ภายในเครื่องยนต์สี่จังหวะมีอะไรเกิดขึ้นในหนึ่งวินาที?

ในเครื่องยนต์สี่จังหวะหนึ่งวินาที คือลำดับเหตุการณ์ทางกลไกที่เข้มข้น โดยลูกสูบทำการเคลื่อนที่ขึ้นลงเต็มรอบระหว่างจุดตายบนและจุดตายล่างหลายสิบครั้ง วาล์วเปิดและปิดด้วยจังหวะเวลาที่แม่นยำ และการเผาไหม้แต่ละครั้งซึ่งสร้างแรงงานเกิดขึ้นเพียงครั้งเดียวต่อการหมุนสองรอบของเพลาข้อเหวี่ยง การดูด การอัด การจ่ายพลังงาน และการคายด: แต่ละจังหวะจากสี่จังหวะนี้สอดคล้องกับ 180 องศาเต็มของเพลาข้อเหวี่ยง และยิ่งเครื่องยนต์ทำงานที่รอบสูงเท่าไร จังหวะหนึ่งก็ยิ่งถูกบีบอัดลงในเศษส่วนของวินาทีที่เล็กลงเท่านั้น

เครื่องยนต์สี่จังหวะทำงานอย่างไร: สี่ขั้นตอนภายในกระบอกสูบ

ทุกอย่างเริ่มต้นจากคำนิยามของ "สโตรก": สโตรก คือการเคลื่อนที่เต็มหนึ่งครั้งของลูกสูบไปตามทิศทางใดทิศทางหนึ่งตลอดความยาวกระบอกสูบ เมื่อลูกสูบอยู่ในตำแหน่งสูงสุดเรียกว่าจุดตายบน (TDC) และเมื่ออยู่ในตำแหน่งต่ำสุดเรียกว่าจุดตายล่าง (BDC) วงจรสี่จังหวะครอบคลุมช่วงระหว่างจุดทั้งสองนี้ ประกอบด้วยสี่สโตรกและการหมุนสองรอบเต็มของเพลาข้อเหวี่ยง การเคลื่อนที่แบบเส้นตรงของลูกสูบทำให้เพลาข้อเหวี่ยงหมุนผ่านก้านสูบ เพลาข้อเหวี่ยงหมุน 720 องศาสำหรับทั้งสี่จังหวะ

บทบาทของวาล์วในวงจรนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง วาล์วดูดและวาล์วคายถูกควบคุมโดยเพลาลูกเบี้ยว (camshaft) ที่หมุนช้ากว่าเพลาข้อเหวี่ยงครึ่งหนึ่ง อัตราครึ่งความเร็วนี้ไม่ใช่เรื่องบังเอิญ แต่เป็นความจำเป็น: เนื่องจากเหตุการณ์ของวาล์วจำเป็นต้องล็อกกับมุมเพลาข้อเหวี่ยง เพลาลูกเบี้ยวจึงติดตามแต่ละวงจรด้วยการหมุนครึ่งรอบของเพลาข้อเหวี่ยง

1. การดูด: ดึงอากาศเข้าด้วยสุญญากาศบางส่วน

วาล์วดูดจะเปิดเมื่อลูกสูบเริ่มเคลื่อนลงจากจุดตายบน การเคลื่อนลงของลูกสูบขยายปริมาตรของกระบอกสูบและสร้างสุญญากาศบางส่วน หรือความดันลบขึ้นภายใน ผลต่างความดันนี้ดึงส่วนผสมอากาศ-เชื้อเพลิงเข้าสู่กระบอกสูบ จังหวะดูดคือการเคลื่อนลงเต็มหนึ่งครั้งของลูกสูบจาก TDC ไปยัง BDC และครอบคลุม 180 องศาแรกของวงจร

2. การอัด: การทำให้พลังงานเข้มข้นขึ้น

วาล์วดูดจะปิดที่จุดตายล่างและการอัดเริ่มต้นขึ้น ขณะนี้วาล์วทั้งสองปิดอยู่ ลูกสูบเคลื่อนขึ้นโดยอัดส่วนผสมอากาศ-เชื้อเพลิงเข้าสู่ปริมาตรที่แคบของห้องเผาไหม้ การอัดมีสองหน้าที่: ทำให้ไอน้ำเชื้อเพลิงระเหยมากขึ้น และปลดปล่อยพลังงานมากขึ้นในการจุดระเบิด พลังงานที่ใช้ในการอัดมีเพียงประมาณหนึ่งในสี่ของพลังงานที่ผลิตจากการเผาไหม้เท่านั้น หมายความว่าการลงทุนนี้คุ้มค่า

การวัดอัตราส่วนการอัดเป็นหนึ่งในวิธีที่เร็วที่สุดในการทำความเข้าใจลักษณะของเครื่องยนต์ ช่วงที่พบได้ทั่วไปในเครื่องยนต์เบนซินคือ 6:1 ถึง 10:1 ยิ่งอัตราส่วนสูงขึ้น ประสิทธิภาพก็ยิ่งเพิ่มขึ้น แต่ความเสี่ยงที่เบนซินจะจุดติดเอง ซึ่งก็คือการระเบิดก่อนเวลา ก็เพิ่มสูงขึ้นด้วย ดังนั้นออกเทนของน้ำมันเบนซินจึงเป็นตัวชี้วัดความต้านทานต่อการจุดระเบิดด้วยตัวเอง: ออกเทนยิ่งสูง ยิ่งอนุญาตให้ใช้อัตราส่วนกำลังอัดที่สูงขึ้นได้

3. กำลัง: ช่วงเดียวของรอบจักรกลที่ผลิตงาน

เมื่อจบช่วงกำลังอัด หัวเทียนจะจุดประกายประมาณ 20 องศามุมเพลาลูกสูบก่อนศูนย์ตายบน ทำไมจึงไม่จุดที่จุดสูงสุดพอดี? เพราะแนวหน้าเปลวไฟต้องใช้เวลาเคลื่อนที่ไปตลอดห้องเผาไหม้ ประกายไฟจุดล่วงหน้าเพื่อให้แรงดันสูงสุดเกิดขึ้นในช่วงที่ลูกสูบอยู่บนสุดพอดี เพื่อให้เกิดแรงผลัก ส่วนผสมที่ลุกไหม้จะผลักลูกสูบลงสู่ BDC ก่อให้เกิดงานเชิงกลที่หมุนเพลาข้อเหวี่ยง ตลอดทั้งรอบจักรกล มีเพียงช่วงนี้เท่านั้นที่ผลิตงาน ไม่ว่าจะมีกระบอกสูบกี่ลูก เครื่องยนต์สี่จังหวะทุกตัวจะได้รับจังหวะกำลังหนึ่งครั้งต่อ 720 องศา ความลับของการทำงานอย่างราบรื่นของเครื่องยนต์หลายกระบอกสูบคือการผสานจังหวะกำลังเหล่านี้เข้ากับเพลาข้อเหวี่ยง

4. ไอเสีย: การระบายห้องเผาไหม้

เมื่อลูกสูบไปถึงศูนย์ตายล่าง วาล์วไอเสียจะเปิดออก และใน 180 องศาสุดท้ายของรอบจักรกล ลูกสูบจะเคลื่อนขึ้นเพื่อขับก๊าซเสียออกทางช่องไอเสีย เมื่อไปถึงศูนย์ตายบน กระบอกสูบจะสะอาดแล้ว วาล์วไอดีพร้อมจะเปิดอีกครั้ง และรอบจักรกลเริ่มต้นใหม่ การเติมกระบอกสูบแต่ละครั้ง หมายถึงการเริ่มต้นวงจรสองรอบใหม่

ยิ่งรอบสูงขึ้น หนึ่งจังหวะใช้เวลานานเท่าใด?

คำตอบของคำถามนี้หาได้จากเลขคณิตล้วน ๆ เนื่องจากรอบจักรกลหนึ่งรอบใช้เวลาสองรอบเพลาข้อเหวี่ยง รอบเครื่องยนต์จึงกำหนดระยะเวลาของหนึ่งจังหวะโดยตรง เป็นตัวอย่าง ที่ 1,000 rpm เครื่องยนต์หมุนประมาณ 16.7 รอบต่อวินาที หนึ่งรอบจักรกลสมบูรณ์ใช้เวลาประมาณ 60 มิลลิวินาที ดังนั้นหนึ่งจังหวะจึงใช้เวลา 15 มิลลิวินาที ส่วนที่ 6,000 rpm มี 100 รอบต่อวินาที และทุกจังหวะรวมถึงจังหวะกำลังลดลงเหลือประมาณ 2.5 มิลลิวินาที การเผาไหม้ การเคลื่อนที่ของวาล์ว และการไหลของแก๊ส ทั้งหมดต้องจัดระเบียบในระดับเวลาเหล่านี้

เพดานรอบเครื่องยนต์ก็ถูกกำหนดโดยฟิสิกส์เช่นกัน ความเร็วเฉลี่ยของลูกสูบเป็นฟังก์ชันของช่วงชักและรอบเครื่องยนต์ ในเครื่องยนต์อุตสาหกรรม ความเร็วนี้ถูกจำกัดไว้ประมาณ 10 ม./วินาที เพื่อไม่ให้การหล่อลื่นผนังกระบอกสูบเสียสภาพ ที่รอบสูงจะเกิดปัญหาทั่วไปสองประการ: หากสปริงวาล์วตามไม่ทันจะเกิด "วาล์วลอย" และการสัมผัสระหว่างลูกสูบกับวาล์วอาจทำให้เครื่องยนต์เสียหายอย่างรุนแรง นอกจากนี้ การสั่นสะเทือนของแหวนลูกสูบยังอาจทำให้แรงดันในกระบอกสูบและกำลังลดลงได้ โดยสรุป ขีดจำกัดของการบีบอัดหนึ่งจังหวะให้เหลือเศษส่วนที่เล็กมากในหนึ่งวินาที ถูกกำหนดด้วยความแข็งแรงของวัสดุและการหล่อลื่น

เบนซินหรือดีเซล: รอบจักรกลเดียวกัน การจุดระเบิดต่างกัน

ขั้นตอนของรอบจักรกลสี่จังหวะเหมือนกันในเครื่องยนต์ทั้งสองแบบ ความแตกต่างอยู่ที่วิธีการจุดระเบิดที่เริ่มต้นจังหวะกำลัง เครื่องยนต์เบนซินใช้การจุดระเบิดด้วยประกายไฟ: หัวเทียนจุดส่วนผสมที่ถูกอัด ส่วนดีเซลใช้การจุดระเบิดด้วยการอัด ความร้อนสูงที่เกิดจากการอัด ทำให้น้ำมันดีเซลที่ติดไฟได้ภายใต้แรงดันในเครื่องยนต์จุดติดเอง จึงไม่จำเป็นต้องใช้หัวเทียน แนวโน้มการติดไฟของดีเซลถูกกำหนดด้วยค่าเซเทน (cetane); ทำงานด้วยหลักการที่ตรงข้ามกับอัตราออกเทนของเบนซิน เนื่องจากดีเซลมีความระเหยต่ำ วิธีสตาร์ทเครื่องยนต์ในอากาศเย็นที่ใช้กันมากที่สุดคือการใช้หัวเทียนอุ่น

การที่เชื้อเพลิงดีเซลเผาไหม้ช้ากว่าเบนซิน อธิบายว่าทำไมเครื่องยนต์ดีเซลจึงทำงานที่รอบต่ำกว่า; และรอบต่ำช่วยลดการสึกหรอของเครื่องยนต์ ดังนั้นความแตกต่างของลักษณะทั้งสองเครื่องยนต์จึงเกิดจากอัตราการเผาไหม้ของเชื้อเพลิง ไม่ใช่จากรอบการทำงานเอง

เทคโนโลยีสมัยใหม่ช่วยปรับปรุงองศา 720 นี้อย่างไร?

รอบการทำงานพื้นฐานไม่เปลี่ยนแปลงตั้งแต่ปี 1876; สิ่งที่เปลี่ยนคือประสิทธิภาพการใช้งานในแต่ละช่วง 180 องศา มีส่วนเสริมสมัยใหม่สามประการที่โดดเด่น

การจัดจังหวะวาล์วแปรผัน (VVT)

เพลาลูกเบี้ยวแบบคงที่จะปรับจังหวะเหตุการณ์วาล์วให้เหมาะกับช่วงรอบเครื่องยนต์เดียวเท่านั้น ส่วนการจัดจังหวะวาล์วแปรผันจะปรับจังหวะการยกวาล์วตามรอบเครื่องยนต์แบบเรียลไทม์ ทำให้ได้การกระจายกำลังที่เหมาะสมและการเร่งความเร็วที่ราบรื่นยิ่งขึ้น การจัดการส่วนผสมอากาศ-เชื้อเพลิงที่ดีขึ้นช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้; พบว่าในสภาวะภาระบางส่วน สามารถประหยัดเชื้อเพลิงได้ถึง 5%

การฉีดเชื้อเพลิงตรง (GDI)

ในระบบฉีดตรงที่ใช้ในเครื่องยนต์เบนซินสี่จังหวะจำนวนมากในปัจจุบัน หัวฉีดจะทอดยาวเข้าไปในห้องเผาไหม้ และเบนซินจะถูกพ่นเข้าสู่กระบอกสูบด้วยแรงดันสูงมาก ตลอดช่วงการอัดอากาศในขณะที่ลูกสูบอยู่จุดสูงสุด กล่าวคือ เชื้อเพลิงไม่ได้ถูกส่งในช่วงดูดอากาศอีกต่อไป แต่ถูกส่งในช่วงที่สำคัญที่สุดของรอบการทำงาน ด้วยความแม่นยำระดับมิลลิเมตร

เทอร์โบชาร์จเจอร์: การแย่งกำลังจากช่วงไอเสีย

เทอร์โบชาร์จเจอร์คือชุดกังหันสองส่วนที่หมุนด้วยรอบสูง ติดตั้งอยู่ที่ทางออกไอเสีย: ด้านหนึ่งได้รับพลังจากการไหลของไอเสีย อีกด้านหนึ่งอัดอากาศเข้า ช่วงไอเสียส่วนใหญ่มีพลังงานที่สูญเปล่าไปโดยเปล่าประโยชน์; เนื่องจากเทอร์โบทำงานด้วยแรงดันนี้ จึงทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น และบีบอากาศเข้าสู่กระบอกสูบมากขึ้น ทำให้ได้กำลังมากขึ้นจากแต่ละช่วงกำลัง ในงานศึกษาหนึ่งพบว่า เทอร์โบชาร์จแปรผันช่วยเพิ่มกำลังขับเคลื่อนได้ถึง 165% เมื่อเทียบกับแบบดูดอากาศธรรมชาติ ข้อจำกัดที่รู้จักกันดีของการออกแบบนี้คือเทอร์โบแลก: กำลังไม่มาทันที ต้องใช้การเพิ่มขึ้นของรอบเครื่องยนต์และแรงดัน; เมื่อจอดและที่ความเร็วต่ำ-กลาง เครื่องยนต์ทำงานเกือบเหมือนดูดอากาศธรรมชาติ

เพดานประสิทธิภาพและประวัติศาสตร์โดยสังเขป

เครื่องยนต์สันดาปภายในสามารถแปลงพลังงานที่ได้รับเป็นงานกลไกได้เพียงเฉลี่ย 40-45% เท่านั้น; เครื่องยนต์รอบออตโตที่มีประสิทธิภาพสูงสุดทำงานที่ประสิทธิภาพเชิงความร้อนราว 30% และความร้อนที่เหลือสูญเสียไปกับแรงเสียดทานและอุปกรณ์เสริมต่าง ๆ ยิ่งไปกว่านั้น เครื่องยนต์ยังสามารถถูกออกแบบให้มีประสิทธิภาพต่ำลงเล็กน้อยโดยเจตนา เพื่อการควบคุมการปล่อยมลพิษ เช่น ตัวเร่งปฏิกิริยา ส่วนวัฏจักรแอตกินสัน (Atkinson) ให้ประสิทธิภาพในแลกกับความหนาแน่นของกำลัง และถูกใช้ในระบบไฮบริดสมัยใหม่ เครื่องยนต์สมัยใหม่จำนวนมากบรรลุเศรษฐภาพนี้ด้วยจังหวะเปิดวาล์วที่ไม่เป็นไปตามธรรมดา เพื่อสร้างผลของการอัดที่สั้นและจังหวะจ่ายกำลังที่ยาว

ประวัติศาสตร์ก็ให้บทเรียนที่ดี: อ็อตโต้ (Otto) สังเกตเห็นผลของการอัดต่อประสิทธิภาพขณะทดสอบเครื่องยนต์เลอนัวร์ (Lenoir) ในปี 1861 ในปี 1876 อ็อตโต้และลังเงน (Langen) ได้สร้างเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ประสบความสำเร็จเครื่องแรกซึ่งอัดส่วนผสมเชื้อเพลิงก่อนการเผาไหม้ ในปี 1883 ไดม์เลอร์ (Daimler) และมายบัค (Maybach) ผลิตเครื่องยนต์อ็อตโต้ความเร็วสูงเครื่องแรก และในปี 1885 ไดม์เลอร์ได้สร้างยานพาหนะลำเลียงเครื่องยนต์สันดาปภายในคันแรกของโลกคือ Daimler Reitwagen ในปี 1886 คาร์ล เบนซ์ (Karl Benz) ได้พัฒนายานพาหนะของเขาที่ติดตั้งเครื่องยนต์สี่จังหวะ ซึ่งถือเป็นรถยนต์คันแรก เครื่องยนต์ดีเซลคือการกลั่นขั้นต่ำทางเทคนิคของวัฏจักรอ็อตโต้ปี 1876: รูดอล์ฟ ดีเซล (Rudolf Diesel) สร้างเครื่องยนต์ที่ประสบความสำเร็จของเขาในปี 1893 ปัจจุบันการออกแบบสี่จังหวะเป็นสถาปัตยกรรมเครื่องยนต์สันดาปภายในที่แพร่หลายที่สุดของยานพาหนะทางถนน ซึ่งครอบคลุมตั้งแต่รถยนต์ไปจนถึงรถบรรทุก จากรถไฟดีเซลไปจนถึงเครื่องบินเบาและมอเตอร์ไซค์

สรุป: สี่ส่วนย่อย 180 องศา

ฟิสิกส์ทั้งหมดของเครื่องยนต์สี่จังหวะสามารถลดทอนเป็นสี่ส่วนย่อย ซึ่งแบ่งจากการหมุนหนึ่งรอบ 720 องศาของเพลาข้อเหวี่ยง: การเติมด้วยสุญญากาศ การอัดในปริมาตรปิด การเผาไหม้ที่สร้างงานเพียงครั้งเดียว และการทำความสะอาด เทคโนโลยีต่างๆ เช่น จังหวะเปิดวาล์ว การฉีดเชื้อเพลิง และเทอร์โบ ล้วนรับใช้เป้าหมายเดียวกัน นั่นคือการสกัดประสิทธิภาพที่มากขึ้นจากทุกมิลลิวินาทีของส่วนย่อยเหล่านี้ เมื่อพื้นฐานนี้ชัดเจนแล้ว เทคโนโลยีเครื่องยนต์ที่เหลือ ตั้งแต่อัตราส่วนการอัดไปจนถึงเทอร์โบแล็ก จะอ่านเข้าใจได้ง่ายขึ้นมาก

แหล่งอ้างอิง

• Four-stroke engine
• Four Stroke Cycle Engines
• How a 4-Stroke Engine Works
• Mean piston speed
• Variable valve timing
• Power characteristics with different types of turbochargers (Kim, 2023)
• Diesel vs. Gas Engines
• Diesel vs. Petrol