เครื่องยนต์ในรถยนต์ปัจจุบันเกือบทั้งหมดเป็นเครื่องยนต์สันดาปภายใน 4 จังหวะใช้น้ำมันเบนซินเป็นเชื้อเพลิง นอกเหนือจากนี้จะเป็นเครื่อง 4 จังหวะใช้น้ำมันดีเซลเป็นเชื้อเพลิง (นิยมใช้ในรถบรรทุก) นอกจากนั้นยังมีเครื่องยนต์โรตารี่และเครื่องยนต์แบบ 2 จังหวะ ที่ปัจจุบันแทบจะไม่เห็นในรถยนต์อีกแล้ว (มักจะเห็นในรถจักรยานยนต์)
จะขอพูดถึงเรื่องเครื่องยนต์ 4 จังหวะเบนซินก่อน ความหมายของเครื่องยนต์ 4 จังหวะ คือเครื่องยนต์หมุน 2 รอบ ได้งาน 1 หน (จุดระเบิด 1 หน) มีจังหวะการทำงานคือ จังหวะดูด-จังหวะอัด-จังหวะระเบิด (เผาไหม้) -จังหวะคาย
เครื่องยนต์ประเภทนี้จะทำงานได้สมบูรณ์โดยทำงานทั้ง 4 จังหวะนี้คือ มีส่วนผสมน้ำมันกับอากาศ (ไอดี)ที่เหมาะสม แล้วนำมาอัดให้เกิดความร้อน ต่อจากนั้นใช้ประกายไฟจุดไอดีให้เผาไหม้ เมื่อเกิดความร้อนจากการเผาไหม้จะมีการขยายตัวอย่างรุนแรง ซึ่งแรงดันที่เกิดจากการขยายตัวนี้เอาไปเปลี่ยนเป็นการเคลื่อนไหว จึงเรียกว่าได้งาน หลังจากนั้นไอดีที่ถูกเผาไหม้ก็จะถูกเอาไปทิ้งถือว่าสุดสิ้นการทำงาน
ส่วนประกอบที่สำคัญของเครื่องยนต์แบบนี้คือ
1. เพลาข้อเหวี่ยง ทำหน้าที่เปลี่ยนการทำงานขึ้น ลงของลูกสูบให้เป็นการหมุนเพื่อส่งต่อไปใช้งาน
2. ก้านสูบ ทำหน้าที่รับแรงดันจากลูกสูบส่งไปให้ข้อเหวี่ยง
3. ลูกสูบ ทำหน้าที่รับแรงจากการขยายตัวของการเผาไหม้ของไอดีเพื่อส่งผ่านก้านสูบไปยังข้อเหวี่ยง
4. เพลาราวลิ้น (CAMSHAFT) ทำหน้าที่ควบคุมการเปิด/ปิดของลิ้นไอดีและไอเสียให้ถูกต้องตามจังหวะการทำงาน
5. ลิ้นไอดี-ไอเสีย (INTAKE VALVE-EXHAUST VALVE) ทำหน้าที่เปิดให้ไอดีเข้าและไอเสียออกจากระบบสูบตามจังหวะที่ถูกต้อง
6. ห้องเผาไหม้ และกระบอกสูบ มีไว้สำหรับบรรจุไอดีเข้าไปเพื่อใช้ในการเผาไหม้
7. ท่อไอดี ทำหน้าที่นำพาไอดีเข้าไปในกระบอกสูบ
8. ท่อไอเสีย ทำหน้าที่นำพาไอเสียที่เกิดจากการเผาไหม้ออกจากกระบอกสูบ
ชิ้นส่วนที่กล่าวมานี้ทั้งหมดเป็นชิ้นส่วนหลักในการทำงานของเครื่องยนต์ ในที่นี้จะกล่าวง่ายๆเพียงเท่านี้ ซึ่งรายละเอียดต่าง ๆ ที่มีอีกมากจะพูดถึงต่อไป
หลักการทำงานของเครื่องยนต์ 4 จังหวะ คือ
จังหวะดูด ลิ้นไอดีเปิด ลูกสูบซึ่งอยู่ที่จุดศูนย์ตายบน (ด้านบนสุดของกระบอกสูบ) เลื่อนลงดูดไอดีเข้าไปในกระบอกสูบ
จังหวะอัด ลิ้นไอดีปิดลูกสูบซึ่งอยู่ที่จุดศูนย์ตายล่าง (ด้านล่างสุดของกระบอกสูบ) เลื่อนขึ้นอัดไอดีให้มีปริมาตรเล็กลงทำให้เกิดความร้อน
จังหวะระเบิด(เผาไหม้) หัวเทียนจุดประกายไฟทำให้ไอดีที่ถูกอัดให้ร้อนอยู่แล้วเกิดการเผาไหม้อย่างรุนแรง ดันลูกสูบซึ่งอยู่ที่จุดศูนย์ตายบนถูกดันเลื่อนลง
จังหวะคาย ลิ้นไอเสียเปิดลูกสูบซึ่งอยู่ที่จุดศูนย์ตายล่างเลื่อนขึ้นเพื่อขับไล่ไอเสียซึ่งเกิด
จากการเผาไหม้ออกจากกระบอกสูบ เป็นอันเสร็จสิ้นการทำงาน 4 จังหวะจากความสัมพันธ์ของการทำงานทั้ง 4 จังหวะนี้ สามารถเขียนเป็นรูปแสดงมุมตามทางหมุนของเพลาข้อเหวี่ยงได้ดังนี้ (VALVE TIMING DIAGRAM)
เมื่อเข้าใจการทำงานของเครื่องยนต์ 4 จังหวะดีแล้ว จะขอพูดถึงรายละเอียดของระบบต่าง ๆ ที่สำคัญในเครื่องยนต์ ดังนี้
1. ระบบไอดี (INTAKE SYSTEM) ทำหน้าที่นำพาอากาศและผสมน้ำมันเชื้อเพลิงกับอากาศให้มีอัตราส่วนพอเหมาะแล้วนำพาเข้าไปในกระบอกสูบ
เนื่องจากการที่จะทำให้เครื่องยนต์มีประสิทธิภาพหรือมีแรงม้าสูง ๆ ได้นั้น ระบบไอดีมีความสำคัญเป็นอย่างมาก ซึ่งเงื่อนไขในการทำให้เครื่องยนต์มีกำลังมากขึ้นนั้น ต้องคำนึงถึงการไหลของไอดีอย่างสะดวกคือ ให้ไอดีไหลเข้าตรงที่สุดเท่าที่จะทำได้ และลดสิ่งกีดขวาง (ลิ้นเร่งแบบสไลด์) การไหล เพิ่มความกว้างของท่อทางและช่องไอดี (ขัดขยายช่องไอดีและท่อร่วมไอดี , ขนาดของลิ้นเร่ง) รวมถึงลิ้นไอดีด้วย (วาล์ว) คือ ต้องให้ลิ้นไอดีเปิดกว้าง และนานที่สุดเท่าที่จะทำได้ (ใช้ CAMSHAFT ที่มีองศาการเปิดมากและระยะยกสูง) และอีกอย่างหนึ่งที่เป็นสิ่งสำคัญมากคือ อุณหภูมิและความหนาแน่นของไอดี ยิ่งอุณหภูมิต่ำและยิ่งความหนาแน่นสูงจะยิ่งทำให้เครื่องยนต์มีกำลังมากขึ้นเท่านั้น แต่ยิ่งความหนาแน่นสูงเนื่องจากการอัดอากาศ เช่น เครื่องยนต์ที่มีระบบอัดอากาศ (TURBO CHARGER, SUPER CHARGER) ยิ่งทำให้อุณหภูมิไอดีสูงขึ้น จึงนิยมติดตั้งอุปกรณ์ระบายความร้อนไอดี เช่น INTERCOOLER เข้าไปในระบบ เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความร้อนมากเกินไปในระบบไอดี
ระบบไอดีในรถยนต์ทั่วไปมีชิ้นส่วนหลัก ๆ ดังต่อไปนี้
เครื่องยนต์ NA
กรองอากาศ
ปากแตร (ส่วนมากจะมีในเครื่องที่ต้องการสมรรถนะสูงๆ)
ห้องพักอากาศ (SURGTANK)
ลิ้นเร่ง
ท่อร่วมไอดี (INTAKE MANIFOLD)
เครื่องยนต์ที่มีเครื่องอัดอากาศ (TURBO)
กรองอากาศ
ปากแตร (ส่วนมากจะมีในเครื่องที่ต้องการสมรรถนะสูงๆ)
TURBO หรือ SUPERCHARGER
INTERCOOLER
ลิ้นเร่ง
ห้องพักอากาศ (SURGTANK)
ท่อร่วมไอดี (INTAKE MANIFOLD)
หม้อกรองอากาศ
ทำหน้าที่กรองสิ่งสกปรกไม่ให้ปะปนกับไอดีเข้าไปในกระบอกสูบเพื่อป้องกันการเสียหาย ปกติแล้วหม้อกรองอากาศที่ติดตั้งมากับรถทั่วไปนั้นจะให้การไหลของไอดีไม่ค่อยดีนัก เนื่องจากมักจะถูกออกแบบให้ติดตั้งอุปกรณ์เก็บเสียง ซึ่งทำให้มีการไหลวนเข้าไปในกล่องเก็บเสียงของไอดีและไส้กรองอากาศที่มีความละเอียดสูง จึงไม่สามารถทำให้อากาศไหลผ่านได้ดีส่วนใหญ่คนที่ต้องการแต่งรถให้มีความแรง ขึ้นแล้วยังสามารถใช้งานได้ปกติจึงนิยมใส่หม้อกรองอากาศที่มีการไหลผ่านของอากาศได้ดีที่นิยมเรียกว่า "กรองเปลือย" ซึ่งมีลักษณะไส้กรองไม่มีกล่องหุ้มอากาศ สามารถไหลเข้าไปได้ทุกทิศทุกทางแต่ส่วนใหญ่เนื้อของไส้กรองประเภทนี้จะมีความละเอียดน้อยกว่าไส้กรองอากาศที่ติดมากับรถ ดังนั้นฝุ่นละอองสามารถผ่านเข้าไปได้มากกว่าในระยะยาวจะทำให้เครื่องยนต์เสียหายเร็วขึ้นได้ ลักษณะหม้อกรองอากาศแบบเปลือยที่ดีควรเป็นครีบจำนวนมากและยิ่งมีขนาดใหญ่ยิ่งดี
เพราะจะมีพื้นที่ให้อากาศไหลผ่านเข้ามากและพื้นที่ที่มีมากของกรองอากาศจะเฉลี่ยฝุ่นละอองไปตามเนื้อที่ได้เยอะ ทำให้กรองตันช้าลง และไม่ควรมีความหยาบจนเกินไป เพราะจะทำให้ฝุ่นละอองเข้าไปในเครื่องได้มาก โดยมากเรามักจะเห็นกรองอากาศแบบกึ่งเปียกมาทำเป็นกรองเปลือย
เนื่องจากของเหลวที่เคลือบไว้ที่กรองอากาศนั้นสามารถจับฝุ่นได้ดีกว่าแบบแห้ง อีกเรื่องที่สำคัญ คือตำแหน่งการติดตั้งกรองเปลือยมักจะเห็นติดตั้งกันในห้องเครื่อง ควรจะกั้นห้องไม่ให้ดูดอากาศร้อนจากในห้องเครื่อง เพราะจะทำให้ความหนาแน่นของอากาศน้อยลง เมื่อกั้นห้องไม่ให้อากาศร้อนเข้ามาแล้วควรจะนำพาอากาศที่เย็นกว่าจากด้านนอกรถเข้ามาในห้องที่กั้นไว้ถึงจะดี หรือถ้าในรถแข่งส่วนใหญ่ที่วิ่งในสถานที่ที่ไม่มีฝุ่นมากจะไม่นิยมใส่หม้อกรองอากาศ
ท่อร่วมไอดี (INTAKE MANIFOLD) รถธรรมดาทั่วไป ที่มีลิ้นเร่งเดี่ยว ท่อร่วมไอดีจะทำหน้าที่แบ่งอากาศที่ไหลผ่านลิ้นเร่งเพื่อส่งไปให้ช่องไอดีของฝาสูบ (พอร์ต) ให้เท่าๆ กันในแต่ละสูบ แต่อีกพวกหนึ่งเช่นเครื่องรถแข่งที่ต้องการกำลังเครื่องยนต์มากๆ มากมักจะใช้ท่อร่วมไอดีที่มีการออกแบบมาใหม่เพื่อการใช้งานเฉพาะ เช่น ใช้ลิ้นเร่งแบบหลายอัน คือ มีลิ้นเร่ง 1 อันต่อ 1 สูบอิสระ ท่อร่วมไอดีแบบนี้สามารถกำหนดจำนวนไอดีที่จะส่งเข้าไปในช่องไอดีของแต่ละสูบให้เท่ากันได้ดีกว่าแบบลิ้นเร่งเดี่ยว ซึ่งแบบลิ้นเร่งเดี่ยวนั้นใช้วิธีการแบ่งไอดีให้แต่ละสูบใกล้เคียงกันโดยวิธีการทำให้ช่องไอดีโค้งงอเพื่อให้ไอดีไหลเข้าไปไม่สะดวกในช่องไอดีของสูบที่จะไหลเข้าง่ายที่สุด จึงทำให้เกิดการต้านการไหลทำให้ไม่สามารถสร้างกำลังของเครื่องยนต์ได้มากนัก แต่ท่อไอดีแบบลิ้นเร่งเดี่ยวนั้น สามารถใช้งานในรอบต่ำถึงกลางได้ดีกว่าแบบหลายลิ้นเร่งซึ่งจะใช้ได้ดีเฉพาะรอบกลางถึงรอบสูงเท่านั้น ขนาดความกว้างและความยาวของท่อร่วมไอดีจะมีผลโดยตรงกับนิสัยของเครื่องยนต์มากคือ ความยาวระหว่างลิ้นไอดีจนถึงปลายทางเข้าของท่อไอดี ยิ่งยาวยิ่งได้แรงบิดสูงในรอบต่ำ แต่จะมีกำลังน้อยในรอบสูง (ต้นดี) และถ้ายิ่งสั้นยิ่งมีแรงบิดน้อยในรอบต่ำ แต่มีกำลังมากในรอบสูง (รอรอบ) ในทำนองเดียวกัน ความกว้างของช่องไอดียิ่งกว้างยิ่งทำให้เครื่องมีกำลังมากที่รอบสูงแต่มีแรงบิดน้อยในรอบต่ำ (รอรอบ) และยิ่งเล็กยิ่งทำให้มีกำลังน้อยในรอบสูงแต่มีแรงบิดมากในรอบต่ำ (ต้นดี) เนื่องจากช่องไอดีที่มีขนาดใหญ่ เมื่อมีไอดีขนาดหนึ่งไหลผ่านถ้าเทียบกับช่องไอดีที่มีขนาดเล็กมีความเร็วน้อยกว่าในรอบต้นเนื่องจากอากาศมีน้ำหนักมีแรงเฉี่อย ทำให้อากาศมีการเริ่มเคลื่อนที่ได้ช้า แต่ท่อไอดีที่มีขนาดเล็กเมื่อรอบสูงแล้วจะทำให้ไอดีไหลผ่านไม่สะดวกถึงจะมีความเร็วมากก็ตาม ตามทฤษฎีความเร็วอากาศในท่อไอดีอยู่ประมาณ 80-100 เมตร/วินาที (m/s) ถือว่าเครื่องยนต์มีกำลังมากที่สุด ถ้ามีความเร็วสูงกว่านี้ถือว่าไอดีไหลไม่สะดวกแล้ว ในรถบ้านทั่วไปที่ภายในท่อร่วมไอดีผิวค่อนข้างขรุขระและมีมุมมากทำให้ไอดีไหลไม่สะดวก จะมีความเร็วของไอดีเฉลี่ยประมาณ 50-60 เมตร/วินาที เท่านั้น การกำหนดความกว้างของท่อไอดีนั้น ใหญ่มากเกินไปก็ไม่ดี ควรจะกำหนดว่าเครื่องยนต์มีกำลังขนาดไหนแล้วค่อย ๆ ทำใหญ่ขึ้นทีละน้อยแล้วทดสอบเปรียบเทียบจนได้ผลดีที่สุด
ปากแตร (AIR HORN) ทำหน้าที่ชักนำอากาศที่ปากทางเข้าท่อไอดีให้เข้ามาในท่อไอดีได้ง่ายขึ้น เนื่องจากปกติแล้วเมื่ออากาศไหลเข้ามาทางปากท่อไอดีมักจะไหลเข้าไปชนกับเหลี่ยมปากทางเข้า ซึ่งทำให้เกิดการหมุนวนของอากาศที่ปากทางเข้าทำให้การไหลไม่สะดวก เครื่องยนต์ที่ติดตั้งปากแตรที่ปากทางเข้าไอดีนั้น เมื่อคิดความยาวของท่อไอดีต้องรวมไปถึงปลายทางเข้าปากแตรด้วย ดังนั้นความยาวของปากแตรจึงมีผลโดยตรงกับนิสัยของเครื่อง เช่นเดียวกับท่อร่วมไอดีคือ ยิ่งยาวยิ่งทำให้ความเร็วของอากาศสูง มีการตอบสนองดีในรอบต่ำแต่จะไหลไม่สะดวกในรอบสูง (ต้นดี) แต่ถ้าปากแตรสั้น ทำให้ความเร็วของอากาศน้อยในรอบต่ำแต่จะไหลดีในรอบสูง (รอรอบ) ตามทฤษฎีมุมของปากแตรต้องทำมุมต่อกัน 14 องศาจะดีที่สุด
ห้องพักอากาศ (SURGTANK) ทำหน้าที่ลดแรงกระชากจากแรงดูดของช่องไอดีของแต่ละสูบ ซึ่งปกติแล้วเครื่องยนต์ 4 สูบแถวเรียงทั่วไปมีจังหวะจุดระเบิดเรียงตามสูบ 1-3-4-2 ดังนั้นเมื่อมีการดูดในท่อร่วมไอดีแบบลิ้นเดี่ยวหรือหลายลิ้นที่มีปากทางเข้าไอดีรวมกันเป็น 1 ช่อง จะมีการสลับกันดูดตามตำแหน่งจังหวะจุดระเบิด จึงทำให้เกิดการกระชากในท่อร่วมไอดีได้ จึงต้องมีห้องพักอากาศที่มีอากาศจำนวนมากสะสมไว้เพื่อให้เพียงพอต่อการดูดในจังหวะต่อไปของสูบถัดไป ห้องพักนี้ยิ่งมีขนาดใหญ่ยิ่งทำให้เครื่องยนต์วิ่งรอบสูงได้ดีขึ้น แต่เครื่องยนต์ TURBO ซึ่งมีการอัดอากาศมารอไว้ที่ห้องรอลิ้นไอดีเปิด เพื่อจะส่งอากาศเข้าไปในกระบอกสูบได้ต่อเนื่องอยู่แล้ว จึงมีความจำเป็นในการทำห้องพักอากาศขนาดใหญ่น้อยมาก ในรถบ้านทั่วไปมักจะมีปัญหาเรื่องขนาดของห้องเครื่องจึงไม่สามารถทำห้องพักอากาศให้มีขนาดใหญ่ได้
ลิ้นเร่ง ทำหน้าที่กำหนดหรืออนุญาตให้อากาศ (ไอดี) ไหลเข้าไปในกระบอกสูบได้มากหรือน้อยตามคำสั่งจากคันเร่งโดยตรง ขนาดของลิ้นเร่งมีผลคล้ายกับท่อร่วมไอดีคือ ยิ่งมีขนาดใหญ่ในรอบต่ำไม่มีแรงบิด แต่จะไปมีกำลังในรอบสูง(รอรอบ)จะทำให้ช่วงใช้งาน (POWERBAND) แคบ คือใช้ได้แค่รอบกลางถึงรอบสูง การตอบสนองคันเร่งช้าควบคุมยาก แต่ถ้ามีขนาดเล็กจะมีแรงบิดมากในรอบต่ำและไม่ค่อยมีกำลังในรอบสูงเนื่องจากอากาศไหลไม่สะดวก มีการตอบสนองตามคันเร่งดี ควบคุมรถง่าย ชนิดของลิ้นเร่ง ที่มักเห็นกันทั่วไปคือแบบ ลิ้นปีกผีเสื้อ ลิ้นเร่งแบบนี้เป็นแบบที่นิยมใช้มากที่สุด เนื่องจากมีความคงทนสูง มีความเที่ยงตรง มีความฝืดน้อย (คันเร่งเบา) ต้นทุนในการผลิตต่ำ แต่เมื่อเปิดลิ้นเร่งสุดจะมีแกนลิ้นเร่งขวางอยู่ตรงกลางทำให้อากาศไหลไม่ค่อยสะดวก ลิ้นอีกประเภทหนึ่งคือ ลิ้นแบบเลื่อน หรือ ลิ้นสไลด์ (สไลด์วาล์ว) ลิ้นแบบนี้มีใช้กับในรถแข่งเท่านั้น ข้อดีของลิ้นประเภทนี้คือ เมื่อลิ้นเปิดสุดจะไม่มีอะไรมาขวางทาง ทำให้อากาศไหลผ่านได้สะดวก แต่ลิ้นประเภทนี้มีหน้าสัมผัสมากทำให้เคลื่อนที่ได้ยากมีความฝืดสูง (คันเร่งหนัก) มีชิ้นส่วนซับซ้อนจำนวนมาก ต้นทุนการผลิตสูง ควบคุมเวลาเดินเบาไม่ค่อยได้ดี เพราะว่าความห่างของแผ่นเลื่อนกับเสื้อแผ่นเลื่อนมีมาก ทำให้ไอดีรั่วไหลได้บ้าง
คัดลอกมาจาก :
http://www.grandprixgroup.com/gpi/magxo/detail.asp?news_id=148
หน้าที่และความสำคัญของส่วนประกอบสำคัญของเครื่องยนต์
