ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเครื่องยนต์ดีเซล

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

จะขอกล่าวถึงลูกสูบ ซึ่งเป็นชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ภายในกระบอกสูบ ลูกสูบเป็นชิ้นส่วนที่ทนทรหดมาก เพราะในขณะทำงานจะถูกแรงกระทำจากหลายด้าน เช่นแรงดันของก๊าซบนหัวลูกสูบ แรงเฉื่อยของลูกสูบ สลักลูกสูบ แรงยึดระหว่างลูกสูบกับกระบอกสูบและแรงดันด้านข้าง นอกจากจะทนต่อแรงต่างๆ ดังกล่าวข้างต้นแล้ว ยังต้องสามารถกันไม่ให้ก๊าซรั่วออกจากห้องเผาไหม้ ซึ่งเป็นหน้าที่ของแหวนลูกสูบ และข้อสำคัญอีกอันหนึ่งคือ ลูกสูบจะต้องมีคุณสมบัติที่สามารถถ่ายเทความร้อนไปสู่กระบอกสูบได้อย่างดี เพื่อกันไม่ให้ลูกสูบร้อนขึ้นจากคุณสมบัติต่างๆ ดังกล่าวมาแล้ว วัสดุที่เหมาะสมสำหรับการทำลูกสูบคือ อลูมิเนียมและเหล็กหล่อ แต่โดยทั่วๆ ไปแล้วนิยมใช้อลูมิเนียม เพราะมีข้อดีหลายประการด้วยกันคือ

1. มีน้ำหนักหนักเบากว่าเหล็กหล่อมาก ความหนาแน่นประมาณ 1/3 เท่าของเหล็กหล่อ (ของอลูมิเนียม= 0.097 ปอนด์/ล.บ.นิ้ว,เหล็กหล่อ = 0.248 ปอนด์/ลบ.นิ้ว)

2. มีคุณสมบัติในการนำความร้อนดีมาก ประมาณ 2 เท่าของเหล็กหล่อ

3. เนื่องจากมีน้ำหนักเบา ทำให้การสั่นสะเทือนน้อยลงและแบริ่งกับเพลาลูกเบี้ยวรับน้ำหนักน้อยลง

แต่ถึงอย่างไรก็ตามอลูมิเนียมก็มีข้อเสียเหมือนกันคือ

1. เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความแข็งแรงจะลดลงเร็วกว่าของเหล็กหล่อ ข้อนี้แก้โดยออกแบบส่วนที่ต้องรับแรงมากๆ ให้หนาขึ้น

2. ความทนทานต่อการสึกหรอน้อยกว่าเหล็กหล่อ  แต่ข้อดีที่ว่านำความร้อนได้ดีมีความสำคัญกว่า และปัญหาเรื่องการสึกหรอก็มีแหวนช่วยแล้ว

3. สัมประสิทธิของการขยายตัวตามความร้อนสูงซึ่งแก้โดยทำเป็นโลหะผสม เช่น “โลว-เอ็กซ์” (โลว์เอ็กซ์แปนชั่น อัลลอย) มีซิลิกอนผสมอยู่

อลูมิเนียมจะหลอมตัวที่ 1260 °ฟ ดังนั้นอุณหภูมิที่ส่วนบนของลูกสูบตอนจังหวะระเบิด จะทำให้อลูมิเนียมใกล้จะอ่อนตัวลง และแรงอัดที่เกิดขึ้นจะมีผลให้แหวนอัด (Compression ring) ตัวบนดันร่องแหวนที่ลูกสูบเสียหายปัญหานี้ได้มีการคิดค้นหาวิธีแก้ไขต่างๆ เช่น ใช้วิธี AL-fin เคลือบเหล็กหล่อหรือสารชนิดอื่นลงในร่องแหวนเพื่อช่วยเพิ่มความแข็งแรงทนต่ออุณหภูมิสูงๆ ได้ ต่อมาได้ค้นพบ Ni-Resist ซึ่งเป็นโลหะผสมของเหล็กกับนิเกิลใช้เป็นสารที่จะใส่เคลือบร่องแหวนอัด ดังในรูปที่ 2 วิธีนี้มีผลดีกว่าคือ สารนี้จะขยายตัวได้พอๆ กับอลูมิเนียม แต่มีความแข็งแรงทนต่อการสึกหรอ และป้องกันร่องแหวนอัดตัวบนไม่ให้เสียหายได้

สำหรับหัวลูกสูบบางแบบจะเรียบ บางแบบจะทำเป็นรูปร่างต่างๆ กันแล้วแต่จะออกแบบ  เพื่อช่วยให้อากาศในกระบอกสูบมีการไหลวนเวียน (Turbulence) มาก จะทำให้ส่วนผสมของน้ำมันกับอากาศทั่วถึงกันยิ่งขึ้น ช่วยให้การเผาไหม้สมบูรณ์ขึ้น หัวลูกสูบแบบเรียบก็มีวิธีการแก้ปัญหาโดยมี precombustion chamaber ทำการเผาไหม้เล็กน้อยก่อนจะเข้ากระบอกสูบ ลูกสูบขนาดใหญ่จำเป็นต้องมีการระบายความร้อนมากก็อาจจะทำช่องให้น้ำมันไหลเข้าไประบายความร้อนได้ ดังในรูปที่ 2

ลูกสูบแบบต่างๆ  บริษัทผู้ผลิตเครื่องยนต์ต่างก็พยายามคิดค้นวิจัย เพื่อพัฒนาผลิตภัณฑ์ของตนให้มีประสิทธิภาพที่ดีขึ้นเรื่อยๆ ได้มีลูกสูบแบบต่างๆ เกิดขึ้นมาก ในที่นี้จะกล่าวถึงแบบสำคัญๆ 3 แบบ คือ

1. แบบ Trunk Piston แบบนี้ตัวลูกสูบเป็นชิ้นเดียวเท่านั้น และต้องยาวพอที่จะรับแรงด้านข้างได้โดยไม่กระดก (แรงด้านข้างนี้เป็นแรงปฏิกิริยาของก้านสูบตอนลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้น-ลง) รูปที่ 3 เป็นตัวอย่างของลูกสูบแบบ Trunk

ส่วนบนของก้านสูบต่อกับลูกสูบโดยมีสลักลูกสูบเป็นตัวกลาง ลูกสูบสามารถแกว่งไปมาได้บนสลักลูกสูบ ทำให้การเคลื่อนที่ขึ้นลงอยู่ในแนวดิ่งเท่านั้น

2. Composite Pistion การออกแบบแบบนี้เป็นวิธีการหนึ่งที่จะแก้ปัญหาที่ว่าลูกสูบต้องทน ต่อแรงอัดสูงได้โดยไม่สึกหรอมากนัก ทั้งยังต้องมีน้ำหนักเบาอีกด้วย ลูกสูบแบบนี้สร้างขึ้นโดยหัวลูกสูบ (Pistin crown) ทำด้วยเหล็กอ่อนหรือเหล็กกล้า ส่วน Piston skirt (ส่วนที่ถัดจากหัวลูกสูบลงมา) จะทำด้วยอลูมิเนียม เพื่อให้น้ำหนักเบาและนำความร้อนได้ดี ทั้งสองส่วนนี้จะเชื่อมต่อกัน โดย Electron welding ดังในรูปที่ 4

Composite Piston อีกแบบหนึ่งของ Fairbanks Morse ดังในรูปที่ 5 ส่วนนอกมีทั้งแหวนและหัวลูกสูบกับ Pistion skirt ส่วนในตัวสอดเข้าเพื่อเพิ่มความแข็งแรงและเป็นที่ยึดของลูกสูบ ทั้งสองส่วนนี้ยึดติดกันด้วยโบล์ท และภายในที่การระบายความร้อนด้วยน้ำมันเครื่อง

3.  Crosshead Piston เมื่อช่วงชักยาวและกระบอกสูบกว้าง จะเกิดแรงดัน (Thrust) ด้านข้างมีค่าสูงมาก Crosshead Piston จะแก้ปัญหานี้ได้ดังในรูปที่ 6 ซึ่งจะแบ่งลูกสูบเป็น 2 ส่วน คือ ส่วนหัวลูกสูบ (Crown) และ Skirt แต่ไม่เชื่อมติดกันเหมือนแบบ Composite ทั้งสองส่วนจะแขวนให้แกว่งได้โดยอิสระบนสลักลูกสูบ

หัวลูกสูบ จะรับแรงอัดที่เกิด จากการเผาไหม้เท่านั้น ส่วน Skirt จะรับแรงด้านข้าง (Side thrust) ซึ่งส่งมาจากก้านสูบ เป็นการแบ่งแยกการรับแรงคนละชนิดกันด้วยเหตุที่หัวลูกสูบไม่รับแรงด้านข้าง ทำให้แหวนไม่ถูกกดหนักด้านใดด้านหนึ่ง ดังนั้นอายุการใช้งานของแหวนจะยาวนานขึ้น

       การระบายความร้อนในลูกสูบ  อุณหภูมิขณะเผาไหม้และอัตราส่วนการอัด (Compression ratio) อุณหภูมิที่ลูกสูบจะทนได้ก็ขึ้นกับชนิดวัสดุที่ใช้ทำถ้าเป็นเหล็กหล่อก็อาจทนได้สูงกว่า 1200°ฟ  ถ้าเป็นอลูมิเนียมควรให้ทำงานที่ราวๆ 600°ฟ  ฉะนั้นระบบระบายความร้อนในตัวลูกสูบจึงเป็นสิ่งจำเป็นมาก  ถ้าระบายความร้อนไม่ดีอุณหภูมิของลูกสูบจะร้อนเกินไป แหวนอาจติดหรือร่องแหวนจะอ่อนตัวเสียรูป เพื่อป้องกันจะต้องมีการระบายความร้อน แต่ในปัจจุบันเปลี่ยนมาใช้น้ำมันแทน โดยวิธีการ 3 วิธีคือ

1.  แบบ Circulation (การไหลวน) วิธีนี้ใช้กับเครื่องสมัยใหม่ น้ำมันจะไหลขึ้นทางรูในก้านสูบไปยังรูในสลักลูกสูบ แล้วออกที่หัวลูกสูบ บางทีอาจมีช่องให้ไหลวนระบายความร้อนที่หัวลูกสูบก่อนไหลย้อนกลับไปสู่อ่างน้ำมัน

       2. แบบ Shakes (เขย่า)  จะมีแอ่งที่หัวลูกสูบเพื่อเก็บน้ำมันเครื่องที่มาจากก้านสูบไว้ เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้น-ลง จะเขย่าให้น้ำมันนี้หกไหลเข้าท่อกลับไปยังอ่างน้ำมันเครื่องได้เอง แอ่งที่เก็บน้ำมันเครื่องไว้นี้จะเป็นการช่วยระบายความร้อนได้  น้ำมันจะขึ้นมาทางก้านสูบ

3.  แบบ Spray แบบนี้นิยมใช้กันมากในเครื่องยนต์ดีเซล ดังในรูปที่ 8 น้ำมันจะไหลขึ้นทางก้านสูบแล้วฉีดออกทางหัวฉีดไประบายความร้อนที่ส่วนล่าง ของหัวลูกสูบการที่ฉีดเป็นฝอยจะทำให้ประสิทธิภาพในการระบายความร้อนดีขึ้น นอกจากนี้ส่วนล่างของหัวลูกสูบอาจทำให้เป็นครีบๆ ดังในรูปที่ 8 เพื่อช่วยให้การถ่ายเทความร้อนดีขึ้นอีกทางหนึ่งด้วย ทั้งยังเพิ่มความแข็งแรงของลูกสูบอีกด้วย

แหวนลูกสูบ แบ่งได้เป็น 2 ชนิด คือ

1. แหวนอัด (Compression ring) ทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้แรงอัดรั่ว ผ่านช่องว่างรอบๆ ลูกสูบลงไปได้

       2. แหวนกวาดน้ำมัน (Oil ring) ทำหน้าที่ควบคุมปริมาณน้ำมันหล่อลื่นที่ผนังกระบอกสูบให้มีปริมาณพอดีไม่มากเกินไป

นอกจากแหวนทั้ง 2 ชนิด ยังทำหน้าที่เป็นตัวกลางช่วยส่งผ่านความร้อนจากลูกสูบไปยังผนังกระบอกสูบอีกด้วย

โรงงานทำแหวนลูกสูบจะสนใจเรื่องความดันที่แหวนจะดันผนังกระบอกสูบให้ได้สม่ำเสมอโดยรอบ ถ้าทำไม่ดี เกิดความดันไม่สม่ำเสมอกัน บริเวณที่มีความดันสูงจะสึกมาก ทำให้บริเวณอื่นไม่สัมผัสผนังกระบอกสูบ และแก๊ซที่เผาไหม้จะรั่วลงมาได้ ผู้ผลิตบางแห่งเน้นความสนใจเรื่องรอยต่อของแหวนด้วย ซึ่งมีการต่อแบบต่างๆ ดังนี้

แหวนอัดดังในรูปที่ 10 ตัวแทนทำด้วยเหล็กหล่อแล้วกลึงร่องตื้นๆ ที่ผิว เพื่อพ่นโมลิบดีนัม (Molybdenum metal) ลงในร่องนี้ แล้วขัดผิวให้เรียบ การทำเช่นนี้จะทำให้แหวนนี้ใส่เข้าร่องง่าย และการหล่อลื่นดีขึ้น เหมาะอย่างยิ่งกับแหวนอัดตัวบน

สำหรับเรื่องรูปร่างลักษณะ แหวนอัดแบบง่ายที่สุดจะมีหน้าตาเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าดังในรูปที่ 11(ก) บางทีก็ปาดให้ด้านนอกเอียงประมาณ 1 องศา ดังในรูปที่ 11 (ข) เพื่อช่วยให้กันรั่วได้ดีขึ้น เพราะจะสัมผัสกับผิวกระบอกสูบตามเส้น (Ling contact) ทั้งยังช่วยปาดให้น้ำมันเครื่องเข้าสู่ห้องเผาไหม้น้อยลง ดังในรูปที่ 12

รูปที่ 11(ค) เป็นแหวนอีกลักษณะหนึ่งซึ่งลบเหลี่ยมด้านใน เมื่อมีแรงอัดจะดันให้กระดกปลายล่างกดผิดกระบอกสูบเป็นการกันรั่วได้ดีขึ้น รูปที่ 11 (ง) เป็นแบบลิ่ม หรือ Key stone ซึ่งมีข้อดีคือ มีการเคลื่อนระหว่างแหวนไปมาได้เล็กน้อย และป้องกันแหวนติดเนื่องจากคาร์บอนรวมตัวกัน เพราะขณะทำงาน อุณหภูมิของหัวลูกสูบและแหวนตัวแรกจะสูงมากพอที่จะทำให้คาร์บอนหรือวัสดุที่เหมือนยางเหนียว ที่เกิดขึ้นจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงหรือน้ำมันหล่อลื่นค่อย ๆ แข็งตัว ในร่องแหวนตัวแรกจะเป็นอุปสรรคต่อการเคลื่อนไหวของแหวนนี้ในร่องแหวน ทำให้เกิดการติดของแหวนอัด แต่ถ้าหากเป็นแบบลิ่มดังรูปที่ 11 (ง) จะทำให้มีการเคลื่อนไหวระหว่างลูกสูบกับแหวน ทำให้ดันเขม่าที่แข็งตัวออกได้

แหวนน้ำมันตามปกติจะอยู่ถัดจากสลักลูกสูบลงมา ดังในรูปที่ 8 ในเครื่องยนต์ดีเซลหมุนเร็วน้ำมันหล่อลื่นจะถูกสลัดออกจากผิวหน้าของสลักลูกสูบ และปลายด้านใหญ่ของข้อเหวี่ยงก้านสูบ บางส่วนของน้ำมันจะกระเซ็นไปติดด้านในของกระบอกสูบ ประมาณน้ำมันนี้จะเกิดความจำเป็นในการหล่อลื่น จึงต้องมีแหวนน้ำมันมาปาดทิ้งบางส่วน เพื่อไม่ให้เข้าไปห้องเผาไหม้ ไปทำให้เกิดปัญหาเผาไหม้ไม่หมด เป็นควันออกมาทำให้บรรยากาศเสีย นอกจากนี้บางส่วนของเขม่าจะไปจับที่ปลายหัวฉีด ลิ้นไอดีและไอเสีย เป็นผลเสียต่อการทำงานของเครื่อง

แหวนน้ำมันใน (ก) ของรูปที่ 13 เมื่อใส่เข้าไปในลูกสูบแล้วจะเป็นดังรูปที่ 13(ข) เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงลัดด้านล่าง E₁ จะกวาดน้ำมันส่วนล่างของมันลงผ่านรู V₁ ส่งกลับไปอ่างน้ำมันเครื่อง  ในขณะเดียวกันส่วนบน E₂ จะกวาดน้ำมันผ่านร่อง S ไปยังรู v₂ ถ้าลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นสัน E₃ จะทำหน้าที่กวาดน้ำมันเข้าร่อง S ไปยังรู v₂ อย่างไรก็ตามการกวาดน้ำมันนี้จะไม่กวาดจนแหวนสัมผัสติดผิวกระบอกสูบเลยทีเดียว แต่จะเหลือฟิล์มบางๆ ของน้ำมันเครื่องคั่นกลางไว้เพื่อการหล่อลื่น ยกเว้นที่ศูนย์ตายบนและศูนย์ตายล่าง ซึ่งความเร็วลูกสูบเป็นศูนย์

แหวนน้ำมันมีอยู่หลายแบบด้วยกัน  โดยมากมักทำด้วยเหล็กหล่อ ในรูปที่ 13 ทำให้พื้นที่สัมผัสน้อย เพื่อให้ฟิล์มน้ำมันบางลง แต่จะให้ได้ผลดียิ่งขึ้นก็ใส่ขดสปริงช่วยกด

บางทีก็ใช้แผ่นเหล็กกล้าเข้ามาประกอบ  โดยมีแผ่นข้าง (Runner) 2 แผ่นประกบตัวยันให้ขยายตัว ซึ่งจะดันในแนวรัศมี

ปัญหาที่สำคัญข้อหนึ่งสำหรับผลิตแหวนลูกสูบคือแหวนต้องแนบให้ได้รูปร่างตามกระบอกสูบ ซึ่งตามทฤษฎีแล้วกระบอกสูบจะกลม แต่ของจริงๆ เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและการทำงานจะทำให้กระบอกสูบอาจบิดเบี้ยวเล็กน้อย ไม่กลมอย่างแท้จริงแหวนลูกสูบก็ต้องโค้งให้เข้ากันได้กับกระบอกสูบ  จึงต้องออกแบบให้ปรับตัวได้บ้างเล็กน้อยตัวที่จะมาดันให้แหวนแนบตามรูปร่างของกระบอกสูบก็คือ เอ็กซ์แปนเดอร์ (Expander) อย่างในรูปที่ 14 ซึ่งนอกจากจะส่งแรงดันโดยรอบแล้ว ยังดันทั้งด้านบนและล่างให้แหวนติดอยู่ในร่องแหวนของลูกสูบอีกด้วย รูปที่ 14 เป็นเอ็กซ์แปนเดอร์แบบคอยล์สปริง รูปที่ 16 เป็นแบบสล็อต (Slotted Expander)

       สลักลูกสูบ  สลักลูกสูบเป็นชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อระหว่างลูกสูบกับก้านสูบ ช่วยให้ก้านสูบแกว่งได้เล็กน้อยในขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ โดยทั่วๆ ไป สลักลูกสูบจะทำด้วยเหล็กกล้าชุบผิวแข็ง ซึ่งจะขยายตัวน้อยกว่าลูกสูบอลูมิเนียม ดังนั้นขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของสลักจะต้องใหญ่กว่ารูเล็กน้อย ในการใส่ก็ควรแช่ลูกสูบในน้ำมันที่มีอุณหภูมิ 100 ถึง 120 °ซ  เพื่อให้ขยายตัวจะได้สอดสลักเข้าได้โดยง่าย สลักลูกสูบจะมีคลิ๊ปยึด ช่วยกันไม่ให้เลื่อนออกมาทางด้านแนวแกน

สลักลูกสูบโดยทั่วๆ ไปจะกลวงขนาดต้องใหญ่พอ ที่จะรับแรงที่เกิดจากแรงดันและแรงเฉื่อยต่างๆ ที่กล่าวมาแล้วได้ดี เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์แก๊ซโซลีนแล้ว สลักลูกสูบของเครื่องยนต์ดีเซลจะใหญ่กว่า เพราะความดันที่เกิดจากสันดาปสูงกว่ามาก สลักลูกสูบ แบ่งตามลักษณะการติดตั้งได้เป็น 3 แบบด้วยกันคือ

1.  สลักติดแน่นกับลูกสูบ  ก้านสูบจะเป็นตัวเคลื่อนที่รอบสลักลูกสูบเท่านั้น ดังในรูปที่ 17 (ก)

       2.  สลักติดแน่นกับก้านสูบ ให้สลักเคลื่อนที่รอบแกนตัวมันเอง ภายในรูที่ลูกสูบ ดังในรูปที่ 17(ข)

        3.  สลักเคลื่อนที่ได้อิสระทั้งที่ลูกสูบและก้านสูบ  ที่คลิ๊ปยึดที่ท้ายของสลักเพื่อกันการเคลื่อนที่ด้านข้างดังในรูปที่ 17 (ค)

ที่มา:สมมาตร  สุพานิชย์วิทย์

บทความอื่น ๆ ที่น่าสนใจ:

Share this :

  • Stumble upon
  • twitter

Comments are closed.