เครื่องยนต์ดีเซลทำงานอย่างไร? เครื่องยนต์อัดอากาศในกระบอกสูบอย่างรุนแรงจนร้อนถึงหลายร้อยองศาเซลเซียส แล้วฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในอากาศร้อนนั้น ซึ่งเชื้อเพลิงจะจุดระเบิดเอง กระบวนการนี้เรียกว่าการจุดระเบิดด้วยการอัด: ไม่มีหัวเทียน และควบคุมกำลังด้วยปริมาณเชื้อเพลิงที่ฉีดแทนการจำกัดอากาศด้วยลิ้นปีกผีเสื้อ เนื่องจากเครื่องยนต์ดีเซลใช้อัตราส่วนกำลังอัดประมาณ 14:1 ถึง 22:1 จึงเปลี่ยนพลังงานเชื้อเพลิงเป็นงานได้มากกว่าเครื่องยนต์เบนซิน นี่คือเหตุผลที่ใช้ขับเคลื่อนรถบรรทุก เรือ ชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และเครื่องจักรก่อสร้าง
ประเด็นสำคัญ
- เครื่องยนต์ดีเซลจุดระเบิดเชื้อเพลิงด้วยความร้อนของอากาศที่ถูกอัด ไม่ใช่ประกายไฟ อัตราส่วนกำลังอัดทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 14:1 ถึง 22:1 เทียบกับเครื่องยนต์เบนซินที่ประมาณ 8:1 ถึง 12:1
- เครื่องยนต์ดีเซลส่วนใหญ่ทำงานด้วยวัฏจักรสี่จังหวะ (ดูด อัด กำลัง คาย) ส่วนเครื่องยนต์เรือขนาดใหญ่มากและแบบรุ่นเก่าบางชนิดใช้วัฏจักรสองจังหวะ
- เครื่องยนต์ดีเซลไม่มีหัวเทียน หลายรุ่นมีหัวเผาหรือเครื่องอุ่นอากาศไอดีซึ่งช่วยเฉพาะการสตาร์ทขณะเครื่องเย็น
- Rudolf Diesel ได้รับสิทธิบัตรในเยอรมนีในปี 1893 และสาธิตเครื่องยนต์ที่ทำงานได้เครื่องแรกที่ Augsburg ในปี 1897 โดยมีประสิทธิภาพประมาณ 26 เปอร์เซ็นต์
- เครื่องยนต์ดีเซลงานหนักสมัยใหม่มีประสิทธิภาพเชิงความร้อนเบรกถึงช่วงกลางของช่วง 40 กว่าเปอร์เซ็นต์ และเครื่องยนต์ดีเซลเรือขนาดใหญ่ความเร็วรอบต่ำมีประสิทธิภาพเกิน 50 เปอร์เซ็นต์
เครื่องยนต์ดีเซลทำงานอย่างไรในแต่ละขั้นตอน?
เครื่องยนต์ดีเซลสี่จังหวะทำงานครบหนึ่งวัฏจักรกำลังเมื่อเพลาข้อเหวี่ยงหมุนสองรอบ ลูกสูบแต่ละตัวเคลื่อนที่สี่จังหวะ และระบบเชื้อเพลิงกำหนดเวลาฉีดที่ช่วงท้ายของจังหวะอัด
- จังหวะดูด ลูกสูบเคลื่อนลงขณะวาล์วไอดีเปิดและดูดเฉพาะอากาศเข้า ในเครื่องยนต์เทอร์โบชาร์จ อากาศเข้าภายใต้แรงดัน ทำให้มีออกซิเจนในกระบอกสูบมากขึ้น
- จังหวะอัด วาล์วทั้งสองปิดและลูกสูบเคลื่อนขึ้น อัดอากาศให้เหลือปริมาตรเพียงส่วนหนึ่งของเดิม การอัดทำให้อุณหภูมิอากาศสูงกว่าจุดจุดระเบิดเองของน้ำมันดีเซลมาก
- จังหวะกำลัง ใกล้จุดบนสุดของจังหวะ หัวฉีดพ่นเชื้อเพลิงเป็นละอองละเอียดเข้าในอากาศร้อน เชื้อเพลิงจุดระเบิดหลังหน่วงเวลาสั้นมาก ก๊าซขยายตัว และแรงดันดันลูกสูบลง ทำให้เพลาข้อเหวี่ยงหมุน
- จังหวะคาย วาล์วไอเสียเปิดและลูกสูบที่เคลื่อนขึ้นดันก๊าซเผาไหม้ออก เพื่อเตรียมพร้อมสำหรับจังหวะดูดถัดไป
นี่คือหลักการทำงานโดยสรุปของเครื่องยนต์ดีเซลในทุกวัฏจักร ความแตกต่างสำคัญจากเครื่องยนต์เบนซินอยู่ที่ขั้นตอน 1 และ 3 เครื่องยนต์เบนซินดูดส่วนผสมอากาศกับเชื้อเพลิงและใช้ประกายไฟจุดระเบิด ส่วนดีเซลดูดเฉพาะอากาศและควบคุมกำลังออกด้วยปริมาณเชื้อเพลิงที่ฉีดเพียงอย่างเดียว
เครื่องยนต์ดีเซลมีหัวเทียนหรือไม่?
ไม่มี เครื่องยนต์ดีเซลไม่ใช้หัวเทียน เพราะเชื้อเพลิงจุดระเบิดจากความร้อนของการอัด สิ่งที่เครื่องยนต์ดีเซลหลายรุ่นมีคืออุปกรณ์ช่วยสตาร์ทขณะเครื่องเย็น: หัวเผาที่อุ่นห้องเผาไหม้ หรือฮีตเตอร์แบบตะแกรงที่อุ่นอากาศไอดี
อุปกรณ์ช่วยเหล่านี้สำคัญที่สุดในสภาพอากาศหนาวและเครื่องยนต์ขนาดเล็ก ซึ่งผนังกระบอกสูบดูดซับความร้อนระหว่างการอัดมากกว่า เมื่อเครื่องยนต์ทำงานแล้ว ความร้อนจากการเผาไหม้เพียงพอและหัวเผาจะหยุดทำงาน แม้เครื่องยนต์สมัยใหม่บางรุ่นจะให้หัวเผาทำงานต่อช่วงสั้นหลังสตาร์ทเพื่อลดควันขาวและเสียง
เครื่องยนต์ดีเซลสตาร์ทอย่างไร?
เครื่องยนต์ดีเซลสตาร์ทเมื่อมอเตอร์สตาร์ทหมุนเพลาข้อเหวี่ยงเร็วพอให้การอัดทำให้อากาศร้อนเกินอุณหภูมิจุดระเบิด จากนั้นระบบควบคุมหรือปั๊มฉีดเชื้อเพลิงจ่ายเชื้อเพลิง กระบอกสูบแรก ๆ เริ่มเผาไหม้ และเครื่องยนต์เร่งรอบได้ด้วยตัวเอง
เครื่องยนต์ขนาดใหญ่อาจใช้การสตาร์ทด้วยอากาศอัดแทนมอเตอร์สตาร์ทไฟฟ้า การสตาร์ทยากมักบ่งชี้สาเหตุไม่กี่อย่าง ได้แก่ ความเร็วหมุนสตาร์ทต่ำจากแบตเตอรี่อ่อน อากาศในระบบเชื้อเพลิง หัวฉีดสึกหรอ กำลังอัดต่ำจากแหวนลูกสูบหรือวาล์วสึกหรอ หรืออุปกรณ์ช่วยสตาร์ทขณะเครื่องเย็นเสีย หลังเปลี่ยนไส้กรองเชื้อเพลิงทุกครั้ง ต้องไล่อากาศหรือปั๊มเชื้อเพลิงเข้าระบบก่อนจึงจะสตาร์ทได้อย่างเชื่อถือได้ คู่มือเปลี่ยนไส้กรองน้ำมันดีเซล ครอบคลุมขั้นตอนนี้
ส่วนประกอบหลักของเครื่องยนต์ดีเซลมีอะไรบ้าง?
เครื่องยนต์ดีเซลมีโครงสร้างพื้นฐานเหมือนเครื่องยนต์ลูกสูบทั่วไป แต่สร้างให้หนักกว่าเพื่อทนความดันในกระบอกสูบที่สูงกว่า ตารางนี้ทำหน้าที่เสมือนแผนภาพเครื่องยนต์ดีเซลแบบง่ายที่อธิบายด้วยคำ
| ส่วนประกอบ | หน้าที่ | หมายเหตุเฉพาะสำหรับดีเซล |
|---|---|---|
| เสื้อสูบและปลอกสูบ | เป็นที่ตั้งของกระบอกสูบและช่องทางน้ำหล่อเย็น | เครื่องยนต์งานหนักมักใช้ปลอกสูบแบบเปียกหรือแบบแห้งที่เปลี่ยนได้ |
| ฝาสูบ | รองรับวาล์ว หัวฉีด และช่องไอดีไอเสีย | สร้างให้ทนความดันสูงสุดที่สูงมาก; อาจมีหัวเผาติดตั้งอยู่ |
| ลูกสูบและแหวนลูกสูบ | ซีลห้องเผาไหม้และถ่ายทอดแรง | มักกลึงหลุมห้องเผาไหม้ไว้ที่หัวลูกสูบ |
| ก้านสูบและเพลาข้อเหวี่ยง | เปลี่ยนการเคลื่อนที่ของลูกสูบเป็นการหมุน | หนักกว่าของเครื่องยนต์เบนซินขนาดเท่ากัน |
| เพลาลูกเบี้ยวและชุดกลไกวาล์ว | เปิดและปิดวาล์วไอดีและไอเสีย | ใช้หลักการเดียวกับเครื่องยนต์เบนซิน |
| ระบบฉีดเชื้อเพลิง | กำหนดปริมาณและฉีดเชื้อเพลิงด้วยแรงดันสูง | ปั๊มกลไกหรือคอมมอนเรลอิเล็กทรอนิกส์ |
| เทอร์โบชาร์จเจอร์และอินเตอร์คูลเลอร์ | อัดอากาศเข้าสู่กระบอกสูบมากขึ้น | ติดตั้งในเครื่องยนต์ดีเซลสมัยใหม่ส่วนใหญ่ที่มีขนาดใหญ่กว่าเครื่องยนต์ขนาดเล็ก |
| ระบบระบายความร้อน | ระบายความร้อนผ่านน้ำหล่อเย็นหรืออากาศ | การระบายความร้อนด้วยของเหลวพบมากที่สุด; เครื่องยนต์ขนาดเล็กอาจระบายความร้อนด้วยอากาศ |
| ระบบบำบัดไอเสีย | ทำความสะอาดไอเสีย | DPF, SCR ที่ใช้ยูเรีย (DEF) และตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันในเครื่องยนต์สมัยใหม่ทั้งสำหรับงานบนถนนและนอกถนน |
เครื่องยนต์ดีเซลใช้ระบบฉีดเชื้อเพลิงแบบใดบ้าง?
ระบบฉีดเชื้อเพลิงดีเซลพัฒนาจากปั๊มกลไกล้วนมาเป็นระบบแรงดันสูงที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ ทั้งสองแบบยังใช้งานอยู่ โดยเฉพาะในงานอุตสาหกรรมและงานทางทะเล
- ปั๊มกลไกแบบแถวเรียงหรือแบบจานจ่าย กำหนดปริมาณเชื้อเพลิงด้วยลูกเบี้ยวและลูกสูบปั๊ม แล้วส่งไปยังหัวฉีดแต่ละตัวในจังหวะที่ถูกต้อง มีโครงสร้างเรียบง่ายและเหมาะกับการซ่อมภาคสนาม จึงยังนิยมใช้กับเครื่องยนต์เครื่องกำเนิดไฟฟ้าและเรือทำงาน เช่น เครื่องยนต์หกสูบแบบ 6BT
- หัวฉีดแบบยูนิต รวมชุดปั๊มและหัวฉีดไว้ในตัวเดียวที่แต่ละกระบอกสูบ
- ระบบฉีดคอมมอนเรล เก็บเชื้อเพลิงที่แรงดันสูงมากไว้ในรางร่วม และหัวฉีดที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์สามารถฉีดได้หลายครั้งต่อวัฏจักร ช่วยให้การเผาไหม้เงียบลง ปล่อยมลพิษต่ำลง และประหยัดเชื้อเพลิงขึ้น แต่ต้องใช้เชื้อเพลิงสะอาดและเครื่องมือวินิจฉัย
เครื่องยนต์ยังต่างกันที่ตำแหน่งฉีดเชื้อเพลิง เครื่องยนต์ดีเซลสมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้การฉีดตรงลงในหลุมที่หัวลูกสูบ เครื่องยนต์รุ่นเก่าและขนาดเล็กบางรุ่นใช้การฉีดทางอ้อมเข้าสู่ห้องเผาไหม้ล่วงหน้า ซึ่งเงียบกว่าแต่ประสิทธิภาพต่ำกว่า และมักต้องใช้หัวเผา
ทำไมเครื่องยนต์ดีเซลจึงมีประสิทธิภาพสูง?
ประสิทธิภาพของดีเซลมาจากสามปัจจัย: กำลังอัดสูง การเผาไหม้แบบส่วนผสมบาง และไม่มีการสูญเสียจากการหรี่ลิ้นปีกผีเสื้อ อัตราส่วนการอัดและการขยายตัวที่สูงกว่าดึงงานได้มากกว่าจากความร้อนเท่ากัน และเนื่องจากดีเซลไม่หรี่อากาศไอดี จึงหลีกเลี่ยงการสูญเสียจากการสูบอากาศที่เครื่องยนต์เบนซินมีเมื่อทำงานที่โหลดบางส่วน
น้ำมันดีเซลยังมีพลังงานต่อแกลลอนมากกว่า สำนักงานสารสนเทศด้านพลังงานสหรัฐฯ ระบุว่าน้ำมันดีเซลมีพลังงานประมาณ 137381 Btu ต่อแกลลอน เทียบกับน้ำมันเบนซินสำหรับยานยนต์ประมาณ 120214 Btu หรือมากกว่าประมาณ 14 เปอร์เซ็นต์ เว็บไซต์ด้านการประหยัดเชื้อเพลิงของรัฐบาลสหรัฐฯ ระบุว่ารถยนต์ดีเซลโดยทั่วไปประหยัดเชื้อเพลิงกว่ารถยนต์เบนซินที่ใกล้เคียงกันประมาณ 30 ถึง 35 เปอร์เซ็นต์
| ประเภทเครื่องยนต์ | ประสิทธิภาพเชิงความร้อนเบรกสูงสุดโดยทั่วไป |
|---|---|
| เครื่องยนต์เบนซินขนาดเล็ก | ประมาณ 25–35% |
| เครื่องยนต์ดีเซลยานยนต์สมัยใหม่ | ประมาณ 35–42% |
| เครื่องยนต์ดีเซลสำหรับรถบรรทุกหนักและงานอุตสาหกรรม | ประมาณ 40–46% |
| เครื่องยนต์ดีเซลเรือสองจังหวะขนาดใหญ่ความเร็วรอบต่ำ | สูงกว่า 50% |
ตัวเลขเหล่านี้เป็นค่าสูงสุดเพื่อใช้เป็นแนวทาง ประสิทธิภาพในการใช้งานจริงขึ้นอยู่กับโหลด ความเร็วรอบ และการบำรุงรักษา ดูการเปรียบเทียบเครื่องยนต์ทั้งสองประเภทโดยตรงได้ที่ เครื่องยนต์ดีเซลกับเบนซิน
ใครเป็นผู้คิดค้นเครื่องยนต์ดีเซล และเมื่อใด?
เครื่องยนต์ดีเซลคิดค้นโดยวิศวกรชาวเยอรมัน Rudolf Diesel เขายื่นคำขอสิทธิบัตรในปี 1892 ได้รับสิทธิบัตรในปี 1893 และหลังจากพัฒนาหลายปีที่โรงงาน Maschinenfabrik Augsburg (ต่อมาคือ MAN) เครื่องยนต์เครื่องแรกที่ใช้งานได้จริงก็เดินเครื่องในปี 1897 โดยบันทึกประสิทธิภาพได้ประมาณ 26 เปอร์เซ็นต์ สูงกว่าเครื่องจักรไอน้ำในยุคนั้นมาก
เดิมที Diesel จินตนาการให้เครื่องยนต์ทำงานด้วยเชื้อเพลิงหลากหลายชนิด รวมถึงฝุ่นถ่านหินและน้ำมันพืช ภายในไม่กี่ทศวรรษ เครื่องยนต์ดีเซลแพร่หลายไปยังเรือ เรือดำน้ำ รถจักร และโรงไฟฟ้าประจำที่ และต่อมาจึงใช้ในรถบรรทุกและรถแทรกเตอร์การเกษตร
เครื่องยนต์ดีเซลมีประเภทใดบ้าง?
เครื่องยนต์ดีเซลมักจำแนกตามวัฏจักร ความเร็วรอบ และการใช้งาน การแบ่งตามความเร็วรอบมีประโยชน์ต่อผู้ซื้อมากที่สุด เพราะสัมพันธ์กับขนาด น้ำหนัก และความทนทาน
- เครื่องยนต์ดีเซลความเร็วสูง (สูงกว่าประมาณ 1000 rpm) ใช้ขับเคลื่อนรถบรรทุก ชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เครื่องจักรก่อสร้าง และเรือขนาดเล็กถึงขนาดกลาง
- เครื่องยนต์ดีเซลความเร็วปานกลาง (ประมาณ 300 ถึง 1000 rpm) ใช้ขับเคลื่อนเรือขนาดใหญ่ หัวรถจักร และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในโรงไฟฟ้า
- เครื่องยนต์ดีเซลความเร็วต่ำ (ต่ำกว่าประมาณ 300 rpm) ซึ่งเกือบทั้งหมดเป็นแบบสองจังหวะ ใช้ขับใบจักรของเรือพาณิชย์ขนาดใหญ่โดยตรง
ระบบดีเซลไฟฟ้าใช้เครื่องยนต์ดีเซลร่วมกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์ไฟฟ้า เช่น ในหัวรถจักร รวมถึงเรือข้ามฟากและเรือปฏิบัติงานนอกชายฝั่งจำนวนมาก สำหรับตระกูลเครื่องยนต์ที่ใช้ในอุตสาหกรรม โปรดดูคู่มือเครื่องยนต์ดีเซลอุตสาหกรรม และสำหรับเครื่องยนต์ขนาดเล็กที่ระบายความร้อนด้วยอากาศและของเหลว โปรดดูคู่มือเครื่องยนต์ดีเซลขนาดเล็ก
เครื่องยนต์ดีเซลมีความเชื่อถือได้มากกว่าหรือไม่?
ในการใช้งานหนัก เครื่องยนต์ดีเซลโดยทั่วไปมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าเครื่องยนต์เบนซินที่มีกำลังใกล้เคียงกัน เครื่องยนต์ดีเซลมีเสื้อสูบ เพลาข้อเหวี่ยง และแบริ่งที่แข็งแรงกว่าเพื่อรองรับความดันสูงในกระบอกสูบ ทำงานที่ rpm ต่ำกว่า และไม่มีระบบจุดระเบิดด้วยประกายไฟที่อาจขัดข้องได้
ความเชื่อถือได้ยังคงขึ้นอยู่กับคุณภาพเชื้อเพลิง การกรองอากาศ การระบายความร้อน และการเปลี่ยนน้ำมันเครื่องอย่างเคร่งครัดตามกำหนด เครื่องยนต์ดีเซลสมัยใหม่ที่มีระบบควบคุมการปล่อยมลพิษมีส่วนประกอบเพิ่มเติม เช่น ตัวกรองอนุภาคและระบบ SCR ซึ่งต้องได้รับการบำรุงรักษาเฉพาะส่วน Shanghai Mars Industrial (MARS) จัดจำหน่ายเครื่องยนต์ดีเซลสำหรับเรือ ชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า รถบรรทุก และเครื่องจักร โดยเครื่องยนต์แต่ละเครื่องสามารถทดสอบเดินเครื่องก่อนจัดส่ง พร้อมรายงานเป็นลายลักษณ์อักษรและวิดีโอได้; ขอข้อมูลจำเพาะสำหรับการใช้งานเฉพาะ
คำถามที่พบบ่อย
เครื่องยนต์ดีเซลมีหัวเทียนหรือไม่?
ไม่มี น้ำมันดีเซลติดไฟจากความร้อนของอากาศที่ถูกอัด จึงไม่ต้องใช้หัวเทียน เครื่องยนต์ดีเซลจำนวนมากมีหัวเผาหรืออุปกรณ์อุ่นอากาศไอดีที่ช่วยเฉพาะการสตาร์ทขณะเครื่องเย็น
เครื่องยนต์ดีเซลมีอัตราส่วนกำลังอัดเท่าใด?
เครื่องยนต์ดีเซลสมัยใหม่ส่วนใหญ่มีอัตราส่วนกำลังอัดประมาณ 14:1 ถึง 22:1 ขณะที่เครื่องยนต์รุ่นเก่าบางแบบที่ใช้ระบบฉีดเชื้อเพลิงทางอ้อมมีอัตราส่วนกำลังอัดประมาณ 23:1 หรือสูงกว่า เครื่องยนต์เบนซินโดยทั่วไปมีอัตราส่วนกำลังอัดประมาณ 8:1 ถึง 12:1
เครื่องยนต์ดีเซลใช้น้ำมันเบนซินได้หรือไม่?
ไม่ได้ น้ำมันเบนซินมีค่าซีเทนต่ำมากและไม่สามารถติดไฟได้เองอย่างเหมาะสมในเครื่องยนต์ดีเซล อีกทั้งยังขาดคุณสมบัติการหล่อลื่นที่ระบบฉีดเชื้อเพลิงต้องการ การเติมน้ำมันเบนซินลงในถังน้ำมันดีเซลอาจทำให้ปั๊มและหัวฉีดเสียหายได้ จึงควรถ่ายเชื้อเพลิงออกจากระบบก่อนสตาร์ทเครื่อง
ระบบขับเคลื่อนดีเซลไฟฟ้าคืออะไร?
เป็นระบบที่เครื่องยนต์ดีเซลขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และมอเตอร์ไฟฟ้าขับล้อหรือใบจักร ระบบนี้ใช้ในหัวรถจักร รวมถึงเรือข้ามฟาก เรือปฏิบัติงานนอกชายฝั่ง และเรือสำราญจำนวนมาก เพราะช่วยให้จัดวางเครื่องยนต์ได้อย่างยืดหยุ่นและทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพขณะรับภาระบางส่วน
เหตุใดเครื่องยนต์ดีเซลจึงให้แรงบิดมากกว่า?
เครื่องยนต์ดีเซลมักมีช่วงชักยาว ความดันในกระบอกสูบสูง และระบบเทอร์โบอัดอากาศ ซึ่งช่วยให้เกิดแรงบิดสูงที่ rpm ต่ำ จึงเหมาะอย่างยิ่งกับการรับภาระหนัก การลากจูง และการขับใบจักร
