วันเสาร์ที่ 22 สิงหาคม พ.ศ. 2552

เครื่องยนต์ดีเซล MO Memoir : วันพฤหัสบดีที่ ๒๒ มกราคม ๒๕๕๒

เอกสารนี้เป็นตอนต่อเนื่องจาก MO Memoir ฉบับ Wednesday 21 January 2552 เรื่องเครื่องยนต์เบนซิน จัดทำขึ้นเพื่อประกอบการสอนวิชา 2105-445 พื้นฐานตัวเร่งปฏิกิริยา โดยมีจุดประสงค์เพื่อให้นิสิตได้เข้าใจการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล ความพยายามในการเพิ่มสมรรถนะและประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ ทั้งนี้เพื่อให้นิสิตมีพื้นฐานว่าไอเสียของเครื่องยนต์ดีเซลจะส่งผลต่อการเลือกใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างใดบ้าง

เครื่องยนต์ดีเซลที่ใช้งานกันนั้นมีทั้งเครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะและเครื่องยนต์ดีเซล 2 จังหวะ แต่ที่เราพบเห็นกันส่วนใหญ่จะเป็นเครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะที่ใช้กับรถบรรทุก รถโดยสาร เรือโดยสารขนาดเล็ก เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ฯลฯ เครื่องยนต์ดีเซลพวกนี้บางทีจะเรียกว่าเป็นพวก High speed diesel กล่าวคือทำงานที่รอบเครื่องยนต์สูง (มากกว่า 1000 rmp) ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงที่เราเรียกว่าน้ำมันดีเซล หรือที่ชาวบ้านเรียกว่า "น้ำมันโซล่า" (ถ้าเรียกให้ชัดเจนตามข้อกำหนดคุณลักษณะก็ต้องเรียกว่า "น้ำมันดีเซลหมุนเร็ว" - HSD High speed diesel) ส่วนเครื่องยนต์ดีเซล 2 จังหวะนั้นมักจะเป็นเครื่องยนต์ขนาดใหญ่ ทำงานที่รอบการทำงานที่ต่ำกว่า ใช้งานกับเรือโดยสาร เรือบรรทุกขนาดใหญ่ ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงที่ชาวบ้านเรียกว่าน้ำมันขี้โล้ (หรือ "น้ำมันดีเซลหมุนช้า - LSD Low speed diesel)"

เครื่องยนต์ดีเซลดีเซลทำงานตามวัฎจักรดีเซลดังแสดงในรูปที่ 1 ข้างล่าง


รูปที่ 1 Diesel cycle ตามอุดมคติ (ภาพจาก http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes)

การทำงานของเครื่องยนต์ดีเซลจะคล้ายกับเครื่องยนต์เบนซินที่ได้กล่าวมาก่อนหน้านี้ จะมีข้อแตกต่างกันตรงที่ในกรณีของเครื่องยนต์ดีเซลนั้นจะทำการดูดอากาศเข้ากระบอกสูบก่อน ทำการอัดอากาศให้ร้อนจัด แล้วจึงฉีดน้ำมันเข้าไปเผาไหม้ในกระบอกสูบ ซึ่งเมื่อน้ำมันเชื้อเพลิงเจอกับอากาศที่ถูกอัดจนร้อน น้ำมันเชื้อเพลิงก็จะลุกติดไฟทันที ส่วนเครื่องยนต์เบนซินจะผสมน้ำมันเชื้อเพลิงกับอากาศเข้าด้วยกันก่อน จากนั้นจึงค่อยป้อนไอดีเข้าสู่กระบอกสูบและทำการจุดระเบิดด้วยหัวเทียน

ในทางทฤษฎีแล้ว ที่ค่าอัตราส่วนการอัดเท่ากัน เครื่องยนต์เบนซินจะมีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์ดีเซล แต่เนื่องจากอัตราส่วนการอัดของเครื่องยนต์เบนซินถูกจำกัดด้วยความสามารถในการต้านทานการน็อคของเชื้อเพลิง ทำให้เครื่องยนต์เบนซินที่ใช้กันอยู่มีค่าอัตราส่วนการอัดมักจะไม่เกิน 10:1 แต่กรณีของเครื่องยนต์ดีเซลนั้นเนื่องจากเป็นการอัดอากาศอย่างเดียว จึงทำให้สามารถออกแบบเครื่องยนต์ดีเซลที่มีค่าอัตราส่วนการอัดสูงกว่าได้ กล่าวคืออาจอยู่ในช่วง 14:1 ถึง 22:1 ซึ่งทำให้สามารถออกแบบเครื่องยนต์ดีเซลที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าได้

ต่อไปจะอธิบายการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะ โดยขอให้ดูรูปที่ 1 และรูปที่ 2 ประกอบ


รูปที่ 2 การทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะ

(ภาพจาก http://www.exploroz.com/images/Articles/378_Image1__TN800.jpg?8535)


ขั้นตอนที่ 1 : ลูกสูบอยู่ในตำแหน่งสูงสุด (ศูนย์ตายบน - Top dead centre) ขณะนี้วาล์วไอดีและวาล์วไอเสียปิดอยู่

ขั้นตอนที่ 2 : จังหวะดูด (Intake stroke) ลูกสูบเคลื่อนที่ลงจากตำแหน่ง V2 ไปยังตำแหน่ง V1 ซึ่งเป็นการดูดอากาศเข้าไปในกระบอกสูบ (วาล์วไอดีเปิด วาล์วไอเสียปิด) ขณะนี้มีแต่อากาศเท่านั้นที่ไหลเข้ากระบอกสูบ

ขั้นตอนที่ 3 : จังหวะอัด (Compression stroke) : วาล์วไอดีปิด (วาล์วไอเสียยังคงปิดอยู่) และลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้น อัดอากาศที่อยู่ในกระบอกสูบให้มีปริมาตรลดลงและความดันเพิ่มขึ้น (จากจุด 1 ปริมาตร V1 ไปยังจุด 2 ปริมาตร V2) อุณหภูมิของอากาศที่ถูกอัดจะเพิ่มตามไปด้วย

ขั้นตอนที่ 4 : จังหวะจุดระเบิด (Ignition) : (วาล์วไอดีและวาล์วไอเสียปิด) หัวฉีดน้ำมันจะฉีดน้ำมันเข้าไปในกระบอกสูบ เมื่อน้ำมันกระทบกับอากาศที่ถูกอัดจนร้อนก็จะลุกติดไฟเอง (ไม่ต้องพึ่งหัวเทียน) เกิดเป็นเปลวไฟเผาไหม้ละอองน้ำมันที่ถูกฉีดออกมา ในขณะนี้ลูกสูบกำลังเคลื่อนที่ลง ปริมาตรของกระบอกสูบจึงเพิ่มมากขึ้นในขณะที่ความดันยังคงเดิม (จากจุด 2 ไปยังจุด 3)

ขั้นตอนที่ 5 : จังหวะกำลัง (Power stroke) : หัวฉีดหยุดฉีดน้ำมันเข้ากระบอกสูบ แต่แก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ยังคงขยายตัวดันลูกสูบเคลื่อนที่ลงล่างอย่างต่อเนื่อง ส่งกำลังไปหมุนข้อเหวี่ยงและเพลาขับเคลื่อน (วาล์วไอดีและวาล์วไอเสียปิด) ในขณะนี้ความดันในห้องกระบอกสูบจะลดลงในขณะที่ปริมาตรเพิ่มขึ้นจนกระทั่งลูกสูบเคลื่อนที่ลงต่ำสุด (จากจุด 3 ไปยังจุด 4) และเมื่อมีการระบายความร้อนออกจากแก๊สร้อน ความดันในกระบอกสูบก็จะลดลง (จากจุด 4 ไปยังจุด 1)

ขั้นตอนที่ 6 : จังหวะคาย (Exhaust stroke) : แรงเฉื่อยจากจังหวะกำลังจะทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่กลับไปข้างบนใหม่ วาล์วไอเสียจะเปิด (วาล์วไอดียังคงปิดอยู่) แรงดันที่เกิดจากการเคลื่อนที่ขึ้นของลูกสูบจะดันให้ไอเสีย ไหลออกทางวาล์วไอเสียที่เปิดอยู่ เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุด วาล์วไอเสียก็จะปิด และกลับไปเริ่มต้นขั้นตอนที่ 1 ใหม่ (จากจุด 1 ที่ V1 ไปยังจุด V2 ที่ความดัน P เดียวกัน)

พึงสังเกตว่าลูกสูบมีการเคลื่อนที่ขึ้นสู่ด้านบน 2 ครั้งต่อการจุดระเบิด 1 ครั้ง

จากการที่เครื่องยนต์ดีเซลดูดเฉพาะอากาศเท่านั้นเข้าไปในกระบอกสูบ ดังนั้นการออกแบบเครื่องยนต์ดีเซล 2 จังหวะจึงแตกต่างออกไปจากเครื่องยนต์เบนซิน 4 จังหวะ รูปที่ 3 แสดงการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล 2 จังหวะ พึงสังเกตว่าในกรณีนี้มีการใช้เครื่องอัดอากาศ (Compressor) ช่วยในการอัดอากาศเข้ากระบอกสูบ ขั้นตอนการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล 2 จังหวะเป็นดังนี้


รูปที่ 3 การทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล 2 จังหวะ

(ภาพจาก http://www.tpub.com/content/engine/14081/img/14081_23_1.jpg)

ขั้นตอนที่ 1 (Scavenging) : ลูกสูบเคลื่อนที่ลง (เนื่องจากการขยายตัวของแก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ที่เกิดก่อนหน้า) ช่องทางให้อากาศบริสุทธิ์เข้าเปิดออก เครื่องอัดอากาศทำการอัดอากาศเข้าไปในกระบอกสูบ และไล่ไอเสียที่เกิดจากการเผาไหม้ก่อนหน้าออกไปทางวาล์วไอเสีย

ขั้นตอนที่ 2 (Compression) : ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้น อัดอากาศในกระบอกสูบให้มีปริมาตรเล็กลงและมีอุณหภูมิสูงขึ้น

ขั้นตอนที่ 3 (Power) : หัวฉีดทำการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงเข้าไปในกระบอกสูบ ทำให้น้ำมันเชื้อเพลิงลุกเป็นเปลวไฟเผาไหม้เกิดเป็นแก๊สร้อน

ขั้นตอนที่ 4 (Exhaust) : หลังจากลูกสูบเคลื่อนที่ลงมาได้ในระดับหนึ่ง วาล์วไอเสียจะเปิดออก ทำให้ไอเสียบางส่วนระบายออกไปทางวาล์วไอเสีย และเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ต่ำลงมาอีก ก็จะกลับไปสู่ขั้นตอนที่ 1 ใหม่ คือเครื่องอัดอากาศจะทำการป้อนอากาศบริสุทธิ์ใหม่เข้ามาในกระบอกสูบเพื่อไล่ไอเสียออกไป

พึงสังเกตว่าในกรณีของเครื่องยนต์ 2 จังหวะนี้ ทุก ๆ ครั้งที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นจะมีการจุดระเบิดทุกครั้ง

จุดเด่นของเครื่องยนต์ดีเซลคือให้แรงบิดสูงที่รอบต่ำ ในขณะที่เครื่องยนต์เบนซินจะให้แรงบิดสูงที่รอบสูง การที่เครื่องยนต์ดีเซลให้แรงบิดสูงที่รอบต่ำจึงทำให้เหมาะสมกับรถที่มีน้ำหนักมาก เพราะในการเริ่มเคลื่อนที่จากสภาพหยุดนิ่งนั้นจำเป็นต้องใช้แรงบิดมากเพื่อให้ล้อรถเริ่มหมุน (นึกถึงตอนที่คุณต้องเข็นรถ ช่วงที่ทำให้รถเริ่มเคลื่อนที่จะต้องใช้แรงมาก แต่พอรถเริ่มเคลื่อนที่แล้วจะใช้แรงลดลง) ในกรณีที่รถวิ่งความเร็วเท่ากัน เครื่องยนต์ดีเซลจะทำงานที่รอบเครื่องยนต์ต่ำกว่าเครื่องยนต์เบนซิน ทำให้การสึกหรอของเครื่องยนต์ต่ำกว่าและไม่ต้องการน้ำมันหล่อลื่นที่มีประสิทธิภาพสูงเหมือนของเครื่องยนต์เบนซิน (พึงสังเกตว่าราคาน้ำมันหล่อลื่นของเครื่องยนต์ดีเซลจะต่ำกว่าของเครื่องยนต์เบนซิน) แต่เครื่องยนต์ดีเซลก็มีข้อเสียคือมีน้ำหนักมาก (อัตราส่วนกำลังที่ได้ต่อน้ำหนักเครื่องยนต์จะต่ำกว่าของเครื่องยนต์เบนซิน) และอัตราเร่ง (การเพิ่มความเร็วรอบเครื่องยนต์) จะสู้ของเครื่องยนต์เบนซินไม่ได้ ด้วยเหตุนี้จึงทำให้รถยนต์นั่งส่วนบุคคลส่วนใหญ่จะใช้เครื่องยนต์เบนซินกัน เพราะให้การตอบสนองต่อคันเร่งดีกว่า เร่งเครื่องได้รวดเร็วทันใจกว่า ด้วยเหตุนี้จึงทำให้ผู้ที่ขับรถเครื่องดีเซล (เช่นพวกปิ๊กอัฟหรือรถเมล์) เมื่อรถไม่ได้บรรทุกของ จึงทำการออกรถด้วยเกียร์ 2 เพื่อให้ได้อัตราเร่งในการออกตัวที่รวดเร็ว (แต่ถ้าเผลอไปใช้ตอนรถกำลังบรรทุกของหนักอยู่ ก็มีสิทธิทำให้ระบบคลัทช์หรือเกียร์พังเร็วขึ้น)

รถบรรทุกขนาดใหญ่หรือรถโดยสารขนาดใหญ่ที่ใช้แก๊สมีเทน (CNG - Compressed Natural Gas) เป็นเชื้อเพลิงนั้นจะมีอยู่ 2 รูปแบบด้วยกัน รูปแบบแรกคือทำการดัดแปลงเครื่องยนต์ดีเซลเดิมจากการทำงานตามวัฎจักรดีเซลไปเป็นรูปแบบวัฎจักรออตโต (Otto cycle - เครื่องยนต์เบนซิน) ต้องมีการติดตั้งหัวเทียนและตั้งค่าอัตราส่วนการอัดกันใหม่ ซึ่งถ้าช่างที่ทำการดัดแปลงฝีมือไม่ดีแล้ว โอกาสที่เครื่องพังสูง วิธีนี้มักใช้กับรถเก่าเพราะจะคืนทุนได้เร็ว (ถ้าน้ำมันดีเซลแพง) แต่ถ้าเป็นรถใหม่ก็จะเป็นเครื่องเบนซินติดรถมาเลย อีกวิธีหนึ่งคือเป็นการใช้เชื้อเพลิงร่วม คือยังคงระบบเครื่องยนต์ดีเซลไว้แบบเดิม แต่มีการฉีด CNG เข้าไปผสมกับน้ำมันดีเซลเพื่อลดการใช้น้ำมันดีเซลลง (แต่ยังคงต้องใช้น้ำมันดีเซลอยู่ เพราะมีเทนจะไม่จุดระเบิดกับอากาศร้อนที่เกิดจากการถูกอัดของลูกสูบ จำเป็นต้องจุดติดน้ำมันดีเซลให้ลุกติดไฟก่อน จึงจะป้อนมีเทนเข้าไปได้) วิธีนี้จะปลอดภัยต่อเครื่องยนต์มากกว่า แต่จะใช้เวลามากกว่าในการคืนทุน

ไม่มีความคิดเห็น: