เครื่องยนต์ 4 สูบแถวเรียง การทำงาน การออกแบบ และข้อดีข้อเสีย

เครื่องยนต์ 4 สูบแถวเรียง (หรือที่เรียกว่า Inline-four engine) คือเครื่องยนต์ลูกสูบ 4 สูบที่จัดวางตำแหน่งของกระบอกสูบเรียงกันเป็นเส้นตรงตามแนวแกนของเพลาข้อเหวี่ยง (Crankshaft) ซึ่งเป็นรูปแบบการจัดวางที่ได้รับความนิยมสูงสุดในรถยนต์นั่งส่วนบุคคลและรถจักรยานยนต์ในปัจจุบัน

การออกแบบและลักษณะเด่น

ในเครื่องยนต์ 4 จังหวะแบบ 4 สูบแถวเรียง จะมีลูกสูบหนึ่งลูกที่อยู่ในจังหวะคายหรือจุดระเบิดตลอดเวลา ซึ่งแตกต่างจากเครื่องยนต์ที่มีจำนวนสูบน้อยกว่า โดยเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์แบบ V4 หรือ Flat-four (สูบนอน) เครื่องยนต์แบบแถวเรียงจะมีฝาสูบเพียงชุดเดียว ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนในการผลิตและลดต้นทุนการผลิตลงได้อย่างมาก

ความจุของเครื่องยนต์ (Displacement)

เครื่องยนต์เบนซิน 4 สูบแถวเรียงในรถยนต์สมัยใหม่มักมีความจุระหว่าง 1.3 ถึง 2.5 ลิตร อย่างไรก็ตาม ในอดีตเคยมีการผลิตเครื่องยนต์ที่มีความจุสูงกว่านี้ เช่น Bentley 4½ Litre ในปี 1927-1931 หรือ Porsche 944 และ 968 ที่ใช้เครื่องยนต์ 4 สูบขนาด 3.0 ลิตร

สำหรับเครื่องยนต์ดีเซล มักมีความจุที่ใหญ่กว่า เช่น เครื่องยนต์เทอร์โบของ Mitsubishi ขนาด 3.2 ลิตร (ใช้ใน Pajero/Shogun/Montero) หรือเครื่องยนต์ Toyota ขนาด 3.0 ลิตร นอกจากนี้ รถบรรทุกขนาดเล็กในยุโรปและเอเชียที่มีน้ำหนักบรรทุกระหว่าง 7.5 ถึง 18 ตัน มักใช้เครื่องยนต์ดีเซล 4 สูบแถวเรียงที่มีความจุประมาณ 5 ลิตร

สมดุลและการสั่นสะเทือน (Balance and Vibration)

เครื่องยนต์ 4 สูบแถวเรียงที่มีการจัดวางเพลาข้อเหวี่ยงที่เหมาะสมจะมี สมดุลปฐมภูมิ (Primary Balance) ที่สมบูรณ์แบบ เนื่องจากลูกสูบเคลื่อนที่ในคู่ที่ขนานกัน โดยลูกสูบหนึ่งคู่จะเคลื่อนที่ขึ้นในขณะที่อีกคู่หนึ่งเคลื่อนที่ลงเสมอ

อย่างไรก็ตาม เครื่องยนต์ประเภทนี้มักประสบปัญหา สมดุลทุติยภูมิ (Secondary Imbalance) ซึ่งเกิดจากการเร่งและลดความเร็วของลูกสูบในช่วงครึ่งบนของรอบการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยงมีความแตกต่างจากช่วงครึ่งล่าง (เนื่องจากก้านสูบไม่ได้มีความยาวเป็นอนันต์) ส่งผลให้เกิดการสั่นสะเทือนในแนวตั้งที่ความเร็วเป็นสองเท่าของความเร็วรอบเครื่องยนต์

การส่งกำลังและการใช้เพลาสมดุล (Balance Shafts)

เครื่องยนต์ 4 สูบมักจะมีช่วงว่างในการส่งกำลัง (Power delivery gaps) เนื่องจากแต่ละสูบจะจบจังหวะระเบิดก่อนที่สูบถัดไปจะเริ่มจังหวะระเบิดใหม่ ทำให้เกิดการสั่นสะเทือนมากกว่าเครื่องยนต์ที่มีจำนวนสูบมากกว่า 4 สูบ

เพื่อลดการสั่นสะเทือนนี้ โดยเฉพาะในเครื่องยนต์ที่มีความจุสูง ผู้ผลิตจึงนำ เพลาสมดุล (Balance Shaft) มาใช้ ซึ่งประกอบด้วยเพลาสองเส้นที่มีน้ำหนักถ่วงเยื้องศูนย์หมุนในทิศทางตรงกันข้ามด้วยความเร็วเป็นสองเท่าของเพลาข้อเหวี่ยง ระบบนี้ถูกนำมาใช้โดดเด่นในเครื่องยนต์ Mitsubishi Astron ภายใต้ชื่อ "Silent Shaft"

การใช้งานในรถยนต์ผลิตจำนวนมาก

เครื่องยนต์ 4 สูบแถวเรียงกลายเป็นมาตรฐานสำหรับรถยนต์ส่วนใหญ่ เนื่องจากความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ ต้นทุน และพื้นที่การติดตั้ง