การทำงานของเครื่องยนต์ดีเซลคอมมอนเรล

การทำงานของเครื่องยนต์ดีเซลคอมมอนเรล


ข้ามข้อจำกัดของเครื่องยนต์ดีเซลรุ่นเดิมๆ อย่างระบบสเวิร์ลแชมเมอร์ และไดเร็คอินเจคชั่น ด้วยความล้ำหน้าของ เทคโนโลยีดีเซล สมัยใหม ่ที่ สามารถตอบสนองต่อการขับขี่ได้อย่างสมบูรณ์แบบ ทั้งด้านสมรรถนะ อัตราความสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิง และความทนทาน ของการใช้งาน ระบบคอมมอนเรล ไดเร็คอินเจคชั่น หรือ CDI (Commonrail Direct Injection) ได้ถูกพัฒนาขึ้นมา เพื่อใช้งานกับ รถยนต์นั่ง ในระดับหรูหราที่เน้นทั้งแรงม้า-แรงบิด และความนุ่มนวลในการทำงานบนพื้นฐาน ความประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิง ในครั้งนี้ เราจะอธิบายหลักการทำงานของเครื่องยนต์คอมมอนเรล ไดเร็คอินเจคชั่นละเอียดมากขึ้น หัวใจสำคัญของระบบคอมมอนเรล คือการสร้างแรงดันน้ำมันสูงรอไว้ในท่อเพื่อจ่ายน้ำมันได้อย่างแม่นยำและต่อเนื่อง น้ำมันที่ ถูกฉีดเข้าสู่ห้องเผาไหม้ จะมีลักษณะเป็นละอองฝอยคล้ายละอองแป้ง เพื่อเพิ่มความสามารถในการผสมกับไอดี และเพิ่มประสิทธิภาพ การเผาไหม้ให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น การทำงานทั้งหมด จะเริ่มต้นโดยอาศัยปั๊มแรงดันสูง ที่สามารถจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิงด้วยแรงดันที่สูงถึง 1,377 บาร์ หรือสูงกว่าเครื่องยนต์ดีเซล ไดเร็คอินเจคชั่นทั่วไปถึง 8 เท่า น้ำมันเชื้อเพลิงจะถูกสูบผ่านเข้ามารอในรางน้ำมันคอมมอนเรลด้วยแรงดันสูง โดยที่ปลายของรางส่งน้ำมันจะติดตั้งตัวจำกัดแรงดันน้ำมัน และเซ็นเซอร์ ตรวจจับแรงดันน้ำมัน เพื่อทำหน้าที่รักษาและควบคุมแรงดัน ของน้ำมันที่ถูกส่งมาจากปั๊มแรงดันสูงให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมกับการขับขี่ ก่อนที่ หัวฉีดอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งมีรูฉีดน้ำมันถึง 6 รูต่อหัว จะจ่ายน้ำมันที่มีลักษณะเป็นฝอยเข้าสู่ห้องเผาไหม้โดนตรง โดยการทำงานของหัวฉีดจะเป็นแบบ 2 ครั้งใน 1 จังหวะ ด้วยการฉีดน้ำมันนำร่อง (Pilot Injection) ก่อนทำการฉีดจริง ซึ่งจะช่วยลดระดับเสียงดังที่เกิดจากการจุดระเบิด นอกจากนั้นการทำงานในทุกขั้นตอนของระบบคอมมอนเรล ไดเร็คอินเจคชั่น จะถูกควบคุมด้วยรบบคอมพิวเตอร์ โดยอาศัยข้อมูล ที่ถูกส่งมาจาก ส่วนต่างๆ เช่น เซ็นเซอร์ของเพลาข้อเหวี่ยงตำแหน่งคันเร่ง อุณหภูมิอากาศ ฯลฯ นำมาประมวลผล เพื่อให้มีการ สั่งจ่าย น้ำมันเชื้อเพลิง อย่างถูกต้อง และสอดคล้อง กับความเร็วรอบเครื่องยนต์ ส่งผลให้เครื่องยนต์มีสมรรถนะดีขึ้น แรง ประหยัดน้ำมัน เงียบ สั่นสะเทือนน้อย มลพิษในไอเสียต่ำ ค่าบำรุงรักษาต่ำ และมีความทนทานสูง

NGV กับเครื่องยนต์ดีเซล

NGV กับเครื่องยนต์ดีเซล

การใช้ก๊าซ NGV กับเครื่องดีเซล มิใช่เป็นของใหม่ ได้มีการค้นคว้าทดลองกันมานานนับสิบๆปีมาแล้วเพราะหากจะมีวิธีให้มันทำงาน ร่วมกันได้ ก็จะสามารถประหยัดค่าดัดแปลงเครื่องยนต์ไปได้มาก อีกทั้งยังสามารถจะใช้เชื้อเพลิงได้ทั้งสองชนิด หากว่าก๊าซหมดเสียก่อน ระหว่างทาง ก็จะสามารถวิ่งต่อไปได้ด้วยดีเซลเดิมจนถึงสถานีเติมก๊าซ ผิดกันกับเครื่องยนต์ที่ถูกแปลงไปใช้ก๊าซล้วน ที่จะต้องผ่าเครื่อง ลดกำลังอัดในกระบอกสูบ และเอาชุดปั๊มดีเซลออกทั้งหมด แล้วเอาจานจ่ายเข้าแทน ส่วนใหญ่รูหัวฉีดก็ทำอุปกรณ์เสริมเพื่อการติดตั้ง หัวฉีดเข้าไปแทน เมื่อแปลงเครื่องยนต์ไปแล้ว ก็ไม่สามารถใช้ดีเซลได้อีก ดังนี้หากก๊าซหมดก่อนถึงสถานีเติม ทีนี้เป็นเรื่องใหญ่ เพราะไม่ สามารถหิ้วแกลลอนมาเติมได้ ดังนี้ก็มีอยู่สองวิธี คือ การใช้รถบริการแก๊สที่เติมมาด้วยแรงดันเต็มที่ แล้วมาถ่ายใส่ในถังของรถอีกที การ ถ่ายแก๊สก็ถ่ายได้ส่วนหนึ่งเท่านั้น เพราะรถบริการแก๊สไม่ได้มีปั๊มอัดแรงดันที่จะสูบแก๊สออกจากถังเซอร์วิส เพื่ออัดเข้าถังในรถอีกทีหนึ่ง ดังนั้นก็จะถ่ายได้เพียงส่วนหนึ่งเท่านั้นเอง อีกวิธีก็คือ การลากจูงไปสถานีบริการแก๊ส เพื่อได้รับการบรรจุก๊าซเข้าไปใหม่ ถ้าเป็นรถบัส รถบรรทุก ก็จะยิ่งโกลาหลกันใหญ่ ดังนั้นจึงต้องระวัง อย่าปล่อยให้ก๊าซหมดกลางทางโดยเด็ดขาด

สำหรับเครื่องยนต์ดีเซลที่พัฒนามาใช้ก๊าซ ก็ไม่ได้หมายความว่าจะใช้ก๊าซได้ 100% เป็นเพราะเครื่องยนต์ชนิดนี้ยังต้องอาศัยดีเซล เป็นตัวจุดไฟ คือทำหน้าที่เป็นหัวเทียนอย่างในเครื่องเบนซิน เหตุเพราะน้ำมันดีเซลสามารถจุดติดไฟได้ที่อุณหภูมิห้องเผาไหม้ที่ต่ำ คืออยู่ ที่โดยประมาณ 300๐ C ก็สามารถจุดไฟให้น้ำมันดีเซลได้แล้ว ส่วนก๊าซ NGV จะต้องใช้ความร้อนสูงถึงเกือบ 1,000 ๐ C ถึงจะติดไฟ ดังนี้คือ ผสมก๊าซกับอากาศให้เรียบร้อยในท่อไอดี เมื่อเครื่องยนต์หายใจเอาส่วนผสมที่ปรุงมาให้พอดีกับการสันดาปเข้าสู่ห้องเผาไหม้ ผ่านการดูด การอัด และจุดไฟด้วยน้ำมันดีเซลเพียงเล็กน้อย เมื่อส่วนผสมติดไฟก็เกิดจังหวะที่เรียกว่าระเบิด การระเบิดในหัวลูกสูบ ทำให้ เกิดการผลักดันลูกสูบลงมาและถ่ายทอดผ่านข้อเหวี่ยง ทำให้เกิดพลังงานขับเคลื่อนขึ้น จังหวะสุดท้ายคือ จังหวะคายไอเสียทิ้ง และก็เริ่ม ต้นจังหวะที่ 1 อีกครั้ง ดูแล้วมันก็ง่ายๆ ทางความคิด แต่ในภาคปฏิบัติจริง กลับเป็นตรงกันข้าม เพราะความละเอียดและซับซ้อน ของเชื้อเพลิงทั้งสองชนิด ที่มีลักษณะตรงข้ามกันโดยสิ้นเชิง เพราะการใช้ก๊าซก็เหมือนกับการใช้เบนซิน คือผสมเชื้อเพลิงกับอากาศให้อยู่ในสัดส่วนที่ เหมาะสม เสียก่อน ถ้าเป็นเบนซินก็คือ 14.7 ต่อ 1 โดยประมาณ โดยน้ำหนัก คืออากาศ 14.7 เท่าของน้ำหนักเบนซิน ส่วน LPG ก็จะอยู่ที่ 25 ต่อ 1 โดยปริมาตร ส่วน NGV ก็น้อยหน่อย คือมีสัดส่วนที่ 10 ต่อ 1 โดยปริมาตร เมื่อผสมกันดีแล้ว จึงเอาเข้าไปในห้องเผาไหม้ และทำให้ ติดไฟขึ้น ไม่ว่าจะเป็นประกายไฟจากหัวเทียน หรือแปลงไฟจากน้ำมันดีเซลจากหัวฉีด มันก็ติดไฟขึ้นละส่งผ่านกำลังงานกันต่อไป

ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดก็คือ การควบคุมแรงของเครื่อง ระหว่างเครื่องดีเซลกับเครื่องก๊าซ เพราะเครื่องยนต์ที่ใช้ก๊าซเป็นเชื้อเพลิง คือลด ส่วนผสมที่ผสมมาพอดีแล้ว ให้เข้าสู่เครื่องยนต์น้อยลง โดยการใช้ลิ้นปีกผีเสื้อหรี่ให้เข้าน้อยทั้งหมด และไม่สามารถลดสัดส่วนการผสม เชื้อเพลิงกับอากาศได้ ยิ่งถ้าเป็น NGV แล้ว ส่วนผสมระหว่างอากาศกับก๊าซมีความสำคัญมากคือ มากหรือน้อยไปจากนี้ เพียงเล็กน้อยก็จะ ไม่ติดไฟด้วยประการทั้งปวง ส่วนผสมที่ไม่พอดี สามารถผ่านประกายไฟหรือเปลวไฟได้ โดยตัวมันจะไม่ติดไฟให้ สำหรับเบนซิน อัตรา ส่วนผสมสามารถปรับให้ต่างได้ ตั้งแต่ 10 : 1 จนถึง 16 : 1 ก็ยังสามารถติดไฟได้อยู่ โดยเหตุผลของความละเอียดในการผสมอากาศ ระบบหัวฉีดก๊าซจึงมีความสำคัญ เพราะสามารถโปรแกรมการจ่ายได้ละเอียดกว่าระบบอื่นๆ ที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ การควบคุมแรงของเครื่องยนต์ดีเซล ทำงานไปในทิศทางตรงกันข้าม คือ การควบคุมการฉีดเชื้อเพลิงเข้าไป มากหรือน้อย ส่วนอากาศ ก็จะต้องปล่อยให้เข้าเครื่องได้อย่างเต็มที่ เพื่อผลประโยชน์จากการอัดกากาศให้ได้ความร้อนที่พอเหมาะกับการติดไฟ เพราะถ้าไปลด อากาศเข้ามากเกินไป ความร้อนที่จะต้องเกิดในจังหวะอัดมันจะลดลงไปด้วยจนถึงเกณฑ์ที่ความร้อนไม่เพียงพอที่จะทำให้เชื้อเพลิงติดไฟ เครื่องยนต์มันจะน็อกและมีควันดำในไอเสีย เพราะเผาไหม้ไม่หมดจากการขาดอากาศ ท่อไอดีของเครื่องดีเซล ส่วนใหญ่ไม่มีลิ้นปีกผีเสื้อ เพื่อลดอากาศ คงปล่อยให้อากาศไหลเข้าไปได้อย่างเต็มที่ สำหรับเครื่องยนต์ดีเซลสมัยใหม่ อาจมีลิ้นปีกผีเสื้อเข้ามาร่วม แต่การไปในทาง ควบคุมมลภาวะของไอเสีย คือในบางช่วงของการใช้งาน อาจจะต้องลดอากาศเพื่อลดอุณหภูมิของการจุกระเบิดลงไป ตรงนี้เพื่อลดก๊าซ ที่เรียกว่าออกไซด์ของไนโตรเจน NO อากาศในบรรยากาศของโลกนี้ จะมีไนโตรเจนผสมอยู่ในสัดส่วนที่สูง คือประมาณ 78% ออกซิเจน 21% ที่เหลือเป็นก๊าซอื่นๆ เจ้าไนโตรเจนนี้เป็นก๊าซที่ไม่ติดไฟ แต่เมื่อร้อนก็จะขยายตัวไปผลักดันอะไรต่อมิอะไรได้ แต่เมื่อร้อนจัดเกินไป แล้ว ก็จะแปลงร่างไปเป็นออกไซด์ของไนโตรเจน และเท่าที่ทราบ ก๊าซที่เปลี่ยนไปแล้ว ไม่สามารถกลับมาเป็นไนโตรเจนธรรมดาได้อีก นอกจากนี้ยังแยกตัวและลอยขึ้นสู่ชั้นบรรยากาศ ทำให้เกิดอากาศเรือนกระจก ทำให้โลกร้อน ก๊าซนี้จึงถือว่ามีอันตรายต่อโลกใบนี้ การควบ คุมมลพิษด้านนี้คือมีความสำคัญยิ่ง

การทำงานของเชื้อเพลิงที่ตรงข้ามกัน ทำให้การควบคุมการใช้เชื้อเพลิงเป็นไปด้วยความยากลำบาก ดังนี้ ในขณะที่เครื่องยนต์ดีเซล เดินเบา ก็จะต้องให้เดินด้วยดีเซลเท่านั้น จนกระทั่งให้แรงไปถึงจุดๆ หนึ่ง จึงสามารถให้ก๊าซผสมเข้าไป เพื่อเป็นกำลังงานหลักและ ควบคุมน้ำมันดีเซลได้ เพื่อหน้าที่ของการจุดไฟเท่านั้น การใช้ NGV ในดีเซลจึงมีสัดส่วนที่ค่อนข้างต่ำ ยิ่งถ้าเป็นการใช้งานในเมืองที่มี การจราจรคับคั่ง โอกาสจะไปใช้ NGV ก็แทบไม่มี จะใช้ได้ก็ต่อเมื่อวิ่งรถออกไปด้วยความเร็วพอสมควรแล้ว จุดอันตรายอีกประการก็คือ ความร้อนจากการอัดอากาศของเครื่องยนต์ดีเซลก็ใกล้ถึงจุดที่ NGV ติดไฟได้แล้ว เมื่อเป็นเช่นนี้มันจะเกิดการชิงจุดขึ้นมาได้เอง ไม่ต่าง จากการเอาน้ำมันเบนซินไปล่อทางไอดี เครื่องยนต์จะเขกและเร่งขึ้นไปเอง ถ้ารุนแรงก็อาจทำให้แหวนลูกสูบหักได้ การใช้เชื้อเพลิงอิ่นๆ ในเครื่องยนต์ดีเซล ม่ใช่ของง่ายๆ ต้องมีการควบคุมที่แม่นยำมาก มิฉะนั้นอาจนำไปสู้การพังของเครื่องยนต์ ได้โดยไม่ยากนัก

เครื่องยนต์ดีเซล (Diesel Engine)

เครื่องยนต์ดีเซล (Diesel Engine)

รูดอล์ฟ ดีเซล (Rudolph Diesel ค.ศ. ๑๘๕๘-๑๙๑๓) ชื่อของเขากลายมาเป็นชื่อเครื่องยนต์ที่เขาได้ประดิษฐ์คิดค้นขึ้นมา ถูกขับเคลื่อนจากแรงกระตุ้นทางสังคมวิทยามากกว่าทางเงินตรา ในเวลานั้น การปฏิวัติทางอุตสาหกรรมกำลังอยู่ในยุคสูงสุด ความฝันของดีเซลในการสร้างเครื่องยนต์ ที่ช่วยให้ผู้คนหลุดพ้นจากระบวนการใช้แรงงานเกี่ยวข้องกับเครื่องจักรอื่น ๆ รวมถึงเครื่องยนต์ที่ใช้แก๊ส เขาต้องการให้ผู้คนตัดสินใจใช้วิถีชีวิตด้วยตัวเอง มากกว่าจะให้เครื่องจักรที่พวกเขาสรรค์สร้างขึ้นตัดสินใจแทนตัวพวกเขา

ภาพวาดสิทธิบัตร ค.ศ. 1898 โดยรูดอล์ฟ ดีเซล
(สำนักงานสิทธิบัตรแห่งสหรัฐอเมริกา)
จังหวะของลูกสูบ
ความจริงมีเครื่องยนต์ดีเซลสองประเภทหรือสองระดับ หนึ่งคือประเภทสองจังหวะหรือสองรอบ (two-stroke or two-cycle type) ซึ่งต้องใช้รอบการดำเนินงานที่สมบูรณ์ในทุก ๆ ลูกสูบสองจังหวะ ต้องอัดอากาศเพื่อการสตาร์ตเครื่องเช่นเดียวกับการใช้งาน ส่วนอีกแบบคือเครื่องยนต์แบบสี่จังหวะหรือสี่รอบ (four-stroke or four-cycle engine) จังหวะลงครั้งแรก (downstroke) ของเครื่องยนต์ทำให้อากาศเข้ามาจังหวะขึ้นอากาศถูกกดลงมาประมาณ ๕๐๐ ปอนด์ต่อตารางนิ้ว ด้านบนของจังหวะ น้ำมันเชื้อเพลิงจะถูกอัดฉีดให้เป็นละอองผ่านเข้าไปทางหัวฉีดทำให้ติดไฟ แก๊สซึ่งเกิดจากกำลังเชื้อเพลิงที่ถูกจุดระเบิดขยายตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้ลูกสูบอยู่ลงมาในจังหวะที่จุดไฟหรือทำงานได้จังหวะขึ้นถัดไปจะผลักดันให้แก๊สเสียออกผ่านท่อไอเสีย ทำให้เครื่องยนต์ทำงานครบวงจร จำนวนเชื้อเพลิงที่สูบฉีดเข้าไปจะควบคุมความเร็วและกำลังของเครื่องยนต์ดีเซล โดยไม่เกี่ยวข้องกับจำนวนอากาศที่เข้าไป ดังที่เป็นในเครื่องยนต์แบบใช้น้ำมัน (เครื่องยนต์เบนซิน)
หลักการทำงานของเครื่องจักรดีเซล อากาศเมื่อถูกอัดตัวจะมีความร้อนสูงขึ้น แต่ถ้าอากาศถูกอัดตัวอย่างรวดเร็ว โดยไม่มีการสูญเสียความร้อน(Adiabatic compression) ทั้งแรงดันและความร้อนจะสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว (Boyle's law) เมื่อฉีดละอองน้ำมันเชื้อเพลิงเข้าไปในอากาศที่ร้อนจัดจากการอัดตัว ก็จะเกิดการเผาไหม้ขึ้นอย่างทันทีทันใด ทำให้เกิดกำลังงานขึ้น กำลังงานที่เกิดขึ้นจะนำไปใช้ประโยชน์ในรูปของแรงขับหรือแรงผลักดัน ผ่านลูกสูบและก้านสูบทำให้เพลาข้อเหวี่ยงหมุน ณ กำลังอัดเดียวกัน อากาศที่อุณหภูมิเริ่มต้นสูงกว่า เมื่อถูกอัดย่อมมีอุณหภูมิสูงกว่าหรือร้อนกว่า
เครื่องยนต์ดีเซลแบ่งออกเป็นแบบใหญ่ๆ ได้เป็น 2 แบบคือ
1. เครื่องยนต์ 4 จังหวะ (The 4-cycle Engine)
2. เครื่องยนต์ 2 จังหวะ (The 2-cycle Engine)

รูปการทำงานของเครื่องยนต์ 4 จังหวะ
เครื่องยนต์ดีเซลขนาดเล็ก โดยทั่วไปเป็นเครื่องยนต์ 4 จังหวะ สำหรับเครื่องยนต์ 2 จังหวะ มักใช้กับเครื่องยนต์ดีเซลขนาดใหญ่
การทำงานของเครื่องยนต์ 4 จังหวะ
1. จังหวะดูด (Intake Storke) เมื่อลูกสูบเลื่อนลงจากจุดศูนย์ตายบนถึงจุดศูนย์ตายล่าง(TDC-BDC) ลิ้นไอดีจะเปิด อากาศจะถูกดูดเข้ามาประจุในห้องเผาไหม้ แต่ในขณะนี้ลิ้นไอเสียยังคงปิดอยู่
2. จังหวะอัด (Compression Stroke) เมื่อลูกสูบเริ่มเลื่อนขึ้นจากศูนย์ตายล่าง (BDC) ลิ้นทั้งสองจะปิด ดังนั้นอากาศในกระบอกสูบจึงถูกอัดโดยกระบอกสูบ แรงดันและความร้อนของอากาศจึงสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว อากาศในขณะนี้เป็นอากาศที่ร้อนแดง " Red hot Air" ถ้าอัตราส่วนการอัดเท่ากับ 20:1 อากาศจะมีแรงดัน 40-45 กก./ตารางเซนติเมตร และมีอุณหภูมิ 500-600 องศาเซลเซียส
3. จังหวะระเบิด (power Stroke) เมื่อลูกสูบเลื่อนขึ้นเกือบจุดศูนย์ตายบน ในปลายจังหวะอัด ละอองน้ำมันเชื้อเพลิงจะถูกฉีดเข้าสู่ห้องเผาไหม้ ทำให้เกิดการเผาไหม้อย่างทันทีทันใด แรงดันจากการเผาไหม้จะผลักดันให้ลูกสูบเลื่อนลง อุณหภูมิจะสูงขึ้นเป็นประมาณ 2000 องศาเซลเซียส และแรงดันสูงขึ้นเป็น 55-80 กก./ตารางเซนติเมตร ในจังหวะระเบิดนี้พลังงานความร้อนจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานกล
4. จังหวะคาย (Exaust Stroke) ปลายจังหวะระเบิด ลิ้นไอเสียจะเปิด แก๊สไอเสียจึงขับไล่ออกจากกระบอกสูบ ด้วยการเลื่อนขึ้นของลูกสูบ