เทอร์โมไดนามิกส์

Thermodynamic II

 
 เครื่องยนต์ 4 จังหวะ

1. ช่วงชักดูด ลูกสูบเลื่อนลง จากศูนย์ตายบน ลงสู่ศูนย์ตายล่าง ลิ้นไอดี "เปิด "เพื่อดูดไอดีเข้ามาในกระบอกสูบ ลิ้นไอเสีย " ปิด"
2.ช่วงชักอัด ลูกสูบเลื่อนขึ้น จากศูนย์ตายล่าง ขึ้นสู่ศูนย์ตายบน ลิ้น"ไอดี"และลิ้น"ไอเสีย"ปิดสนิท ไอดีถูกอัดให้ร้อน 700-900 Ċ
3.ช่วงชักระเบิด ลูกสูบเลื่อนขึ้นใกล้ศูนย์ตายบน หัวเทียนจุดประกายไฟเผาใหม้ไอดีเกิดการระเบิดขึ้นในห้องเผาใหม้ แรงระเบิดทำให้ลูกสูบเลื่อนลง จากศูนย์ตายบน ลงสู่ศูนย์ตายล่าง ทำให้เพลาข้อเหวี่ยงเกิดการหมุน เครื่องยนต์ได้งานในช่วงชักนี้ เรียกอีกชื่อหนึงว่า "ช่วงชักงาน" เป็นการเปลี่ยน"พลังงานความร้อนเป็นพลังงานกล "
4.ช่วงชักคาย ลูกสูบเคลื่อนที่จากศูนย์ตายล่างขึ้นสู่ศูนย์ตายบน ลิ้นไอดี"ปิด" ลิ้นไอเสีย"เปิด" แก๊สไอเสียออกจากกระบอกสูบผ่านลิ้นไอเสีย , ท่อไอเสีย และ ออกสู่ชั้นบรรยากาศภายนอกเครื่องยนต์

เครื่องยนต์ดีเซล  4  จังหวะ  (4 Cycle Diesel Engine)
            เครื่องยนต์ 4 ช่วงชักเบนซิน (Four-stroke engine) เป็นเครื่องยนต์ที่ใช้น้ำมันเชื้อเพลิง "เบนซิน"ที่ใช้ในรถยนต์ รถจักรยานยนต์ ที่ใช้เครื่องยนต์ "น้ำมันเบ็นซิน" "รถบรรทุก" ที่ใช้เครื่องยนต์"น้ำมันเบนซิน"เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า"เครื่องยนต์สันดาปภายในเบ็นซิน" "เครื่องยนต์ใช้น้ำมันเบนซิน" หรือเรียกเป็นภาษาอเมริกาว่าGASSOREN ENGINE แปลว่า "เครื่องยนต์แก๊สโซลีน "ไอดี"คือส่วนผสมของไอระเหยหรือละอองน้ำมันเบนซินผสมกับอากาศเรียกอีกอย่าง หนึ่งว่า"ไอดี"จะถูกดูดเข้ากระบอกสูบหรือฉีดเข้ากระบอกสูบโดยหัวฉีดในช่วง ชักดูดและ"ไอดี"จะถูกอัดให้มีอุณหภูมิสูงขึ้นประมาณ 700-900 Ċ แล้ว"ไอดี"ถูกจุดระเบิดโดยประกายไฟประมาณ 25,000 โวล์ตจากเขี้ยวหัวเทียน เรียกช่วงชักนี้ว่าช่วงชักระเบิด หรือ "ช่วงชักงาน " แรงระเบิดทำให้ลูกสูบเลื่อนลง เครื่องยนต์ได้งานในช่วงชักนี้ "ทำให้เพลาข้อเหวี่ยงเกิดการหมุน" เป็นการ "เปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นพลังงานกล " ช่วงชักคายลูกสูบเลื่อนขึ้น ลิ้นไอดี "ปิด " ลิ้นไอเสีย "เปิด" ไอเสียออกจากกระบอกสูบทาง ลิ้นไอเสีย ผ่านท่อไอเสีย ออกสู่บรรยากาศ เครื่องยนต์ทำงาน ครบ 4 ช่วงชัก หลักการทำงานของเครื่องยนต์เบนซิน 4 ช่วงชัก ดังนี้

1.  จังหวะดูด (Suction Stroke)  ลูกสูบจะเคลื่อนที่ลง ลิ้นไอดีจะเปิด และลิ้นไอเสียจะปิด ขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลงจะเกิดสูญญากาศภายในกระบอกสูบทำให้เกิดการดูดเอาอากาศเพียงอย่างเดียวเข้ามาในกระบอกสูบ  เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงจนถึงจุดศูนย์ตายล่าง  ลิ้นไอดีจะปิดเพื่อป้องกันไม่ให้อากาศหนีออกไป
2.  จังหวะอัด (Compression Stroke) ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นขณะที่ลิ้นไอดีและไอเสียปิดทำให้เกิดการอัดอากาศภายในกระบอกสูบจนกระทั่งลูกสูบเคลื่อนที่ถึงจุดศูนย์ตายบน  ปริมาตร  ของอากาศจะเหลือประมาณ 1/16 ของปริมาตรเดิมและอุณหภูมิจะสูงประมาณ 550 องศาเซลเซียส
3.  จังหวะระเบิด (Power Stroke)  เมื่อลูกสูบอยู่ที่ตำแหน่งศูนย์ตายบน  อากาศจะถูกอัดเต็มที่และมีความร้อนสูง  หัวฉีดก็จะฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงเข้าไปในกระบอกสูบทำให้เกิดการระเบิด และผลักลูกสูบให้เคลื่อนที่ลง
4.  จังหวะคาย (Exhaust Stroke)  ลูกสูบจะเคลื่อนที่ขึ้น ลิ้นไอดีจะปิด แต่ลิ้นไอเสียจะเปิด  ทำให้อากาศเสียที่เกิดจากการเผาไหม้ถูกขับออก  เมื่อสิ้นสุดจังหวะคายแล้วลูกสูบก็จะเคลื่อนที่ลงทำให้เกิดจังหวะดูดต่อไป

เครื่องยนต์เบนซิน 4 จังหวะ ( 4  Cycle Gasoline Engine )
โครงสร้างพื้นฐานของเครื่องยนต์เบนซิน 4 จังหวะ
             เครื่องยนต์เบนซิน 4 จังหวะ สามารถจัดแบ่งกลุ่มชิ้นส่วนโครงสร้างที่เป็นพื้นฐานของเครื่องยนต์ได้ดังนี้

 

    ลักษณะพื้นฐานของเครื่องยนต์เบนซิน 4 จังหวะ

          1.  เสื้อสูบกับกระบอกสูบและห้องเพลาข้อเหวี่ยง   เป็นชิ้นส่วนเครื่องยนต์ที่เป็นโครงสร้างหลักสำหรับยึดชิ้นส่วนอื่นๆของเครื่องยนต์
          2.  กลไกลูกสูบและข้อหมุนเหวี่ยง  (Piston & Cranking Mechanism) ประกอบด้วย ลูกสูบ  ก้านสูบ  เพลาข้อเหวี่ยง  และล้อช่วยแรงซึ่งเป็นชิ้นส่วนเคลื่อนที่ของเครื่องยนต์ที่รับความดันจากการเผาไหม้ในห้องสูบแล้วเปลี่ยนเป็นแรงกระทำบนหัวลูกสูบ  ไปส่งต่อผ่านก้านสูบไปกระทำที่ก้านหมุนเพลาข้อเหวี่ยงทำให้เพลาข้อเหวี่ยงหมุนอย่างเรียบจ่ายแรงบิดออกไปใช้งาน
             3.  ฝาสูบ  เป็นฝาปิดกระบอกสูบทำให้เกิดเป็นห้องเผาไหม้ขึ้นในเครื่องยนต์และทำให้เป็นปริมาตรอัดเกิดขึ้นบนฝาสูบ
             4.  กลไกลิ้น (Valve Mechanism) หรือกลไกขับควบคุมการทำงานของเครื่องยนต์ (Engine Steering Mechanism)  ประกอบขึ้นด้วย เพลาลูกเบี้ยว  ปลอกกระทุ้งลิ้น  ก้านกระทุ้งลิ้น  กระเดื่องกดลิ้น  สปริงลิ้นและลิ้น
                ส่วนชิ้นส่วนอุปกรณ์เครื่องยนต์อื่นๆเช่น  คาร์บูเรเตอร์  ระบบจุดระเบิด  ปั๊มน้ำ  อัลเตอร์เนเตอร์  มอเตอร์สตาร์ท  ปั๊มน้ำมันเครื่อง ฯลฯ เป็นชิ้นส่วนของระบบการทำงานเครื่องยนต์ที่มีแตกต่างกันตามแบบของระบบนั้นๆ
 

เครื่องยนต์เบนซิน 4 จังหวะ 4 สูบ

กระบวนการทำงานในแต่ละจังหวะของเครื่องยนต์เครื่องยนต์เบนซิน 4 จังหวะ
             ในแต่ละกลวัฏเครื่องยนต์  ขั้นตอนตามลำดับตลอดกลวัฏเครื่องยนต์คือการดูด  การอัด  การใช้งาน  และการคายดำเนินไปกับการเคลื่อนที่ของลูกสูบทั้ง 4 ช่วงชักดังต่อไปนี้
             1.  จังหวะดูด (Suction Stroke) 
                การดูดหรือการบรรจุสูบเริ่มจากลิ้นไอดีเปิดก่อนที่ลูกสูบถึงศูนย์ตายบนเล็กน้อยจนกระทั่งลูกสูบเลื่อนลงแล้วผ่านลงศูนย์ตายล่าง  กระบอกสูบจะได้รับการบรรจุสูบหรือการใส่เชื้อผสมของเชื้อเพลิงกับอากาศตลอดเวลาระหว่างจังหวะดูด
                ในระหว่างที่ลูกสูบเลื่อนตัวเองไปหลังศูนย์ตายบนทำให้ปริมาตรของกระบอกสูบโตขึ้นและนำไปสู่การลดลงของความดันเป็นความกดดันต่ำจนเหลือประมาณ 0.8-0.9 บาร์ก็จะมีอาการดูดเกิดขึ้นในห้องสูบตามมาด้วยการเปิดของลิ้นไอดี  เชื้อผสมของเบนซินและอากาศก็จะไหลเข้ามาในห้องสูบ
                จากอุณหภูมิทำงาน (Working  Temperature) ของเครื่องยนต์ทำให้อุณหภูมิของแก๊สไอดีที่ไหลเข้ามาสูงขึ้นถึง 100 องศาเซลเซียส
               ตลอดเวลาการดูดของลูกสูบ  เชื้อเพลิงผสมของอากาศและเบนซินจะเข้าสู่ห้องสูบเป็นไปอย่างรวดเร็วเนื่องจากการขยายโตขึ้นของปริมาตรในห้องสูบ  เมื่อลูกสูบเลื่อนลงมีผลทำให้ห้องสูบมีความกดดันต่ำเกิดความแตกต่างและต่ำกว่าภายนอกห้องสูบขึ้นมาก  หมายถึงว่าด้วยขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของลิ้นไอดีที่โตเท่าที่จะทำได้ยอมให้ไอดีไหลผ่านเข้าไปในห้องสูบ  ลิ้นไอดีเปิดก่อนศูนย์ตายบนถึงประมาณ 40 องศาเพลาข้อเหวี่ยง  แต่อย่างไรก็ไม่สามารถ  ทำให้การบรรจุสูบของไอดีเข้าไปทดแทนความดันที่ต่ำลงเป็นไปได้อย่างเต็มที่ 100% และจากการที่กระแสไหลของไอดียังมีพลังอยู่มากด้วยความเฉื่อยของมันในช่วงสั้นๆ หลังศูนย์ตายล่าง  เพื่อต้องการให้มีการบรรจุสูบยาวนานขึ้นจึงยอมให้ลิ้นไอดีเปิดให้ไอดีไหลเข้าห้องสูบอีกต่อไป  จนถึงหลังศูนย์ตายล่างประมาณ 70 องศาเพลาข้อเหวี่ยงแล้วลิ้นไอดีจึงปิด  การบรรจุไอดีเข้าห้องสูบจึงจะสิ้นสุดลงไดอะแกรมลิ้นของเครื่องยนต์เบนซิน 4จังหวะ

จากความเร็วรอบของเครื่องยนต์ทำให้การบรรจุสูบมีเวลาสั้นที่จะไหลเข้าไปผ่านลิ้นไอดี  ลิ้นไอดีจึงต้องเปิดเร็วขึ้นก่อนศูนย์ตายบนและปิดช้าลงหลังศูนย์ตายล่างให้ลิ้นไอดีมีเวลาเปิดยาวขึ้น  รวมช่วงการเปิดของลิ้นไอดีถึงประมาณ 300 องศาเพลาข้อเหวี่ยง  จำนวนองศาก่อนศูนย์ตายบนหรือหลังศูนย์ตายล่างจะมีจำนวนมากหรือน้อยเพียงใดขึ้นอยู่กับการออกแบบจำนวนความเร็วรอบของเครื่องยนต์

 การทำงานในห้องสูบของจังหวะดูด

2.  จังหวะอัด (Compression Stroke)
             การอัดเชื้อผสมของเชื้อเพลิงกับอากาศเกิดขึ้นขณะลูกสูบแล่นขึ้นสู่ศูนย์ตายบนเมื่อลิ้นไอดีปิดแล้วทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นแต่การอัดนั้นยังไม่ทำให้อุณหภูมิสูงพอที่จะทำให้เชื้อเพลิงเกิดจุดติดไฟตัวเองหรือเชิงจุด(Self Ignition) ขึ้นได้
             จากอุณหภูมิอัด (Compression Temperature) ที่สูงขึ้นทำให้เชื้อเพลิงกลายเป็นไอระเหย(Vapour) ดีขึ้นกว่าเดิมและเกิดการคลุกเคล้ากับอากาศได้ดีขึ้นด้วยกลายเป็นเชื้อระเบิด(Vapoured Mixture) ในจังหวะอัดลูกสูบเลื่อนตัวเองจากศูนย์ตายล่างขึ้นสู่ศูนย์ตายบน ลิ้นไอดียังเปิดอยู่จนกว่าถึงหลังศูนย์ตายบน 70 องศาเพลาข้อเหวี่ยง ในช่วงนี้ปริมาตรกระบอกสูบจะเล็กลง ความดันและอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น การวัดขนาดของการอัดที่ศูนย์ตายบนวัดเป็น สัดส่วนความอัด (Copression Ratio) การเลือกใช้อัตราการอัดในเครื่องยนต์ออโตเมื่อลูกสูบอัดสุดหรือปลายจังหวะอัดจะต้องไม่เกิดการชิงจุด (Preignition) ของเชื้อผสมของอากาศและเบนซินในห้องสูบขึ้นได้อันหมายถึงว่าถ้าเกิดการชิงจุดจะทำให้เครื่องยนต์เกิดอาการน็อกขึ้น จากการผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงที่ต้านการน็อก (Anti Knock) และการออกแบบลักษณะห้องเผาไหม้ที่เหมาะสมจึงทำให้เครื่องยนต์นี้มีอัตราการอัดสูงขึ้นได้ถึงประมาณ 8 : 1-11 : 1 และอุณหภูมิอัดสูงสุดถึงประมาณ 350 – 450 องศาเซลเซียส อันเป็นอุณหภูมิอัดเฉลี่ยที่มีค่าเป็นกลาง ๆ  ส่วนอุณหภูมิที่เป็นจริงซึ่งสูงกว่านี้จะถูกหล่อเย็นหรือระบายออกไปทางผนังกระบอกสูบส่วนหนึ่งและทางชิ้นส่วนหล่อเย็นอื่น ๆ อีกเช่น หัวสูบลิ้นไอเสียเป็นส่วนใหญ่
             อัตราอัดของเครื่องยนต์เป็นผลให้เกิดความดันอัดหรือกำลังอัด (Compression Pressure) ขึ้นประมาณ 10 –16 บาร์ ผลเสียของการอัดสูง ๆ ติดตามมาคือความดันในจังหวะงานสูงแล้วสิ่งที่ติดตามมาคือ ชิ้นส่วนเครื่องยนต์รับภาระมากเกินไป (Over Load) การจุดติดไฟของเชื้อระเบิดยังอยู่ในช่วงของการที่ลูกสูบแล่นจากศูนย์ตายล่างขึ้นสู่ศูนย์ตายบนในเวลาอันสั้นก่อนศูนย์ตายบน ความดันที่ขึ้นสูงมากขึ้นจึงไม่เกิดขึ้นเพียงปริมาตรที่ค่อนข้างเล็กลงเท่านั้น แต่ยังเพิ่มขึ้นมาจากการเผาไหม้ที่รวดเร็วและรุนแรงที่เรียกว่าการจุดระเบิดอีกด้วย และการเกิดความดันที่เพิ่มขึ้นอย่างมากตามสัดส่วนของกำลังอัดในจังหวะอัดนี้เป็นการเพิ่มความดันในห้องเผาไหม้ที่ค่อย ๆ เกิดขึ้นก่อนลูกสูบถึงศูนย์ตายบนอีกด้วย

 การทำงานในห้องสูบของจังหวะอัด

3.จังหวะงาน (Working Stroke) หรือจังหวะกำลัง (Power Stroke)
             การใช้งานความดันจากการเผาไหม้เริ่มตั้งแต่การจุดระเบิดจากประกายไฟหัวเทียนก่อนศูนย์ตายบนและเบนซินจะเผาไหม้สมบูรณ์ในช่วงจังหวะอัด แล้วดันหัวลูกสูบหลังจากเปลี่ยนการเคลื่อนที่จากขึ้นเป็นลงให้เลื่อนลงมาจากศูนย์ตายบนสู่ศูนย์ตายล่าง
ที่ความดันสูงเกือบถึงจุดที่เชื้อผสมอากาศและเบนซินจะติดไฟขึ้นได้เอง ประกายไฟจุดระเบิด (Ignition spark) จะปรากฏขึ้นเพื่อเป็นความร้อนที่จะจุดให้เบนซินติดไฟเผาไหม้ขึ้น  ตำแหน่งที่เกิดประกายไฟจุดระเบิดจะอยู่ก่อนศูนย์ตายบนเล็กน้อยตอนปลายจังหวะอัด  เมื่อเกิดการจุดระเบิดขึ้นแล้วเปลวไฟจะลุกลามเผาไหม้เชื้อผสมของเชื้อเพลิงกับอากาศจนกระทั่งเผาใหม้หมดต้องใช้เวลาประมาณ 1/ 1000 วินาที  จึงต้องทำการจุดประกายไฟเพื่อจุดระเบิดก่อนที่ลุกสูบถึงศูนย์ตายบน  ตำแหน่งจุดติดไฟหรือองศาจุดระเบิดขึ้นอยู่กับโครงสร้างของเครื่องยนต์คือความเร็วรอบและภาระ  จำนวนองศาเพลาข้อเหวี่ยงสูงสุดของเครื่องยนต์ประมาณ 40 องศาก่อนศูนย์ตายบน  เมื่อเกิดการเผาไหม้เชื้อผสมที่บรรจุสูบแล้วจะเกิดการขยายตัวของแก๊สเผาไหม้ที่มีความร้อนสูงและความดันที่เกิดขึ้นจะดันให้ลูกสูบแล่นลงสู่ศูนย์ตายล่าง

การทำงานในห้องสูบของจังหวะงาน

การบวนการเผาไหม้ (Combustion Process)  กระบวนการเผาไหม้เริ่มโดยอณูเล็กๆของเชื้อเพลิงผสมของอากาศและเบนซินได้พบกับประกายไฟของหัวเทียนตรงจุดที่จุดติดไฟ (Ignition Point) การเผาไหม้จะส่งกันต่อออกไปเป็นชั้นๆของเชื้อระเบิดเป็นเปลวติดไฟหรือเปลวนำ (Flame Front) ลุกลามต่อไปเรื่อยๆผ่านเข้าสู่ห้องเผาไหม้แผ่กระจายลุกลามเป็นรูปรัศมีโดยรอบ  เพื่อให้เกิดการจุดระเบิดของเชื้อระเบิดเป็นไปอย่างปลอดภัยจะต้องมีเงื่อนไขดังนี้
1.     เปลวไฟจะต้องมีจำนวนปริมาณความร้อนที่มากพอ
2.   มีความสามารถจุดติดไฟของเชื้อผสมของเชื้อเพลิงกับอากาศจะเกิดขึ้นได้ด้วยประกายไฟจากหัวเทียนเท่านั้น  ไม่ว่าเครื่องยนต์ร้อนขึ้นในอุณหภูมิทำงานหรือเครื่องยนต์เย็นในขณะสตาร์ทติดเครื่อง
การเผาไหม้เชื้อผสมเชื้อเพลิง  จะต้องเผาไหม้หมดเรียบร้อยหลังจากศูนย์ตายบนเพียงเล็กน้อยเมื่อลูกสูบเริ่มเลื่อนลง

4.จังหวะคาย (Exhaust Stroke)

   การคายเริ่มจาก่อนศูนย์ตายล่างและไปสิ้นสุดที่หลังศูนย์ตายบน  แก๊สเผาไหม้จะต้องถูกนำออกจากห้องเผาไหม้อย่างหมดจดในระหว่างจังหวะงานประมาณ 40-60 องศาเพลาข้อเหวี่ยงก่อนศูนย์ตายล่างลิ้นไอเสียเริ่มเปิด  จากความดันที่เกิดจากการระเบิดและขยายตัวแล้วต้องลดลงเหลือประมาณ 3-5 บาร์จะดันให้แก๊สเผาไหม้เริ่มไหลถ่ายเทออกทางช่องไอเสียด้วยความเร็วสูงพอควร  และเพื่อต้องการให้แก๊สเผาไหม้จำนวนมากที่สุดเท่าที่จะมากได้ไหลออกไปด้วยกระแสไหลมากที่สุด  ลิ้นไอเสียจึงจะปิดหลังจากศูนย์ตายบน 30 องศาเพลาข้อเหวี่ยง