Sanook! Auto Advance : ... เครื่องยนต์ทำงานอย่างไร คุณรู้หรือเปล่า (เครื่องยนต์ ตอนที่ 2)

หลังจากคราวที่แล้ว เราได้มาพูดถึงเรื่องราวเครื่องยนต์เกี่ยวกับแรงม้าและแรงบิดไป ช่วยให้เพื่อนๆ หลายคนทำความเข้าใจเกี่ยวกับเคริ่องยนต์มากขึ้น ไม่ใช่ฟังมาเขาเล่าว่าเท่านั้น และจากกระแสตอบรับที่ดี ทำให้เรามาสู่ตอนที่ 2 ของเรื่องราวด้านเครื่องยนต์กัน

"แน่ใจหรือว่า รู้จักเครื่องยนต์" ประโยคที่ท้าทายจากเรา Sanook! Auto ต่อข้อคำถามทุกท่าน ที่คุณอาจจะรู้จักว่า เครื่องยนต์ขนาดเท่าไร หรือมีพละกำลังเท่าไร แต่ครั้งนี้เราจะพาเพื่อนๆมา ทราบถึงกระบวนการทำงานของเครื่องยนต์ ว่าทุกครั้งที่เราขับเคลื่อนมันไปบนถนน มันต้องทำอะไรบ้างทุกครั้งที่เราเหยียบเท้าไปบนแป้นคันเร่ง

เคยถามตัวเองไหมครับว่า "เครื่องยนต์ทำงานอย่างไร" หลายคนคงคิดว่า นี่อาจจะเป็นเรื่องที่ไม่จำเป็นต้องรู้ แต่อันที่จริงหลักการทำงานของเครื่องยนต์ง่ายนิดเดียว ซึ่งก่อนที่คุณจะลงลึกไปกว่านี้ เราต้องมาแยกประเภทเครื่องยนต์ก่อน เพื่อง่ายต่อความเข้าใจมากยิ่งขึ้น

 หลักการทำงานของเครื่ิองยนต์

เครื่องยนต์เบนซิน

ในปัจจุบัน เครื่องยนต์ มีอยู่ไม่กี่ประเภทที่สำคัญและยังมีใช้กันอยู่ในปัจจุบัน และหลายคนมักจะเรียกว่าตามความเคยชินว่า เครื่องยนต์เบนซินกับเครื่องยนต์ดีเซล ตามประเภทของน้ำมันเชื้อเพลิงที่ใช้ให้กำลังกับเครื่องยนต์ แต่ความจริงแล้วเครื่องยนต์ทั้ง 2 ชนิดไม่ได้มีเพียงแค่น้ำมันที่ต่างกัน แต่ยังมีวิธีการทำงานที่ต่างกันด้วย

เครื่องยนต์เบนซิน ถือเป็นเครื่องสันดาบภายในแรกๆที่เกิดขึ้น หลังจากเครื่องจักรไอน้ำ โดยเครื่องยนต์สันดาบประเภทนี้เกิดขึ้น ครั้งแรก โดย นิโคลอส ออกัส ออทโต ที่ได้ผลิตขึ้นเป็นครั้งแรกในปี 1876 ในเมืองโคโลจ์ญ ประเทศเยอรมัน

หลักการทำงานของเครื่ิองยนต์

หลักการทำงานของเครื่องยนต์ของ ออทโต นั้นยังใช้มาถึงจวบจนปัจจุบันในเครื่องยนต์เบนซินแทบทุกรุ่นแม้จะมีการเปลี่ยนแปลงไปบ้างตามยุคสมัย แต่โดยรวมก็ยังเหมือนเดิมคือ เครื่องยนต์จะทำงานแบ่งออกเป็น 4 จังหวะสำคัญได้แก่

"ดูด" คือ จังหวะที่ลูกสูบเลื่อนลงสู่ในตำแหน่งล่างสุดดูดอากาศเข้าห้องเผาไหม้ จากนั้นจะเข้าสู่จังหวะ "อัด" คือ จังหวะที่ลูกสูบในเครื่องยนต์เลื่อนกลับสู่ตำแหน่งบนสุดโดยตำแหน่งนี้ส่วนผสมน้ำมันและอากาศจะคลุกเคล้าระหว่างกัน ก่อนที่จะถึง "จุดระเบิด" โดยหัวเทียน โดยใช้ไฟขนาด 25,000 โวล์ท เป็นตัวเร่งให้ เกิดการจุดระเบิด ในจังหวะที่ 3 โดยการเผาไหม้ที่เกิดขึ้นจะดันลูกสูบลงไปสู่ตำแหน่งข้างล่าง ซึ่งเป็น "จังหวะทำกำลัง" ก่อนที่ไอเสียจากการเผาไหม้จะถูกคายออกสู่ข้างนอกใน จังหวะที่ 4 หรือ "จังหวะคาย" และ ก็เริ่มกระบวนการนี้ใหม่เรื่อยๆ อย่างต่อเนื่อง

หลักการทำงานของเครื่ิองยนต์

ในปัจจุบันเครื่องยนต์ที่มีเทคโนโลยีมากยิ่งขึ้นนำสู่ระบบการทำงานมากขึ้น หลายคนอาจจะเคยได้ยินระบบชื่อแปลกๆ อย่าง Atkinson Cycleที่เราพบได้ในรถไฮบริดต่างๆ

ระบบการทำงานแบบ Atkinson Cycle ที่จริงก็ไม่ได้แตกต่างเท่าไร เพราะตามแนวคิดของ Jame Atkinson ผู้คิดค้นการทำงานแบบนี้พัฒนาระบบของเขามาจากเครื่องยนต์ 4 จังหวะธรรมดา จากการทำงานของ Otto Cycle แต่ Atkinson ได้มีการปรับแต่งข้อเหวี่ยงให้มีช่วง "จังหวะอัด" มีช่วงเวลาสั้นและช่วงจุดระเบิดมีระยะเวลานานกว่า ทำให้สามารถถ่ายเทความร้อนได้ดีกว่า และลดการสูญเสียกำลังของเครื่องยนต์เองกว่า 10% แต่ในอดีตเครื่องยนต์แบบ atkinson จะสูญเสียแรงบิดในรอบต่ำ ทำให้ไม่สามารถตอบสนองได้ ทว่าปัจจุบันเครื่องยนต์ได้ใช้ระบบวาล์วแปรผันเข้ามาช่วยในการทำงานในการทำตามแนวคิดของ Atkinson เช่นเดียวกับมอเตอร์ไฟฟ้า ในรถยนต์ไฮบิดที่ให้แรงบิดสูงในรอบต่ำ จึงเป็นสาเหตุว่าทำไมเราถึงพบว่ารถยนต์ไฮบริด ถึงชอบใช้เครื่องยนต์ภายใต้แนวคิด Atkinson Cycle

นอกจากแนวคิดของระบ บ Atkinson แล้วยังมีแนวคิดที่สำคัญกับระบบ Miller Cycle หรือ บางคนมักเรียก การทำงานของระบบนี้ว่า "เครื่องยนต์ 5 จังหวะ" ทั้งที่จริงแล้ว ระบบของ Miller Cycle ทำงานแบบเดียวกับ Otto Cycle แต่มีความแตกต่างกันเล็กน้อย

ระบบ Miller Cycle คิดค้น โดย Ralph Miller วิศวกรชาวอเมริกัน ที่เริ่มแนะนำระบบนี้ครั้งแรกเมื่อปี 1940 โดยมิลเลอร์มองว่า เครื่องยนต์สันดาบทั่วไป มักจะมีการสูญเสียแรงในช่วง "อัด" และกลับกันจะทำกำลังมากในช่วงจุดระเบิด หรือ "ช่วงทำกำลัง" เขาจึงมองว่าเครื่องยนต์ที่สามารถทำกำลังได้ดีจะเป็นเครื่องที่ใช้กำลังตัวเองน้อย หรือมีช่วงอัดสั้นกว่าช่วงทำกำลัง

หลักการทำงานของเครื่ิองยนต์

ที่มาของคำว่า "เครื่องยนต์ 5 จังหวะ" เกิดขึ้นในกระบวนการทำงานของเครื่องยนต์ของเขา โดย จากจังหวะอัด ที่สูญเสียกำลังค่อนข้างมาก Miller ได้จับเอาซุปเปอร์ชาร์จเข้ามาติดตั้งและใช้กำลังจากเครื่องยนต์มาปั่นลมเข้าสู่ห้องเผาไหม้ แทนที่เครื่องยนต์จะต้องออกแรงดูดอากาศเองทั้งหมด การนำซุปเปอร์ชาจ์เข้ามาติดตั้งทำให้อากาศมีแรงดันเข้าสู่ห้องเผาไหม้ได้ด้วยตัวเอง และวาล์ไอดีจะเปิดจนลูกสูบขึ้นมาเกือบ70-80 % ทำให้ลดการสูญเสียกำลังขั้นตอนนี้ได้มากกว่า 10-15 % อีกประการอากาศจากซุปเปอร์ชาร์จจะมีการหล่อเย็นด้วยอินเตอร์คูลเลอร์ ทำให้มีความหนาแน่นของอากาศมากกว่า ส่งผลให้ทำกำลังมากกว่า

หลักการของระบบ Miller Cycle นี้หลายคนอาจจะคิดว่าห่างไกลจากแนวคิดรถยนต์ปัจจุบันมากหรืออาจจะใช้กับรถยนต์สมรรถนะสูง ทว่าปัจจุบันเทคโนโลยีเครื่องยนต์เทอร์โบดีเซลนั้น ก็ได้แนวคิดมาจากระบบของ Miller Cycle เพียงแต่เปลี่ยนจากการใช้กำลังซุปเปอร์ชาร์จเป็นเทอร์โบแต่ไม่ได้ทำเป็นเครื่องยนต์5 จังหวะ และยังมีเครื่องยนต์อีกหลายตัวที่นำมาแนวคิดมาใช้ เช่นใน Nissan March DIG-S ที่ขายในทวีปยุโรปที่มีกำลังกว่า 96 แรงม้า จากเครื่องยนต์ 1.2 ลิตร ซุปเปอร์ชาร์จ แต่ยังให้อัตราประหยัดระดับ 29 กิโลเมตร/ลิตร

 

เครื่องยนต์ดีเซล

ในด้านเครื่องยนต์ดีเซล แม้จะมองเหมือนมีความแตกต่างกันสุดขั้ว แต่เครื่องยนต์เหล่านี้ก็มีหลักการทำงานคล้ายกัน เครื่องยนต์ดีเซล คิดค้นขึ้นเป็นครั้งแรกใน 1897 โดย รูดอล์ฟดีเซล โดยก่อนหน้านี้ เขาได้นำเสนอบทความ Theory and Construction of a Rational Heat-engine to Replace the Steam Engine and Combustion Engines Known Today appeared ในปี 1983 และเป็นที่มาของเครื่องยนต์ดีเซล

เครื่องยนต์ ดีเซล ยังพัฒนามาจากเครื่องยนต์แบบ 4 จังหวะเช่นกัน แต่เปลี่ยนวิธีการจุดระเบิดในขั้นตอนที่ 2 และ 3 ของกระบวนการสันดาบภายใน แทนที่จากการผสมน้ำมันเข้ากับอากาศแล้วจุดระเบิดด้วยหัวเทียน มาเป็นการอัดอากาศเพียงอย่างเดียว ใน "จังหวะอัด" ให้อากาศมีความร้อนประมาณ 550 องศาเซลเซียส หรือเครื่องยนต์จะมีกำลังราวๆ 15.0:1 จนถึง 22.0 :1 ก่อนที่จะจ่ายน้ำมันเข้าสู่ห้องเผาไหม้ อากาศที่ร้อน จะทำให้น้ำมันดีเซลเกิดการลุกไหม้เองและการระเบิดดังกล่าวก็จะดันลูกสูบให้ทำกำลัง

หลักการทำงานของเครื่ิองยนต์

ปัจจุบันเครื่องยนต์ดีเซลมีพัฒนาการไปมาก ทั้งในแง่การเพิ่มระบบอัดอากาศเข้ามาเสริมการทำงานก็ดี อย่างเช่นที่เราได้กล่าวไปแล้ว รวมถึงการพัฒนาระบบจ่ายน้ำมันให้มีความแม่นยำมากยิ่งขึ้น อย่างที่เราได้ยินคำว่า Common rail ที่ใช้ระบบหัวฉีดไฟฟ้าเข้ามาจ่ายน้ำมันรวมถึงยังมีการเพิ่มแรงดันน้ำมันในรางให้สูงขึ้นเ พิ่มการฉีดเข้าสู่ห้องเผาไหม้ให้แรง ทำให้เป็นฝอยละเอียดขึ้นจุดระเบิดได้ง่ายขึ้น ให้กำลังดีกว่าเดิม

ทั้งหมดในงวดนี้อาจจะยาวไปเสียเล็กน้อย แต่นี่คือพื้นฐานของหลักการทำงานเครื่องยนต์ในปัจจุบัน ที่หลายคนอาจจะไม่เคยทราบมาก่อน แต่แน่นอนว่าเมื่อคุณทราบว่าเครื่องยนต์ทำงานอย่างไรแล้ว คุณก็อาจจะยังต้องเข้าใจธรรมชาติของขุมพลังใต้ฝากระโปรงรถคุณมากขึ้นด้วย ซึ่งเราจะมาพูดคุยกันในครั้งหน้าครับ ...สวัสดี