|
|
V-Tech |
ปฐมบท ขุมพลัง
โดย V040
ตุ๊ก ตุ๊ก ฯลฯ แต่จะมีสักกี่มากน้อยที่รู้ว่า เจ้าเครื่องยนต์นี้จริงๆ แล้วมันทำงานรับใช้เราๆ
ท่านๆ ได้ยังไง
การทำงานของเครื่องยนต์ ก็เป็นเรื่องง่ายๆ ไม่ได้สลับซับซ้อนแต่อย่างไรหรือจะบอกว่า
มันยุ่งยากก็ได้อีกเช่นกัน แล้วแต่ว่าจะมองด้านไหน เพราะถ้ามองว่ามันเป็นเพียงเครื่องจักร
(ที่มีมากที่สุดในโลก) คอยอำนวยความสะดวกในการเดินทาง ช่วยทุ่นแรงงานคน ฯลฯ
ก็นับว่าง่ายอยู่ แต่ถ้ามองว่ามันมีวิธีที่จะใช้ประโยชน์และบำรุงรักษาอย่างไรนี่เริ่มยากแล้ว
ใช่มั๊ยครับ เอาละที่นี้มาทำความรู้จักกับเจ้าเครื่องยนต์อีกสักเล็กน้อย คุณก็จะสนุกกับการ
ใช้งานมันยิ่งขึ้นไป
การเผาไหม้ (สันดาป) เชื้อเพลิง คือ
1. เครื่องยนต์ที่ทำการเผาไหม้ภายนอก เช่นที่ใช้ในรถไฟไอน้ำ (สมัยก่อน) หรือใน
แถบประเทศที่มีถ่านและไม้อุดมสมบูรณ์ ซึ่งปัจจุบันนี้ก็หาชมได้ยากแล้ว และก็คงจะไม่
กล่าวถึง ณ ที่นี้ครับ
2. เครื่องยนต์เผาไหม้ภายใน (ที่เราจะคุยกัน) ซึ่งก็ยังแยกย่อยตามประเภทของการใช้
เชื้อเพลิงได้อีกหลายชนิด เช่น เครื่องยนต์ Benzene, Diesel, CNG (Compressed
Natural Gas) ฯลฯ แต่ทั้งหมดทั้งสิ้นล้วนแต่มีหลักการทำงานที่เหมือนกันนั่นคือ
มันทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานเคมี (เชื้อเพลิงชนิด Hydro-carbon C-H chain;
อ่านข้ามไปก็ได้ครับ) ให้เป็นพลังงานความร้อน (ด้วยการเผาไหม้) และจากนั้นก็เปลี่ยน
พลังงานความร้อนให้กลายเป็นพลังงานทางกล (การหมุนของเพลา) อีกต่อหนึ่ง
1. เครื่องยนต์ลูกสูบชัก (Piston engine) เป็นเครื่องยนต์ที่นิยมใช้กันมากที่สุด
ให้กำลังงานอยู่ในระดับพอใช้ ดูแลรักษาง่าย ซึ่งก็ได้ใช้อยู่ในรถของท่านนั่นเองครับ
2. เครื่องยนต์ลูกสูบหมุน (Rotary engine) เป็นเครื่องยนต์ที่ให้แรงม้าสูงแต่มีแรง
บิดต่ำ ซึ่งต้องใช้ Technology ชั้นสูงในการสร้าง และเนื่องด้วยเป็นเครื่องยนต์ที่มี
ความเร็วรอบสูงมาก (ประมาณ 15000 - 20000 RPM) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการ
ดูแลเอาใจใส่ทั้งด้านการใช้งาน และ การบำรุงรักษาเป็นอย่างดี ที่เราพอจะรู้จักก็เห็นมี
แต่ บริษัท Mazda ที่ผลิต และ พัฒนาอยู่ครับ อาจจะมีบริษัทอื่นทำด้วยแต่พวกเรา
อาจจะไม่ใคร่จะคุ้นเคยมากครับ
3. เครื่องยนต์กังหัน (Turbine engine) ยังเป็นเครื่องยนต์ที่ใช้กับเครื่องบินซะ
99.99% สาเหตุที่ยังไม่เหมาะกับรถยนต์ก็เพราะว่า ระบบความปลอดภัยในการใช้
ยังไม่ดีพอ เพราะเป็นเครื่องยนต์ที่อาศัยหลักการเคลื่อนที่ หรือ การถ่ายเทพลังงาน
ด้วยแรงดันไอเสีย ดังนั้นไอเสียที่เครื่องยนต์ชนิดนี้ปล่อยออกมาจึงมีแรงดันสูงมาก
ซึ่งอาจจะก่อให้เกิดอันตรายกับสิ่งที่อยู่ด้านหลัง หรือ ในทิศทางของไอเสีย
อีกทั้งค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาก็สูงมากครับ
แต่ก่อนอื่นเราจำเป็นต้องรู้จักขิ้นส่วนของเครื่องยนต์อีกสักเล็กน้อยก่อนนะครับเพื่อที่คุณ
จะได้เข้าใจกลไกของเครื่องยนต์ง่ายขึ้น ก็เอาเฉพาะเครื่องยนต์ลูกสูบเท่านั้นเองครับ
และก็ชิ้นส่วนหลักๆ ก่อน เริ่มต้นที่ กระบอกสูบ ลูกสูบ และ ก็ก้านสูบก่อนเลยละกัน
ซึ่งทั้ง 3 ชิ้นนี้จะมีหน้าตาเหมือนกับชิ้นส่วนในกระบอกเข็มฉีดยาครับ
ลูกสูบ ก็คือลูกยางในกระบอกเข็มฉีดยา ซึ่งมันเคลื่อนที่ ขึ้น-ลง ได้ด้วยการ ดัน-ดึง
จากก้านสูบ ที่ยึดอยู่ด้านล่าง ต่อมาก็ข้อเหวี่ยง กับเพลาข้อเหวี่ยง เจ้า 2 ตัวนี้จะมี หน้าตาเหมือนกงล้อของจักรเย็บผ้าครับ คือที่ขอบของกงล้อ จะมีก้านต่อออกไป
รับกับก้านสูบ เพื่อทำหน้าที่เปลี่ยนลักษณะการเคลื่อนที่แบบ ขึ้น-ลง (เส้นตรง)
ให้เป็นการหมุน (เส้นโค้ง)
สุดท้ายก็คือ หัวเทียน และ ลิ้น เปิด-ปิด อากาศ หรือ ไอเสีย ซึ่งมันจะอยู่ที่ด้านบนของ
กระบอกสูบครับ โดยหัวเทียนจะทำหน้าที่จุดประกายไฟ เพื่อทำการเผาไหม้เชื้อเพลิง
เท่านี้ก่อนละกัน
งานนี้ สามารถอธิบายเป็นจังหวะการเคลื่อนที่ได้ง่ายๆ คือ
1. จังหวะดูด คือจังหวะที่ลูกสูบเคลื่อนตัวลงจากด้านบนสุดเพื่อดูดเอาไอดีเข้าไปใน
กระบอกสูบไอดี ของเครื่อง Benzene คือ อากาศ + น้ำมัน (เครื่องยนต์ Diesel
จะดูดเอาแต่อากาศอย่างเดียว) ในอัตราส่วนที่เหมาะสม ซึ่งจะใช้อากาศ 15 ส่วน
ต่อน้ำมันเชื้อเพลิง 1 ส่วนโดยน้ำหนัก ไหลเข้าสู่ภายในกระบอกสูบ โดยที่มีกลไกของ
ลิ้นไอดี (Intake valve) ที่อยู่ด้านบนของกระบอกสูบ เป็นตัวเปิดให้ไอดีที่ไหล
ผ่านท่อไอดีเข้ามาได้ ก็เหมือนกับที่เวลาคุณหมอดูดยาจากหลอดเข้าสู่เข็มฉีดยา
ยังงัยละครับ
2. จังหวะอัด หลังจากที่ลูกสูบดูดเอาไอดีเข้ามา จนกระทั่งลูกสูบลงมาต่ำสุดแล้ว
ลูกสูบก็จะเริ่มเคลื่อนที่ขึ้นเพื่ออัดส่วนผสมไอดีให้มีความร้อนสูงขึ้น(เหมือนการอุ่น)
สำหรับการเผาไหม้ในจังหวะต่อไป โดยจะอัดไอดีจาก 8-10 ส่วนให้เหลือเพียง 1 ส่วน
ในเครื่องยนต์แบบ Benzene ซึ่งเรียกว่าอัตราส่วนกำลังอัด หรือ Compression
Ratio (ถ้าเป็นเครื่องยนต์ Diesel จะมีอัตราส่วนกำลังอัดสูงมากกว่าประมาณ
17-22:1) คือว่าถ้าอัตราส่วนกำลังอัดสูง เช่น 10:1 มันก็จะทำให้ไอดีมีอุณหภูมิสูง
สิ่งที่ตามมาก็คือ ทำให้การเผาไหม้รุนแรง ส่งผลให้ได้แรงม้าสูงขึ้นนั่นเอง แต่ก็จะ
มีความยุ่งยากในการที่จะควบคุมการเผาไหม้ เพราะอาจจะเกิดการจุดระเบิด หรือ
เผาไหม้ขึ้นเอง (Self ignition) ซึ่งตรงกันข้ามกับอัตราส่วนกำลังอัดที่ต่ำลงมา
เช่น 8:1 มันก็มีประโยชน์ตรงที่ควบคุมการเผาไหม้ได้ง่าย เพียงแต่ว่าเราจะได้พลัง
งานน้อยลงไป
ดังนั้นเจ้าอัตราส่วนนี้นี่เองที่เป็นตัวกำหนดว่า เราจะต้องเติมน้ำมันที่มีค่า
Octane มากน้อยเท่าไร เพื่อป้องกันไม่ให้มีการเผาไหม้ก่อนเวลาอันสมควร คือ
ถ้าอัตราส่วนกำลังอัด ต่ำตั้งแต่ 9.5:1 ลงมาให้ใช้น้ำมันที่มีค่าOctane 91 ก็เพียง
พอแล้ว (จะได้ประหยัด) แต่ถ้าสูงกว่านี้จึงจะใช้ค่า Octane 95 ครับ
(สำหรับเครื่อง Diesel จะใช้ค่า Cetane เป็นตัวกำหนดครับ) ก็ขอเปรียบเทียบ
กับการฉีดยาของคุณหมออีกเช่นเดิม คือ หลังจากที่ยาถูกประจุ (ดูด) อยู่ในหลอดแล้ว
คุณหมอก็จะดันลูกสูบขึ้นเพื่อที่จะฉีดยานั้นเข้าสู่ร่างกายของเรา
ไฟจากหัวเทียน คือเมื่อไอดีถูกอัดและลูกสูบอยู่ที่ตำแหน่งบนสุด หัวเทียนก็จะจุดประกายไฟ
ขึ้นทำให้เกิดมีการเผาไหม้เชื้อเพลิงขึ้น (เครื่องยนต์ Diesel จะเป็นการฉีดน้ำมันเข้าปะทะ
กับอากาศร้อนที่เกิดจากการอัดตัว) และความร้อนที่เกิดขึ้นนี้จะทำให้อากาศขยายตัวออก
ลูกสูบจึงถูกดันออกอย่างรวดเร็วและรุนแรงมาก เปรียบเหมือนตอนทำผักบุ้งไฟแดงครับ
คือเมื่อพ่อครัวเขาอุ่นน้ำมันในกระทะจนร้อนได้ที่แล้ว เขาก็จะนำเอาผักบุ้งลงไปผัด
แต่เนื่องจากผักบุ้งที่โยนลงไปนั้นได้ขังอากาศที่อยู่เหนือน้ำมันซึ่งร้อนอยู่ และ เมื่ออากาศ
(Oxygen; O2) นั้นถูกอัดตัวอย่างรวดเร็วจากน้ำหนักของผักบุ้ง จึงทำให้เกิดการลุกไหม้
ขึ้นครับ ในจังหวะนี้จะเกิดปฏิกิริยาทางเคมีมากมายและรวดเร็ว ซึ่งถ้าการเผาไหม้เป็นไป
ด้วยความถูกต้อง
ทั้งเรื่องของอัตราส่วนน้ำมันต่ออากาศ และระยะเวลาที่ทำการเผาไหม้มีอย่างเพียงพอแล้ว
ก็จะไม่เกิดมลพิษเลยครับ เพราะสิ่งที่ได้จากการเผาไหม้ ก็คือ น้ำ (H2O) และ Carbon-
dioxide (CO2) ซึ่งไม่เป็นอันตราย ตัวที่เป็นอันตรายก็เช่น Carbon-monoxide
(CO) หรือ Nitrogen-oxide (NO2) อันเกิดจากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์นะครับ
เราจะพบหยดน้ำได้ที่ปลายท่อไอเสีย (แต่คงไม่พบน้ำสำหรับเครื่อง Diesel
เนื่องจากเครื่องยนต์ชนิดนี้เผาไหม้ที่อุณหภูมิต่ำ การเผาไหม้จึงไม่สมบูรณ์)
สำหรับวิธีการแก้ไข หรือ การทำให้การเผาไหม้สมบูรณ์นั้นจะอธิบายภายหลังนะครับ
สุดลงและอากาศได้ขยายตัวดันลูกสูบจนหมดแรงดันแล้ว ไอเสีย (อากาศ + น้ำมันที่เผา
ไหม้แล้ว) ก็จะถูกไล่ออกจากกระบอกสูบ โดยการเปิดของลิ้นไอเสีย (Exhaust valve)
และลูกสูบก็จะเคลื่อนที่ขึ้นดันไอเสียให้ออกไปตามท่อไอเสีย เพื่อที่จะรอรับไอดีใน
จังหวะต่อไป (วนซ้ำในจังหวะดูดอีกครั้ง)
ในจังหวะนี้ก็มีสิ่งที่น่าสนใจอยู่ประการหนึ่งคือเราไม่สามารถคายไอเสียออกไปได้หมด
(อย่างน้อยก็มีค้างหลงเหลืออยู่ที่ห้องเผาไหม้ คือ บริเวณบนสุดของลูกสูบ) ดังนั้น
จึงจำเป็นที่จะต้องทำอะไรบางสิ่งเพื่อขับไล่ไอเสียออกไปให้หมดให้ได้ และสิ่งที่
สามารถทำได้อย่างหนึ่งก็คือ การใช้ไอดีขับไล่ไอเสีย โดยอาศัยจังหวะที่เริ่มดูดไอดี
เข้ามา (เป็นจังหวะที่ลูกสูบจะเริ่มเคลื่อนที่ลงอีกครั้ง) ซึ่งลิ้นไอเสียก็จะถูกสั่งให้เปิด
ค้างไว้ ทำให้ไอดีไหลเข้ามาในกระบอกสูบพร้อมกับดันไอเสียออกไปด้วย ซึ่งเรียก
จังหวะของลิ้นแบบนี้ว่า Overlap (ลิ้นไอดี และ ไอเสีย เปิดค้างพร้อมกัน)
ก็ใช่ว่าจะดีเสมอไปนะครับเพราะว่าถึงแม้จะไล่ไอเสียออกไปได้ แต่เราก็ต้องสูญเสีย
ไอดีไปจำนวนหนึ่งเช่นกัน จึงทำให้เกิดการสิ้นเปลืองถ้าหากมีจังหวะลักษณะนี้นาน
แต่โดยปกติแล้วเครื่องยนต์จะถูกออกแบบมาให้มีจังหวะ Overlap อย่างพอดี
แต่ถ้าเป็นรถที่เขานำมาแข่งความเร็วแล้วก็เป็นอีกเรื่องหนึ่ง เพราะวัตถุ ประสงค์
ที่ต้องการในด้านความเร็วต่างกันครับ ที่หลายๆ คนอาจจะเคยได้ยินที่เขาพูดกันว่า
แต่งแคม (Cam) ก็คือการทำให้จังหวะ Overlap มีเวลานานขึ้น
โดยการทำให้ลิ้นไอดีเปิดก่อนที่ไอเสียจะออกไปหมด และ ลิ้นไอเสียปิดช้า
ลงกว่าเดิม (เปิดค้างไว้) เพื่อต้องการจะไล่ไอเสียออกไปให้หมดจดนั่นเองครับ
Carburetor และ Injector แล้วเจอกันครับ