อัตราส่วนผสมอากาศต่อเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน

อัตราส่วนผสมอากาศต่อเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน

          เครื่องยนต์สันดาปภายใน (Internal Combustion Engine หรือ ICE) ที่มีการทำงานตามกลวัตรอ๊อตโต้ (Otto Cycle) จะถูกเรียกว่า เครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟ (Spark-Ignition Engine) (ต้องใช้หัวเทียน) ซึ่งใช้เชื้อเพลิงได้หลายชนิด แต่ในที่นี้จะขอกล่าวถึงเฉพาะเครื่องยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงแก๊สโซลีนเรียกว่าเครื่องยนต์แก๊สโซลีน (Gasoline Engine) ทั่วไปจะมีอัตราส่วนการอัดหรือ CR (Compression Ratio) ประมาณ 9 - 11.5 : 1 และมีอัตราส่วนผสมอากาศต่อเชื้อเพลิงทางทฤษฎี (Theoretical Air-Fuel Ratio) เท่ากับ 14.7 : 1 คิดโดยน้ำหนัก

รูปที่ 1 อัตราส่วนผสมอากาศต่อเชื้อเพลิงทางทฤษฎีของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน

รูปที่ 2 แสดงแก๊สพิษทั้ง 3 ชนิดของแต่ละช่วงอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง

รูปที่ 3 แสดงกำลังและความสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงเทียบกับอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง

          อัตราส่วนผสมอากาศต่อเชื้อเพลิงจากรูปที่  2 และ 3 สรุปอัตราส่วนผสมอากาศต่อเชื้อเพลิงได้ดังต่อไปนี้             

          16 – 18 :1  ส่วนผสมจะบางทำให้ประหยัดเชื้อเพลิง มีแก๊สพิษต่ำ แต่กำลังงานจะต่ำลง

          12 – 13 : 1  ส่วนผสมจะหนาทำให้สิ้นเปลืองเชื้อเพลิง แต่เป็นช่วงให้กำลังงานสูงสุด

          9 – 10 : 1  ส่วนผสมจะหนามากทำให้สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงสูงมาก แก๊สพิษสูง

          จะเห็นได้ว่าอัตราส่วนผสมอากาศต่อเชื้อเพลิงมีผลต่อแก๊สพิษ (Emission Gas) และสมรรถนะกำลังงานของเครื่องยนต์อย่างมาก นอกจากนี้แล้วขณะสตาร์ตและช่วงอุ่นเครื่องยนต์ขณะที่อุณหภูมิต่ำ ส่วนผสมมจะต้องหนาด้วยเช่นกัน  เครื่องยนต์รุ่นเก่าจะใช้คาร์บูเรเตอร์ทำหน้าที่จัดจ่ายส่วนผสมแต่เครื่องยนต์รุ่นใหม่ใช้ระบบฉีดเชื้อเพลิงควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์หรือ EFI (Electronic Fuel Injection) เพื่อต้องการปรับปรุงให้เครื่องยนต์สามารถทำงานได้ดียิ่งขึ้น พร้อมทั้งปล่อยแก๊สพิษออกมาต่ำ ลง และยังต้องมีอุปกรณ์ขจัดแก๊สพิษเพิ่มเติมเช่น เครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยาหรือ CAT (Catalytic Converter) และการหมุนเวียนไอเสียหรือ EGR (Exhaust Gas Recirculation)

รูปที่ 4 การควบคุมการสันดาปของเครื่องยนต์ EFI



Read more »

ชิ้นส่วนเครื่องยนต์

คลิปที่ 1 ชิ้นส่วนการทำงานของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน

(ขอขอบคุณที่มาของคลิปจาก gifshop.com)

ชิ้นส่วนเครื่องยนต์

ฝาครอบลิ้นหรือฝาครอบฝาสูบ	Cylinder  head cover
จานจ่าย	Distributor
ฝาสูบ	Cylinder  head
ลิ้น	Valve
ลูกสูบ	Piston
ท่อร่วมไอเสีย	Exhaust  manifold
เสื้อสูบ	Cylinder  block
เพลาข้อเหวี่ยง	Crankshaft
ปั๊มน้ำมันเครื่อง	Oil  pump
อ่างน้ำมันเครื่อง	Oil  pan
พูลเลย์เพลาข้อเหวี่ยง	Crankshaft  pulley
ก้านสูบ	Connecting  rod
สายพานไทมิ่ง	Timing  belt
ปั๊มน้ำ	Water  pump
เพลาลูกเบี้ยว	Camshaft
โซไทมิ่ง	Timing  chain
กระเดื่องกดลิ้น	Rocker  arm
ก้านส่งลิ้น	Push  rod
ลูกกระทุ้งลิ้น	Valve  lifter or Tappet
เฟืองไทมิ่ง	Timing  gear
หัวเทียน	Spark  plug
แผ่นชิม	Adjusting  shim
แหวนรองลิ้น	Valve  retainer
ลูกถ้วยยกลิ้น	Valve  lifter
สปริงลิ้น	Valve  spring
ลิ้น ไอเสีย	Exhaust  valve
บูชปลอกนำลิ้น	Valve  guide  bushing
ปะเก็น	Gasket
ช่องทางน้ำ	Water  jacket
สลักลูกสูบ	Piston  pin
แหวนกวาดน้ำมัน	Oil  ring
แหวนอัด	Compression  ring
ห้องเผาไหม้	Combustion chamber
บ่าลิ้น	Valve  seat
หมวกลิ้น	Oil  seal
ลิ้นไอดี	Intake  valve
ประกับลิ้น	Valve  keepers

คลิปที่ 1 ชิ้นส่วนของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน

(ขอขอบคุณที่มาของคลิปจากบางส่วนของไฟล์ภาพเคลื่อนไหวรักษาหน้าจอของ Deutz Engine)

คลิปที่ 2 ชิ้นส่วนการทำงานของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน

(ขอขอบคุณที่มาของคลิปจาก gifshop.com)

คลิปที่ 3 ช้ินส่วนการทำงานของเครื่องยนต์

(ขอขอบคุณที่มาของคลิปจาก Samarins.com)

Read more »

องค์ประกอบการสันดาปและอุณหภูมิของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน

องค์ประกอบการสันดาป 

     องค์ประกอบการสันดาปของเครื่องยนต์มี 3 ประการคือ 

1. เชื้อเพลิง (แล้วแต่ชนิดของเครื่องยนต์ว่าเป็นเครื่องยนต์แก๊สโซลีน หรือเครื่องยนต์ดีเซล)
     1.1 กรณีเป็นเครื่องยนต์แก๊สโซลีน (Gasoline Engine หรือ Petrol Engine) มีการสันดาปหรือการเผาไหม้โดยใช้เชื้อเพลิงเหลวได้หลายชนิดเช่นน้ำมันเบนซิน แก๊สโซฮอล์ เอทานอล และยังสามารถใช้เชื้อเพลิงแก๊สได้เช่น LPG และ CNG (NGV) ซึ่งจะเรียกโดยรวมว่าเป็นเครื่องยนต์แก๊สโซลีน (Gasoline Engine)
     1.2 กรณีเป็นเครื่องยนต์ดีเซล (Diesel Engine) มีการสันดาปหรือการเผาไหม้โดยใช้เชื้อเพลิงหรือน้ำมันดีเซล
2. ออกซิเจน เป็นตัวช่วยในการสันดาป โดยเครื่องยนต์ได้รับออกซิเจนจากในอากาศ แต่ในอากาศมีแก๊สไนโตรเจนซึ่งมีสถานะเป็นกลางหรือเป็นแก๊สเฉื่อยซึ่งเป็นแก๊สที่ไม่ได้ช่วยในการสันดาป
     เนื่องจากในอากาศ มีออกซิเจนอยู่ 21 % โดยปริมาตร (หรือ 23 % โดยน้ำหนัก) และมีไนโตรเจนอยู่ 78 % โดยปริมาตร
3. ความร้อน
     3.1 กรณีเป็นเครื่องยนต์แก๊สโซลีน (Gasoline Engine หรือ Petrol Engine) เป็นเครื่องยนต์สันดาปภายใน (Internal Combustion Engine หรือ ICE) ซึ่งเป็นเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟ (Spark-Ignition Engine) (ต้องใช้หัวเทียน)
     3.2 กรณีเป็นเครื่องยนต์ดีเซล (Diesel Engine) เป็นเครื่องยนต์สันดาปภายในเช่นกันแต่ถูกจัดอยู่ในประเภทของเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยการอัดตัว (Compression Ignition Engine) โดยไม่ต้องใช้หัวเทียน

องค์ประกอบการสันดาปของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน

รูปทีี่ 1 องค์ประกอบการสันดาปของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน

อุณหภูมิภายในห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน

รูปที่ 2 อุณหภูมิภายในห้องการเผาไหม้ของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน

Read more »

Valve Timing Diagram, แผนภาพจังหวะการเปิดของลิ้น

แผนภาพจังหวะการเปิดของลิ้น (Valve Timing Diagram)
1.  ตัวอย่างเครื่องยนต์ 4 สูบ

2.  ตัวอย่างเครื่องยนต์ 6 สูบ

Read more »

EGR, Exhaust Gas Recirculation, การหมุนเวียนไอเสีย

EGR (Exhaust Gas Recirculation) หรือการหมุนเวียนไอเสีย

            ในการเผาไหม้ของเครื่องยนต์จะมีแก๊สออกไซด์ของไนโตรเจน (NO_X) (Oxides of Nitrogen) เกิดขึ้นสูงสุดที่อัตราส่วนผสมอากาศ : เชื้อเพลิงทางทฤษฎี เพราะในอากาศมีปริมาณของแก๊สไนโตรเจน (N₂) 78% และมีปริมาณของออกซิเจน (O₂) 21% แก๊สทั้งสองนี้จะรวมตัวกันได้ดีมากในขณะที่มีอุณหภูมิการเผาไหม้สูง และมีการเผาไหม้สมบูรณ์ จึงต้องแก้ไขโดยการหมุนเวียนไอเสียหรือ EGR ด้วยการลดอุณหภูมิการเผาไหม้ด้วยการใช้ไอน้ำ (H₂O) และคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ที่มาจากแก๊สไอเสียแล้วจัดให้เข้าหมุนวนในช่วงแก๊สไอเสียมีความดันสูงกว่าบรรยากาศ เพื่อลดแก๊ส NO_X

รูปที่ 1 ระบบ EGR

            ตัวอย่างการทำงานของระบบ EGR ในรูปที่ 1 เป็นของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน ใช้ลิ้นสวิตช์สุญญากาศควบคุม (แต่รุ่นใหม่มักใช้มอเตอร์แบบขั้นหรือ Stepper Motor) ขณะยังไม่ได้ทำงาน ลิ้น EGR จะยังไม่เปิด แต่ถ้าเครื่องยนต์มีความเร็วรอบต่ำกว่า 4,000 rpm อุณหภูมิน้ำหล่อเย็นสูงกว่ากำหนดไว้ (ในบางรุ่น 50 – 56 ^o ซ.) และลิ้นเร่งเปิดถึงระดับ  ECU จะควบคุมให้ลิ้น EGR ทำงาน

ตารางที่ 1 เปรียบเทียบระหว่างเครื่องยนต์ดีเซลและแก๊สโซลีนในด้านมลพิษ

รายการเปรียบเทียบค่าแก๊สพิษ		เครื่องยนต์ดีเซล	เครื่องยนต์แก๊สโซลีน
ค่าแก๊สพิษ	CO	ต่ำกว่า	สูงกว่า
	HC	ต่ำกว่า	สูงกว่า
	NOX	สูงมาก ๆ	ต่ำกว่า
อนุภาค (ควันและเขม่า)		สูงมาก	ถือว่าไม่มี

            จากตารางที่ 1 จะเห็นได้ว่าปัญหาใหญ่ของเครื่องยนต์ดีเซล (Diesel Engine) ที่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมมากที่สุด คือ NO_X (ซึ่งเกิดจากอุณหภูมิการจุดระเบิดที่สูง) ควันรวมทั้งเขม่าหรืออนุภาค (Particulate Matter) ซึ่งเกิดจากคุณสมบัติของน้ำมันดีเซล ทำให้บริษัทผู้ผลิตรถยนต์ต้องพัฒนาเครื่องยนต์ดีเซล ให้มีมลพิษและอนุภาค (ควันและเขม่า) ให้มีค่าต่ำลง เพื่อให้ผ่านกฎหมายควบคุมมลพิษ

            เครื่องยนต์ดีเซล มีอัตราส่วนการอัดสูงกว่าเครื่องยนต์แก๊สโซลีน 2 เท่าตัว คืออยู่ที่ประมาณ 17 – 22 : 1 มีความดันในจังหวะอัด 30 – 55 บาร์ (bar) (30.59 – 56.08 kgf/cm²) ทำให้อุณหภูมิอากาศที่อัดตัวเป็น 700 – 900 ^o ซ. เมื่อเชื้อเพลิงดีเซลถูกฉีดด้วยความดันสูงเข้าไปในห้องเผาไหม้จะเกิดการจุดระเบิด โดยไม่ต้องใช้ประกายไฟเหมือนกับเครื่องยนต์แก๊สโซลีน จึงถูกจัดอยู่ในประเภทของเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยการอัดตัว (Compression Ignition Engine)

            ตัวอย่างของการลดมลพิษจากแก๊ส NO_X ของเครื่องยนต์ดีเซลคือ ในขณะที่อุณหภูมิน้ำหล่อเย็นต่ำกว่า 60 ^o ซ. ลิ้น EGR จะปิด E-VRV หรือลิ้นควบคุมสุญญากาศด้วยอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Vacuum Regulating Valve) จะควบคุมให้ลิ้น EGR เปิดในช่วงของอุณหภูมิน้ำหล่อเย็นอยู่ระหว่าง 70 - 96 ^o ซ.  แต่ถ้าเครื่องยนต์มีความเร็วรอบสูงกว่าค่าที่กำหนดไว้ (4,000 rpm) และขณะที่มีภาระสูงมากกว่า 75 % ขึ้นไปที่ความเร็วรอบสูงกว่า 2,900 rpm รวมทั้งขณะถอนคันเร่ง ลิ้น EGR จะปิดเพื่อลดควันไอเสีย

อันตรายจากแก๊สพิษ NO_X จะมีผลอย่างไรต่อร่างกาย และสิ่งแวดล้อม ?

NO_X (Oxides of Nitrogen) (การที่เรียกว่าเป็นแก๊ส NOX จึงผิดเพราะว่าตัว _X เป็นตัวห้อยซึ่งหมายถึงเลขอะตอมของออกซิเจน 1, 2, 3 หรือ 4 ตัว)

            NO_X คือแก๊สออกไซด์ของไนโตรเจน เช่น NO (ไนทริกออกไซด์) และ NO₂ (ไนโตรเจนไดออกไซด์) เป็นแก๊สพิษที่เป็นอันตรายต่อสุขภาพ เมื่อลอยตัวขึ้นไปรวมตัวกันกับไอน้ำ (H₂O) ในก้อนเมฆ ทำให้กลายเป็นกรด คือกรดไนตรัส (Nitrous  Acid) (HNO₂) และกรดไนทริก (Nitric Acid) (HNO₃) เมื่อฝนตกลงมาจะเป็นฝนกรด (Acid Rain) ละอองน้ำฝนเป็นอันตรายต่อระบบทางเดินหายใจ จะมีปัญหาต่อแหล่งน้ำ สัตว์น้ำ พืช ผัก ผลไม้ ต้นไม้ซึ่งเป็นแหล่งผลิตแก๊สออกซิเจนก็มีปัญหาไปด้วย สรุปแล้วทุกชีวิตบนโลกจะเดือนร้อนในระยะยาว โปรดอย่าลืมว่าเครื่องยนต์ดีเซลเป็นแหล่งที่ผลิตแก๊ส NO_X มากกว่าเครื่องยนต์แก๊สโซลีน และกลับมีวัยรุ่นรวมทั้งช่างไทยๆ ไปอุด EGR ไม่ให้ทำงาน ปัญหาก็จะบานปลาย

            NO_X ไม่ใช่แก๊ส (หรือก๊าซ) เรือนกระจกโดยตรงแต่มีส่วนทำให้เกิดความเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของก๊าซเรือนกระจกตัวอื่นๆ ที่สำคัญโดยจะทำปฏิกิริยากับอนุมูลไฮดรอกซิล (Hydroxyl) หรือ OH กล่าวคือ เมื่อมี NO_X, CO และ HC จะถูกออกซิไดซ์ (Oxidize) ทำให้เกิดโอโซน (Ozone) หรือ O₃ ในชั้นใกล้ผิวโลก ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกตัวหนึ่งที่มีผลต่อสมดุลการแผ่รังสีและทำให้เกิด OH อีกครั้งซึ่งมีศักยภาพในการเกิดออกซิเดชันในบรรยากาศ และนำไปสู่การเป็นกรด

Read more »