อยากรู้ไหมว่า เครื่องยนต์ทำงานยังไง?


วันนี้เป็นวันเปิดเทอมวันแรกของโรงเรียนส่วนใหญ่ ก็เตรียมใจไว้ตอนเช้าว่ารถจะต้องติดหนักแน่ๆ แต่พอออกจากบ้านขับรถมาทำงานก็แปลกใจว่า รถไม่ได้ติดอย่างที่คิด ถือว่าวิ่งได้ดีกว่าหลายๆวันเลยทีเดียว อันนี้ก็ต้องยกเครดิตให้ บก.จร ที่มีการเตรียมพร้อมในการจัดระเบียบการจราจรในช่วงเปิดเทอมนี้ด้วยนะครับ

พูดถึงโรงเรียนเปิดเรียนก็ทำให้ผมคิดย้อนอดีตไปในสมัยที่ผมเรียน ปวช ตอนผมเรียน ปวช นั้นผมเรียนสาขา ช่างยนต์ ซึ่งก็มีวิชาหนึ่งเป็นวิชาพื้นฐานที่ทุกคนต้องเรียนตอนปี 1 นั่นก็คือวิชา ช่างยนต์-1 วิชานี้ก็ไม่มีอะไรมาก ก็จะเรียนเกี่ยวกับเครื่องยนต์ว่ามีกี่ประเภท กี่จังหวะ ประวัติของเครื่องยนต์และรถยนต์ การทำงานกลไกทั้งหมดของมัน ซึ่งมันเป็นวิชาที่น่าสนใจและเป็นประตูให้ผมหลงไหลในเครื่องยนต์อย่างจริงจัง

พล่ามมามากล่ะ ก็เข้าเรื่องเลยละกัน ในบทความนี้ผมก็อยากจะนำเสนอระบบการทำงานของเครื่องยนต์แบบคร่าวๆ ซึ่งจริงๆแล้วคนใช้รถไม่จำเป็นต้องรู้หรอกครับ แต่ผมว่ามันน่าสนใจถ้าคุณได้อ่านมัน ประมาณว่าเอาเป็น For Your Information ละกันนะครับ

บทความนี้ผมจะนำข้อมูลที่มีอยู่แล้วจากแหล่งข้อมูลอื่นมานำเสนอแต่จะเรียบเรียงใหม่เพิ่มเติมตามความเข้าใจและความรู้ที่ผมได้เล่าเรียนมา โดยจะเริ่มจาก

ประวัติความเป็นมาของเครื่องยนต์เบนซิน (แก๊สโซลีน)

  • ค.ศ. 1794 (พ.ศ. 2337) โรเบริ์ต สตรีท (Robert Street) ชาวอังกฤษสร้างเครื่องยนต์เผาไหม้ภายในเครื่องแรก
  • ค.ศ. 1824 (พ.ศ. 2367) ซาดี คาร์โน (Sadi Carnot) ค้นคว้าเพิ่มเติมของสตรีทให้ดียิ่งขึ้น
  • ค.ศ. 1862 (พ.ศ. 2405) โปเดอร์ โรชา (Beau De Rochas) ชาวฝรั่งเศส ได้พิมพ์เอกสาร หลักการทำงานของเครื่องยนต์ 4 จังหวะเป็นครั้งแรก โดยเน้นหลักการต่อไปนี้
  1. การอัดตัวของส่วนผสมของน้ำมันกับอากาศสูงสุดที่จุดเริ่มต้นของการขยายตัวเท่าที่จะเป็นไปได้
  2. การขยายตัวมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
  3. การขยายตัวรวดเร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
  4. ปริมาตรความจุของกระบอกสูบมากที่สุด โดยมีพื้นที่ระบายความร้อนน้อยที่สุด
  • ค.ศ. 1872 (พ.ศ. 2415) เบรย์ตัน (Brayton) ชาวเยอรมันนี ได้พัฒนาเครื่องยนต์สามารถใช้พาราฟิน และน้ำมันปิโตเลียมหนักเป็นเชื้อเพลิง
  • ค.ศ. 1876 (พ.ศ. 2419) ดร.ออตโต (Dr.N.A.Auto) ชาวเยอรมันนี สร้างเครื่องยนต์ 4 จังหวะตามหลักการของโรชาและปรับปรุงให้มีประสิทธฺภาพสูงขึ้น ได้มีการประดิษฐ์ยานพาหนะทางบกที่ขับเคลื่อนด้วยกำลังของตัวเองมาเป็นเวลานานแล้ว แต่ผลสำเร็จของการประดิษฐ์ เกิดขึ้นในปี 1876 ต่อมาในปี ค.ศ. 1880 (พ.ศ. 2422) มีความเจริญก้าวหน้าอย่างมากเกิดขึ้นในเยอรมัน เมื่อ เดทเลอร์ (Gottlieb Daimler) และเบนซ์ (Carl Benz) ทำงานร่วมกับ มาย บัค (Maybach) ได้ประดิษฐ์เครื่องยนต์เครื่องแรก ปี ค.ศ. 1883 (พ.ศ. 2425) โดยเครื่องยนต์ที่เขาประดิษฐ์ขึ้นนี้มีความเร็วรอบมากกว่าของออตโต ถึง 4 เท่าคือความเร็วเท่ากับ 900 รอบต่อนาที
และ ดร. ออตโต คนนี้เองที่เป็นจุดกำเนิดของเครื่องยนต์
ประวัติความเป็นมาของเครื่องยนต์ดีเซล
พ.ศ. 2526
รูดอลฟ์ ดีเซล ได้สร้างเครื่องยนต์ดีเซลที่ใช้งานได้สำเร็จเป็นเครื่องแรกของโลก โดยเครื่องยนต์นี้เริ่มนำไปใช้ในการเดินเรือและตั้งในโรงงานอุตสาหกรรมเป็นอันดับแรก เนื่องจากขนาดที่ใหญ่และน้ำหนักของตัวมันเองช่วง พ.ศ. 2463
นวัตกรรมด้านการช่าง ทำให้เครื่องยนต์ดีเซลมีอัตราการเติบโตสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว ขณะเดียวกัน ขนาดของเครื่องยนต์เริ่มเล็กลงจนสามารถใช้ได้กับพาหนะที่วิ่งบนท้องถนน
ต่อมาในปี พ.ศ. 2466 รถบรรทุกคันแรกที่ติดตั้งเครื่องยนต์ดีเซล ก็ได้เผยโฉมในงานมหกรรมรถยนต์ เบอร์ลิน มอเตอร์ แฟร์ เครื่องยนต์ดีเซลได้ถูกปรับเปลี่ยนให้สามารถใช้กับเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ (Fossil Fuel) ที่มีความหนืดต่ำ มากกว่าจะใช้กับเชื้อเพลิงมวลชีวภาพ (Biomass Fuel) ยางชนิดบรรจุลมก็เริ่มนิยมแพร่หลาย และช่วยเพิ่มความเร็วให้กับยานพาหนะขึ้นอีกเท่าตัว รวมทั้งยังเพิ่มความนิ่มนวลให้กับผู้ขับขี่ ชื่อ Cummin, Benz และ CAT เริ่มมีชื่อเสียงเป็นที่รู้จักในการพัฒนาด้านเครื่องยนต์ดีเซล

ช่วง พ.ศ. 2473
เริ่มมีการผลิตรถบรรทุกดีเซลในแบบอุตสาหการ เครื่องยนต์ดีเซลนั้นเคยเป็นและยังเป็นเครื่องยนต์ที่ให้ประสิทธิภาพการประหยัดเชื้อเพลิงที่ดีกว่าเครื่องเบนซิน และมีความสัมพันธ์รอบเครื่องและความเร็วที่ดีกว่าเพื่อการรับน้ำหนัก กิจการรถบรรทุกได้ขยายตัวอย่างรวดเร็ว และได้รับความนิยมเหนือกว่าการขนส่งทางรถไฟ

ผ่านเรื่องน่าเบื่อมาละ ทีนี้เรามาดูหลักการทำงานคร่าวๆกันนะครับ

เครื่องยนต์เบนซิน

ในปัจจุบัน เครื่องยนต์ มีอยู่ไม่กี่ประเภทที่สำคัญและยังมีใช้กันอยู่ในปัจจุบัน และหลายคนมักจะเรียกว่าตามความเคยชินว่า เครื่องยนต์เบนซินกับเครื่องยนต์ดีเซล ตามประเภทของน้ำมันเชื้อเพลิงที่ใช้ให้กำลังกับเครื่องยนต์ แต่ความจริงแล้วเครื่องยนต์ทั้ง 2 ชนิดไม่ได้มีเพียงแค่น้ำมันที่ต่างกัน แต่ยังมีวิธีการทำงานที่ต่างกันด้วย

เครื่องยนต์เบนซิน ถือเป็นเครื่องสันดาบภายในแรกๆที่เกิดขึ้น หลังจากเครื่องจักรไอน้ำ โดยเครื่องยนต์สันดาบประเภทนี้เกิดขึ้น ครั้งแรก โดย นิโคลอส ออกัส ออทโต ที่ได้ผลิตขึ้นเป็นครั้งแรกในปี 1876 ในเมืองโคโลจ์ญ ประเทศเยอรมันที่ได้กล่าวมาแล้วข้างต้น

หลักการทำงานของเครื่องยนต์ของ ออทโต นั้นยังใช้มาถึงจวบจนปัจจุบันในเครื่องยนต์เบนซินแทบทุกรุ่นแม้จะมีการเปลี่ยนแปลงไปบ้างตามยุคสมัย แต่โดยรวมก็ยังเหมือนเดิมคือ เครื่องยนต์จะทำงานแบ่งออกเป็น 4 จังหวะสำคัญได้แก่

“ดูด” คือ จังหวะที่ลูกสูบเลื่อนลงสู่ในตำแหน่งล่างสุดดูดอากาศเข้าห้องเผาไหม้ จากนั้นจะเข้าสู่จังหวะ “อัด” คือ จังหวะที่ลูกสูบในเครื่องยนต์เลื่อนกลับสู่ตำแหน่งบนสุดโดยตำแหน่งนี้ส่วนผสมน้ำมันและอากาศจะคลุกเคล้าระหว่างกัน ก่อนที่จะถึง “จุดระเบิด” โดยหัวเทียน โดยใช้ไฟขนาด 25,000 โวล์ท เป็นตัวเร่งให้ เกิดการจุดระเบิด ในจังหวะที่ 3 โดยการเผาไหม้ที่เกิดขึ้นจะดันลูกสูบลงไปสู่ตำแหน่งข้างล่าง ซึ่งเป็น “จังหวะทำกำลัง” ก่อนที่ไอเสียจากการเผาไหม้จะถูกคายออกสู่ข้างนอกใน จังหวะที่ 4 หรือ “จังหวะคาย” และ ก็เริ่มกระบวนการนี้ใหม่เรื่อยๆ อย่างต่อเนื่อง

ในปัจจุบันเครื่องยนต์ที่มีเทคโนโลยีมากยิ่งขึ้นนำสู่ระบบการทำงานมากขึ้น หลายคนอาจจะเคยได้ยินระบบชื่อแปลกๆ อย่าง Atkinson Cycle ที่เราพบได้ในรถไฮบริดต่างๆ

ระบบการทำงานแบบ Atkinson Cycle ที่จริงก็ไม่ได้แตกต่างเท่าไร เพราะตามแนวคิดของ Jame Atkinson ผู้คิดค้นการทำงานแบบนี้พัฒนาระบบของเขามาจากเครื่องยนต์ 4 จังหวะธรรมดา จากการทำงานของ Otto Cycle แต่ Atkinson ได้มีการปรับแต่งข้อเหวี่ยงให้มีช่วง “จังหวะอัด” มีช่วงเวลาสั้นและช่วงจุดระเบิดมีระยะเวลานานกว่า ทำให้สามารถถ่ายเทความร้อนได้ดีกว่า และลดการสูญเสียกำลังของเครื่องยนต์เองกว่า 10% แต่ในอดีตเครื่องยนต์แบบ Atkinson จะสูญเสียแรงบิดในรอบต่ำ ทำให้ไม่สามารถตอบสนองได้ ทว่าปัจจุบันเครื่องยนต์ได้ใช้ระบบวาล์วแปรผันเข้ามาช่วยในการทำงานในการทำตามแนวคิดของ Atkinson เช่นเดียวกับมอเตอร์ไฟฟ้า ในรถยนต์ไฮบิดที่ให้แรงบิดสูงในรอบต่ำ จึงเป็นสาเหตุว่าทำไมเราถึงพบว่ารถยนต์ไฮบริด ถึงชอบใช้เครื่องยนต์ภายใต้แนวคิด Atkinson Cycle

นอกจากแนวคิดของระบ บ Atkinson แล้วยังมีแนวคิดที่สำคัญกับระบบ Miller Cycle หรือ บางคนมักเรียก การทำงานของระบบนี้ว่า “เครื่องยนต์ 5 จังหวะ” ทั้งที่จริงแล้ว ระบบของ Miller Cycle ทำงานแบบเดียวกับ Otto Cycle แต่มีความแตกต่างกันเล็กน้อย

ระบบ Miller Cycle คิดค้น โดย Ralph Miller วิศวกรชาวอเมริกัน ที่เริ่มแนะนำระบบนี้ครั้งแรกเมื่อปี 1940 โดยมิลเลอร์มองว่า เครื่องยนต์สันดาบทั่วไป มักจะมีการสูญเสียแรงในช่วง “อัด” และกลับกันจะทำกำลังมากในช่วงจุดระเบิด หรือ “ช่วงทำกำลัง” เขาจึงมองว่าเครื่องยนต์ที่สามารถทำกำลังได้ดีจะเป็นเครื่องที่ใช้กำลังตัวเองน้อย หรือมีช่วงอัดสั้นกว่าช่วงทำกำลัง

ที่มาของคำว่า “เครื่องยนต์ 5 จังหวะ” เกิดขึ้นในกระบวนการทำงานของเครื่องยนต์ของเขา โดย จากจังหวะอัด ที่สูญเสียกำลังค่อนข้างมาก Miller ได้จับเอาซุปเปอร์ชาร์จเข้ามาติดตั้งและใช้กำลังจากเครื่องยนต์มาปั่นลมเข้าสู่ห้องเผาไหม้ แทนที่เครื่องยนต์จะต้องออกแรงดูดอากาศเองทั้งหมด การนำซุปเปอร์ชาจ์เข้ามาติดตั้งทำให้อากาศมีแรงดันเข้าสู่ห้องเผาไหม้ได้ด้วยตัวเอง และวาล์ไอดีจะเปิดจนลูกสูบขึ้นมาเกือบ 70-80 % ทำให้ลดการสูญเสียกำลังขั้นตอนนี้ได้มากกว่า 10-15 % อีกประการอากาศจากซุปเปอร์ชาร์จจะมีการหล่อเย็นด้วยอินเตอร์คูลเลอร์ ทำให้มีความหนาแน่นของอากาศมากกว่า ส่งผลให้ทำกำลังมากกว่า

หลักการของระบบ Miller Cycle นี้หลายคนอาจจะคิดว่าห่างไกลจากแนวคิดรถยนต์ปัจจุบันมากหรืออาจจะใช้กับรถยนต์สมรรถนะสูง ทว่าปัจจุบันเทคโนโลยีเครื่องยนต์เทอร์โบดีเซลนั้น ก็ได้แนวคิดมาจากระบบของ Miller Cycle เพียงแต่เปลี่ยนจากการใช้กำลังซุปเปอร์ชาร์จเป็นเทอร์โบแต่ไม่ได้ทำเป็นเครื่องยนต์5 จังหวะ และยังมีเครื่องยนต์อีกหลายตัวที่นำมาแนวคิดมาใช้ เช่นใน Nissan March DIG-S ที่ขายในทวีปยุโรปที่มีกำลังกว่า 96 แรงม้า จากเครื่องยนต์ 1.2 ลิตร ซุปเปอร์ชาร์จ แต่ยังให้อัตราประหยัดระดับ 29 กิโลเมตร/ลิตร

เครื่องยนต์ดีเซล

ในด้านเครื่องยนต์ดีเซล แม้จะมองเหมือนมีความแตกต่างกันสุดขั้ว แต่เครื่องยนต์เหล่านี้ก็มีหลักการทำงานคล้ายกัน เครื่องยนต์ดีเซล คิดค้นขึ้นเป็นครั้งแรกใน 1897 โดย รูดอล์ฟดีเซล โดยก่อนหน้านี้ เขาได้นำเสนอบทความ Theory and Construction of a Rational Heat-engine to Replace the Steam Engine and Combustion Engines Known Today appeared ในปี 1983 และเป็นที่มาของเครื่องยนต์ดีเซล

เครื่องยนต์ ดีเซล ยังพัฒนามาจากเครื่องยนต์แบบ 4 จังหวะเช่นกัน แต่เปลี่ยนวิธีการจุดระเบิดในขั้นตอนที่ 2 และ 3 ของกระบวนการสันดาบภายใน แทนที่จากการผสมน้ำมันเข้ากับอากาศแล้วจุดระเบิดด้วยหัวเทียน มาเป็นการอัดอากาศเพียงอย่างเดียว ใน “จังหวะอัด” ให้อากาศมีความร้อนประมาณ 550 องศาเซลเซียส หรือเครื่องยนต์จะมีกำลังราวๆ 15.0:1 จนถึง 22.0 :1 ก่อนที่จะจ่ายน้ำมันเข้าสู่ห้องเผาไหม้ อากาศที่ร้อน จะทำให้น้ำมันดีเซลเกิดการลุกไหม้เองและการระเบิดดังกล่าวก็จะดันลูกสูบให้ทำกำลัง

ปัจจุบันเครื่องยนต์ดีเซลมีพัฒนาการไปมาก ทั้งในแง่การเพิ่มระบบอัดอากาศเข้ามาเสริมการทำงานก็ดี อย่างเช่นที่เราได้กล่าวไปแล้ว รวมถึงการพัฒนาระบบจ่ายน้ำมันให้มีความแม่นยำมากยิ่งขึ้น อย่างที่เราได้ยินคำว่า Common Rail ที่ใช้ระบบหัวฉีดไฟฟ้าเข้ามาจ่ายน้ำมันรวมถึงยังมีการเพิ่มแรงดันน้ำมันในรางให้สูงขึ้นเ พิ่มการฉีดเข้าสู่ห้องเผาไหม้ให้แรง ทำให้เป็นฝอยละเอียดขึ้นจุดระเบิดได้ง่ายขึ้น ให้กำลังดีกว่าเดิม

ทั้งหมดนี้อาจจะ (โคตร) ยาวไปเสียเล็กน้อย แต่นี่คือพื้นฐานของหลักการทำงานเครื่องยนต์ในปัจจุบัน ที่หลายคนอาจจะไม่เคยทราบมาก่อน แต่แน่นอนว่าเมื่อคุณทราบว่าเครื่องยนต์ทำงานอย่างไรแล้ว คุณก็อาจจะยังต้องเข้าใจธรรมชาติของขุมพลังใต้ฝากระโปรงรถคุณมากขึ้นด้วย

Credit: Sanook Auto และ ณัฐยศ ชูบรรจง

เรียบเรียงใหม่เพิ่มเติม: StreetUse