วันเสาร์ที่ 22 สิงหาคม พ.ศ. 2552

เครื่องยนต์เบนซิน MO Memoir : วันพุธที่ ๒๑ มกราคม ๒๕๕๒

เอกสารฉบับนี้จัดทำขึ้นเพื่อประกอบการสอนวิชา 2105-445 พื้นฐานตัวเร่งปฏิกิริยา โดยมีจุดประสงค์เพื่อให้นิสิตได้เข้าใจการทำงานของเครื่องยนต์เบนซิน (ตามแบบที่บ้านเราเรียก แต่ถ้าเป็นภาษาอังกฤษต้องเรียกว่าเครื่องยนต์แก๊สโซลีน (gasoline engine)) 4 และ 2 จังหวะ ความพยายามในการเพิ่มสมรรถนะและประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ ทั้งนี้เพื่อให้นิสิตมีพื้นฐานว่าการนำตัวเร่งปฏิกิริยาไปใช้ในการกำจัดไอเสียที่เกิดจากการเผาไหม้นั้นจะส่งผลต่อการออกแบบการทำงานและสมรรถนะของเครื่องยนต์อย่างใดบ้าง

เครื่องยนต์เบนซินนั้นถ้าเป็นเครื่องยนต์ขนาดใหญ่ (เช่นที่ใช้กับรถยนต์นั่งทั่วไป) จะเป็นเครื่องยนต์เบนซิน 4 จังหวะ (4 stroke engine) แต่ถ้าเป็นเครื่องยนต์ขนาดเล็ก (เช่นรถมอเตอร์ไซค์ เครื่องตัดหญ้า เครื่องยนต์ขนาดเล็ก ฯลฯ) มักจะเป็นเครื่องยนต์เบนซิน 2 จังหวะ (2 stroke engine)

ถ้าจะเปรียบเทียบกันแล้ว เครื่องยนต์เบนซิน 4 จังหวะจะมีจังหวะกำลัง 1 ครั้งทุก ๆ การหมุน 2 รอบ ในขณะที่เครื่องยนต์เบนซิน 2 จังหวะจะมีจังหวะกำลัง 1 ครั้งทุก ๆ การหมุน 1 รอบ ดังนั้นที่รอบการหมุนเท่ากัน เครื่องยนต์ 2 จังหวะจะมีการจุดระเบิดที่มากกว่า (ตอนนี้พอเดาได้ไหมว่าทำไหมสิงห์มอเตอร์ไซค์บางพวกที่ชอบแต่งเครื่องแรง ๆ จึงชอบเครื่องยนต์ 2 จังหวะ) นอกจากนี้เครื่องยนต์ 2 จังหวะยังมีโครงสร้างที่เรียบง่ายกว่าเครื่องยนต์ 4 จังหวะ จึงทำให้นิยมใชักับเครื่องยนต์ขนาดเล็ก แต่เครื่องยนต์ 2 จังหวะก็มีปัญหาเรื่องการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่ไม่สมบูรณ์ (สู้เครื่องยนต์ 4 จังหวะไม่ได้ ดังนั้นจึงเห็นว่าในปัจจุบันรถมอเตอร์ไซค์เริ่มหันมาใช้เครื่องยนต์ 4 จังหวะมากขึ้น เพื่อให้ไอเสียที่ออกมาผ่านมาตรฐานตามที่กฎหมายกำหนด) และยังมีปัญหาเรื่องการหล่อลื่นทำให้เครื่องยนต์สึกหรอได้ง่ายกว่า (ต้องคอยเติมน้ำมันออโต้ลูป (autolube) ไม่ได้ใช้น้ำมันหล่อลื่นแบบที่เครื่องยนต์ 4 จังหวะใช้)

การทำงานของเครื่องยนต์เบนซิน นั้นมีรูปแบบการทำงานตามวัฎจักรออตโต (Otto cycle) ดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 Otto cycle (ซ้าย) ตามอุดมคติ และ (ขวา) ตามความเป็นจริง

(ภาพจาก http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes)

รูปที่ 1 ทางด้านซ้ายเป็นวัฎจักรการทำงานตามอุดมคติ (Ideal cycle) ส่วนทางด้านขวาเป็นวัฎจักรการทำงานตามที่เป็นจริง (Real cycle) เพื่อให้เห็นภาพการทำงานจะขอยกตัวอย่างกรณีของเครื่องยนต์ 4 จังหวะดังนี้

ขั้นตอนที่ 1 : ลูกสูบอยู่ในตำแหน่งสูงสุด (ศูนย์ตายบน - Top dead centre) ขณะนี้วาล์วไอดี (สีน้ำเงิน) และวาล์วไอเสีย (สีแดง) ปิดอยู่ (อยู่ที่จุด 5 ในรูปที่ 1)


ขั้นตอนที่ 2 : จังหวะดูด (Intake stroke) : ลูกสูบเคลื่อนที่ลง พร้อมกับวาล์วไอดีเปิด (วาล์วไอเสียยังคงปิดอยู่) การเคลื่อนที่ลงของลูกสูบทำให้เกิดสุญญากาศในกระบอกสูบ ทำให้ไอดี (สีน้ำเงิน) ซึ่งเป็นส่วนผสมระหว่างอากาศกับน้ำมันเชื้อเพลิง ไหลเข้ามาในกระบอกสูบจนกระทั่งลูกสูบเคลื่อนที่ลงถึงตำแหน่งต่ำสุด (ศูนย์ตายล่าง - Bottom dead centre) (จากจุด 5 ไปยังจุด 1 ในรูปที่ 1)


ขั้นตอนที่ 3 : จังหวะอัด (Compression stroke) : วาล์วไอดีปิด (วาล์วไอเสียยังคงปิดอยู่) และลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้น อัดไอดีที่อยู่ในกระบอกสูบให้มีปริมาตรลดลงและความดันเพิ่มขึ้น (อุณหภูมิของแก๊สก็เพิ่มตามไปด้วย) (จากจุด 1 ไปยังจุด 2 ในรูปที่ 1)


ขั้นตอนที่ 4 : จังหวะจุดระเบิด (Ignition) : หัวเทียน (spark plug) จุดระเบิด (วาล์วไอดีและวาล์วไอเสียปิด) เกิดเป็นเปลวไฟเผาไหม้ไอดีที่แผ่ออกจากจากเขี้ยวหัวเทียน (ตำแหน่งที่เกิดประกายไฟเพื่อการจุดระเบิด) ในขณะนี้ความดันในกระบอกสูบจะเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว (ปริมาตรมีการเปลี่ยนแปลงไม่มาก) จังหวะการจุดระเบิดของหัวเทียนนั้นอาจเกิดก่อนที่ลูกสูบจะเคลื่อนที่ขึ้นถึงตำแหน่งสูงสุด (เรียกว่าตั้งไฟแก่) หรือหลังจากที่ลูกสูบเคลื่อนที่ถึงตำแหน่งสูงสุดและกำลังเคลื่อนที่ลง (ตั้งไฟอ่อน) ก็ได้ ขึ้นกับการออกแบบเครื่องยนต์และค่าออกเทนของเชื้อเพลิงที่ใช้ ถ้าเชื้อเพลิงมีค่าออกเทนต่ำ การจุดระเบิดหลังจากที่ลูกสูบเคลื่อนที่ถึงตำแหน่งสูงสุดและกำลังเคลื่อนที่ลงจะช่วยลดอาการน๊อคของเครื่องลงได้ (จากจุด 2 ไปยังจุด 3 ในรูปที่ 1)


ขั้นตอนที่ 5 : จังหวะกำลัง (Power stroke) : แก๊สร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ขยายตัวดันลูกสูบเคลื่อนที่ลงล่าง ส่งกำลังไปหมุนข้อเหวี่ยงและเพลาขับเคลื่อน (วาล์วไอดีและวาล์วไอเสียปิด) ในขณะนี้ความดันในห้องกระบอกสูบจะลดลงในขณะที่ปริมาตรเพิ่มขึ้นจนกระทั่งลูกสูบเคลื่อนที่ลงต่ำสุด (จากจุด 3 ไปยังจุด 4 และจุด 1 ในรูปที่ 1)


ขั้นตอนที่ 6 : จังหวะคาย (Exhaust stroke) : แรงเฉื่อยจากจังหวะกำลังจะทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่กลับไปข้างบนใหม่ วาล์วไอเสียจะเปิด (วาล์วไอดียังคงปิดอยู่) แรงดันที่เกิดจากการเคลื่อนที่ขึ้นของลูกสูบจะดันให้ไอเสีย (สีแดง) ไหลออกทางวาล์วไอเสียที่เปิดอยู่ เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุด วาล์วไอเสียก็จะปิด และกลับไปเริ่มต้นขั้นตอนที่ 1 ใหม่ (จากจุด 1 ไปยังจุด 5 ในรูปที่ 1)


(ภาพประกอบขั้นตอนที่ 1-6 มาจาก http://en.wikipedia.org/wiki/Four-stroke และดูภาพเคลื่อนไหวได้จากเวปไซด์ดังกล่าว)

ตามทฤษฎีแล้ว งานที่ได้จากเครื่องยนต์คือพื้นที่ของรูปปิด 1-2-3-4-1 ในรูปที่ 1 ยิ่งพื้นที่นี้ใหญ่ขึ้นเท่าใด ก็จะได้งานจากเครื่องยนต์มากขึ้น การเพิ่มพื้นที่รูปปิด 1-2-3-4-1 ดังกล่าว อาจทำได้โดย

1. ลดความดัน P0 ให้ต่ำลง ซึ่งการลดความดัน P0 อาจทำโดย

() ลดอุณหภูมิของแก๊สที่ขยายตัว (ช่วง 4-1) ให้ต่ำลง แต่ในทางปฏิบัติเราใช้น้ำหล่อเย็นเครื่องยนต์ ดังนั้นอุณหภูมิของน้ำหล่อเย็นจึงเป็นตัวกำหนดอุณหภูมิต่ำสุดของแก๊สที่จะทำได้

() ทำให้การระบายไอเสีย (ช่วง 1-5) ทำได้สะดวก เพราะถ้าระบายไอเสียทิ้งได้มาก ก็จะดูดไอดีเข้ามาได้มาก (ช่วง 5-1) การทำให้การระบายไอเสียเป็นไปได้สะดวกทำได้โดยการเพิ่มจำนวนวาล์วไอเสีย (เป็นการเพิ่มรูระบายและเป็นวิธีการที่รถยนต์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันทำกัน) และลดความดันลดในท่อไอเสียให้ต่ำสุด (ทีนี้พอมองเห็นภาพหรือยังว่าทำไมพวกแต่งรถจึงชอบทะลวงท่อไอเสีย และเอาพวกหม้อพักต่าง ๆ ออก)

2. เพิ่มค่าอัตราส่วนการอัด (ช่วง V2-V1) ค่าอัตราส่วนการอัดคือปริมาตรกระบอกสูบเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงต่ำสุด (ซึ่งจะมีปริมาตรมากที่สุด) ต่อปริมาตรกระบอกสูบเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุด (ซึ่งจะมีปริมาตรต่ำที่สุด) เครื่องเบนซินที่ใช้กับรถยนต์ทั่วไปจะมีค่าอัตราส่วนการอัดอยู่ที่ประมาณ 9:1 ถึง 10:1 ซึ่งขึ้นอยู่กับการออกแบบเครื่องยนต์และเชื้อเพลิงที่ใช้ (ยิ่งใช้อัตราส่วนการอัดที่สูง ก็เสี่ยงต่อการเกิดการน็อค)

3. เพิ่มความดันที่จุด 3 ให้สูงขึ้นไปอีก ซึ่งทำได้โดยการบรรจุไอดีให้เข้าไปในกระบอกสูบให้ได้มากที่สุด การบรรจุไอดีให้เข้าให้มากที่สุดอาจทำได้โดย

() เพิ่มจำนวนวาล์วไอดี เพื่อให้แก๊สไหลเข้าได้สะดวก (รถปัจจุบันมักจะมีวาล์วไอดี 2 วาล์วต่อกระบอกสูบ)

() ทำให้ความดันในกระบอกสูบลดต่ำลงให้มากที่สุดด้วยการระบายไอเสียออกให้ได้มากที่สุด (ข้อ 1())

() ติดเครื่องอัดอากาศที่เรียกกันว่าเทอร์โบ เพื่อช่วยอัดไอดีเข้าไปในกระบอกสูบ แต่ถ้าใส่มากเกินไปจนการระเบิดเกิดขึ้นรุนแรงมาก เครื่องยนต์ก็จะพังเร็วขึ้น

() ทำให้อากาศไหลผ่านไส้กรองอากาศได้สะดวก เช่น หารูปแบบไส้กรองอากาศที่ให้อากาศไหลผ่านได้ดี หรือบางรายถึงขึ้นถอดออกเลย แต่ก็เสี่ยงกับเครื่องยนต์พัง (ทีนี้พอเข้าใจหรือยังว่าทำไมถึงต้องมีการรณรงค์ให้ทำความสะอาดไส้กรองอากาศเพื่อช่วยประหยัดน้ำมัน)

เครื่องยนต์เบนซินที่มากับรถยนต์แต่ก่อนนั้นจะมีวาล์ว 2 วาล์ว (คือไอดีกับไอเสียอย่างละ 1) ต่อ 1 กระบอกสูบ (ถ้าจะมีมากกว่านั้นก็จะเป็นพวกรถแข่ง ไม่ใช่รถที่ขายให้ขับทั่วไปบนถนน) ต่อมาก็เพิ่มเป็น 3 วาล์วต่อกระบอกสูบ (วาล์วไอดี 2 วาล์วไอเสีย 1) และในปัจจุบันส่วนการมี 4 วาล์วต่อกระบอกสูบ (วาล์วไอดี 2 วาล์วไอเสีย 2) ก็เรียกว่าเป็นเรื่องปรกติไปแล้ว ทั้งยังมีการเปลี่ยนระบบจ่ายเชื้อเพลิงจากคาร์บิวเรเตอร์ไปเป็นระบบหัวฉีด ซึ่งประหยัดน้ำมันมากกว่าและจ่ายเชื้อเพลิงได้แม่นยำกว่า (เหมาะกับรถที่ติดเครื่องกรองไอเสีย) แถมยังมีการควบคุมองศาการจุดระเบิดด้วยอิเล็กทรอนิกส์ (ทำให้สามารถปรับการจุดระเบิดให้เหมาะสมกับออกเทนของน้ำมันที่ใช้ได้ ดังนั้นอย่าแปลกใจว่าทำไมรถในปัจจุบันที่สเปคเครื่องระบุว่าใช้น้ำมันออกเทน 95 แต่บางคนก็บอกว่าเอาไปเติม 91 ก็ไม่เห็นเครื่องจะมีปัญหาอะไร ทั้งนี้เป็นเพราะระบบควบคุมปรับจังหวะการจุดระเบิดใหม่เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดอาการน็อคของเครื่อง)

เครื่องยนต์ 2 จังหวะก็ยังคงรูปแบบการทำงานเช่นเดียวกันกับเครื่องยนต์ 4 จังหวะ เพียงแต่มีการรวมขั้นตอนบางขั้นตอนเข้าด้วยกัน (ดูรูปที่ 2 ประกอบ) กล่าวคือในจังหวะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นเพื่ออัดไอดีที่อยู่ข้างบน ก็จะทำการดูดไอดีใหม่เข้ามาทางด้านใต้ลูกสูบ (รูปด้านซ้ายของรูปที่ 2) และในจังหวะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลงเนื่องจากการระเบิดของไอดี ลูกสูบก็จะทำการอัดไอดีที่อยู่ข้างใต้ลูกสูบให้ไหลตามช่องทางที่ทำไว้ขึ้นไปเหนือลูกสูบ (รูปด้านขวาของรูปที่ 2) เพื่อเข้าไปไล่ไอเสียออกทางวาล์วไอเสีย (ดูภาพเคลื่อนที่ประกอบได้จาก http://th.wikipedia.org หัวข้อเครื่องยนต์ 2 จังหวะ หรือ http://www.benzckw.com/node/72)


รูปที่ 2 การทำงานของเครื่องยนต์ 2 จังหวะ (ซ้าย) จังหวะอัดและระเบิด (ขวา) จังหวะคายและดูด

(ภาพประกอบจาก http://www.mechanicskluay.th.gs/web-m/echanicskluay/page05.htm)

จะเห็นว่าในจังหวะที่ทำการไล่ไอเสียออกนั้น ก็มีไอดีเข้าไปผสมกับไอเสียบางส่วนแล้ว ดังนั้นถ้าไม่รีบปิดช่องทางไอเสียออก ก็จะมีไอดีหลุดรอดไปกับไอเสีย แต่ถ้าปิดช่องทางไอเสียเร็วเกินไป ไอดีก็จะไหลเข้าไปอยู่ด้านบนของกระบอกสูบได้ไม่เต็มที่ นอกจากนี้การที่ไอดีเข้าทางด้านล่าง ทำให้ไม่สามารถใช้ด้านล่างของกระบอกสูบเป็นอ่างเก็บน้ำมันเครื่องเหมือนในกรณีของเครื่องยนต์ 4 จังหวะได้ การหล่อลื่นของเครื่องยนต์ 2 จังหวะจึงทำได้ไม่ดีเท่าเครื่องยนต์ 4 จังหวะ

ไม่มีความคิดเห็น: