ระบบน้ำมันเชื้อเพลิงเครื่องยนต์ดีเซล

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

เครื่องยนต์ดีเซลได้รับการคิดค้นสำเร็จ ในปี ค.ศ.1892 โดย Rudolf Diesel เพื่อเป็นเกียรติแก่ผู้ค้นคิดจึงได้เรียกชื่อ เครื่องยนต์ดีเซล แต่ศัพท์ทางเทคนิคเรียกว่า Compression-Ignition Engine  เรียกย่อ ๆ ว่า CI Engine ที่เรียกกันเช่นนี้ก็เพราะว่าเครื่องยนต์ชนิดนี้จุดระเบิดได้โดยการอัดส่วนผสมของน้ำมันเชื้อเพลิงกับอากาศในกระบอกสูบ จนกระทั่งได้อุณหภูมิและความดันสูงถึงจุดติดระเบิดโดยไม่ต้องอาศัยหัวเทียนช่วยอย่างในเครื่องยนต์แก๊สโซลีน ถึงอย่างไรก็ตามเครื่องยนต์ชนิดนี้ก็เป็นเครื่องยนต์ชนิดสันดาปภายใน  เช่นเดียวกับเครื่องยนต์แก๊สโซลีนมีข้อแตกต่างกันที่สำคัญๆ ดังต่อไปนี้

เครื่องยนต์ดีเซล (CI)

       1. ไม่ใช้หัวเทียน แต่จุดระเบิดได้โดยการอัดให้ส่วนผสมของน้ำมันกับอากาศมีอุณหภูมิและความดันสูงถึงจุดระเบิด

2. อากาศและน้ำมันเข้าคนละทางกันไปผสมกันในลูกสูบซึ่งจะเป็นผลให้ส่วนผสมนี้ที่แต่ละบริเวณในกระบอกสูบไม่เท่ากัน  บริเวณใดที่มีส่วนผสมเหมาะสม (stoichiometry) จะติดระเบิดก่อนเป็นผลให้บริเวณข้างเคียงมีอุณหภูมิและความดันสูงขึ้นเนื่องจากการขยายตัวของแก๊ส จนกระทั่งได้สภาพพอเหมาะก็จะระเบิดตาม Flame ที่เกิดเช่นนี้ เรียกว่า Diffusion Flame

3. Compression Ratio สูงเพราะต้องการอัดให้มีความดันสูงมาก

4. ใช้น้ำมันดีโซลีน

เครื่องยนต์แก๊สโซลีน (SI)

1. ใช้หัวเทียนในการจุดระเบิด

2. อากาศและน้ำมันผสมกันในอัตราส่วนที่พอเหมาะจากคาร์บิวเรเตอร์ก่อนเข้าไปในกระบอกสูบเมื่อหัวเทียนจุดระเบิดจะมีการติดไฟลามออกไปจากเขี้ยวหัวเทียนเป็นแบบคล้ายคลื่น Flame ที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า Premixed Flame

3. Compression Ratio  ต่ำกว่า

4. ใช้น้ำมันแก๊สโซลีน

เครื่องยนต์ดีเซลโดยมากมักใช้กับรถบรรทุก รถแทรคเตอร์ เครื่องเรือ เครื่องจักรตามโรงงาน เครื่องปั่นไฟ รถไฟ ฯลฯ ทั้งนี้เป็นเพราะเครื่องยนต์ดีเซลมีข้อดีดังต่อไปนี้

1. ใช้น้ำมันดีโซลีน ซึ่งมีราคาถูกกว่าน้ำมันแก๊สโซลีน

2. ได้กำลังสูงกว่าเมื่อน้ำหนักเท่ากัน

3. กินน้ำมันเชื้อเพลิงต่อ Hp-hr น้อยกว่า

4. เกิดเพลิงไหม้ได้ยากกว่า

5. มีแรงบิดสูงกว่า

6. ชิ้นส่วนของเครื่องยนต์แข็งแรงทนทานกว่า ไม่ต้องมีชิ้นส่วนที่ต้องเปลี่ยนบ่อยๆ เช่นทองขาว หัวเทียน ฯลฯ

7. ไอเสียที่ออกมาเป็นพิษน้อยกว่าที่ออกจากเครื่องยนต์แก๊สโซลีน ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นแก๊สคาร์บอนมอนอคไซด์

จะเห็นได้ว่าข้อดีต่างๆ ของเครื่องยนต์ดีเซลนี้ ล้วนแล้วแต่เป็นสิ่งที่เป็นประโยชน์ต่อวงการอุตสาหกรรมทั้งสิ้น นับได้ว่าเป็นเครื่องยนต์ที่น่าสนับสนุนมาก เพราะเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับประเทศไทยเราซึ่งกำลังพัฒนา

ต่อไปจะกล่าวถึงระบบต่างๆ ของเครื่องยนต์ดีเซล ระบบแรกก็คือระบบน้ำมันเชื้อเพลิง (Fuel system) ซึ่งจัดได้ว่าเป็นระบบที่สำคัญที่สุดในเครื่องยนต์ดีเซล

ระบบน้ำมันเชื้อเพลิงนี้เริ่มต้นตั้งแต่ถังน้ำมัน น้ำมันจะถูกดูดแล้วส่งผ่านหม้อกรองน้ำมัน (Filter) ซึ่งอาจมีหลายชุดก็ได้ (ดูรูปที่ 2) แล้วถูกส่งไปยังปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง (Infection Pump) เพื่อฉีดให้น้ำมันออกไปทางหัวฉีดเป็นฝอยลงในกระบอกสูบ

จะเห็นได้ว่าหัวใจของระบบน้ำมันเชื้อเพลิงก็คือระบบฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง ซึ่งมีหน้าที่ต่างๆ ดังนี้

1. ฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงให้ได้ปริมาณพอเพียงตามความเร็วและ Load ของเครื่อง

2. น้ำมันที่ฉีดเข้าไปในกระบอกสูบจะต้องกระจายให้สม่ำเสมอทั่วกระบอกสูบ

3. ต้องฉีดน้ำมันในช่วงเวลาที่เหมาะสม

4. ต้องฉีดน้ำมันในอัตราที่เหมาะสม

5. ต้องฉัดน้ำมันให้มีรูปแบบของการกระจาย และเป็นฝอยได้เหมาะสมกับรูปแบบของห้องเผาไหม้ (Combustion Chamber) ที่ออกแบบ

6. ตอนเริ่มและหยุดของจังหวะการฉีดน้ำมันจะต้องไม่ทำให้น้ำมันออกเป็นหยด

ชนิดของระบบฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง แบ่งเป็นชนิดใหญ่ ๆ 2 ชนิด คือ

1. Air Injection เป็นแบบที่ล้าสมัยแล้ว จะขอกล่าวเพียงเล็กน้อยแบบนี้ต้องใช้เครื่องอัดอากาศ อัดอากาศให้มีความดันสูงมากกว่าความดันที่อัดจากลูกสูบของเครื่องหลายร้อยปอนด์ น้ำมันเชื้อเพลิงจะถูกปั๊มส่งให้รอที่หัวฉีดแล้วใช้อากาศที่มีความดันสูงนี้พ่นให้น้ำมันเป็นฝอยออกจากหัวฉีดเข้าห้องเผาไหม้

2. Mechanical Injection  ระบบนี้อัดให้น้ำมันเชื้อเพลิงไปฉีดออกที่หัวฉีดด้วย Hydraulic Pressure ซึ่งในปัจจุบันได้มีการพัฒนากันอยู่เรื่อยๆ มีชนิดต่างๆ กันอยู่ 4 ชนิดคือ

1. Common Rail System

2. Pump Controlled System

3. Unit Injection System

4. Distributor System

ในที่นี้จะกล่าวถึงแบบของ American Bosch ซึ่งนิยมให้กันมากเป็นชนิด Unit Injection System

ก่อนจะกล่าวถึงรายละเอียดจะขอแยกกล่าวตามอุปกรณ์ต่างๆ ในระบบเชื้อเพลิง ซึ่งมีที่สำคัญๆ คือ

1. ถังน้ำมันเชื้อเพลิง (Fuel tank)

2.  ปั๊มส่งน้ำมันเชื้อเพลิง (Fuel feed pump)

3. หม้อกรองน้ำมันเชื้อเพลิง (Fuel filter)

4. ปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง (Fuel Injection pump)

5. หัวฉีด (Injection nozzle)

1. ถังน้ำมันเชื้อเพลิง

เป็นที่เก็บน้ำมันเชื้อเพลิง จะมีท่อให้ดูดออกและให้น้ำมันส่วนเกินไหลกลับได้ พื้นล่างของขอบถังถ้าทำได้ดังในรูปที่ 2 จะช่วยให้เราสามารถถ่ายน้ำและสิ่งสกปรกที่ปนมากับน้ำมันทิ้งได้ เพราะพวกนี้มี ถ.พ. สูงกว่าน้ำมัน จึงนอนก้นอยู่ส่วนที่ต่ำสุดของถัง

2. ปั๊มส่งน้ำมันเชื้อเพลิง

ปั๊มนี้จะติดอยู่กับเสื้อ (Housing) ของปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง (ดูรูปที่ 2 ประกอบ) ปั๊มส่งน้ำมันเชื้อเพลิงจากถังน้ำมันแล้วอัดให้ผ่านหม้อกรองน้ำมันเชื้อเพลิงต่างๆ ผ่านไปยังปั๊มน้ำมันเชื้อเพลิง

การทำงานของปั๊มนี้จะอาศัยเพลาลูกเบี้ยว (camshaft) ของปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงมาช่วยขับให้ Plunger เคลื่อนที่ Plunger นี้จะเป็นตัวทำให้เกิดแรงดูดและอัดเหมือนลูกสูบสปริงตอนท้ายของ Plunger จะดันให้ปลายอีกด้านหนึ่งของ Plunger แตะลูกเบี้ยวอยู่ตลอดเวลา ดังนั้นลูกเบี้ยวนี้จะกำหนดการดูด-อัด โดยขณะที่ Plunger ถอยกลับจะเกิดแรงดูด ทำให้ลิ้นทางเข้าเปิดให้น้ำมันเชื้อเพลิงไหลเข้าไปในช่อง (chamber) ต่อมาลูกเบี้ยวจะขับดันให้ Plunger อัดสปริงเข้าไปเป็นการส่งน้ำมันเชื้อเพลิงให้ออกทางลิ้นทางออก แล้วไหลไปเข้าช่องทางด้านหลังของ Plunger (ดูรูปที่ 3 ประกอบ) เมื่อลูกเบี้ยวหมุนต่อไปอีก Plunger  จะถอยกลับและอัดให้ไหลออกตรงทางออกไปยังปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง (Injection Pump) ในขณะเดียวกันนั้น

3. หม้อกรองน้ำมันเชื้อเพลิง

ทำหน้าที่กรองสิ่งสกปรกที่ปนมากับน้ำมันเชื้อเพลิง เพราะสิ่งเหล่านี้จะเป็นอันตรายต่อหัวฉีด  ซึ่งเป็นชิ้นส่วนที่ละเอียดอ่อนมาก ทำให้เกิดผลเสียหายและสึกหรอได้ง่าย หม้อกรองแบบในรูปที่ 4 ใช้ไส้กรองทำด้วยกระดาษ ซึ่งกรองได้ละเอียดมาก ลักษณะการไหลของน้ำมันเชื้อเพลิงเป็นไปดังรูปที่ 4

4. ปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง

ปั๊มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงนี้เป็นอุปกรณ์สำคัญที่สุดในระบบเชื้อเพลิง  เพราะเป็นตัวฉีดส่งให้น้ำมันออกไปฉีดที่กระบอกสูบเพื่อการเผาไหม้ จะขอกล่าวเฉพาะแบบของ American Bosch

หลักการทำงานของแม่ปั๊มแบบนี้เป็นไปดังแสดงในรูปที่ 6 โดยน้ำมันเชื้อเพลิงจะไหลเข้าช่องทางเข้า (Inletport) ตอนที่ Plunger อยู่ตำแหน่งต่ำสุดของช่วงชัก (ดูรูปก.) เมื่อเริ่มจังหวะฉีด (รูป ข.) Plunger จะเคลื่อนสูงขึ้นไปปิดช่องน้ำมันเข้า แล้วอัดต่อไปจนความดันของน้ำมันเชื้อเพลิงสูงพอที่จะชนะสปริงข้างบน เป็นเหตุให้ลิ้นส่งออกเปิด (รูป ค.) น้ำมันจะไหลออกไปยังหัวฉีดเพื่อฉีดเป็นฝอยเข้ากระบอกสูบ เมื่อ Plunger เคลื่อนที่สูงขึ้นอีก (รูป ง.) น้ำมันเชื้อเพลิงจะไหลออกทางช่องน้ำมันล้น (Spillport) กลับไปที่ถังน้ำมัน เพราะ Plunger มีรอยบากให้ไหลออกได้ เป็นการกำหนดระยะสิ้นสุดของการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง

เนื่องจากรอยบากของ Plunger เป็นตัวกำหนดระยะเวลาที่น้ำมันเชื้อเพลิงจะไหลออกจากช่องน้ำมันล้นดังนั้น ถ้าหมุน Plunger ให้อยู่ในตำแหน่งต่างๆ จะควบคุมปริมาณน้ำมันเชื้อเพลิงที่จะฉีดให้ต่างกันได้ ดังรูปที่ 7 เป็นตำแหน่งที่จะได้ปริมาณน้ำมันเชื้อเพลิงที่ฉีดมากที่สุด  เพราะกว่าน้ำมันเชื้อเพลิงจะไหลออกทางช่องน้ำมันล้นได้ Plunger ก็เคลื่อนที่จนเกือบสุดช่วงชักแล้ว เทียบกับรูปที่ 8 ซึ่งแสดงตำแหน่งการหมุนของ Plunger ที่ให้น้ำมันที่ฉีดออกมามีปริมาณปานกลางเพราะน้ำมันเชื้อเพลิงจะไหลออกทางช่องน้ำมันล้นได้ เมื่อ Plunger เคลื่อนที่มาได้ราวระยะกลางๆ ของช่วงชัก ถ้าหมุน Plunger มาอีกจนกระทั่งรอยบากแนวดิ่งไปตรงกับช่องน้ำมันล้น จะทำให้ Plunger ไม่สามารถอัดน้ำมันเชื้อเพลิงออกทางลิ้นส่งออกได้  เพราะน้ำมันเชื้อเพลิงที่เข้าทางช่องทางเข้าจะออกทางช่องน้ำมันล้นได้ทันที การที่ Plunger หมุนตัวไปตามตำแหน่งต่างๆ นั้น ทำได้โดยอาศัย control Sleeve ซึ่งเคลื่อนที่จากการบังคับของ Control Rack (ดูรูปที่ 5 ประกอบ) ไม่ว่า Plunger จะหมุนไปอยู่ตำแหน่งใดก็ตาม ระยะช่วงชักจะต้องเท่าเดิมตลอดเพราะว่าบังคับโดยการดันของเพลาลูกเบี้ยว

5. หัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง

       หัวฉีดนี้ทำหน้าที่เป็นตัวทำให้น้ำมันเชื้อเพลิงที่ฉีดเข้าห้องเผาไหม้ มีการกระจายเป็นฝอยอย่างทั่วถึงทั้งสองเผาไหม้ เป็นเหตุให้อากาสกับน้ำมันเชื้อเพลิงผสมกันได้ดีขึ้น ได้ส่วนผสมที่เหมาะสมในบริเวณต่างๆ จะได้จุดระเบิดได้ง่ายขึ้น หัวฉีดโดยทั่วๆ ไปมีใช้กัน 2 ชนิด คือ Pintle Type และ Hole Type

1. แบบ Pintle Type (ดูรูปที่ 9 และรูปที่ 10) ตรงส่วนล่างสุดที่ต่อจาก Valve seat จะมีลักษณะเป็น Pin ยื่นออกมาเล็กน้อย  เพื่อเป็นตัวบังคับให้น้ำมันเชื้อเพลิงที่ฉีดออกมาโดยรอบ Pin ด้วยความเร็วสู่ง จะได้กระจายไปได้ทั่วถึง นอกจากนี้ Pintle ยังเป็นตัวช่วยให้สิ่งสกปรกไม่ค่อยจับอยู่ที่ทางออกของหัวฉีด เพราะต้องฉีดออกด้วยความเร็วสูง จะพาสิ่งสกปรกออกตามไปด้วย

2. แบบ Hole Type (ดังรูปที่ 10) แบบนี้จะมีรูให้น้ำมันออกได้หลายรูรอบๆ หัวฉีด เพื่อให้น้ำมันกระจายไปทั่วถึง รูเหล่านี้อาจมีมากถึง 18 รู สำหรับหัวฉีดตัวใหญ่ๆ และขนาดของรูอาจเล็กถึง 0.006 นิ้วก็ได้ ถ้ารูยิ่งมากจะทำให้การกระจายของน้ำมันเชื้อเพลิงทั่วถึงในกระบอกสูบดียิ่งขึ้น

การทำงานของหัวฉีดจะอาศัยความดันจากปั๊มฉีดน้ำมันฉีดออก

บทความอื่น ๆ ที่น่าสนใจ:

Share this :

  • Stumble upon
  • twitter

Comments are closed.