เครื่องยนต์สี่จังหวะ

เครื่องยนต์สี่จังหวะ () หรือเรียกว่า สี่วัฏจักร () เป็นเครื่องยนต์สันดาปภายใน (IC) ที่ลูกสูบทำงานครบ สี่จังหวะแยกจากกันในขณะที่หมุนเพลาข้อเหวี่ยง คำว่า "จังหวะ" (stroke) หมายถึงการเคลื่อนที่เต็มระยะของลูกสูบไปตามกระบอกสูบไม่ว่าจะขึ้นหรือลง สี่จังหวะที่แยกจากกันนี้มีชื่อเรียกดังนี้:
ดูด (Intake/induction/suction): เริ่มต้นที่ศูนย์ตายบน (TDC) และสิ้นสุดที่ศูนย์ตายล่าง (BDC) ในจังหวะนี้ ลิ้นไอดีต้องเปิดในขณะที่ลูกสูบดึงสารผสมอากาศกับเชื้อเพลิงเข้าสู่กระบอกสูบโดยการสร้างสุญญากาศบางส่วน (ความดันลบ) ในกระบอกสูบผ่านการเคลื่อนที่ลงของมัน 
อัด (Compression): เริ่มต้นที่ศูนย์ตายล่างหรือสิ้นสุดจังหวะดูด และสิ้นสุดที่ศูนย์ตายบน ในจังหวะนี้ ลูกสูบจะอัดสารผสมอากาศกับเชื้อเพลิงเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการจุดระเบิดในระหว่างจังหวะกำลัง (ด้านล่าง) ลิ้นไอดีและไอเสียปิดทั้งคู่ในระหว่างระยะนี้ 
เผ้าไหม้ (Combustion): หรือที่เรียกว่ากำลัง (power) หรือระเบิด (ignition) เป็นจุดเริ่มต้นการหมุนรอบที่สองของวัฏจักรเครื่องยนต์สี่จังหวะ ณ จุดนี้ เพลาข้อเหวี่ยงหมุนครบ 360 องศา ในขณะที่ลูกสูบอยู่ที่ศูนย์ตายบน (สิ้นสุดจังหวะอัด) สารผสมอากาศกับเชื้อเพลิงที่ถูกอัดจะถูกจุดระเบิดด้วยหัวเทียน (ในเครื่องยนต์เบนซิน) หรือด้วยความร้อนที่เกิดจากการอัดสูง (ในเครื่องยนต์ดีเซล) ซึ่งจะดันลูกสูบกลับลงไปที่ศูนย์ตายล่างอย่างรุนแรง จังหวะนี้สร้างงานกลจากเครื่องยนต์เพื่อหมุนเพลาข้อเหวี่ยง
คาย (Exhaust): ลูกสูบจะกลับขึ้นจากศูนย์ตายล่างไปยังศูนย์ตายบนอีกครั้งในขณะที่ลิ้นไอเสียเปิด การกระทำนี้จะขับสารผสมอากาศกับเชื้อเพลิงที่เผาไหม้แล้วออกทางช่องไอเสีย

เครื่องยนต์สี่จังหวะเป็นการออกแบบเครื่องยนต์สันดาปภายในที่พบได้บ่อยที่สุดสำหรับการขนส่งทางบกที่ใช้เครื่องยนต์ โดยใช้ในยานยนต์ รถบรรทุก รถไฟดีเซล เครื่องบินขนาดเล็ก และจักรยานยนต์ การออกแบบทางเลือกที่สำคัญคือวัฏจักรสองจังหวะ

 ประวัติศาสตร์ 

 วัฏจักรออตโต 


นิโคเลาส์ อ็อทโท เป็นพนักงานขายเดินทางของกิจการร้านขายของชำ ในระหว่างการเดินทาง เขาพบกับเครื่องยนต์สันดาปภายในที่สร้างขึ้นในปารีสโดยฌ็อง-โฌแซ็ฟ เอเตียน เลอนัวร์  ชาวเบลเยียมที่อพยพมา ใน ค.ศ. 1860 เลอนัวร์ประสบความสำเร็จในการสร้างเครื่องยนต์ทำงานสองทางที่ใช้แก๊สส่องสว่าง โดยมีประสิทธิภาพ 4% เครื่องยนต์เลอนัวร์ขนาด 18 ลิตรผลิตกำลังได้เพียง 2 แรงม้า เครื่องยนต์เลอนัวร์ทำงานโดยใช้แก๊สส่องสว่างที่ทำจากถ่านหิน ซึ่งได้รับการพัฒนาในปารีสโดยฟิลิปเลอบง

ในการทดสอบเครื่องยนต์เลอนัวร์จำลองใน ค.ศ. 1861 อ็อทโทตระหนักถึงผลของการอัดต่อประจุเชื้อเพลิง ใน ค.ศ. 1862 อ็อทโทพยายามผลิตเครื่องยนต์เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือที่ต่ำของเครื่องยนต์เลอนัวร์ เขาพยายามสร้างเครื่องยนต์ที่จะอัดสารผสมเชื้อเพลิงก่อนการจุดระเบิด แต่ล้มเหลวเนื่องจากเครื่องยนต์นั้นทำงานได้ไม่เกินสองสามนาทีก่อนจะพัง วิศวกรคนอื่นอีกมากมายก็พยายามแก้ปัญหานี้โดยไม่ประสบความสำเร็จ

ใน ค.ศ. 1864 อ็อทโทและอ็อยเกน ลังเงินก่อตั้งบริษัทผลิตเครื่องยนต์สันดาปภายในแห่งแรก NA Otto and Cie (NA Otto and Company) ในปีเดียวกันนั้น Otto and Cie ประสบความสำเร็จในการสร้างเครื่องยนต์บรรยากาศที่ประสบความสำเร็จ โรงงานมีพื้นที่ไม่เพียงพอจึงถูกย้ายไปที่ด็อยทซ์ ประเทศเยอรมนีใน ค.ศ. 1869 โดยบริษัทถูกเปลี่ยนชื่อเป็นด็อยทซ์กาสโมโทเรินฟาบรีค อาเก (Deutz Gasmotorenfabrik AG - บริษัทผู้ผลิตเครื่องยนต์แก๊สด็อยทซ์) ใน ค.ศ. 1872 ​ก็อทลีพ ไดม์เลอร์เป็นผู้อำนวยการด้านเทคนิคและวิลเฮ็ล์ม ไมบัคเป็นหัวหน้าฝ่ายออกแบบเครื่องยนต์ ไดม์เลอร์เป็นช่างทำปืนที่เคยทำงานเกี่ยวกับเครื่องยนต์เลอนัวร์ ภายใน ค.ศ. 1876 อ็อทโทและลังเงินก็ประสบความสำเร็จในการสร้างเครื่องยนต์สันดาปภายในเครื่องแรกที่อัดสารผสมเชื้อเพลิงก่อนการเผาไหม้เพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์ใด ๆ ที่เคยสร้างมาจนถึงทุกวันนี้

ไดม์เลอร์และไมบัคลาออกจากงานที่ Otto and Cie และพัฒนาเครื่องยนต์ออตโตความเร็วสูงเครื่องแรกใน ค.ศ. 1883 ใน ค.ศ. 1885 พวกเขาผลิตรถยนต์คันแรกที่ติดตั้งเครื่องยนต์ออตโต ไดม์เลอร์ ไรท์วาเกิน (Daimler Reitwagen) ใช้ระบบจุดระเบิดแบบท่อร้อน (hot-tube ignition system) และเชื้อเพลิงที่เรียกว่าลิกรอยน์ (ligroin) กลายเป็นยานพาหนะคันแรกของโลกที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์สันดาปภายใน โดยใช้เครื่องยนต์สี่จังหวะที่อ้างอิงจากการออกแบบของอ็อทโท ในปีต่อมา คาร์ล เบ็นทซ์ได้ผลิตรถยนต์เครื่องยนต์สี่จังหวะที่ถือเป็นรถยนต์คันแรกRalph Stein (1967). The Automobile Book. Paul Hamlyn Ltd

ใน ค.ศ. 1884 บริษัทของอ็อทโท ซึ่งขณะนั้นรู้จักกันในชื่อกาสโมโทเรินฟาบรีคด็อยทซ์ (GFD) ได้พัฒนาระบบจุดระเบิดไฟฟ้าและคาร์บูเรเตอร์ ใน ค.ศ. 1890 ไดม์เลอร์และไมบัคก่อตั้งบริษัทที่รู้จักกันในชื่อไดม์เลอร์โมโทเรินเกเซลล์ชาฟท์ (Daimler Motoren Gesellschaft) ปัจจุบันคือไดม์เลอร์-เบนซ์

 วัฏจักรแอตคินสัน 

เครื่องยนต์วัฏจักรแอตคินสันเป็นเครื่องยนต์สันดาปภายในจังหวะเดียว (single stroke) ที่ประดิษฐ์โดยเจมส์ แอตคินสันใน ค.ศ. 1882 วัฏจักรแอตคินสันได้รับการออกแบบมาเพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงโดยแลกมากับความหนาแน่นกำลังที่ลดลง และถูกนำมาใช้ในไฟฟ้างานไฮบริดสมัยใหม่บางส่วน

เครื่องยนต์ลูกสูบวัฏจักรแอตคินสันดั้งเดิมทำให้จังหวะดูด อัด กำลัง และคายของวัฏจักรสี่จังหวะเกิดขึ้นในการหมุนเพลาข้อเหวี่ยงเพียงครั้งเดียวและได้รับการออกแบบมาเพื่อเลี่ยงการละเมิดสิทธิบัตรบางอย่างที่ครอบคลุมเครื่องยนต์วัฏจักรออตโต

เนื่องจากการออกแบบเพลาข้อเหวี่ยงที่เป็นเอกลักษณ์ของแอตคินสัน อัตราส่วนการขยายตัวของมันจึงสามารถแตกต่างจากอัตราส่วนการอัดได้ และด้วยจังหวะกำลังที่ยาวนานกว่าจังหวะอัด เครื่องยนต์จึงสามารถบรรลุประสิทธิภาพอุณหภาพที่มากกว่าเครื่องยนต์ลูกสูบดั้งเดิม ในขณะที่การออกแบบดั้งเดิมของแอตคินสันเป็นเพียงสิ่งน่าสนใจทางประวัติศาสตร์ แต่เครื่องยนต์สมัยใหม่จำนวนมากใช้จังหวะเปิดปิดลิ้นที่ไม่เป็นไปตามแบบเพื่อสร้างผลกระทบของจังหวะอัดที่สั้นลง/จังหวะกำลังที่ยาวขึ้น จึงทำให้เกิดการปรับปรุงการประหยัดเชื้อเพลิงที่วัฏจักรแอตคินสันสามารถให้ได้

วัฏจักรดีเซล


เครื่องยนต์ดีเซลเป็นการปรับปรุงทางเทคนิคของเครื่องยนต์วัฏจักรออตโต ค.ศ. 1876 ในขณะที่อ็อทโทตระหนักใน ค.ศ. 1861 ว่าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการอัดสารผสมเชื้อเพลิงก่อนการจุดระเบิด รูด็อล์ฟ ดีเซิลต้องการพัฒนาเครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นที่สามารถทำงานด้วยเชื้อเพลิงที่หนักกว่ามาก เครื่องยนต์เลอนัวร์ เครื่องยนต์บรรยากาศออตโต และเครื่องยนต์อัดออตโต (ทั้ง ค.ศ. 1861 และ 1876) ได้รับการออกแบบมาให้ทำงานด้วยแก๊สส่องสว่าง (แก๊สถ่านหิน) ด้วยแรงจูงใจเดียวกับอ็อทโท ดีเซิลต้องการสร้างเครื่องยนต์ที่จะให้แหล่งพลังงานของตัวเองแก่บริษัทอุตสาหกรรมขนาดเล็กเพื่อให้พวกเขาสามารถแข่งขันกับบริษัทขนาดใหญ่ได้ และเช่นเดียวกับอ็อทโท คือการหลีกหนีจากข้อกำหนดที่ต้องผูกติดอยู่กับแหล่งจ่ายเชื้อเพลิงของเทศบาล เช่นเดียวกับอ็อทโท เขาใช้เวลามากกว่าหนึ่งทศวรรษในการผลิตเครื่องยนต์ที่มีการอัดสูงซึ่งสามารถจุดระเบิดเชื้อเพลิงที่ฉีดเข้าไปในกระบอกสูบได้ด้วยตัวเอง

ในระหว่างการพัฒนาระยะแรก เครื่องยนต์เครื่องหนึ่งเกิดระเบิดขึ้น เกือบจะคร่าชีวิตดีเซิล เขาพยายามต่อไป และในที่สุดก็สร้างเครื่องยนต์ที่ประสบความสำเร็จใน ค.ศ. 1893 เครื่องยนต์ที่มีการอัดสูง ซึ่งจุดระเบิดเชื้อเพลิงด้วยความร้อนจากการอัด ปัจจุบันเรียกว่าเครื่องยนต์ดีเซล ไม่ว่าจะเป็นการออกแบบสี่จังหวะหรือสองจังหวะ

เครื่องยนต์ดีเซลสี่จังหวะถูกนำมาใช้ในงานที่ต้องใช้กำลังงานหนักส่วนใหญ่เป็นเวลาหลายทศวรรษ มันใช้เชื้อเพลิงหนักที่มีพลังงานมากกว่าและต้องมีการกลั่นน้อยลงในการผลิต เครื่องยนต์วัฏจักรออตโตที่มีประสิทธิภาพที่สุดทำงานใกล้เคียง ประสิทธิภาพอุณหภาพ 30%

การวิเคราะห์ทางอุณหพลศาสตร์

การวิเคราะห์ทางอุณหพลศาสตร์ของวัฏจักรเครื่องยนต์สี่จังหวะและสองจังหวะที่เกิดขึ้นจริงนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย อย่างไรก็ดี การวิเคราะห์สามารถทำให้ง่ายขึ้นอย่างมากหากใช้ข้อสมมติมาตรฐานอากาศ วัฏจักรที่ได้ ซึ่งมีความคล้ายคลึงกับสภาวะการทำงานจริง คือวัฏจักรออตโต

ในระหว่างการทำงานปกติของเครื่องยนต์ ขณะที่สารผสมของอากาศกับเชื้อเพลิงกำลังถูกอัด จะมีการสร้างประกายไฟไฟฟ้าเพื่อจุดส่วนผสมนั้น ที่ความเร็วรอบต่ำ สิ่งนี้จะเกิดขึ้นใกล้ศูนย์ตายบน เมื่อความเร็วรอบของเครื่องยนต์เพิ่มขึ้น ความเร็วของแนวด้านหน้าเปลวไฟจะไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นจุดประกายไฟจะถูกเลื่อนให้เร็วขึ้นในวัฏจักรเพื่อให้มีสัดส่วนของวัฏจักรมากขึ้นสำหรับประจุในการเผาไหม้ก่อนที่จังหวะกำลังจะเริ่มต้นขึ้น ข้อได้เปรียบนี้สะท้อนให้เห็นในการออกแบบเครื่องยนต์ออตโตต่าง ๆ โดยเครื่องยนต์บรรยากาศ (ที่ไม่มีการอัด) ทำงานที่ประสิทธิภาพ 12% ในขณะที่เครื่องยนต์ประจุอัด (compressed-charge engine) มีประสิทธิภาพการทำงานประมาณ 30%

ข้อพิจารณาเรื่องเชื้อเพลิง
ปัญหาของเครื่องยนต์อัดประจุคือการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของประจุที่ถูกอัดอาจทำให้เกิดการชิงจุดระเบิด (pre-ignition) หากสิ่งนี้เกิดขึ้นผิดเวลาและมีพลังงานมากเกินไป อาจทำให้เครื่องยนต์เสียหายได้ เศษส่วนต่าง ๆ ของปิโตรเลียมมีจุดวาบไฟแตกต่างกันอย่างมาก (อุณหภูมิที่เชื้อเพลิงสามารถจุดติดไฟได้เอง) ซึ่งจะต้องนำมาพิจารณาในการออกแบบเครื่องยนต์และเชื้อเพลิง

แนวโน้มที่สารผสมเชื้อเพลิงที่ถูกอัดจะจุดติดไฟก่อนกำหนดนั้นถูกจำกัดด้วยองค์ประกอบทางเคมีของเชื้อเพลิง มีเชื้อเพลิงหลายระดับเพื่อรองรับระดับสมรรถนะที่แตกต่างกันของเครื่องยนต์ เชื้อเพลิงจะถูกปรับเปลี่ยนเพื่อเปลี่ยนอุณหภูมิการจุดติดไฟด้วยตัวเองของมัน มีหลายวิธีในการดำเนินการนี้ ในขณะที่เครื่องยนต์ถูกออกแบบให้มีอัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้น ผลลัพธ์คือการชิงจุดระเบิดมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นมากขึ้น เนื่องจากสารผสมเชื้อเพลิงถูกอัดจนมีอุณหภูมิสูงขึ้นก่อนการจุดระเบิดตามที่ตั้งใจ อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะระเหยเชื้อเพลิง เช่น น้ำมันเบนซิน ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์อัด อัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้นยังหมายความว่าระยะที่ลูกสูบสามารถผลักเพื่อสร้างกำลังงานมีมากขึ้น (เรียกว่า อัตราส่วนการขยายตัว)

ค่าประเมินออกเทน (octane rating) ของเชื้อเพลิงที่กำหนดคือการวัดความต้านทานของเชื้อเพลิงต่อการจุดติดไฟด้วยตัวเอง เชื้อเพลิงที่มีออกเทนเป็นตัวเลขสูงขึ้นจะช่วยให้สามารถใช้อัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้น ซึ่งจะดึงพลังงานออกมาจากเชื้อเพลิงได้มากขึ้น และแปลงพลังงานนั้นเป็นงานที่มีประโยชน์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ในขณะเดียวกันก็ป้องกันความเสียหายของเครื่องยนต์จากการชิงจุดระเบิด เชื้อเพลิงที่มีออกเทนสูงก็มีราคาแพงกว่าด้วย

เครื่องยนต์สี่จังหวะสมัยใหม่จำนวนมากใช้การฉีดเชื้อเพลิงเบนซินตรง (Gasoline Direct Injection หรือ GDI) ในเครื่องยนต์เบนซินฉีดตรง หัวฉีดจะยื่นเข้าไปในห้องเผาไหม้ หัวฉีดตรงจะฉีดน้ำมันเบนซินภายใต้ความดันที่สูงมากเข้าสู่กระบอกสูบในระหว่างจังหวะอัด เมื่อลูกสูบอยู่ใกล้ด้านบน

โดยธรรมชาติแล้ว เครื่องยนต์ดีเซลไม่มีข้อกังวลเกี่ยวกับการชิงจุดระเบิด พวกเขามีข้อกังวลเกี่ยวกับว่าการเผาไหม้สามารถเริ่มต้นได้หรือไม่ การอธิบายว่าเชื้อเพลิงดีเซลมีแนวโน้มจะจุดติดไฟมากน้อยเพียงใดเรียกว่าค่าประเมินซีเทน (cetane rating) เนื่องจากเชื้อเพลิงดีเซลมีความผันผวนต่ำจึงอาจสตาร์ตได้ยากมากเมื่อเครื่องยนต์เย็น เทคนิคต่าง ๆ ถูกนำมาใช้เพื่อสตาร์ตเครื่องยนต์ดีเซลที่เย็น ที่พบบ่อยที่สุดคือการใช้หัวเผา

หลักการออกแบบและวิศวกรรม

 ข้อจำกัดด้านกำลังขับ 
2=ศูนย์ตายล่าง
 A: ดูด 
 B: อัด 
 C: กำลัง 
 D: คาย 

กำลังสูงสุดที่เครื่องยนต์สร้างขึ้นถูกกำหนดโดย ปริมาณอากาศสูงสุดที่ดูดเข้าไป กำลังที่สร้างโดยเครื่องยนต์ลูกสูบเกี่ยวข้องกับขนาดของมัน (ปริมาตรกระบอกสูบ) การออกแบบเครื่องยนต์สองจังหวะหรือสี่จังหวะ ประสิทธิภาพเชิงปริมาตร การสูญเสีย อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง ค่าความร้อนของเชื้อเพลิง ปริมาณออกซิเจนในอากาศ และความเร็วรอบ (RPM) ความเร็วถูกจำกัดในที่สุดด้วยความแข็งแรงของวัสดุและการหล่อลื่น ลิ้น ลูกสูบ และก้านสูบต้องเผชิญกับแรงเร่งที่รุนแรง ที่ความเร็วเครื่องยนต์สูง อาจเกิดการแตกหักทางกายภาพและการสั่นของแหวนลูกสูบ ส่งผลให้สูญเสียกำลังหรือแม้กระทั่งเครื่องยนต์พัง การสั่นของแหวนลูกสูบเกิดขึ้นเมื่อแหวนสั่นในแนวดิ่งภายในร่องลูกสูบที่มันอยู่ การสั่นของแหวนจะทำให้การผนึกระหว่างแหวนกับผนังกระบอกสูบเสียหาย ซึ่งทำให้ความดันในกระบอกสูบลดลงและสูญเสียกำลัง หากเครื่องยนต์หมุนเร็วเกินไป สปริงลิ้นจะไม่สามารถทำงานได้เร็วพอจะปิดลิ้นได้ สิ่งนี้มักเรียกกันว่า 'ลิ้นลอย' (valve float) และอาจส่งผลให้ลูกสูบสัมผัสกับลิ้น ทำให้เครื่องยนต์เสียหายอย่างรุนแรง ที่ความเร็วสูง การหล่อลื่นของรอยต่อระหว่างผนังกระบอกสูบและลูกสูบมีแนวโน้มที่จะล้มเหลว สิ่งนี้จำกัดความเร็วของลูกสูบสำหรับเครื่องยนต์อุตสาหกรรมไว้ที่ประมาณ 10 เมตรต่อวินาที

 การไหลของช่องไอดี/ไอเสีย 
กำลังขับของเครื่องยนต์ขึ้นอยู่กับความสามารถของไอดี (สารผสมอากาศกับเชื้อเพลิง) และไอเสียในการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วผ่านช่องลิ้น ซึ่งมักอยู่ที่ฝาสูบ เพื่อเพิ่มกำลังขับของเครื่องยนต์ สามารถกำจัดความไม่สม่ำเสมอในเส้นทางไอดีและไอเสีย เช่น ข้อบกพร่องจากการหล่อ และด้วยความช่วยเหลือของแท่นวัดอากาศไหล รัศมีการเลี้ยวของช่องวาล์วและการกำหนดค่าบ่าลิ้นสามารถปรับเปลี่ยนเพื่อลดแรงต้านได้ กระบวนการนี้เรียกว่าการปรับแต่งช่องไอดีไอเสีย (porting) และสามารถทำได้ด้วยมือหรือด้วยเครื่องจักร CNC

 การนำความร้อนทิ้งจากเครื่องยนต์สันดาปภายในกลับมาใช้ 
โดยเฉลี่ยแล้ว เครื่องยนต์สันดาปภายในสามารถเปลี่ยนพลังงานที่ให้มาเป็นงานกลได้เพียง 40–45% ส่วนใหญ่ของพลังงานที่สูญเสียไปอยู่ในรูปของความร้อนที่ถูกปล่อยสู่สภาพแวดล้อมผ่านสารหล่อเย็น ครีบระบายความร้อน และอื่น ๆ หากความร้อนเหลือทิ้งสามารถดักจับและเปลี่ยนเป็นพลังงานกลได้ ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์และ/หรือการประหยัดเชื้อเพลิงก็จะดีขึ้นโดยการปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของวัฏจักร มีการค้นพบว่าแม้จะนำความร้อนที่สูญเสียไปทั้งหมดกลับมาใช้เพียง 6% ก็สามารถเพิ่มประสิทธิภาพเครื่องยนต์ได้อย่างมาก

มีการคิดค้นหลายวิธีเพื่อดึงความร้อนทิ้งออกจากไอเสียของเครื่องยนต์และนำไปใช้เพื่อดึงงานใช้ประโยชน์บางส่วนออกมา โดยลดมลพิษจากไอเสียไปพร้อมกัน การใช้วัฏจักรแรงคิน เทอร์โบชาร์จเจอร์ และการผลิตไฟฟ้าจากความร้อน (thermoelectric generation) สามารถเป็นประโยชน์อย่างมากในฐานะระบบการนำความร้อนทิ้งกลับมาใช้

 ซูเปอร์ชาร์จเจอร์ 
วิธีหนึ่งในการเพิ่มกำลังเครื่องยนต์คือการบังคับอากาศเข้าไปในกระบอกสูบให้มากขึ้นเพื่อให้สามารถผลิตกำลังได้มากขึ้นจากแต่ละจังหวะกำลัง สามารถทำได้โดยใช้อุปกรณ์อัดอากาศบางชนิดที่เรียกว่าซูเปอร์ชาร์จเจอร์ (supercharger) ซึ่งสามารถขับเคลื่อนได้ด้วยเพลาข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์

การใช้ซูเปอร์ชาร์จเจอร์จะเพิ่มขีดจำกัดกำลังขับของเครื่องยนต์สันดาปภายในเมื่อเทียบกับปริมาตรกระบอกสูบของมัน โดยทั่วไปซูเปอร์ชาร์จเจอร์จะทำงานอยู่ตลอดเวลา แต่ก็มีการออกแบบที่อนุญาตให้ตัดการทำงานหรือทำงานด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน (สัมพันธ์กับความเร็วเครื่องยนต์) การขับเคลื่อนซูเปอร์ชาร์จเจอร์ด้วยกลไกมีข้อเสียคือ กำลังขับส่วนหนึ่งจะถูกใช้ไปในการขับซูเปอร์ชาร์จเจอร์ ในขณะที่กำลังสูญเปล่าในไอเสียความดันสูง เนื่องจากอากาศถูกอัดสองครั้งแล้วได้รับปริมาตรศักย์เพิ่มขึ้นอีกในการเผาไหม้ แต่ถูกขยายเพียงขั้นตอนเดียว

 เทอร์โบชาร์จเจอร์ 
เทอร์โบชาร์จเจอร์ (turbocharger) คือซูเปอร์ชาร์จเจอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยแก๊สไอเสียของเครื่องยนต์ โดยใช้กังหัน เทอร์โบชาร์จเจอร์ถูกรวมเข้ากับระบบไอเสียของยานพาหนะเพื่อใช้ประโยชน์จากไอเสียที่ถูกขับออก ประกอบด้วยชุดกังหันความเร็วสูงสองส่วน ด้านหนึ่งทำหน้าที่อัดอากาศไอดี และอีกด้านหนึ่งขับเคลื่อนด้วยการไหลออกของแก๊สไอเสีย

เมื่อเดินเบาและที่ความเร็วต่ำถึงปานกลาง กังหันจะผลิตกำลังเพียงเล็กน้อยจากปริมาตรไอเสียที่น้อย ทำให้เทอร์โบชาร์จเจอร์มีผลเล็กน้อยและเครื่องยนต์ทำงานเกือบเหมือนเครื่องยนต์ไม่มีระบบอัดอากาศ (naturally aspirated) เมื่อต้องการกำลังขับมากขึ้น ความเร็วเครื่องยนต์และการเปิดลิ้นเร่งจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งแก๊สไอเสียเพียงพอที่จะ 'ปั่น' กังหันของเทอร์โบชาร์จเจอร์ให้เริ่มอัดอากาศเข้าสู่ท่อร่วมไอดีมากกว่าปกติมาก ดังนั้น กำลังเพิ่มเติม (และความเร็ว) จึงถูกขับออกผ่านการทำงานของกังหันนี้

การใช้เทอร์โบชาร์จเจอร์ช่วยให้เครื่องยนต์ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นเนื่องจากมันถูกขับเคลื่อนด้วยความดันไอเสียที่โดยปกติแล้วจะ (ส่วนใหญ่) สูญเปล่า แต่มีข้อจำกัดในการออกแบบที่เรียกว่าเทอร์โบแล็ก (turbo lag) กำลังเครื่องยนต์ที่เพิ่มขึ้นจะไม่สามารถใช้ได้ทันที เนื่องจากจำเป็นต้องเพิ่มรอบเครื่องยนต์อย่างรวดเร็ว เพื่อสร้างความดันและหมุนเทอร์โบขึ้น ก่อนที่เทอร์โบจะเริ่มทำการอัดอากาศใช้ประโยชน์ใด ๆ ปริมาตรไอดีที่เพิ่มขึ้นทำให้ไอเสียเพิ่มขึ้นและหมุนเทอร์โบได้เร็วขึ้น และเป็นเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ จนกว่าจะถึงการทำงานที่กำลังสูงคงที่ ความยากลำบากอีกประการหนึ่งคือความดันไอเสียที่สูงขึ้นทำให้แก๊สไอเสียถ่ายเทความร้อนไปยังชิ้นส่วนทางกลของเครื่องยนต์มากขึ้น

 อัตราส่วนก้านสูบต่อระยะชัก 
อัตราส่วนก้านสูบต่อระยะชัก (rod-to-stroke ratio) คืออัตราส่วนของความยาวก้านสูบต่อความยาวระยะชักของลูกสูบ ก้านสูบที่ยาวขึ้นจะช่วยความดันด้านข้างของลูกสูบต่อผนังกระบอกสูบและแรงเค้น ช่วยยืดอายุการใช้งานของเครื่องยนต์ นอกจากนี้ยังเพิ่มต้นทุน ความสูง และน้ำหนักของเครื่องยนต์

เครื่องยนต์ช่วงชักเท่า (square engine) คือเครื่องยนต์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางกระบอกสูบเท่าความยาวระยะชัก เครื่องยนต์ที่เส้นผ่านศูนย์กลางกระบอกสูบใหญ่กว่าความยาวระยะชักคือ เครื่องยนต์ช่วงชักสั้น (oversquare engine) กลับกัน เครื่องยนต์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางกระบอกสูบเล็กกว่าความยาวระยะชักคือเครื่องยนต์ช่วงชักยาว (undersquare engine )

 ขบวนเปิดปิดลิ้น 
ลิ้นโดยทั่วไปจะถูกควบคุมโดยเพลาลูกเบี้ยวที่หมุนด้วยความเร็วครึ่งหนึ่งของเพลาข้อเหวี่ยง มันมีชุดลูกเบี้ยวตามความยาวของมัน แต่ละอันได้รับการออกแบบมาเพื่อเปิดลิ้นในช่วงที่เหมาะสมของจังหวะดูดหรือจังหวะคาย ลูกกระทุ้งระหว่างลิ้นและลูกเบี้ยวเป็นพื้นผิวสัมผัสที่ลูกเบี้ยวเลื่อนไปมาเพื่อเปิดลิ้น เครื่องยนต์จำนวนมากใช้เพลาลูกเบี้ยวหนึ่งตัวหรือมากกว่า "เหนือ" แถว (หรือแต่ละแถว) ของกระบอกสูบ ดังที่แสดงในภาพประกอบ ซึ่งลูกเบี้ยวแต่ละอันจะควบคุมลิ้นโดยตรงผ่านลูกกระทุ้งแบน ในการออกแบบเครื่องยนต์อื่น เพลาลูกเบี้ยวจะอยู่ในห้องข้อเหวี่ยง ซึ่งในกรณีนี้ลูกเบี้ยวแต่ละอันมักสัมผัสกับก้านกระทุ้ง ซึ่งจะสัมผัสกับกระเดื่องกดลิ้นที่เปิดลิ้น หรือในกรณีเครื่องยนต์ฝาสูบแบน ไม่จำเป็นต้องมีก้านกระทุ้ง การออกแบบเพลาลูกเบี้ยวสูบโดยทั่วไปจะอนุญาตให้มีความเร็วเครื่องยนต์ที่สูงขึ้นเนื่องจากให้เส้นทางที่ตรงที่สุดระหว่างลูกเบี้ยวและลิ้น

 ระยะตั้งลิ้น 
ระยะตั้งลิ้น (valve clearance) หมายถึงช่องว่างเล็ก ๆ ระหว่างลูกกระทุ้งลิ้นกับก้านลิ้นที่ช่วยให้มั่นใจว่าลิ้นปิดสนิท สำหรับเครื่องยนต์ที่มีการปรับลิ้นด้วยกลไก ระยะตั้งที่มากเกินไปจะทำให้เกิดเสียงดังจากชุดลิ้น หากระยะตั้งน้อยเกินไปอาจส่งผลให้ลิ้นปิดไม่สนิท นำไปสู่การสูญเสียสมรรถนะและอาจทำให้ลิ้นไอเสียร้อนจัด โดยทั่วไป ระยะตั้งจะต้องมีการปรับใหม่ทุก  ด้วยเกจแผ่นสอด

เครื่องยนต์ที่ผลิตในสมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้ลูกกระทุ้งลิ้นไฮดรอลิก (hydraulic lifter.s) เพื่อชดเชยการสึกหรอของส่วนประกอบชุดลิ้นโดยอัตโนมัติ น้ำมันเครื่องที่สกปรกอาจทำให้ลูกกระทุ้งลิ้นขัดข้องได้

 ดุลพลังงาน 
เครื่องยนต์ออตโตมีประสิทธิภาพประมาณ 30% กล่าวอีกนัยหนึ่ง 30% ของพลังงานที่เกิดจากการเผาไหม้ถูกแปลงเป็นพลังงานหมุนใช้ประโยชน์ที่เพลาขับออกของเครื่องยนต์ ในขณะที่ส่วนที่เหลือสูญเสียไปเนื่องจากความร้อนทิ้ง แรงเสียดทาน และอุปกรณ์เสริมเครื่องยนต์ มีหลายวิธีในการนำพลังงานที่สูญเสียไปเป็นความร้อนทิ้งกลับมาใช้ การใช้เทอร์โบชาร์จเจอร์ในเครื่องยนต์ดีเซลมีประสิทธิภาพสูงโดยการเพิ่มความดันอากาศเข้าและในทางปฏิบัติแล้ว จะให้ผลเพิ่มขึ้นของสมรรถนะเช่นเดียวกับการมีปริมาตรกระบอกสูบที่มากขึ้น บริษัทแม็กทรักได้พัฒนาระบบกังหันเมื่อหลายทศวรรษก่อน ที่แปลงความร้อนทิ้งเป็นพลังงานจลน์และป้อนกลับเข้าสู่ระบบส่งกำลังของเครื่องยนต์ ใน.ค.ศ. 2005 บีเอ็มดับเบิลยูได้ประกาศการพัฒนาเทอร์โบสตีมเมอร์ (turbosteamer) ระบบนำความร้อนกลับมาใช้สองขั้นตอนที่คล้ายกับระบบของแม็กที่นำพลังงาน 80% ในแก๊สไอเสียกลับมาใช้และเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ออตโตได้ถึง 15% ตรงกันข้าม เครื่องยนต์หกจังหวะอาจลดการกินเชื้อเพลิงได้มากถึง 40%

เครื่องยนต์สมัยใหม่มักถูกสร้างขึ้นโดยตั้งใจให้มีประสิทธิภาพต่ำกว่าที่ควรจะเป็นเล็กน้อย สิ่งนี้จำเป็นสำหรับการควบคุมมลพิษ เช่น การหมุนเวียนไอเสีย (exhaust gas recirculation) และตัวเร่งปฏิกิริยา (catalytic converter) ที่ช่วยลดหมอกปนควันและมลพิษในบรรยากาศอื่น ๆ การลดประสิทธิภาพอาจถูกตอบโต้ด้วยชุดควบคุมเครื่องยนต์ที่ใช้เทคนิคการเผาไหม้บาง

ในสหรัฐ มาตรฐานการประหยัดเชื้อเพลิงเฉลี่ยองค์กร (CAFE) กำหนดให้ยานพาหนะต้องมีค่าเฉลี่ย 34.9 ไมล์ต่อแกลลอนสหรัฐ (14.8 กิโลเมตรต่อลิตร) เมื่อเทียบกับมาตรฐานปัจจุบันที่ 25 ไมล์ต่อแกลลอนสหรัฐ (10.6 กิโลเมตรต่อลิตร) ในขณะที่ผู้ผลิตยานยนต์พยายามบรรลุมาตรฐานเหล่านี้ภายใน ค.ศ. 2016 ต้องมีการพิจารณาวิธีการใหม่ ๆ ในการออกแบบเครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE) ดั้งเดิม วิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้บางอย่างเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงให้เป็นไปตามข้อกำหนดใหม่ ได้แก่ การจุดระเบิดหลังลูกสูบอยู่ห่างจากศูนย์ตายบนมากที่สุด และการประยุกต์ใช้ วัฏจักรมิลเลอร์ การออกแบบใหม่นี้ร่วมกันอาจช่วยลดการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงและการปล่อย NOx ได้อย่างมาก

200px|Top dead center, before cycle begins
200px|1 – Intake stroke
200px|2 – Compression stroke
ตำแหน่งเริ่มต้น จังหวะดูด และจังหวะอัด
200px|Fuel ignites
200px|3 – Power stroke
200px|4 – Exhaust stroke
Ignition of fuel, power stroke, and exhaust คาย.

 อ้างอิง 

 http://www.st.ac.th/engin/4strok.html 
 http://203.158.100.100/charud/naturemystery/sci2/internet/internetthai3.htm 
อาจารย์ศราวุธ จันไตรรัตน์ ตึกอุตสาหกรรม ชั้นที่ 1 ห้องพักอาจารย์สาขาวิชาช่างยนต์ วิทยาลัยการอาชีพนาหว้า มหาวิทยาลัยนครพนม

หมวดหมู่:เทคโนโลยีเครื่องยนต์