มาดูสิว่าเครื่องยนต์ทำงานอย่างไร

จากครั้งที่แล้วที่พูดถึงส่วนประกอบของรถยนต์ คราวนี้เราจะมาพูดถึง เครื่องยนต์กันดีกว่า

เครื่องยนต์ 

เครื่องยนต์นับเป็นส่วนประกอบสำคัญที่ทำให้รถยนต์มีความแตกต่างไปจากรถที่ใช้แรงฉุดลาก หรือการขับเคลื่อนจากแรงภายนอก เครื่องยนต์จะเป็นตัวสร้างพลังงานที่ใช้ขับเคลื่อนตัวรถให้เคลื่อนที่ไปด้วยตัวเอง
ในยุคแรกๆของการพัฒนารถยนต์ ได้มีการคิดค้นหาแหล่งที่จะทำให้รถเคลื่อนที่ได้เองอย่างหลากหลายชนิด ไม่ว่าจะเป็นแรงลม พลังไอน้ำ พลังงานไฟฟ้า ฯลฯ แต่ท้ายที่สุดเมื่อเห็นว่าการนำเอาเครื่องยนต์แบบสันดาปภายในมาใช้ในการขับเคลื่อนรถ เป็นวิธีที่มีปัญหาน้อยที่สุด ตั้งแต่นั้นมาจนถึงวันนี้เป็นเวลากว่า 120 ปีที่ได้มีการใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในควบคู่กับรถยนต์มาตลอด และความหมายของคำว่ารถยนต์ยังครอบคลุมไปถึงรถที่เคลื่อนที่ด้วยพลังงานอื่นๆเช่น รถไฟฟ้า หรือรถไฮบริด(Hybrid)ที่ใช้ได้ทั้งพลังไฟฟ้าและเครื่องยนต์สันดาปภายในด้วย เครื่องยนต์แบบสันดาปภายในที่ใช้กับกับรถยนต์มาตั้งแต่นุคแรกเริ่มเมื่อ 120 กว่าปีก่อน กับเครื่องยนต์ที่ใช้กับรถยนต์
ในยุคปัจจุบัน ยังคงมีโครงสร้างและหลักการทำงานที่แทบจะไม่แตกต่างกัน ความแตกต่างระหว่างเครื่องยนต์ของรถยนต์รุ่นเก่ากับรุ่นปัจจุบันอาจจะเรียกได้ว่ามีในส่วนของรูปทรงที่กะทัดรัด และประสิทธิภาพการทำงานที่สูงขึ้นนับร้อยเท่า ยกตัวอย่างเครื่องยนต์แบบสูบเดี่ยวของรถยนต์คันแรกของโลก มีความจุกระบอกสูบ 958 ซีซี. ให้กำลังเทียบเท่ากับม้าประมาณ 0.8 ตัว เทียบกำลังของเครื่องยนต์กับความจุกระบอกสูบ 1 ลิตรแล้วจะมีอยู่ประมาณไม่ถึง 1 แรงม้าต่อลิตร แต่เครื่องยนต์ของรถรุ่นที่จำน่ายในท้องตลาดปัจจุบันจะเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 60 ไปจนถึง 100 กว่าแรงม้าต่อเครื่องยนต์ที่ทีความจุ 1 ลิตร และไม่อาจเทียบได้กับเครื่องยนต์ของรถแข่งที่สามารถผลิตแรงม้าออกมาได้มากเป็นหลายร้อยแรงม้าเมื่อเทียบกับความจุเครื่องยนต์ 1 ลิตรเท่ากัน นี่คือวิวัฒนาการของสิ่งที่เกิดขึ้นในช่วงร้อยกว่าปี
เครื่องยนต์แบบสันดาปภายใน
เครื่องยนต์แบบสันดาปภายในได้แก่ เครื่องยนต์ที่มีการระเบิดหรือเผาไหม้ส่วนผสมของเชื้อเพลิงกับอากาศเกิดขึ้นภายในเครื่องยนต์ แรงระเบิดจากการเผาไหม้จะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานเพื่อใช้ในการขับเคลื่อนตัวรถ
หลักการทำงานนี้อ่านแล้วอาจจะเข้าใจยาก แต่ถ้าจะยกตัวอย่างให้เข้าใจง่ายขึ้นก็ต้องบอกว่า เมื่อเอาอากาศกับน้ำมันเชื้อเพลิงป้อนเข้าสู่เครื่องยนต์และให้มีกระบวนการจุดระเบิดเกิดขึ้นของส่วนผสมทั้งสองชนิดภายในกระบอกสูบ เครื่องยนต์ก็จะทำงานหรือเกิดการหมุนที่เพลาข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์ได้ แล้วเราก็เอาพลังงานจากการหมุนของเครื่องยนต์นี้ไปใช้ในการขับเคลื่อนรถยนต์อีกทีหนึ่ง
ความแตกต่างจากเครื่องยนต์สันดาปภายนอก
เครื่องยนต์แบบสันดาปภายใน จะมีกระบวนการเผาไหม้ของอากาศกับเชื้อเพลิงเกิดขึ้นภายในเครื่องยนต์ เช่นในกระบอกสูบ แต่เครื่องยนต์สันดาปภายนอกถ้าโดยหลักการ้วจะต้องเป็นการเผาไหม้จากภายนอกเครื่องยนต์ แล้วจึงเอาความร้อนจากการเผาไหม้ที่ได้นั้นไปใช้งานอีกต่อหนึ่ง ยกตัวอย่างง่ายๆก็คือเครื่องจักรไอน้ำที่ใช้ในการขับเคลื่อนหัวจักรรถไฟในอดีต ที่อาศัยการต้มน้ำให้ร้อนด้วยเตาที่มีเชื้อเพลิงเป็นฟืน แล้วจึงนำเอาไอน้ำไปขับดันเครื่องจักรไอน้ำอีกต่อหนึ่ง เมื่อเครื่องจักรไอน้ำทำงานจึงสามารถขับดันให้ล้อของหัวรถจักรหมุนได้ และขับเคลื่อนตัวรถไปได้ในที่สุด แต่ก็ด้วยประสิทธิภาพที่ต่ำมาก เพราะต้องสูญเสียพลังงานในการขับเคลื่อนไปหลายขั้นตอนกว่าจะถึงล้อรถ ความนิยมจึงลดน้อยลงไปจนแทบไม่เหลือให้เห็นในปัจจุบัน
เครื่องยนต์สันดาปภายในสามารถแบ่งได้หลายประเภทเช่น

1. แบ่งตามโครงสร้างของเครื่องยนต์ อาจจะได้เป็นเครื่องยนต์แบบลูกสูบธรรมดา, ลูกสูบแบบสามเหลี่ยมหรือโรตารี่ ฯลฯ
2. แบ่งตามวัฏจักรการทำงาน ก็จะได้เป็นเครื่องยนต์แบบ 2 จังหวะ หรือ 4 จังหวะ
3. แบ่งตามชนิดเชื้อเพลิง ก็อาจจะได้เป็น เครื่องยนต์เบนซิน และดีเซล เป็นต้น

เนื่องจากรถยนต์ที่ผลิตออกจำหน่าย และนิยมใช้งานกันอย่างแพร่หลายเรียกว่าเกือบจะ100% เป็นเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบ 4 จังหวะ ที่ใช้เชื้อเพลิงน้ำมันเบนซินและดีเซลเป็นหลัก และเกือบจะร้อยละ 100 จะเป็นเครื่องยนต์ที่มีลูกสูบวิ่งขึ้นลงในกระบอกสูบที่เรียกว่า Reciprocating engine และมีเพียงเล็กน้อยไม่กี่เปอร์เซนต์ที่ใช้เครื่องยนต์แบบลูกสูบหมุนหรือว่า Rotary engine ดังนั้นในบทความที่จะอ้างถึงเครื่องยนต์สำหรับรถยนต์ต่อไปนี้ ถ้าไม่มีการจำเพาะเจาะจงใดๆเป็นพิเศษ จะหมายถึงเครื่องยนต์แบบลูกสูบหรือ Reciprocating ที่ทำงานเป็นแบบ 4 จังหวะเป็นหลัก
เครื่องยนต์แบบ 2 จังหวะ และ 4 จังหวะ
เพื่อเป็นการเปรียบเทียบให้เห็นถึงความแตกต่างของเครื่องยนต์ที่นิยมใช้ในปัจจุบัน จะขอเปรียบเทียบเพิ่มเติมในระบบการทำงานระหว่างเครื่องยนต์แบบ 2 จังหวะและ 4 จังหวะ
เครื่องยนต์ทั้ง 2 และ 4 จังหวะ ถ้าดูจากภายนอกอาจจะไม่เห็นความแตกต่างของโครงสร้างและส่วนประกอบของเครื่องยนต์มากนัก แต่ถ้าศึกษาลึกลงไปภายในจะพบว่า มีชิ้นส่วนประกอบหลายชิ้นที่มีความแตกต่างๆกัน
เครื่องยนต์ 2 จังหวะจะมีส่วนประกอบหลักๆคือ กระบอกสูบ ลูกสูบ แหวนลูกสูบ ก้านสูบ เพลาข้อเหวี่ยง วาล์วอาจจะมีให้เห็นเป็นแบบโรตารี่วาล์วที่หมุนตามข้อเหวี่ยง Reed valveที่อาศัยแรงดูดของลูกสูบ หรืออาศัยลูกสูบทำหน้าที่เป็นวาล์วในตัวก็เป็นได้
ส่วนเครื่องยนต์ 4 จังหวะ จะมีส่วนประกอบของเครื่องยนต์ที่คล้ายกับเครื่องยนต์ 2 จังหวะ แต่จะมีความแตกต่างในส่วนที่เป็นวาล์วหรือลิ้นควบคุมการนำเข้าไอดี หรือคายไอเสียให้เห็นอย่างชัดเจน
เครื่องยนต์ 2 จังหวะ เมื่อเริ่มทำงาน

1. ไอดีจะถูกดูดเข้าสู่ห้องเผาไหม้ในจังหวะที่ลูกสูบเคลื่อนตัวลงจากจุดสูงสุด ห้องข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์ 2 จังหวะจะถูกออกแบบให้ทำหน้าที่เป็นห้องกักเก็บไอดีไปในตัว เมื่อลูกสูบเลื่อนลงจากจุดศูนย์ตามบนก็จะเป็นการ”ไล่”ไอดีในห้องข้อเหวี่ยงให้เข้าไปในกระบอกสูบ ผ่านทางช่องพอร์ต (Scavenging port)ที่อยู่รอบๆผนังกระบอกสูบ
2. เมื่อลูกสูบเคลื่อนตัวกลับขึ้นจากตำแหน่งล่างสุดอีกครั้ง ก็จะเป็นการบีบอัดไอดีให้มีปริมาตรเล็กลงเหลือเพียง 1 ใน 6-8 ของปริมาตรเดิมเมื่อลูกสูบเคลื่อนขึ้นไปอยู่ตำแหน่งศูนย์ตายบน เมื่อมีการจุดระเบิดเพื่อเผาไหม้ไอดี แรงระเบิดจะขับดันให้ลูกสูบเคลื่อนตัวลงไปสูจุดต่ำสุดอีกครั้งหนึ่ง ในจังหวะนี้ไอดีใหม่จะถูกไล่จากห้องข้อเหวี่ยงเข้าสู่กระบอกสูบเหมือนกับจังหวะที่ 1 ขณะเดียวกันก็ยังทำหน้าที่”ไล่”ไอเสียที่เกิดจากการเผาไหม้ในจังหวะที่ 1 ออกไปด้วย

การทำงานของเครื่องยนต์ 2 จังหวะจะอัดไอดีเพื่อจุดระเบิดเมื่อลูกสูบเคลื่อนขึ้น และมีการดูดเอาไอดีเข้ามาเผาไหม้และไล่ไอเสียออกไปเมื่อลูกสูบเคลื่อนลงในทุกรอบการหมุนของเครื่องยนต์
ดังนั้นจึงมีไอดีส่วนหนึ่งอาจผสมปะปนกับไอเสียที่ยังไหลออกไม่หมด และตกค้างอยู่ในกระบอกสูบ หรือไม่ก็มีไอดีบางส่วนเล็ดลอดปะปนกับไอเสียที่ถูกไล่ออกไป ทั้งนี้และทั้งนั้นก็ขึ้นอยู่กับการออกแบบและชนิดของวาล์วที่ทำหน้าที่กักเก็บไอดีที่อยู่ในห้องข้อเหวี่ยง และการออกแบบ Scavenging port ไปจนถึงการคำนวณความยาวของท่อไอเสีย จึงจะทำให้เครื่องยนต์ 2 จังหวะทำงานได้ประสิทธิภาพสูงสุดที่รอบใดรอบหนึ่งได้ ข้อด้อยอีกประการหนึ่งของเครื่องยนต์ 2จังหวะก็คือ จะสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงสูงกว่าเครื่องยนต์แบบ 4 จังหวะเมื่อเทียบกับขนาดความจุของเครื่องยนต์
เครื่องยนต์ 4 จังหวะ จะมีการแบ่งแยกการทำงานที่ชัดเจนในแต่ละจังหวะ

1. เมื่อเริ่มต้นการทำงานในจังหวะที่ลูกสูบเคลื่อนลงจากตำแหน่งศูนย์ตายบน วาล์วไอดีจะถูกเปิดออกเพื่อให้ไอดีไหลเข้าสู่กระบอกสูบอย่างเต็มที่จนกระทั่งลูกสูบเคลื่อนตัวลงไปถึงจุดล่างสุดหรือศูนย์ตายล่าง
2. เมื่อลูกสูบเคลื่อนตัวขึ้นสู่ตำแหน่งศูนย์ตายบนอีกครั้ง วาล์วไอดีจะถูกปิดพร้อมกับวาล์วไอเสีย ทำให้ไอดีในกระบอกสูบถูกอัดจนมีปริมาตรเล็กลงเหลือ 1 ใน 8-10 ของปริมาตรเดิมและอุณหภูมิเพิ่มขึ้นจนพร้อมที่จะถูกจุดระเบิด
3. เมื่อมีการจุดระเบิดของไอดีในห้องเผาไหม้ แรงระเบิดจะขับดันให้ลูกสูบเคลื่อนที่ลงด้านล่างอย่างรุนแรง ทำให้เครื่องยนต์เกิดกำลังในการทำงานขึ้นมา
4. เมื่อลูกสูบเคลื่อนตัวลงไปจนสุดและเคลื่อนตัวกลับขึ้นไปใหม่ วาล์วไอเสียจะเปิดออกเพื่อระบายไอเสียออกไปทางท่อไอเสีย และจะปิดอีกครั้งเมื่อลูกสูบเคลื่อนขึ้นไปอยู่ตำแหน่งสูงสุด ส่วนวาล์วไอดีก็พร้อมจะเปิดเมื่อลูกสูบเคลื่อนลงจากจุดสูงสุดอีกครั้ง เพื่อดูดรับไอดีเข้ามาใหม่

ทั้งหมดนี้คือวัฏจักรการทำงานของเครื่องยนต์ 4 จังหวะ ที่มีการจัดการกับไอดี และไอเสียแยกจากกันทีละขั้นตอน ทำให้ประสิทธิภาพในการประจุไอดี หรือคายไอเสียทำได้เต็มที่ ลดการสูญเสียในเรื่องของเชื้อเพลิงลงได้มาก จึงเป็นข้อได้เปรียบของเครื่องยนต์ 4 จังหวะที่เหนือกว่าเครื่องยนต์ 2 จังหวะที่ทำได้ประหยัดกว่า

ครั้งหน้าเราจะมาเรียนรู้เรื่อง gaer กันนะครับ