ผู้ให้กำเนิดเครื่องยนต์ดีเซล และหลักการทำงาน
โดย : Admin

   

        

      รูดอลฟ์ ดีเซล  (Rudolf C. Diesel : 1858 - 1913) วิศวกรชาวเยอรมัน ถือกำเนิดในกรุงปารีสเมื่อวันที่ 18 มีนาคม 1858 เขาได้รับการศึกษาชั้นต้นในประเทศอังกฤษ แล้วไปเรียนอาชีวศึกษาในเยอรมนี วิชาที่เขาชอบที่สุดคือ คณิตศาสตร์ ฟิสิกส์ และเครื่อยนต์กลไก เขาเป็นนักเรียนทุนในมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีในกรุงมิวนิค เมื่อสำเร็จการศึกษาแล้วได้ไปทำงานที่กรุงปารีส เขาทำงานหลายอย่างเกี่ยวกับเครื่องยนต์ ซึ่ในสมัยนั้นมีเครื่องจักรไอน้ำแล้ว แต่ไม่มีประสิทธิภาพมากนักสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงมาก เขาได้คิดหาวิธีประดิษฐ์เครื่องยนต์ที่ดีกว่านี้ โดยประดิษฐ์เครื่องยนต์ที่มีชื่อว่า " ดีเซล " เป็นผลสำเร็จในปี 1893 และจดสิทธิบัตรในปีถัดมา


     เมื่อร้อยกว่าที่แล้ว (วันที่ 10 สิงหาคม 1893)  น้ำมันไบโอดีเซลถูกนำมาทดลองใช้ในเครื่องยนต์เป็นผลสำเร็จครั้งแรกของโลก โดย "รูดอลฟ์ ดีเซล" ได้นำเครื่องยนต์ลูกสูบเดี่ยวที่ทำจากเหล็กยาว 3 เมตร โดยมีล้อเฟืองติดอยู่ที่ฐานมาทดลองใช้กับน้ำมันไบโอดีเซลได้เป็นผลสำเร็จเป็นครั้งแรกของโลก ในเมืองอักส์บวร์ก ประเทศเยอรมนี


         
         การทดลองกับน้ำมันพืช

       ทั้งนี้หลังจากดีเซลได้ทดลองโชว์ในเยอรมนีในปี 1893 แล้วจนโด่งดังและทำรายได้ให้แก่เขามหาศาลเขาก็ได้นำไบโอดีเซลที่ทำมาจากน้ำมันถั่วมาทดลองกับเครื่องยนต์อีกครั้งในงานเวิล์ดแฟร์ที่กรุงปารีส ประเทศฝรั่งเศสในปี 1898 ซึ่งมีผู้คนให้ความสนใจเป็นจำนวนมากทั้งนี้เขาเชื่อว่าไบโอดีเซลนี้จะเป็นนำมันที่เหมาะสมกับเครื่องยนต์มากที่สุดในอนาคต
       
    นอกจากนี้ ในปี 1912 รูดอล์ฟ ดีเซลเคยกล่าวสุนทรพจน์ไว้ว่า “การใช้น้ำมันจากพืชผักสำหรับเครื่องยนต์อาจจะดูไม่มีความสำคัญในวันนี้แต่เมื่อน้ำมันชนิดนี้คิดค้นขึ้นมาแล้วและเมื่อถึงเวลาที่เหมาะสมน้ำมันตัวนี้แหละที่จะมีความสำคัญไม่แพ้น้ำมันที่มาจากถ่านหินที่เป็นที่นิยมอยู่ในเวลานี้”

       สำหรับน้ำมันจากพืชผักนั้นจริงๆ แล้วคิดค้นได้ตั้งแต่ในปี 1853 โดยนักวิทยาศาสตร์อีดัฟฟีและเจแพทริกเป็นเวลาหลายปีก่อนที่จะมีการนำมาใช้ในเครื่องยนต์แต่น้ำมันไบโอดีเซลเป็นน้ำมันทางเลือกใหม่ที่ผลิตจากพืชผักหรือไขมันสัตว์บางครั้งก็นำสาหร่ายมาดัดแปลงด้วยเช่นกันโดยน้ำมันชนิดนี้เมื่อนำมาใช้กับเครื่องยนต์แล้วพบว่ามีคุณสมบัติในการเผาไหม้ได้ดีไม่ต่างจากน้ำมันจากถ่านหิน   

อย่างไรก็ตามการนำมาใช้กับเครื่องยนต์มันจะนำน้ำมันดีเซลปิโตรเลียมมาผสมด้วยซึ่งในปัจจุบันได้รับความนิยมเป็นอย่างมากในระบบขนส่งมวลชนเนื่องจากเป็นน้ำมันที่มีราคาไม่ต่างจากปิโตรดีเซลมากนักนอกจากนี้เผาไหม้ได้อย่างหมดจดไม่มีเขม่าควันหลงเหลือให้เป็นมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมจากความนิยมเป็นอย่างมากเช่นนี้ทำให้ปั๊มน้ำมันจำนวนมากนำไบโอดีเซลมาบริการให้กับลูกค้า


 

    หลักการทำงาน

        เครื่องยนต์ดีเซลประดิษฐ์โดย ดอกเตอร์ รูดอลฟดีเซล (Dr. Rudolf Diesel) ในปี ค.ศ.  1897  โดยอาศัยการทำงานของกลจักร คาร์โนต์(Carnot's  cycle)ซึ่งคิดขึ้นโดยชาวฝรั่งเศสชื่อ ซาร์ดิ คาร์โน ( Sardi carnot)  ตั้งแต่ปี พ.ศ.  1824

 
         หลักการทำงานของเครื่องจักรดีเซล   อากาศเมื่อถูกอัดตัวจะมีความร้อนสูงขึ้น แต่ถ้าอากาศถูกอัดตัวอย่างรวดเร็วโดยไม่มีการสูญเสียความร้อน(Adiabatic compression) ทั้งแรงดันและความร้อนจะสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว (Boyle's law)  เมื่อฉีดละอองน้ำมันเชื้อเพลิงเข้าไปในอากาศที่ร้อนจัดจากการอัดตัว   ก็จะเกิดการเผาไหม้ขึ้นอย่างทันทีทันใด ทำให้เกิดกำลังงานขึ้นกำลังงานที่เกิดขึ้นจะนำไปใช้ประโยชน์ในรูปของแรงขับหรือแรงผลักดัน ผ่านลูกสูบและก้านสูบทำให้เพลาข้อเหวี่ยงหมุน ณ กำลังอัดเดียวกัน อากาศที่อุณหภูมิเริ่มต้นสูงกว่า เมื่อถูกอัดย่อมมีอุณหภูมิสูงกว่าหรือร้อนกว่า


 
       เครื่องยนต์ดีเซลแบ่งออกเป็นแบบใหญ่ๆ ได้เป็น  2   แบบคือ  เครื่องยนต์  4   จังหวะ  (The  4-cycle  Engine ) และ เครื่องยนต์  2  จังหวะ  (The 2-cycle Engine)  ซึ่งมีรายละเอียดังนี้

 
  รูปการทำงานของเครื่องยนต์  4  จังหวะ
 
   เครื่องยนต์ดีเซลขนาดเล็ก โดยทั่วไปเป็นเครื่องยนต์  4   จังหวะ สำหรับเครื่องยนต์  2   จังหวะ มักใช้กับเครื่องยนต์ดีเซลขนาดใหญ่
การทำงานของเครื่องยนต์  4  จังหวะ
 
 
  1. จังหวะดูด  (Intake Storke)      เมื่อลูกสูบเลื่อนลงจากจุดศูนย์ตายบนถึงจุดศูนย์ตายล่าง(TDC-BDC)  ลิ้นไอดีจะเปิด อากาศจะถูกดูดเข้ามาประจุในห้องเผาไหม้   แต่ในขณะนี้ลิ้นไอเสียยังคงปิดอยู่
 
  2. จังหวะอัด (Compression Stroke)   เมื่อลูกสูบเริ่มเลื่อนขึ้นจากศูนย์ตายล่าง  (BDC)  ลิ้นทั้งสองจะปิด   ดังนั้นอากาศในกระบอกสูบจึงถูกอัดโดยกระบอกสูบแรงดันและความร้อนของอากาศจึงสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว อากาศในขณะนี้เป็นอากาศที่ร้อนแดง  " Red  hot Air"  ถ้าอัตราส่วนการอัดเท่ากับ  20:1 อากาศจะมีแรงดัน  40-45 กก./ตารางเซนติเมตร และมีอุณหภูมิ  500-600 องศาเซลเซียส
 
  3. จังหวะระเบิด (power Stroke)  เมื่อลูกสูบเลื่อนขึ้นเกือบจุดศูนย์ตายบน ในปลายจังหวะอัด ละอองน้ำมันเชื้อเพลิงจะถูกฉีดเข้าสู่ห้องเผาไหม้ ทำให้เกิดการเผาไหม้อย่างทันทีทันใด แรงดันจากการเผาไหม้จะผลักดันให้ลูกสูบเลื่อนลง อุณหภูมิจะสูงขึ้นเป็นประมาณ  2000 องศาเซลเซียส    และแรงดันสูงขึ้นเป็น  55-80  กก./ตารางเซนติเมตร ในจังหวะระเบิดนี้พลังงานความร้อนจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานกล
 
   4.  จังหวะคาย (Exaust Stroke)  ปลายจังหวะระเบิด ลิ้นไอเสียจะเปิด แก๊สไอเสียจึงขับไล่ออกจากกระบอกสูบ ด้วยการเลื่อนขึ้นของลูกสูบ
 



 
  เครื่องยนต์  2 จังหวะ 
    เครื่องยนต์ดีเซล  2  จังหวะ มักใช้กับเครื่องยนต์ดีเซลขนาดใหญ่ เนื่องจากจังหวะดูด   อัด   ระเบิด และคาย จะเกิดขึ้นร่วมกัน เพราะจังหวะทั้งสี่จะเกิดขึ้นทุกๆหนึ่งรอบที่เพลาข้อเหวี่ยงหมุน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีวิธีการพิเศษ เพื่อประจุอากาศเข้าสูกระบอกสูบ ด้วยเหตุนี้จึงไม่นิยมใช้กับเครื่องยนต์ดีเซลขนาดเล็ก    แต่อย่างไรก็ตาม เมื่อศึกษาการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล  4   จังหวะแล้ว ก็ควรศึกษาการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล  2  จังหวะด้วยเพื่อเป็นการเปรียบเทียบ  
 
   
    เมื่อลูกสูบเลื่อนลง ช่องถ่ายไอดี (Transfer port ) และช่องไอเสีย (Exhaust port) จะเปิดเป็นการประจุอากาศเข้าสู่กระบอกสูบและชับไล่ไอเสียออกจากกระบอกสูบเมื่อลูกสูบเลื่อนขึ้น ทั้งช่องถ่ายไอดี และช่องไอเสียจะปิดอากาศในกระบอกสูบจึงถูกอัดโดยลูกสูบ จนเลื่อนขึ้นถึงจุดศูนย์ตายบนละอองน้ำมันเชื้อเพลิงจะถูกฉีดเช้าไปคลุกเคล้าเข้ากับอากาศที่ร้อนจัดทำให้เกิดการเผาไหม้ แรงดันจากการเผาไหม้ จะผลักให้ลูกสูบเลื่อนลงเมื่อลูกสูบเลื่อนลง เพลาช้อเหวี่ยงก็จะหมุน เนื่องจากการส่งถ่ายกำลังผ่านก้านสูบ 

 


 

ข้อดี
       เครื่องยนต์ดีเซลเป็นเครื่องยนต์สันดาปภายในประเภทหนึ่งมีหลักการทำงานโดยการอัดอากาศร้อนเข้าไปในกระบอกสูบเพื่อให้เกิดการสันดาปของเชื้อเพลิงขึ้นซึ่งเป็นคุณลักษณะของเครื่องยนต์ดีเซลอากาศที่ถูกอัดอยู่ในกระบอกสูบด้วยกำลังอัดที่สูงขึ้นจะทำให้เกิดอุณหภูมิของอากาศในกระบอกสูบสูงขึ้นดังนั้นเมื่อหัวฉีดฉีดเชื้อเพลิงเป็นละอองฝอยเข้าไปกระทบกับอากาศร้อนที่ถูกอัดอยู่ในกระบอกสูบจะเกิดการเผาไหม้ขึ้นแรงดันจากการขยายตัวของแก๊สที่เกิดจากการเผาไหม้จะผลักดันหัวลูกสูบให้เลื่อนลงเป็นกำลังงานถ่ายทอดออกมาปัจจุบันเครื่องยนต์ดีเซลได้นำไปใช้อย่างแพร่หลายในงานประเภทที่ต้องการกำลังงานมากๆ


ข้อดีของเครื่องยนต์ดีเซล
 
   1. ราคาของน้ำมันเชื้อเพลิงถูกกว่าน้ำมันเบนซิน
   2. เครื่องยนต์ดีเซลไม่ต้องใช้อุปกรณ์ไฟจุดระเบิดซึ่งยุ่งยาก
   3. ชิ้นส่วนของเครื่องยนต์แข็งแรงมีอายุการใช้งานได้ยาวนาน
   4. สามารถรับภาระ (load) ได้ดี
   5. น้ำมันดีเซลไม่ไวไฟเหมือนน้ำมันเบนซินทำให้มีความปลอดภัยมากกว่า
 
 
ปัจจัยสำคัญที่ทำให้เครื่องยนต์ดีเซลทำงานได้
   1. อากาศ เชื้อเพลิง และการเผาไหม้คือจะต้องมีการผสมกันระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศในอัตราส่วนที่พอเหมาะเพื่อให้มีการจุดระเบิดทำให้เกิดการเผาไหม้ระหว่างเชื้อเพลิงกับอากาศ

  2. การอัดอากาศเพื่อเพิ่มอุณหภูมิของอากาศในกระบอกสูบให้สูงจนทำให้มีการจุดระเบิดและเผาไหม้ขึ้นอย่างรวดเร็ว

  3. การเคลื่อนที่ขึ้นลงของลูกสูบเป็นการถ่ายทอดพลังงานที่เกิดขึ้นจากการเผาไหม้เป็นพลังงานกลนำไปใช้งานผลจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงและอากาศจะดันส่วนบนของลูกสูบทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่ถ่ายทอดกำลังไปยังเพลาข้อเหวี่ยง

  4. การทำงานเป็นวงจรเพื่อให้เกิดเป็นพลังงานและให้กำลังงานอย่างต่อเนื่องซึ่งในที่นี้จะขอกล่าวเฉพาะวงจรการทำงานของเครื่องยนต์ 4 จังหวะคือ การเคลื่อนที่ขึ้นของลูกสูบ 2 ครั้ง และการเคลื่อนที่ลง 2 ครั้ง เท่ากับ 2 รอบหมุนของเครื่องยนต์

 

    

            

 ขอขอบคุณที่มาของทุกแหล่งข้อมูล

 
 

 

เนื้อหาโดย: 9engineer.com (https://9engineer.com/)