การสันดาปภายในกระบอกสูบของเครื่องยนต์ดีเซล

Posted on : 05-11-2012 | By : Author | In : การดูแลรักษารถ

แบ่งเป็น 4 ช่วง คือ

1. lgnition delay เป็นช่วงหน่วงก่อนติดไฟหลังจากฉีดน้ำมันเข้าไปแล้ว  เพราะต้องรอให้น้ำมันระเหยไปผสมกับอากาศให้ได้สภาพที่เหมาะสมสำหรับการสันดาป

2.  Rapid pressure rise เป็นช่วงที่เริ่มมีการสันดาปแล้ว ทำให้อุณหภูมิและความดันสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว

3. Controlled Pressure rise ในช่วงนี้อัตราการเพิ่มของความดันต่ำกว่าในช่วงที่ 2 เนื่องจากลูกสูบเคลื่อนที่ลง

4. Burning on the expansion stroke ช่วงนี้ความดันจะลดลง เนื่องจากว่าหยุดฉีดเชื้อเพลิง และก๊าซออกซิเจนน้อยลง การสันดาปค่อยๆ หมดไป

ในตอนนี้จะกล่าวถึงดีเซลน็อค  ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากความดันในช่วงที่ 2 สูงขึ้นอย่างรวดเร็วมากกว่าปกติ ทำให้เกิดเสียงที่มีความถี่ในระดับ kHz ปรากฎการณ์นี้เครื่องยนต์ดีเซลจะสังเกตได้ยากกว่าของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน  แต่ถ้ามีเครื่องมือวัดความดันในกระบอกสูบ แล้วนำมาเขียนลงในกราฟจะเห็นได้อย่างชัดเจนว่า เกิดการน็อคหรือไม่ ดังในรูปที่ 2

ดีเซลน็อคนี้จะทำให้เกิดแรงกระแทกส่วนต่างๆ ที่เป็นโครงสร้างของเครื่องยนต์ เป็นเหตุให้เกิดความเสียหายขึ้นได้ นอกจากนี้ยังทำให้เกิดเสียงรบกวนที่น่ารำคาญ

เหตุที่เกิดดีเซลน็อคก็เนื่องมาจากช่วง lgnition delay (ช่วงที่ 1) กินเวลายาวนานเกินไป ทำให้ปริมาณน้ำมันที่ฉีดเข้ามาสะสมเป็นจำนวนมาก  ดังนั้นเมื่อเกิดการจุดระเบิดเองขึ้น จะทำให้ระเบิดอย่างรุนแรงมากกว่าปกติจนเกิดการน็อคขึ้น ทีนี้มาถึงปัญหาที่ทำให้ช่วง lgnition delay กินเวลานาน มีสาเหตุเนื่องมาจาก

1.  การตั้ง Timing ของการฉีดน้ำมันไม่ถูกต้องคือเริ่มฉีดน้ำมันก่อนถึงเวลาอันสมควร ทำให้ปริมาณน้ำมันเข้าไปสะสมอยู่ในกระบอกสูบมาก  โดยที่ยังไม่จุดระเบิดเมื่อระเบิดก็จะรุนแรงทำให้เกิดน็อค

2. คุณสมบัติของเชื้อเพลิงที่ต้องใช้เวลาหน่วงมาก (lgnition delay time นาน) อันนี้ขึ้นอยู่กับสารประกอบทางเคมีที่มีอยู่ในน้ำมันเชื้อเพลิงที่ใช้นั้น  ถ้าน้ำมันที่มีซีเทน (Cetane) ต่ำ จะต้องใช้เวลานานกว่าน้ำมันที่มีซีเทนสูง จึงเป็นเหตุให้เกิดน็อคได้ง่าย

3. ความเร็วรอบของเครื่องยนต์ ถ้าความเร็วรอบสูง ระยะเวลาช่วงหน่วงก็จะเร็วตาม  แต่อัตราส่วนที่เร็วขึ้นไม่สามารถไล่ทันอัตราส่วนที่เร็วขึ้นของเครื่องยนต์ได้ ถ้าวัดช่วงเวลาที่หน่วงนี้เทียบเป็นองศาของ crank (มุมที่เพลาข้อเหวี่ยงหมุนไป จะได้จำนวนองศามากขึ้น อาจเป็นสาเหตุให้เกิดการน็อคได้ เพราะไปติดระเบิดใกล้ศูนย์ตายบนมากเกินไป

4. ความหนาแน่นและอุณหภูมิของอากาศในกระบอกสูบ  ถ้าน้อยจะทำให้ต้องใช้ช่วงเวลาหน่วงนานขึ้นเกิดโอกาสน็อคได้ง่ายขึ้น

5. การฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงของหัวฉีด  ฉีดได้เป็นฝอยพุ่งได้ไกลและได้รูปแบบตามที่ออกแบบไว้หรือไม่  ถ้าฉีดไม่ดีจะทำให้น้ำมันจับกลุ่มกันเป็นหยดใหญ่ ต้องใช้เวลาในการระเหยตัวนานขึ้น เป็นเหตุให้ช่วงระยะเวลาหน่วงนานขึ้น

6. คุณสมบัติทางฟิสิกส์ของน้ำมัน มีความหนืด (Viscosity) และการระเหยตัว (Volatility) มากน้อยเพียงใด คุณสมบัตินี้จะมีผลต่อข้อ 5 ถ้าหนืดมากก็จะทำให้ช่วงเวลาที่หน่วงนานขึ้น

7. อากาศที่เข้าในกระบอกสูบมีการ Turbulence (มุนวนเวียน) น้อยเกินไป ถ้า Turbulence มาก จะทำให้อากาศผสมกับน้ำมันดีขึ้น ทำให้ติดระเบิดได้ง่าย ช่วงหน่วงก็สั้นลง

เมื่อได้ทราบถึงปัจจัยต่างๆ ที่เป็นเหตุให้เกิดการน็อคคราวนี้จะมาถึงวิธีการที่จะลดน็อคให้น้อยลง ซึ่งทำได้หลายทางดังต่อไปนี้

1. เพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น  อาจทำได้โดยเพิ่มอัตราส่วนการอัด (Compression ratio) ให้สูงขึ้นจะอัดให้อากาศร้อนขึ้น หรือเพิ่มอุณหภูมิของน้ำระบายความร้อน หรือเพิ่มอุณหภูมิของห้องเผาไหม้ โดยให้มีการระบายความร้อนน้อยลง

2. เพิ่มความหนาแน่นของอากาศ  ซึ่งจะเป็นผลให้อัตราส่วนระหว่างอากาศกับน้ำมันสูงขึ้น ทำให้ได้บริเวณที่มีอัตราส่วนเหมาะสมเร็วขึ้น ติดระเบิดได้ง่ายขึ้น การเพิ่มความหนาแน่นของอากาศอาจทำได้โดยการซุปเปอร์ชาร์จ (Super charge) อัดอากาศเข้าทางไอดีให้มีความดันสูงขึ้น หรือเพิ่มอัตราส่วนการอัดในกระบอกสูบ ทำให้ดูดอากาศเข้าได้มากขึ้น

3. ลดช่วงเวลาหน่วง  อาจทำได้โดยให้อากาศที่เข้าไปในกระบอกสูบมีการ Tubulence มาก หรือลดความเร็วของเครื่อง หรือเพิ่มความดันของเชื้อเพลิงที่หัวฉีด ทำให้ฉีดได้เป็นฝอยยิ่งขึ้น หรือลดอัตราการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงให้ฉีดเข้าไปน้อยลง จะได้ไม่สะสมมากเกินไป

4. เลือกใช้น้ำมันที่มีคุณสมบัติดีขึ้น  ดดยมีซีเทนนัมเบอร์ (Cetane Number) สูงขึ้น ระเหยได้ง่ายและมีความหนืดต่ำ เพื่อให้ผสมกับอากาศได้ง่ายขึ้น

ในตอนต้นๆ ได้กล่าวถึงซีเทนนัมเบอร์ บางท่านอาจยังไม่ค่อยเข้าใจ จะขอกล่าวถึงรายละเอียดในที่นี้ ซีเทนนัมเบอร์เป็นเลขดัชนีที่ใช้แสดงว่า น้ำมันเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ดีเซลนั้นๆ จะน็อคได้ยากง่ายเพียงใด โดยเทียบกับส่วนผสมของน้ำมันมาตรฐานที่ใช้อ้างอิง คือ นอร์มอลซีเทล (n-cetene) ซึ่งมีซีเทนนัมเบอร์ + 100 และเฮพตาเมทินโนเนน (Heptamethylnonane) ซึ่งมีซีเทนนัมเบอร์ + 15 ดังสูตร

ซีเทนนัมเบอร์ = (% นอร์มอลซีเทน) + 0.15 (% เฮพตาเมทิลโนเนน)

ดังนั้นน้ำมันที่มีซีเทนนัมเบอร์ = 66 แสดงว่าน้ำมันนั้นจะมีช่วงเวลาหน่วงก่อนติดไฟ เหมือนกับน้ำมันที่ได้จากการผสมนอร์มอลซีเทน 60% กับเฮพตาเมทิลโนเนน 40% เมื่อใช้เครื่องทดสอบในทางปฏิบัติจะมีแผนภาพ ช่วยให้หาค่าซีเทนนัมเบอร์ได้ง่ายขึ้น โดยไม่ต้องเสียเวลาทดลองมากครั้งนัก วิธีการก็คือตั้งให้ “เครื่องทดสอบ” ฉีดน้ำมันที่ 13° ก่อนศูนย์ตายบน ใช้น้ำมันที่จะทดสอบ แล้วปรับอัตราส่วนอัด (Compression ratio) จนกระทั่งเกิดการติดระเบิดที่ศูนย์ตายบนพอดี แสดงว่าได้ช่วงระยะหน่วงก่อนติดไฟ = 13° นำค่าอัตราส่วนอัดไปเทียบในแผนภาพ จะได้ค่าซีเทนนัมเบอร์ที่ต้องการ  ถ้าต้องการให้ได้ค่าละเอียดขึ้นก็ลองผสมน้ำมันมาตรฐานทดสอบเทียบดูว่า ได้ผลตรงกันหรือไม่

ซีเทนนัมเบอร์ของน้ำมันที่ใช้กันทั่วๆ ไปอยู่ในช่วง 30-60 น้ำมันที่มีซีเทนนัมเบอร์สูงจะมีการเติมสารเคมี (Additive) ลงไป เพื่อเพิ่มคุณสมบัติ ที่นิยมใช้กัน คือ Amylnitrate

        การเลือกใช้น้ำมันซีเทนนัมเบอร์สูงหรือต่ำ ต้องใช้ตามที่ผู้ผลิตเครื่องยนต์กำหนดไว้เสมอ  ถ้ากำหนดให้ใช้น้ำมันซีเทนนัมเบอร์ต่ำแล้ว เรากลับไปใช้น้ำมันที่มีซีเทนนัมเบอร์สูง จะไม่เกิดผลดีขึ้นเลย แต่จะเกิดผลเสีย คือ เครื่องนั้นออกแบบให้มีช่วงเวลาหน่วงนาน ถ้าเราไปใช้น้ำมันที่มีซีเทนนัมเบอร์สูงจะไปลดช่วงเวลาหน่วงลง ทำให้เกิดกาติดระเบิดก่อนถึงศูนย์ตายบนมากไป ทำให้ความดันและแรงที่เกิดขึ้นน้อยลงกำลังเครื่องจะตก แต่ข้อนี้จะไม่เป็นปัญหา เพราะน้ำมันดีเซลที่ขายกันทั่วไปในเมืองไทยมีเกรดเดียวเท่านั้น

บทความอื่น ๆ ที่น่าสนใจ:

Share this :

  • Stumble upon
  • twitter

Comments are closed.