เผยแพร่ผลงานวิชาการงานเครื่องยนต์ดีเซล
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 สอนครั้งที่ 1
ชื่อวิชา งานเครื่องยนต์ดีเซล รหัสวิชา 2101-2002 ระดับ ปวช.
ชื่อหน่วย หลักการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล แผ่นที่ 1
เครื่องยนต์ดีเซลเผาไหม้ภายใน (Internal Combustion Engine) ซึ่งมีอัตราส่วนการอัดตัวสูงประมาณ 15-22 ต่อ 1 เครื่องยนต์จะดูดเฉพาะอากาศอย่างเดียวเข้าไปภายในกระบอกสูบในจังหวะอัดอากาศภายในกระบอกสูบจะถูกอัดจนมีอุณหภูมิสูงประมาณ 500-800 องศาเซลเซียส หรือมากกว่า จากนั้นหัวฉีดจะจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิงที่เป็นฝอยละอองเข้าไปภายในห้องเผาไหม้ในตำแหน่งที่พอเหมาะน้ำมันจะคลุกเคล้ากับอากาศร้อนจนเป็นไอและเกิดการจุดระเบิดได้ด้วยตัวเอง
1. ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนการอัดกับความดันในกระบอกสูบ
อัตราส่วนการอัด คือ อัตราส่วนระหว่างปริมาตรภายในกระบอกสูบขณะที่ลูกสูบอยู่ที่ตำแหน่งศูนย์ตายล่าง(BDC)กับปริมาตรภายในกระบอกสูบขณะที่ลูกสูบอยู่ในตำแหน่งศูนย์ตายบน(TDC) เนื่องจากในเครื่องยนต์ดีเซลมีเพียงอากาศเท่านั้นที่ถูกอัดในกระบอกสูบในจังหวะอัด จึงจำเป็นต้องใช้อัตราส่วนการอัดสูงเพื่อให้อากาศที่ถูกอัดมีอุณหภูมิสูงขึ้นมากพอจนสามารถทำให้น้ำมันเชื้อเพลิงจุดระเบิดได้ด้วยตัวเองจากรูปที่ 2.1 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนการอัดกับความดัน และอุณหภูมิในการอัด โดยจะสมมุติว่าการอัดไม่มีอากาศรั่ว และไม่เกิดการสูญเสียความร้อนระหว่างลูกสูบกับกระบอกสูบ ตัวอย่างเช่น เมื่ออัตราส่วนการอัดเป็น 12 กราฟแสดงว่าความดันในการอัดสูงประมาณ 3 MPa (30 kgf/cm2) และอุณหภูมิ 300 องศาเซลเซียส ถ้าอัตราส่วนการอัดสูง ความดันและอุณหภูมิก็จะสูงขึ้นไปด้วย
รูปที่ 2.1 แสดงอัตราส่วนการอัดและความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนการอัดกับความดัน
และอุณหภูมิในกระบอกสูบ
ที่มา ; บรรเจิด เปาจีน, 2560, กรุงเทพฯ: สำนักพิมพ์เอมพันธ์.
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 2
2. วัฏจักรการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะ (Four – Stroke diesel cycle)
การทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะหมายถึง การเคลื่อนที่ของลูกสูบ ขึ้น-ลง รวมกัน 4 ครั้ง เพลาข้อเหวี่ยงหมุนไป 2 รอบคิดเป็นองศาเท่ากับ 720 องศา เรียกว่า การทำงานครบ 1 กลวัตร (Cycle) ลำดับการทำงานทั้ง 4 จังหวะ มีดังนี้
2.1 จังหวะดูด (Intake stoke)
จังหวะดูด เริ่มจากตำแหน่งลูกสูบอยู่ศูนย์ตายบน (Top dead center or TDC) เพลาข้อเหวี่ยงเคลื่อนที่ลงสู่ศูนย์ตายล่าง (Bottom dead center or BDC) ทำให้ลูกสูบ เลื่อนลง เกิดสุญญากาศขึ้นภายในกระบอกสูบ ลิ้นไอดีถูกเปิดออก (ลิ้นไอดีเปิดก่อนศูนย์ตายบน) ส่วนลิ้นไอเสียปิด อากาศบริสุทธิ์ถูกดูดผ่านช่องลิ้นไอดีเข้ามาในกระบอกสูบ การที่อากาศสามารถไหลเข้ามาได้ก็เนื่องจากลูกสูบเคลื่อนที่ลงทำให้ปริมาตรบนหัวลูกสูบเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วส่งผลให้เกิดสุญญากาศบริเวณหัวลูกสูบ ความดันบรรยากาศภายนอกดันอากาศไปแทนที่ในกระบอกสูบ
สรุป ในจังหวะดูด ลูกสูบเคลื่อนที่ลง ลิ้นไอดีเปิด (การทำงานจริงลิ้นไอดีเปิดก่อนศูนย์ตายบน) ลิ้นไอเสียปิด เพลาข้อเหวี่ยงหมุนไปเป็นมุมประมาณ 180 องศา
รูปที่ 2.2 แสดงจังหวะดูด
ที่มา ; https://pantip.com/topic
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 3
2.2 จังหวะอัด (Compression Stroke)
เมื่อลิ้นไอดีปิด อันเป็นจุดเริ่มต้นของจังหวะอัดซึ่งลูกสูบจะเคลื่อนที่ขึ้นไปสู่ศูนย์ตายบน จังหวะนี้อากาศประมาณ 16-22 ส่วนที่ถูกดูดเข้ากระบอกสูบมาในจังหวะดูดจะถูกอัดตัวให้มีปริมาตรเล็กลงเหลือประมาณ 1 ส่วน ดังนั้นอากาศจึงมีความดันและอุณหภูมิที่สูงขึ้นพร้อมสำหรับการสันดาป
รูปที่ 2.3 แสดงจังหวะอัด
ที่มา ; https:// pantip.com/topic
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 4
2.3 จังหวะกำลัง (Power Stroke)
บางครั้งเรียกว่า จังหวะระเบิด (Expansion Stroke) (ซึ่งเริ่มนับจากหัวฉีด ฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง) กำลังจากการระเบิดหรือการสันดาป (Combustion) ภายในห้องเผาไหม้จะผลักดันให้ลูกสูบเคลื่อนที่ลงมาเป็นกำลังงานขับเคลื่อนของเครื่องยนต์ ในจังหวะนี้จะไปสิ้นสุดจนกว่าลิ้นไอเสียจะเปิด
หมายเหตุ ในความเป็นจริงแล้วการจุดระเบิดถูกเริ่มต้นก่อนที่หัวลูกสูบจะถึง ศูนย์ตายบนแล้วมาระเบิดรุนแรงที่สุดในช่วงที่หัวลูกสูบเคลื่อนที่เลยจากศูนย์ตายบนมาแล้วเล็กน้อย
รูปที่ 2.4 แสดงจังหวะระเบิดหรือจังหวะงาน
ที่มา ; https://pantip.com/topic
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 5
2.4 จังหวะคาย (Exhaust Stroke)
จังหวะนี้เริ่มต้นจากลิ้นไอเสียจะเริ่มเปิดก่อนที่ลูกสูบจะเคลื่อนที่ถึงศูนย์ตายล่าง แก๊สไอเสียซึ่งยังมีความดันจากการขยายตัวอยู่จะระบายออกทางลิ้นไอเสีย เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่เลยจากศูนย์ตายล่าง (BDC) จะผลักดันให้ไอเสียไหลออกไปจากกระบอกสูบ
หมายเหตุ ขณะที่หัวลูกสูบเคลื่อนที่ถึงศูนย์ตายบนนั้น ลิ้นไอเสียยังไม่ปิดสนิทแต่จะเปิดเล็กน้อยแล้วไปปิดเมื่อเลยจากศูนย์ตายบนไปเล็กน้อย ซึ่งในช่วงนี้ไอเสียจะสามารถไหลออกจากกระบอกสูบด้วยแรงเฉื่อย และขณะเดียวกันนี้จะเกิดแรงดูดอากาศให้เริ่มเข้ากระบอกสูบ ช่วงที่ลิ้นไอเสียเริ่มปิด และไอดีเริ่มเปิดนี้เรียกว่าจังหวะโอเวอร์แลป (Overlap)
รูปที่ 2.5 แสดงจังหวะคาย
ที่มา ; https://pantip.com/topic
3. แผนภูมิวัฏจักรการทำงาน (Working Cycle Diagram)
จากรูปที่ 2.6 เป็นวัฏจักรการทำงานที่มีการเผาไหม้แบบปริมาตรคงที่เหมือนวัฏจักร ออตโต ผสมกับการเผาไหม้แบบความดันคงที่เหมือนวัฏจักรดีเซล จึงเรียกวัฏจักรนี้ว่า “วัฏจักรผสม”
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 6
และเป็นต้นแบบของเครื่องยนต์ดีเซลหมุนเร็วที่ใช้ในปัจจุบัน การเผาไหม้ในช่วงแรกเป็นแบบปริมาตรคงที่ และเผาไหม้ต่อไปแบบความดันคงที่ขณะลูกสูบเคลื่อนที่ลง การเผาไหม้ลักษณะนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการควบคุมการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง กล่าวคือการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงในช่วงแรกจะฉีดเข้า ห้องเผาไหม้ในปริมาณน้อยขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ก่อนถึงศูนย์ตายบนประมาณ 20 - 30 องศา ทำให้เกิดการเผาไหม้อย่างฉับพลันเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ถึงศูนย์ตายบน จากนั้นจึงฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงส่วนที่เหลือในปริมาณที่มากกว่าครั้งแรกเพื่อให้เกิดการเผาไหม้แบบความดันคงที่
รูปที่ 2.6 แสดงกราฟความสัมพันธ์ความดันกับปริมาตร ของเครื่องยนต์ดีเซลหมุนเร็ว 4 จังหวะ
ที่มา ; บรรเจิด เปาจีน, 2560, กรุงเทพฯ: สำนักพิมพ์เอมพันธ์.
4. แผนภูมิเวลาการเปิดและปิดลิ้นของเครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะ (Valve Timing Diagram)
จากรูปที่ 2.7 แสดงให้เห็นถึงองศาในการเปิด และปิดของลิ้นไอดีและลิ้นไอเสียตลอดจนองศา การฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงของหัวฉีดในเครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะ ใน 1 กลวัตร การทำงานของหัวฉีด จะฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงอย่างเป็นฝอยละอองละเอียดเข้าไปกระทบอากาศร้อนในห้องเผาไหม้ สำหรับองศาการเปิด และปิดของลิ้นรวมถึงองศาการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงจะแตกต่างกันออกไปตามบริษัทผู้ผลิตและจุดประสงค์ของการนำไปใช้งาน รายละเอียดจากรูปที่ 2.7 มีดังต่อไปนี้
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 7
4.1 เริ่มต้น
เมื่อลิ้นไอดีเปิดก่อนลูกสูบเคลื่อนที่ถึงศูนย์ตายบน 15 องศา (15º BTDC) และปิดหลังศูนย์ตายล่าง 40 องศา (40º ABDC) ในระหว่างจังหวะดูดเพื่อให้ปริมาณอากาศเข้าประจุภายในกระบอกสูบได้มากที่สุดเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพทางปริมาตรของเครื่องยนต์ เมื่อคิดระยะเวลาทั้งหมดที่ลิ้นไอดีเปิดเป็นองศาที่เพลาข้อเหวี่ยงหมุนไปจะเท่ากับ 235 องศา (15 + 180 + 40 = 235)
รูปที่ 2.7 แสดงแผนภูมิเวลาเปิด ปิดลิ้นของเครื่องยนต์ดีเซลหมุนเร็ว 4 จังหวะ
ที่มา ; บรรเจิด เปาจีน, 2560, กรุงเทพฯ: สำนักพิมพ์เอมพันธ์.
4.2 ในช่วงปลายจังหวะอัด
คือก่อนที่ลูกสูบเคลื่อนที่ถึงศูนย์ตายบน 20 องศา (20º BTDC) หัวฉีดจะฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงเข้าไปในห้องเผาไหม้ เหตุผลที่หัวฉีดจะต้องฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงก่อนศูนย์ตายบน (การหน่วงเวลาติดไฟของน้ำมันดีเซล) เพื่อให้มีเวลาเพียงพอในการเผาไหม้ได้อย่างสมบูรณ์เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้
4.3 จังหวะคาย
ลิ้นไอเสียจะเปิดก่อนลูกสูบเคลื่อนที่ถึงศูนย์ตายล่าง 48 องศา (48º BBDC) และปิดหลังศูนย์ตายบน 25 องศา (25º ATDC) เพื่อขับไล่ไอเสียออกจากกระบอกสูบได้อย่างรวดเร็วและ
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 8
มากที่สุด เมื่อคิดระยะเวลาทั้งหมดที่ลิ้นไอเสียเปิดเป็นองศาที่เพลาข้อเหวี่ยงหมุนไปจะเท่ากับ 270 องศา (48 + 180 + 25 = 253)
4.4 ลิ้นโอเวอร์แลป (Valve overlap)
คือ ลิ้นไอดีเริ่มเปิดในจังหวะดูด ส่วนลิ้นไอเสียกำลังจะปิดสนิทในจังหวะคาย ตำแหน่งนี้มีไว้เพื่อให้อากาศส่วนหนึ่งเข้าไปกวาดล้างไอเสียออกจากกระบอกสูบ ให้หมด จากรูปที่ 2.7 ลิ้นไอดีเปิดก่อนศูนย์ตายบน 15 องศาและลิ้นไอเสียปิดหลังศูนย์ตายบน 25 องศา เมื่อคิดเป็นองศาที่เพลาข้อเหวี่ยงหมุนไปจะเท่ากับ 40 องศา (15 + 25 = 40)
5. การเปรียบเทียบจังหวะการทำงาน ของเครื่องยนต์ดีเซล กับเครื่องยนต์แก๊สโซลีน 4 จังหวะ
จากจังหวะการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซลเมื่อนำไปเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์แก๊สโซลีน 4 จังหวะ สามารถสรุปได้ ดังตารางที่ 2.1
ตารางที่ 2.1 การเปรียบเทียบจังหวะการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซลกับเครื่องแก๊สโซลีน 4 จังหวะ
เครื่องยนต์
จังหวะการทำงาน เครื่องยนต์ดีเซล เครื่องยนต์แก๊สโซลีน
จังหวะดูด ดูดอากาศบริสุทธิ์เข้าไปในกระบอกสูบอย่างเดียว ดูดส่วนผสมอากาศกับน้ำมันเชื้อเพลิง(ไอดี) เข้าไปในกระบอกสูบ
จังหวะอัด อัดอากาศบริสุทธิ์ให้มีความดันและอุณหภูมิสูง อัดส่วนผสมอากาศกับน้ำมันเชื้อเพลิง
จังหวะระเบิด ฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในกระบอกสูบและเกิดการจุดระเบิดด้วยตัวเอง ใช้หัวเทียนจุดประกายไฟเพื่อให้เกิดการเผาไหม้
จังหวะคาย ลูกสูบขับไล่ไอเสียออกจากกระบอกสูบ ลูกสูบขับไล่ไอเสียออกจากกระ บอกสูบ
การควบคุมกำลังงานของเครื่องยนต์ ควบคุมปริมาณน้ำมันเชื้อเพลิงที่ถูกฉีดเข้ากระบอกสูบ ควบคุมปริมาณของไอดีเข้าสู่กระบอกสูบ
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 9
6. กระบวนการเผาไหม้ของเครื่องยนต์ดีเซล (Combustion Process)
กระบวนการเผาไหม้ หมายถึง การเผาไหม้ของน้ำมันดีเซลที่ฉีดเป็นฝอยละอองเข้าไปในห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ดีเซล โดยละอองของน้ำมันดีเซลจะคลุกเคล้ากับออกซิเจนของอากาศที่ถูกอัดตัว ความร้อนที่ถูกอัดตัวของอากาศจะทำให้น้ำมันดีเซลเกิดการลุกไหม้ด้วยตัวเอง การฉีดน้ำมันดีเซลช่วงแรกจะทำให้เกิดความร้อนมาก และทำให้น้ำมันเชื้อเพลิงส่วนที่ฉีดลงไปกลายเป็นไอได้รวดเร็วขึ้น ถ้ามีออกซิเจนเพียงพอจะทำให้กระบวนการเผาไหม้น้ำมันดีเซลเกิดขึ้นได้อย่างสม่ำเสมอและรวดเร็ว เผาไหม้น้ำมันดีเซลได้สมบูรณ์ การเผาไหม้น้ำมันดีเซลแบ่งออกได้เป็น 4 ขั้น ดังรูปที่ 2.8
รูปที่ 2.8 แสดงกราฟกระบวนการเผาไหม้ในห้องเผาไหม้เครื่องยนต์ดีเซล
ที่มา ; วีระ ทองประสิทธิ์ และ สะอ้าน หรั่งช้าง 2558, กรุงเทพฯ: ศูนย์ส่งเสริมอาชีวะ.
6.1 ช่วง A - B คือระยะหน่วงจุดระเบิด (Ignition delay)
ได้แก่ช่วงเวลาที่หัวฉีดเริ่มมีการฉีดน้ำมันดีเซลที่จุดหนึ่งจุดใด ก่อนลูกสูบจะถึงศูนย์ตายบนในจังหวะอัดแต่ยังไม่มีการจุดระเบิด (หน่วงเวลาคลุกเคล้าน้ำมันเชื้อเพลิงกับอากาศ) จนได้เวลา และอุณหภูมิสูงถึงช่วงการจุดระเบิดได้ด้วยตัวเอง จึงติดไฟช่วงเวลานี้น้ำมันดีเซลเริ่มฉีดจนกระทั่งน้ำมันดีเซลเริ่มเผาไหม้ เรียกว่า “ระยะเวลาหน่วงการจุดระเบิดน้ำมันดีเซล”
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 10
6.2 ช่วง B – C คือระยะเวลาการเผาไหม้ (Combustion Period)
ต่อจากขั้นตอนที่ A – B เปลวไฟจะแพร่กระจายไปทั่วห้องเผาไหม้ ที่เกิดจากการหมุนวนของอากาศตามการออกแบบห้องเผาไหม้บังคับการหมุนวนของอากาศเพื่อให้ออกซิเจนรวมตัวกับอณูของน้ำมันดีเซล จึงทำให้เกิดการเผาไหม้อย่างรวดเร็วและสมบูรณ์
6.3 ช่วง C – D คือช่วงระยะเวลาการเผาไหม้น้ำมันดีเซลส่วนที่เหลือ
เป็นขั้นตอนที่ต่อจาก B – C โดยน้ำมันดีเซลที่เหลือจากการเผาไหม้จาก B – C และน้ำมันดีเซลที่ยังคงออกจากหัวฉีดอยู่จะเกิดการเผาไหม้ขึ้น ระยะนี้ขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำมันดีเซลที่ฉีดในช่วงหลังและจำนวนออกซิเจนที่เหลืออยู่ในขณะนั้น
6.4 ช่วง D – E คือระยะการเผาไหม้สุดท้าย
ช่วงนี้เกิดจากน้ำมันดีเซลที่เหลือจากหัวฉีดหยุดการฉีดน้ำมันดีเซลโดยเผาไหม้ในขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลงสู่ศูนย์ตายล่าง
7. เวลาหน่วงติดไฟของน้ำมันดีเซล (Ignition Lag หรือ Delay Period)
รูปที่ 2.9 แสดงกราฟความดันการเผาไหม้เวลาหน่วงติดไฟ
ที่มา ; วีระ ทองประสิทธิ์ และ สะอ้าน หรั่งช้าง 2558, กรุงเทพฯ: ศูนย์ส่งเสริมอาชีวะ.
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 11
การเผาไหม้ภายในห้องเผาไหม้เครื่องยนต์ดีเซล ไม่ได้เกิดขึ้นทันที่ตามตำแหน่งปั๊มดีเซลหรือตำแหน่งเริ่มฉีดน้ำมันดีเซล แต่จะเกิดขึ้นหลังจากการฉีดน้ำมันดีเซลเข้าห้องเผาไหม้ประมาณ 1 ใน 1,000 วินาที เพื่อให้ละอองน้ำมันดีเซลระเหยผสมกับอากาศในเสี้ยววินาทีนั้น เสียก่อนเป็นช่วงการเตรียมการเผาไหม้แล้วจึงเกิดการเผาไหม้ การเผาไหม้จะได้สมบูรณ์ ช่วงเวลาหน่วงติดไฟขึ้นอยู่กับ คุณสมบัติของน้ำมันดีเซล อุณหภูมิ และความดันอากาศในห้องเผาไหม้ ถ้าอุณหภูมิและความดันอากาศในห้องเผาไหม้สูง เวลาหน่วงติดไฟจะสั้นลง
7.1 สาเหตุที่ทำให้เวลาหน่วงติดไฟนาน
7.1.1 ความดันอากาศในห้องเผาไหม้น้อย
อุณหภูมิที่เกิดขึ้นในห้องเผาไหม้จะต่ำ เวลาหน่วงติดไฟจะยึดนานออกไป เหมือนเครื่องยนต์สภาพเย็น
7.1.2 ละอองน้ำมันดีเซลที่ฉีดเข้าไปในห้องเผาไหม้
ละอองน้ำมันดีเซลถ้าเป็นหยดหรือละอองหยาบน้ำมันดีเซลจะระเหยกลายเป็นไอยาก ต้องใช้เวลาเพิ่มขึ้น
7.1.3 การหมุนเวียนของอากาศภายในห้องเผาไหม้
ต้องหมุนเวียนให้เกิดอุณหภูมิถ่ายเทกันทั่วและรวมตัวกับละอองน้ำมันดีเซลในอัตราส่วนที่พอเหมาะ
7.1.4 การตั้งปั๊มอ่อนหรือแก่เกินไป
การตั้งปั๊มอ่อนหรือแก่เกินไปจะทำให้การฉีดน้ำมันดีเซลเข้าไปในห้องเผาไหม้ไม่ตรงกำหนด
7.1.5 ตัวเร่งฉีดน้ำมัน
ตัวเร่งฉีดน้ำมัน คือ เร่งให้ปั๊มฉีดน้ำมันดีเซลเร็วขึ้น เมื่อเร่งเครื่องยนต์ให้มีความเร็วรอบสูงขึ้น แต่ถ้าประสิทธิภาพที่เร่งฉีดไม่ดีจะฉีดน้ำมันเร็วหรือช้ากว่ากำหนด
7.1.6 น้ำมันดีเซลที่มีดัชนีซีเทนต่ำ
น้ำมันดีเซลที่มีดัชนีซีเทนต่ำ จะทำให้เวลาหน่วงติดไฟนานกว่าน้ำมันดีเซลที่มีดัชนีเทนสูง
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 12
7.1.7 เครื่องยนต์เดินเบาช้ามาก
เครื่องยนต์ที่เดินเบาช้ามาก ความร้อนที่เกิดขึ้นจากการอัดอากาศจะน้อยกว่าเครื่องยนต์ที่ความเร็วรอบสูง
8. การเคาะ หรือการน็อกของเครื่องยนต์ดีเซล (Diesel knock)
การเคาะ หรือการน็อกในเครื่องยนต์ดีเซล คือ การระเบิดอย่างรุนแรงเกินกว่าปกติเกิดขึ้นภายใน กระบอกสูบของเครื่องยนต์ในจังหวะระเบิดหรือจังหวะงาน ลักษณะการระเบิดดังกล่าวจะทำให้เกิดคลื่นความดันที่มีความเร็วในการเคลื่อนตัวเท่ากับความเร็วเสียง และเมื่อกระทบกับโลหะจะทำให้เกิดเสียงดัง ที่เรียกว่า เคาะ หรือน็อก Knock การเคาะหรือการน็อกของเครื่องยนต์ดีเซลจะเกิดขึ้นในช่วงการเผาไหม้อย่างรวดเร็ว(ช่วง B - C รูปที่ 2.8) ซึ่งมีความสัมพันธ์กับช่วงหน่วงการจุดระเบิด ทั้งนี้เนื่องจากจะมีไอน้ำมันเชื้อเพลิงที่ถูกฉีดเข้ามาในกระบอกสูบมากเกินไปในช่วงหน่วงการจุดระเบิด ในช่วงนี้ถ้าไอน้ำมันที่ถูกทำให้ร้อนขึ้นจากการอัด และระเหยตัวเป็นไอเกิดการติดไฟฟ้าช้า หรือนานเกินไปก็จะทำให้มีไอน้ำมันเกิดการสะสมในปริมาณมากไปติดไฟ และถูกเผาไหม้ในปริมาณมากเกินไปในครั้งเดียวในช่วงของการเผาไหม้อย่างรวดเร็ว (ช่วง B - C รูปที่ 2.8) ดังนั้นจึงเป็นเหตุให้เกิดคลื่นความดันเพิ่มขึ้นในกระบอกสูบด้วยเวลาอันรวดเร็วเกินไป การเคาะของเครื่องยนต์ดีเซลดังรูปที่ 2.10
รูปที่ 2.10 แสดงแผนภาพการเคาะของเครื่องยนต์
ที่มา ; บรรเจิด เปาจีน, 2560, กรุงเทพฯ: สำนักพิมพ์เอมพันธ์.
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 13
ดังนั้นเพื่อป้องกันการเคาะของเครื่องยนต์ดีเซล จึงมีวิธีป้องกันดังนี้
8.1 ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงที่มีค่าซีเทนสูง การใช้น้ำมันที่มีส่วนผสมของซีเทนสูงจะทำให้น้ำมันมีคุณสมบัติในการจัดระเบิดได้ง่ายที่อุณหภูมิต่ำ
8.2 ลดปริมาณการฉีดของน้ำมันเชื้อเพลิง ที่จุดเริ่มฉีดน้ำมัน (จุด A ในรูป ที่ 2.8) การลดปริมาณน้ำมันเชื้อเพลิงในช่วงนี้จะทำให้ติดไฟได้ง่ายไม่เกิดการสะสมปริมาณของไอน้ำมันปริมาณมากในช่วงของการเผาไหม้อย่างรวดเร็ว การลดปริมาณน้ำมันทำได้ โดยการใช้หัวฉีดแบบหน่วงเวลาในการฉีด ในเครื่องยนต์ดีเซลแบบคอมมอนเรลจะใช้การฉีดนำร่อง หรือฉีดเพียงน้อย
8.3 เพิ่มอุณหภูมิของอากาศ และความดันที่จุดเริ่มต้นการฉีด
8.4 เพิ่มอุณหภูมิของห้องเผาไหม้
9. น้ำมันเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ดีเซล
เครื่องยนต์ดีเซลจะใช้น้ำมันเชื้อเพลิง น้ำมันเชื้อเพลิงจะถูกฉีดเข้าห้องเผาไหม้และเกิดจากการจุดระเบิดขึ้นด้วยตนเอง การวัดความสามารถของน้ำมันเชื้อเพลิงดีเซลในการติดไฟได้อย่างรวดเร็ว เรียกว่า ซีเทนนัมเบอร์ (Cetane Number)
ค่าซีเทนนัมเบอร์ คือค่าตัวเลขที่แสดงถึงคุณภาพของน้ำมันดีเซลด้านคุณสมบัติในการ จุดติดไฟซึ่งค่าซีเทนที่เหมาะสมกับเครื่องยนต์จะช่วยให้เครื่องยนต์สตาร์ตติดง่าย ไม่เกิดการน็อก และช่วยให้ประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิงด้วย
โดยทั่วไปน้ำมันดีเซลที่ใช้กันอยู่จะมีค่าซีเทนอยู่ระหว่าง 40 – 55 สำหรับเครื่องยนต์ดีเซลความเร็วรอบปานกลางและความเร็วรอบสูงจะใช้น้ำมันที่มีค่าซีเทน อยู่ระหว่าง 40 – 50 ส่วนประกอบน้ำมันดีเซลจะมีส่วนผสมของนอร์มอลซีเทน (Nomal centane) ซึ่งมีคุณสมบัติในการจุดติดไฟและป้องกันการน็อกได้ดี มีค่าซีเทนเท่ากับ 100 และมีเฮปตาเมทิลโนแนน (Heptamethynonane) ซึ่งมีคุณสมบัติในการจุดติดไฟและป้องกันการน็อกต่ำ
ชื่อวิชา งานเครื่องยนต์ดีเซล รหัสวิชา 2101-2002 ระดับ ปวช.
ชื่อหน่วย หลักการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล แผ่นที่ 1
เครื่องยนต์ดีเซลเผาไหม้ภายใน (Internal Combustion Engine) ซึ่งมีอัตราส่วนการอัดตัวสูงประมาณ 15-22 ต่อ 1 เครื่องยนต์จะดูดเฉพาะอากาศอย่างเดียวเข้าไปภายในกระบอกสูบในจังหวะอัดอากาศภายในกระบอกสูบจะถูกอัดจนมีอุณหภูมิสูงประมาณ 500-800 องศาเซลเซียส หรือมากกว่า จากนั้นหัวฉีดจะจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิงที่เป็นฝอยละอองเข้าไปภายในห้องเผาไหม้ในตำแหน่งที่พอเหมาะน้ำมันจะคลุกเคล้ากับอากาศร้อนจนเป็นไอและเกิดการจุดระเบิดได้ด้วยตัวเอง
1. ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนการอัดกับความดันในกระบอกสูบ
อัตราส่วนการอัด คือ อัตราส่วนระหว่างปริมาตรภายในกระบอกสูบขณะที่ลูกสูบอยู่ที่ตำแหน่งศูนย์ตายล่าง(BDC)กับปริมาตรภายในกระบอกสูบขณะที่ลูกสูบอยู่ในตำแหน่งศูนย์ตายบน(TDC) เนื่องจากในเครื่องยนต์ดีเซลมีเพียงอากาศเท่านั้นที่ถูกอัดในกระบอกสูบในจังหวะอัด จึงจำเป็นต้องใช้อัตราส่วนการอัดสูงเพื่อให้อากาศที่ถูกอัดมีอุณหภูมิสูงขึ้นมากพอจนสามารถทำให้น้ำมันเชื้อเพลิงจุดระเบิดได้ด้วยตัวเองจากรูปที่ 2.1 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนการอัดกับความดัน และอุณหภูมิในการอัด โดยจะสมมุติว่าการอัดไม่มีอากาศรั่ว และไม่เกิดการสูญเสียความร้อนระหว่างลูกสูบกับกระบอกสูบ ตัวอย่างเช่น เมื่ออัตราส่วนการอัดเป็น 12 กราฟแสดงว่าความดันในการอัดสูงประมาณ 3 MPa (30 kgf/cm2) และอุณหภูมิ 300 องศาเซลเซียส ถ้าอัตราส่วนการอัดสูง ความดันและอุณหภูมิก็จะสูงขึ้นไปด้วย
รูปที่ 2.1 แสดงอัตราส่วนการอัดและความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนการอัดกับความดัน
และอุณหภูมิในกระบอกสูบ
ที่มา ; บรรเจิด เปาจีน, 2560, กรุงเทพฯ: สำนักพิมพ์เอมพันธ์.
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 2
2. วัฏจักรการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะ (Four – Stroke diesel cycle)
การทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะหมายถึง การเคลื่อนที่ของลูกสูบ ขึ้น-ลง รวมกัน 4 ครั้ง เพลาข้อเหวี่ยงหมุนไป 2 รอบคิดเป็นองศาเท่ากับ 720 องศา เรียกว่า การทำงานครบ 1 กลวัตร (Cycle) ลำดับการทำงานทั้ง 4 จังหวะ มีดังนี้
2.1 จังหวะดูด (Intake stoke)
จังหวะดูด เริ่มจากตำแหน่งลูกสูบอยู่ศูนย์ตายบน (Top dead center or TDC) เพลาข้อเหวี่ยงเคลื่อนที่ลงสู่ศูนย์ตายล่าง (Bottom dead center or BDC) ทำให้ลูกสูบ เลื่อนลง เกิดสุญญากาศขึ้นภายในกระบอกสูบ ลิ้นไอดีถูกเปิดออก (ลิ้นไอดีเปิดก่อนศูนย์ตายบน) ส่วนลิ้นไอเสียปิด อากาศบริสุทธิ์ถูกดูดผ่านช่องลิ้นไอดีเข้ามาในกระบอกสูบ การที่อากาศสามารถไหลเข้ามาได้ก็เนื่องจากลูกสูบเคลื่อนที่ลงทำให้ปริมาตรบนหัวลูกสูบเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วส่งผลให้เกิดสุญญากาศบริเวณหัวลูกสูบ ความดันบรรยากาศภายนอกดันอากาศไปแทนที่ในกระบอกสูบ
สรุป ในจังหวะดูด ลูกสูบเคลื่อนที่ลง ลิ้นไอดีเปิด (การทำงานจริงลิ้นไอดีเปิดก่อนศูนย์ตายบน) ลิ้นไอเสียปิด เพลาข้อเหวี่ยงหมุนไปเป็นมุมประมาณ 180 องศา
รูปที่ 2.2 แสดงจังหวะดูด
ที่มา ; https://pantip.com/topic
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 3
2.2 จังหวะอัด (Compression Stroke)
เมื่อลิ้นไอดีปิด อันเป็นจุดเริ่มต้นของจังหวะอัดซึ่งลูกสูบจะเคลื่อนที่ขึ้นไปสู่ศูนย์ตายบน จังหวะนี้อากาศประมาณ 16-22 ส่วนที่ถูกดูดเข้ากระบอกสูบมาในจังหวะดูดจะถูกอัดตัวให้มีปริมาตรเล็กลงเหลือประมาณ 1 ส่วน ดังนั้นอากาศจึงมีความดันและอุณหภูมิที่สูงขึ้นพร้อมสำหรับการสันดาป
รูปที่ 2.3 แสดงจังหวะอัด
ที่มา ; https:// pantip.com/topic
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 4
2.3 จังหวะกำลัง (Power Stroke)
บางครั้งเรียกว่า จังหวะระเบิด (Expansion Stroke) (ซึ่งเริ่มนับจากหัวฉีด ฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง) กำลังจากการระเบิดหรือการสันดาป (Combustion) ภายในห้องเผาไหม้จะผลักดันให้ลูกสูบเคลื่อนที่ลงมาเป็นกำลังงานขับเคลื่อนของเครื่องยนต์ ในจังหวะนี้จะไปสิ้นสุดจนกว่าลิ้นไอเสียจะเปิด
หมายเหตุ ในความเป็นจริงแล้วการจุดระเบิดถูกเริ่มต้นก่อนที่หัวลูกสูบจะถึง ศูนย์ตายบนแล้วมาระเบิดรุนแรงที่สุดในช่วงที่หัวลูกสูบเคลื่อนที่เลยจากศูนย์ตายบนมาแล้วเล็กน้อย
รูปที่ 2.4 แสดงจังหวะระเบิดหรือจังหวะงาน
ที่มา ; https://pantip.com/topic
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 5
2.4 จังหวะคาย (Exhaust Stroke)
จังหวะนี้เริ่มต้นจากลิ้นไอเสียจะเริ่มเปิดก่อนที่ลูกสูบจะเคลื่อนที่ถึงศูนย์ตายล่าง แก๊สไอเสียซึ่งยังมีความดันจากการขยายตัวอยู่จะระบายออกทางลิ้นไอเสีย เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่เลยจากศูนย์ตายล่าง (BDC) จะผลักดันให้ไอเสียไหลออกไปจากกระบอกสูบ
หมายเหตุ ขณะที่หัวลูกสูบเคลื่อนที่ถึงศูนย์ตายบนนั้น ลิ้นไอเสียยังไม่ปิดสนิทแต่จะเปิดเล็กน้อยแล้วไปปิดเมื่อเลยจากศูนย์ตายบนไปเล็กน้อย ซึ่งในช่วงนี้ไอเสียจะสามารถไหลออกจากกระบอกสูบด้วยแรงเฉื่อย และขณะเดียวกันนี้จะเกิดแรงดูดอากาศให้เริ่มเข้ากระบอกสูบ ช่วงที่ลิ้นไอเสียเริ่มปิด และไอดีเริ่มเปิดนี้เรียกว่าจังหวะโอเวอร์แลป (Overlap)
รูปที่ 2.5 แสดงจังหวะคาย
ที่มา ; https://pantip.com/topic
3. แผนภูมิวัฏจักรการทำงาน (Working Cycle Diagram)
จากรูปที่ 2.6 เป็นวัฏจักรการทำงานที่มีการเผาไหม้แบบปริมาตรคงที่เหมือนวัฏจักร ออตโต ผสมกับการเผาไหม้แบบความดันคงที่เหมือนวัฏจักรดีเซล จึงเรียกวัฏจักรนี้ว่า “วัฏจักรผสม”
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 6
และเป็นต้นแบบของเครื่องยนต์ดีเซลหมุนเร็วที่ใช้ในปัจจุบัน การเผาไหม้ในช่วงแรกเป็นแบบปริมาตรคงที่ และเผาไหม้ต่อไปแบบความดันคงที่ขณะลูกสูบเคลื่อนที่ลง การเผาไหม้ลักษณะนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการควบคุมการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง กล่าวคือการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงในช่วงแรกจะฉีดเข้า ห้องเผาไหม้ในปริมาณน้อยขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ก่อนถึงศูนย์ตายบนประมาณ 20 - 30 องศา ทำให้เกิดการเผาไหม้อย่างฉับพลันเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ถึงศูนย์ตายบน จากนั้นจึงฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงส่วนที่เหลือในปริมาณที่มากกว่าครั้งแรกเพื่อให้เกิดการเผาไหม้แบบความดันคงที่
รูปที่ 2.6 แสดงกราฟความสัมพันธ์ความดันกับปริมาตร ของเครื่องยนต์ดีเซลหมุนเร็ว 4 จังหวะ
ที่มา ; บรรเจิด เปาจีน, 2560, กรุงเทพฯ: สำนักพิมพ์เอมพันธ์.
4. แผนภูมิเวลาการเปิดและปิดลิ้นของเครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะ (Valve Timing Diagram)
จากรูปที่ 2.7 แสดงให้เห็นถึงองศาในการเปิด และปิดของลิ้นไอดีและลิ้นไอเสียตลอดจนองศา การฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงของหัวฉีดในเครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะ ใน 1 กลวัตร การทำงานของหัวฉีด จะฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงอย่างเป็นฝอยละอองละเอียดเข้าไปกระทบอากาศร้อนในห้องเผาไหม้ สำหรับองศาการเปิด และปิดของลิ้นรวมถึงองศาการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงจะแตกต่างกันออกไปตามบริษัทผู้ผลิตและจุดประสงค์ของการนำไปใช้งาน รายละเอียดจากรูปที่ 2.7 มีดังต่อไปนี้
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 7
4.1 เริ่มต้น
เมื่อลิ้นไอดีเปิดก่อนลูกสูบเคลื่อนที่ถึงศูนย์ตายบน 15 องศา (15º BTDC) และปิดหลังศูนย์ตายล่าง 40 องศา (40º ABDC) ในระหว่างจังหวะดูดเพื่อให้ปริมาณอากาศเข้าประจุภายในกระบอกสูบได้มากที่สุดเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพทางปริมาตรของเครื่องยนต์ เมื่อคิดระยะเวลาทั้งหมดที่ลิ้นไอดีเปิดเป็นองศาที่เพลาข้อเหวี่ยงหมุนไปจะเท่ากับ 235 องศา (15 + 180 + 40 = 235)
รูปที่ 2.7 แสดงแผนภูมิเวลาเปิด ปิดลิ้นของเครื่องยนต์ดีเซลหมุนเร็ว 4 จังหวะ
ที่มา ; บรรเจิด เปาจีน, 2560, กรุงเทพฯ: สำนักพิมพ์เอมพันธ์.
4.2 ในช่วงปลายจังหวะอัด
คือก่อนที่ลูกสูบเคลื่อนที่ถึงศูนย์ตายบน 20 องศา (20º BTDC) หัวฉีดจะฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงเข้าไปในห้องเผาไหม้ เหตุผลที่หัวฉีดจะต้องฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงก่อนศูนย์ตายบน (การหน่วงเวลาติดไฟของน้ำมันดีเซล) เพื่อให้มีเวลาเพียงพอในการเผาไหม้ได้อย่างสมบูรณ์เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้
4.3 จังหวะคาย
ลิ้นไอเสียจะเปิดก่อนลูกสูบเคลื่อนที่ถึงศูนย์ตายล่าง 48 องศา (48º BBDC) และปิดหลังศูนย์ตายบน 25 องศา (25º ATDC) เพื่อขับไล่ไอเสียออกจากกระบอกสูบได้อย่างรวดเร็วและ
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 8
มากที่สุด เมื่อคิดระยะเวลาทั้งหมดที่ลิ้นไอเสียเปิดเป็นองศาที่เพลาข้อเหวี่ยงหมุนไปจะเท่ากับ 270 องศา (48 + 180 + 25 = 253)
4.4 ลิ้นโอเวอร์แลป (Valve overlap)
คือ ลิ้นไอดีเริ่มเปิดในจังหวะดูด ส่วนลิ้นไอเสียกำลังจะปิดสนิทในจังหวะคาย ตำแหน่งนี้มีไว้เพื่อให้อากาศส่วนหนึ่งเข้าไปกวาดล้างไอเสียออกจากกระบอกสูบ ให้หมด จากรูปที่ 2.7 ลิ้นไอดีเปิดก่อนศูนย์ตายบน 15 องศาและลิ้นไอเสียปิดหลังศูนย์ตายบน 25 องศา เมื่อคิดเป็นองศาที่เพลาข้อเหวี่ยงหมุนไปจะเท่ากับ 40 องศา (15 + 25 = 40)
5. การเปรียบเทียบจังหวะการทำงาน ของเครื่องยนต์ดีเซล กับเครื่องยนต์แก๊สโซลีน 4 จังหวะ
จากจังหวะการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซลเมื่อนำไปเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์แก๊สโซลีน 4 จังหวะ สามารถสรุปได้ ดังตารางที่ 2.1
ตารางที่ 2.1 การเปรียบเทียบจังหวะการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซลกับเครื่องแก๊สโซลีน 4 จังหวะ
เครื่องยนต์
จังหวะการทำงาน เครื่องยนต์ดีเซล เครื่องยนต์แก๊สโซลีน
จังหวะดูด ดูดอากาศบริสุทธิ์เข้าไปในกระบอกสูบอย่างเดียว ดูดส่วนผสมอากาศกับน้ำมันเชื้อเพลิง(ไอดี) เข้าไปในกระบอกสูบ
จังหวะอัด อัดอากาศบริสุทธิ์ให้มีความดันและอุณหภูมิสูง อัดส่วนผสมอากาศกับน้ำมันเชื้อเพลิง
จังหวะระเบิด ฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในกระบอกสูบและเกิดการจุดระเบิดด้วยตัวเอง ใช้หัวเทียนจุดประกายไฟเพื่อให้เกิดการเผาไหม้
จังหวะคาย ลูกสูบขับไล่ไอเสียออกจากกระบอกสูบ ลูกสูบขับไล่ไอเสียออกจากกระ บอกสูบ
การควบคุมกำลังงานของเครื่องยนต์ ควบคุมปริมาณน้ำมันเชื้อเพลิงที่ถูกฉีดเข้ากระบอกสูบ ควบคุมปริมาณของไอดีเข้าสู่กระบอกสูบ
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 9
6. กระบวนการเผาไหม้ของเครื่องยนต์ดีเซล (Combustion Process)
กระบวนการเผาไหม้ หมายถึง การเผาไหม้ของน้ำมันดีเซลที่ฉีดเป็นฝอยละอองเข้าไปในห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ดีเซล โดยละอองของน้ำมันดีเซลจะคลุกเคล้ากับออกซิเจนของอากาศที่ถูกอัดตัว ความร้อนที่ถูกอัดตัวของอากาศจะทำให้น้ำมันดีเซลเกิดการลุกไหม้ด้วยตัวเอง การฉีดน้ำมันดีเซลช่วงแรกจะทำให้เกิดความร้อนมาก และทำให้น้ำมันเชื้อเพลิงส่วนที่ฉีดลงไปกลายเป็นไอได้รวดเร็วขึ้น ถ้ามีออกซิเจนเพียงพอจะทำให้กระบวนการเผาไหม้น้ำมันดีเซลเกิดขึ้นได้อย่างสม่ำเสมอและรวดเร็ว เผาไหม้น้ำมันดีเซลได้สมบูรณ์ การเผาไหม้น้ำมันดีเซลแบ่งออกได้เป็น 4 ขั้น ดังรูปที่ 2.8
รูปที่ 2.8 แสดงกราฟกระบวนการเผาไหม้ในห้องเผาไหม้เครื่องยนต์ดีเซล
ที่มา ; วีระ ทองประสิทธิ์ และ สะอ้าน หรั่งช้าง 2558, กรุงเทพฯ: ศูนย์ส่งเสริมอาชีวะ.
6.1 ช่วง A - B คือระยะหน่วงจุดระเบิด (Ignition delay)
ได้แก่ช่วงเวลาที่หัวฉีดเริ่มมีการฉีดน้ำมันดีเซลที่จุดหนึ่งจุดใด ก่อนลูกสูบจะถึงศูนย์ตายบนในจังหวะอัดแต่ยังไม่มีการจุดระเบิด (หน่วงเวลาคลุกเคล้าน้ำมันเชื้อเพลิงกับอากาศ) จนได้เวลา และอุณหภูมิสูงถึงช่วงการจุดระเบิดได้ด้วยตัวเอง จึงติดไฟช่วงเวลานี้น้ำมันดีเซลเริ่มฉีดจนกระทั่งน้ำมันดีเซลเริ่มเผาไหม้ เรียกว่า “ระยะเวลาหน่วงการจุดระเบิดน้ำมันดีเซล”
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 10
6.2 ช่วง B – C คือระยะเวลาการเผาไหม้ (Combustion Period)
ต่อจากขั้นตอนที่ A – B เปลวไฟจะแพร่กระจายไปทั่วห้องเผาไหม้ ที่เกิดจากการหมุนวนของอากาศตามการออกแบบห้องเผาไหม้บังคับการหมุนวนของอากาศเพื่อให้ออกซิเจนรวมตัวกับอณูของน้ำมันดีเซล จึงทำให้เกิดการเผาไหม้อย่างรวดเร็วและสมบูรณ์
6.3 ช่วง C – D คือช่วงระยะเวลาการเผาไหม้น้ำมันดีเซลส่วนที่เหลือ
เป็นขั้นตอนที่ต่อจาก B – C โดยน้ำมันดีเซลที่เหลือจากการเผาไหม้จาก B – C และน้ำมันดีเซลที่ยังคงออกจากหัวฉีดอยู่จะเกิดการเผาไหม้ขึ้น ระยะนี้ขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำมันดีเซลที่ฉีดในช่วงหลังและจำนวนออกซิเจนที่เหลืออยู่ในขณะนั้น
6.4 ช่วง D – E คือระยะการเผาไหม้สุดท้าย
ช่วงนี้เกิดจากน้ำมันดีเซลที่เหลือจากหัวฉีดหยุดการฉีดน้ำมันดีเซลโดยเผาไหม้ในขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลงสู่ศูนย์ตายล่าง
7. เวลาหน่วงติดไฟของน้ำมันดีเซล (Ignition Lag หรือ Delay Period)
รูปที่ 2.9 แสดงกราฟความดันการเผาไหม้เวลาหน่วงติดไฟ
ที่มา ; วีระ ทองประสิทธิ์ และ สะอ้าน หรั่งช้าง 2558, กรุงเทพฯ: ศูนย์ส่งเสริมอาชีวะ.
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 11
การเผาไหม้ภายในห้องเผาไหม้เครื่องยนต์ดีเซล ไม่ได้เกิดขึ้นทันที่ตามตำแหน่งปั๊มดีเซลหรือตำแหน่งเริ่มฉีดน้ำมันดีเซล แต่จะเกิดขึ้นหลังจากการฉีดน้ำมันดีเซลเข้าห้องเผาไหม้ประมาณ 1 ใน 1,000 วินาที เพื่อให้ละอองน้ำมันดีเซลระเหยผสมกับอากาศในเสี้ยววินาทีนั้น เสียก่อนเป็นช่วงการเตรียมการเผาไหม้แล้วจึงเกิดการเผาไหม้ การเผาไหม้จะได้สมบูรณ์ ช่วงเวลาหน่วงติดไฟขึ้นอยู่กับ คุณสมบัติของน้ำมันดีเซล อุณหภูมิ และความดันอากาศในห้องเผาไหม้ ถ้าอุณหภูมิและความดันอากาศในห้องเผาไหม้สูง เวลาหน่วงติดไฟจะสั้นลง
7.1 สาเหตุที่ทำให้เวลาหน่วงติดไฟนาน
7.1.1 ความดันอากาศในห้องเผาไหม้น้อย
อุณหภูมิที่เกิดขึ้นในห้องเผาไหม้จะต่ำ เวลาหน่วงติดไฟจะยึดนานออกไป เหมือนเครื่องยนต์สภาพเย็น
7.1.2 ละอองน้ำมันดีเซลที่ฉีดเข้าไปในห้องเผาไหม้
ละอองน้ำมันดีเซลถ้าเป็นหยดหรือละอองหยาบน้ำมันดีเซลจะระเหยกลายเป็นไอยาก ต้องใช้เวลาเพิ่มขึ้น
7.1.3 การหมุนเวียนของอากาศภายในห้องเผาไหม้
ต้องหมุนเวียนให้เกิดอุณหภูมิถ่ายเทกันทั่วและรวมตัวกับละอองน้ำมันดีเซลในอัตราส่วนที่พอเหมาะ
7.1.4 การตั้งปั๊มอ่อนหรือแก่เกินไป
การตั้งปั๊มอ่อนหรือแก่เกินไปจะทำให้การฉีดน้ำมันดีเซลเข้าไปในห้องเผาไหม้ไม่ตรงกำหนด
7.1.5 ตัวเร่งฉีดน้ำมัน
ตัวเร่งฉีดน้ำมัน คือ เร่งให้ปั๊มฉีดน้ำมันดีเซลเร็วขึ้น เมื่อเร่งเครื่องยนต์ให้มีความเร็วรอบสูงขึ้น แต่ถ้าประสิทธิภาพที่เร่งฉีดไม่ดีจะฉีดน้ำมันเร็วหรือช้ากว่ากำหนด
7.1.6 น้ำมันดีเซลที่มีดัชนีซีเทนต่ำ
น้ำมันดีเซลที่มีดัชนีซีเทนต่ำ จะทำให้เวลาหน่วงติดไฟนานกว่าน้ำมันดีเซลที่มีดัชนีเทนสูง
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 12
7.1.7 เครื่องยนต์เดินเบาช้ามาก
เครื่องยนต์ที่เดินเบาช้ามาก ความร้อนที่เกิดขึ้นจากการอัดอากาศจะน้อยกว่าเครื่องยนต์ที่ความเร็วรอบสูง
8. การเคาะ หรือการน็อกของเครื่องยนต์ดีเซล (Diesel knock)
การเคาะ หรือการน็อกในเครื่องยนต์ดีเซล คือ การระเบิดอย่างรุนแรงเกินกว่าปกติเกิดขึ้นภายใน กระบอกสูบของเครื่องยนต์ในจังหวะระเบิดหรือจังหวะงาน ลักษณะการระเบิดดังกล่าวจะทำให้เกิดคลื่นความดันที่มีความเร็วในการเคลื่อนตัวเท่ากับความเร็วเสียง และเมื่อกระทบกับโลหะจะทำให้เกิดเสียงดัง ที่เรียกว่า เคาะ หรือน็อก Knock การเคาะหรือการน็อกของเครื่องยนต์ดีเซลจะเกิดขึ้นในช่วงการเผาไหม้อย่างรวดเร็ว(ช่วง B - C รูปที่ 2.8) ซึ่งมีความสัมพันธ์กับช่วงหน่วงการจุดระเบิด ทั้งนี้เนื่องจากจะมีไอน้ำมันเชื้อเพลิงที่ถูกฉีดเข้ามาในกระบอกสูบมากเกินไปในช่วงหน่วงการจุดระเบิด ในช่วงนี้ถ้าไอน้ำมันที่ถูกทำให้ร้อนขึ้นจากการอัด และระเหยตัวเป็นไอเกิดการติดไฟฟ้าช้า หรือนานเกินไปก็จะทำให้มีไอน้ำมันเกิดการสะสมในปริมาณมากไปติดไฟ และถูกเผาไหม้ในปริมาณมากเกินไปในครั้งเดียวในช่วงของการเผาไหม้อย่างรวดเร็ว (ช่วง B - C รูปที่ 2.8) ดังนั้นจึงเป็นเหตุให้เกิดคลื่นความดันเพิ่มขึ้นในกระบอกสูบด้วยเวลาอันรวดเร็วเกินไป การเคาะของเครื่องยนต์ดีเซลดังรูปที่ 2.10
รูปที่ 2.10 แสดงแผนภาพการเคาะของเครื่องยนต์
ที่มา ; บรรเจิด เปาจีน, 2560, กรุงเทพฯ: สำนักพิมพ์เอมพันธ์.
ใบเนื้อหา หน่วยที่ 2 แผ่นที่ 13
ดังนั้นเพื่อป้องกันการเคาะของเครื่องยนต์ดีเซล จึงมีวิธีป้องกันดังนี้
8.1 ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงที่มีค่าซีเทนสูง การใช้น้ำมันที่มีส่วนผสมของซีเทนสูงจะทำให้น้ำมันมีคุณสมบัติในการจัดระเบิดได้ง่ายที่อุณหภูมิต่ำ
8.2 ลดปริมาณการฉีดของน้ำมันเชื้อเพลิง ที่จุดเริ่มฉีดน้ำมัน (จุด A ในรูป ที่ 2.8) การลดปริมาณน้ำมันเชื้อเพลิงในช่วงนี้จะทำให้ติดไฟได้ง่ายไม่เกิดการสะสมปริมาณของไอน้ำมันปริมาณมากในช่วงของการเผาไหม้อย่างรวดเร็ว การลดปริมาณน้ำมันทำได้ โดยการใช้หัวฉีดแบบหน่วงเวลาในการฉีด ในเครื่องยนต์ดีเซลแบบคอมมอนเรลจะใช้การฉีดนำร่อง หรือฉีดเพียงน้อย
8.3 เพิ่มอุณหภูมิของอากาศ และความดันที่จุดเริ่มต้นการฉีด
8.4 เพิ่มอุณหภูมิของห้องเผาไหม้
9. น้ำมันเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ดีเซล
เครื่องยนต์ดีเซลจะใช้น้ำมันเชื้อเพลิง น้ำมันเชื้อเพลิงจะถูกฉีดเข้าห้องเผาไหม้และเกิดจากการจุดระเบิดขึ้นด้วยตนเอง การวัดความสามารถของน้ำมันเชื้อเพลิงดีเซลในการติดไฟได้อย่างรวดเร็ว เรียกว่า ซีเทนนัมเบอร์ (Cetane Number)
ค่าซีเทนนัมเบอร์ คือค่าตัวเลขที่แสดงถึงคุณภาพของน้ำมันดีเซลด้านคุณสมบัติในการ จุดติดไฟซึ่งค่าซีเทนที่เหมาะสมกับเครื่องยนต์จะช่วยให้เครื่องยนต์สตาร์ตติดง่าย ไม่เกิดการน็อก และช่วยให้ประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิงด้วย
โดยทั่วไปน้ำมันดีเซลที่ใช้กันอยู่จะมีค่าซีเทนอยู่ระหว่าง 40 – 55 สำหรับเครื่องยนต์ดีเซลความเร็วรอบปานกลางและความเร็วรอบสูงจะใช้น้ำมันที่มีค่าซีเทน อยู่ระหว่าง 40 – 50 ส่วนประกอบน้ำมันดีเซลจะมีส่วนผสมของนอร์มอลซีเทน (Nomal centane) ซึ่งมีคุณสมบัติในการจุดติดไฟและป้องกันการน็อกได้ดี มีค่าซีเทนเท่ากับ 100 และมีเฮปตาเมทิลโนแนน (Heptamethynonane) ซึ่งมีคุณสมบัติในการจุดติดไฟและป้องกันการน็อกต่ำ