หน่วยที่ 2
ระบบเครื่องยนต์
เครื่องยนต์ คือ อุปกรณ์ที่ใช้สำหรับเปลี่ยนพลังงานความร้อนให้เป็นพลังงานกล
ถ้าแบ่งชนิดของเครื่องยนต์ตามลักษณะการเผาไหม้แล้ว สามารถแบ่งได้เป็น 2 ชนิดใหญ่ ๆ คือ
1. เครื่องยนต์สันดาปภายนอก (External Combustion Engine) เป็นเครื่องยนต์ที่มีการเผาไหม้หรือการเกิดพลังความร้อนอยู่ภายนอกระบอกสูบ
2. เครื่องยนต์สันดาปภายใน (Internal Combustion Engine) เป็นเครื่องยนต์ที่มีการเผาไหม้หรือการเกิดพลังงานความร้อนอยู่ภายในกระบอกสูบโดยตรง
ชนิดของเครื่องยนต์ สามารถแบ่งออกได้ เช่น
1. แบ่งตามชนิดของน้ำมันเชื้อเพลิง แบ่งได้เป็น เครื่องยนต์แก๊สโซลีน, เครื่องยนต์ดีเซล เป็นต้น
2. แบ่งตามกลวัตรการทำงาน แบ่งได้เป็น เครื่องยนต์ 2, 4 จังหวะ และเครื่องยนต์โรตารี่ เป็นต้น
ตำแหน่งที่สำคัญต่าง ๆ ของเครื่องยนต์
ศูนย์ตายบน (TDC = Top Dead Center) คือ ตำแหน่งลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสูงสุดและไม่สามารถจะเคลื่อนที่ต่อไปได้อีก
ศูนย์ตายล่าง (BDC = Bottom Dead Center) คือ ตำแหน่งที่ลูกสูบเคลื่อนที่ต่ำสุดและไม่สามารถเคลื่อนที่ต่อไปได้อีก
ระยะชัก (Stroke) หมายถึง ระยะการเคลื่อนที่ของลูกสูบที่วัดจากจุดศูนย์ตายบนไปยังจุดศูนย์ตายล่างที่มีระยะชัดของลูกสูบหน่วยวัดเป็น มิลลิเมตร
2.1 ชิ้นส่วนและหน้าที่สำคัญของเครื่องยนต์
ฝาสูบ (Cylinder Head) ทำหน้าที่ปิดส่วน Q ของกระบอกสูบ เป็นส่วนหนึ่งของห้องเผาไหม้ เป็นที่ติดตั้งของหัวเทียน ฝาสูบส่วนใหญ่จะมาจากอะลูมิเนียมผสม (Aluminium Alloy)
เสื้อสูบและกระบอกสูบ (Jacket And Cylinder) เป็นส่วนประกอบเข้าด้วยกันโดยกระบอกสูบจะสวมอัดอยู่ในเสื้อสูบ ทำหน้าที่เป็นส่วนหนึ่งของห้องเผาไหม้และประคองการเคลื่อนที่ขึ้นลงของลูกสูบ
ลูกสูบ (Piston) เป็นชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ขึ้นลงภายในกระบอกสูบ เป็นส่วนหนึ่งของห้องเผาไหม้ ทำหน้าที่รับเร่งที่เกิดจากการเผาไหม้ส่งไปยังก้านสูบไปยังเพลาข้อเหวี่ยง
แหวนลูกสูบ (Piston Ring) ประกอบอยู่ในร่องส่วนบน ร่องส่วนบนของลูกสูบ ทำหน้าที่ป้องกันการไหลของแก๊สภายในกระบอกสูบไม่ให้รั่วไหลลงสู่ห้องเพลาข้อเหวี่ยง และยังช่วยลดการเสียดสีระหว่างลูกสูบกับกระบอกสูบให้น้อยลง
สลักสูบ (Piston Pin) ทำหน้าที่ยึดระหว่างลูกสูบกับก้านสูบให้เชื่อมต่อกันเพื่อถ่ายถอดกำลังงาน
ก้านสูบ (Connecting Rod) ทำหน้าที่ถ่ายทอดกำลังจากลูกสูบในแนวตรง แล้วส่งไปยังเพลาข้อเหวี่ยง
เพลาข้อเหวี่ยง (Crankshaft) ทำหน้าที่รับกำลังออกจากลูกสูบแล้วเปลี่ยนการเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรงจากก้านสูบ ให้เป็นการเคลื่อนที่ในแนววงกลมเพื่อส่งไปใช้งาน
ล้อแม่เหล็ก (Flywheel Magneto) ในรถจักยานยนต์ส่วนใหญ่จะใช้ล้อแม่เหล็กเป็นล้อช่วยแรง ประกอบด้วยแม่เหล็กถาวร 2 คู่ เพื่อหมุนตัดกับขดลวดผลิตกระแสไฟฟ้า และทำหน้าที่ตุนกำลังงานจากการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยง เพื่อใช้ในจังหวะที่เครื่องยนต์ไม่มีกำลัง
2.2 หลักการทำงานของเครื่องยนต์ 4 จังหวะ
การทำงานของเครื่องยนต์ 4 จังหวะ แยกเป็นแต่ละจังหวะได้ดังนี้
1. จังหวะดูด (Intake Stoke)
2. จังหวะอัด (Compression Stroke)
3. จังหวะระเบิดหรือจังหวะงาน (Power Stroke)
4. จังหวะคาย (Exhaust Stroke)
ไดอะแกรมแสดงการปิด-เปิดของวาล์ว (Valve Timing Diagram)
1. ลิ้นไอดีเปิด (Inlet Valve Open) เปิดก่อน TDC
2. ลิ้นไอดีปิด (Inlet Valve Close) ปิดหลัง BDC
3. ลิ้นไอเสียเปิด (Exhaust Valve Open) เปิดหลัง BDC
4. ลิ้นไอดีปิด (Inlet Valve Open) ปิดก่อน TDC
2.3 หลักการทำงานของเครื่องยนต์ 2 จังหวะ
เครื่องยนต์ 2 จังหวะไม่มีวาล์วสำหรับการปิด-เปิดไอดี ไอเสีย ซึ่งแตกต่างจากเครื่องยนต์ 4 จังหวะ กลไกต่าง ๆ จะง่ายกว่า โดยจะต้องใช้ช่อง (Port) แทนในการบรรจุไอดีและคายไอเสีย เช่น ช่องไอดี (Intake Port) ช่องทางไอดี (Transfer Port) ช่องไอเสีย (Exhaust Port) เป็นต้น
เครื่องยนต์ 2 จังหวะ สามารถแบ่งได้เป็น 4 แบบ คือ
1. แบบลูกสูบ (Piston Valve Type)
เครื่องยนต์แบบนี้ การบรรจุไอดี และการถ่ายไอเสีย จะใช่ส่วนบนและล่างของลูกสูบเป็นตัวกำหนด เวลาช่องปิดเปิดช่องไอดี-ไอเสีย ดังนั้นตำแหน่งการบรรจุไอดี และคายไอเสียจึงคงที่ตลอดเวลา
2. แบบรีดวาล์ว (Reed Valve)
เครื่องยนต์แบบนี้ได้มีการปรับปรุงเพื่อป้องกันสาเหตุที่ไอดีสามารถไหลย้อนกลับไปทางคาร์บูเรเตอร์ โดยกการติดตั้งลิ้นกับกลับที่เรียกว่า "รีดวาล์ว" (Reed "Valve) ซึ่งทำจากแผ่นเหล็กสปริงที่มีความเหนียวและแข็งแรงต่อแรงกระแทกได้ดี
3. แบบโรตารี่ (Rotary Valve)
เครื่องยนต์แบบนี้การคายไอเสียจะใช้ส่วนบนของลูกสูบเปิดหรือปิดช่องไอเสีย การบรรจุไอดีเข้าห้องเพลาข้อเหวี่ยงจะใช้แผ่นโรตารี่วาล์วเปิดหรือปิดช่องไอดี ดังนั้นการบรรจุไอดีเพิ่มหรือลดจึงทำได้โดยง่าย อัตราแร่งและกำลังของเครื่องยนต์จะมีมากที่ความเร็วต่ำและสูง
4. แบบเพาเวอร์รีด (Power Reed)
เครื่องยนต์แบบนี้จะเป็นการทำงานร่วมกันระหว่างแบบลูกสูบกับแบบรีดวาล์ว ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สูง ทั้งขณะที่เครื่องยนต์มีความเร็วรอบต่ำและสูง
5. แบบแคร้งค์เคสรีดวาล์ว (Crank Case Reed Valve)
เครื่องยนต์แบบนี้จะให้ไอดีไหลเข้าในห้องเพลาข้อเหวี่ยงโดยตรง (ไม่ผ่านเสื้อสูบ) และใช้รีดวาล์วเป็นอุปกรณ์ป้องกันการไหลกลับการไหลของไอดีเช่นเดียวกันกับแบบรีดวาล์ว ทำให้ระยะทางการไหลของไอดีสั้นลงทำให้สามารถบรรจุไอดีเข้าสู่ห้องเผาไหม้ได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งมีผลให้รถมีอัตราเร่งดีขึ้น