดสูง : คืออุณหภูมิในห้องเผาไหม้จะสูงทำให้ต้องใช้เชื้อเพลิงที่มีค่า Octane สูง ซึงราคาก็สูงตาม เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดอาการ Engine knock หรือการที่มีการจุดระเบิดผิดเวลา ซึ่งจะทำให้เครื่องยนต์เสียหายได้

ยกตัวอย่างรถยนต์ เครื่องยนต์ดีเซลจะได้เปรียบที่สามารถมีอัตราส่วนกำลังอัดได้สูง เพราะจ่ายน้ำมันตอนจุดระเบิดทำให้ไม่ต้องกังวลเรื่อง Engine knock ทำให้ได้ค่าแรงบิดสูงสุดสูงกว่าเครื่องยนต์เบนซิน

แต่อัตราส่วนกำลังอัดก็ไม่ใช่ทุกอย่างของเครื่องยนต์ ดูตัวอย่าง รถมอเตอร์ไซค์คลาส 300 และ650 cc สังเกตว่าอัตราส่วนกำลังอัดอย่างเดียว ไม่ใช่ตัวบ่งบอกว่าแรงบิด และแรงม้าสูงสุดของรถแต่ละค่ายจะมากแค่ไหน

อัตราส่วนอีกตัวที่น่าสนใจก็คือ อัตราส่วน Bore to Stroke หรือ ความกว้างกระบอกสูบ / ระยะชัก

เครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วน Bore to Stroke น้อยกว่า 1 (Undersquare engine) คือเครื่องยนต์ที่มีความกว้างกระบอกสูบน้อยกว่าระยะชัก
เครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วน Bore to Stroke มากกว่า 1 (Oversquare engine) คือเครื่องยนต์ที่มีความกว้างกระบอกสูบมากกว่าระยะชัก
เครื่องยนต์ที่อัตราส่วน Bore to Stroke เท่ากับ 1 (Square engine) คือเครื่องยนต์ที่มีความกว้างกระบอกสูบเท่ากับระยะชัก

OVERSQUARE ENGINE

ด้วยความกว้างกระบอกสูบที่มากกว่า เครื่องยนต์ประเภทนี้จะมีขนาดวาล์วไอดี ไอเสียที่ใหญ่
และจะทำรอบได้สูงกว่าในความเร็วลูกสูบที่เท่ากัน ระยะชักที่สั้นจะทำให้ลูกสูบไม่ต้องเคลื่อนที่เยอะ
ทำให้เครื่องยนต์ประเภทนี้เป็นที่นิยมมากในการผลิต
ข้อเสียของเครื่องยนต์ประเภทนี้คือจะมีประสิทธิภาพทางความร้อน หรือ Thermal Efficiency ที่ต่ำกว่าเครื่องยนต์แบบ Undersquare Engine เพราะขนาดวาล์วที่ใหญ่กว่าทำให้ ศูนย์เสียพลังงานความร้อนที่จะแปลงเป็นพลังงานได้ง่าย

รถบิ๊กไบค์ในตลาดส่วนใหญ่จะมีอัตราส่วน Bore to Stroke อยู่ที่ 1 - 1.5 เท่า จะมี Panigale 899 ที่มีอัตราส่วนความกว้างกระบอกสูบ ต่อ ระยะชักที่สูงเป็นพิเศษที่ 1.75 : 1 เท่าเลยทีเดียว

UNDERSQUARE ENGINE

ตรงข้ามกับเครื่องยนต์แบบที่แล้ว Undersquare Engine จะมีขนาดวาล์วไอดี ไอเสียที่เล็ก
นอกจากนี้ที่ความเร็วลูกสูบเท่ากันเครื่องยนต์จะมีแรงเสียดทานกระทำต่อก้านสูบมากในรอบสูง
รูปทรงของเครื่องยนต์ประเภทนี้จึงไม่เอื้ออำนวยต่อการทำกำลังในรอบสูง
รถที่มีเครื่องยนต์แบบนี้จะนิยมจูนให้มีกำลังสูงสุด และแรงบิดสูงสุดในรอบต่ำ
ข้อได้เปรียบของเครื่องยนต์ประเภทนี้คือจะมีประสิทธิภาพทางความร้อน หรือ Thermal Efficiencyที่สูงกว่า Oversquare Engine เพราะขนาดวาล์วที่เล็กกว่า ทำให้ศูนย์เสียพลังงานความร้อนที่จะแปลงเป็นพลังงานน้อย

ตัวอย่างรถบิ๊กไบค์ที่มีเครื่องยนต์แบบ Undersquare Engine ก็เช่น Sportster 883 ที่มีอัตราส่วน อัตราส่วนความกว้างกระบอกสูบ ต่อ ระยะชักอยู่ที่ 0.787 : 1 เท่า

ดูตัวอย่างเปรียบเทียบ รถมอเตอร์ไซค์บิ๊กไบค์คลาส 800-1000 cc

สังเกตได้ว่ารถที่มีอัตราส่วน Bore to Stroke สูง จะมีแรงบิดสูงสุุด และกำลังสูงสุดอยู่ในรอบที่สูง
และรถที่มีอัตราส่วน Bore to Stroke ต่ำ จะมีแรงบิดสูงสุด และกำลังสูงสุดอยู่ในรอบที่ต่ำ

การเพิ่มกำลังเครื่องยนต์ง่ายๆทำได้ 2 วิธี อย่างแรกคือการเพิ่มความจุเครื่องยนต์ อย่างที่สองคือการเพิ่มรอบของเครื่องยนต์

ยกตัวอย่าง การใส่ลูกสูบที่ใหญ่ขึ้นนอกจากจะเพิ่มอัตราส่วนกำลังอัด แล้วยังเพิ่มอัตราส่วน Bore to Stroke อีกด้วย ทำให้ได้แรงม้า และแรงขับที่สูงขึ้น
Kawasaki เคยปรับรถ ZX-6R 599cc โดยเพิ่มความโตลูกสูบขึ้น 2mm เพื่อปรับรถเป็น ZX-6R 636cc ซึ่งเป็นตัวที่มีค่าแรงบิดสูงสุดในคลาส Sport 600cc

นอกจากนี้อัตราส่วนที่อธิบายไป ก็มีอีกหลากหลายปัจจัยที่มีผลต่อประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ เช่น รูปทรงลูกสูบ ความเร็วลูกสูบสูงสุด การสูญเสียแรงอัดจากการเปิดปิดของวาล์วในรอบสูง ฯลฯ เพราะฉะนั้นจะดูอัตราส่วนแค่ค่าๆเดียวไม่ได้