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