โครงสร้างของเครื่องยนต์

ในปัจจุบัน เครื่องยนต์ที่ติดตั้งกับรถยนต์นั่งและรถบรรทุกส่วนใหญ่จะนิยมใช้เครื่องยนต์เบนซินและดีเซลซึ่งก็มีโครงสร้างส่วนใหญ่ที่เหมือนกันประกอบเข้าเป็นเครื่องยนต์ เช่น เสื้อสูบ ลูกสูบ แหวนลูกสูบ เพลาข้อเหวี่ยงและเพลาลูกเบี้ยว เป็นต้น นอกจากโครงสร้างของเครื่องยนต์ยังประกอบด้วยระบบต่าง ๆ เช่น ระบบสตาร์ท ระบบจุดระเบิด ระบบประจุไฟฟ้า ระบบเชื้อเพลิง ระบบระบายความร้อน และระบบหล่อลื่น

โครงสร้างของเครื่องยนต์ที่จะกล่าวในบทนี้ ประกอบด้วย 1. ฝาสูบ 9. แบริ่งเพลาข้อเหวี่ยง 17. ระบบสตาร์ท 2. เสื้อสูบ 10. ล้อช่วยแรง 18. ระบบจุดระเบิด 3. กระบอกสูบ 11. เพลาลูกเบี้ยว 19. ระบบประจุไฟฟ้า 4. ปลอกสูบ 12. ลิ้นและกลไก 20. ระบบระบายความร้อน 5. ลูกสูบ 13. ท่อร่วมไอดี 21. ระบบหล่อลื่น 6. แหวนลูกสูบ 14. ท่อร่วมไอเสีย 22. ระบบเชื้อเพลิง 7. ก้านสูบ 15. อ่างน้ำมันเครื่อง 8. เพลาข้อเหวี่ยง 16. ปะเก็นฝาสูบ

7.1 ฝาสูบ ฝาสูบ (cylinder head) เป็นชิ้นส่วนของเครื่องยนต์ที่อยู่กับที่ โดยจะติดตั้งให้อยู่เหนือเสื้อสูบและยึดติดกันด้วยสลักเกลียว และระหว่างชิ้นงานทั้งสองนี้จะมีปะเก็นซึ่งทำหน้าที่ต่อฝาสูบกับเสื้อสูบเข้าด้วยกัน ฝาสูบยังเป็นที่ติดตั้งของหัวเทียนและชุดกลไกการทำงานของลิ้น และมีช่องทางลิ้นที่ถูกออกแบบไว้ให้ลิ้นเปิดบรรจุไอดีเข้ากระบอกสูบและระบายแก๊สไอเสียออกจากกระบอกสูบ นอกจากนี้ ที่ฝาสูบยังมีห้องเผาไหม้ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของห้องเผาไหม้หลัก ดังนั้นวัสดุที่ใช้ทำฝาสูบจึงต้องมีความทนทานต่ออุณภูมิความร้อนที่สูงถึงประมาณ 2,700 องศาเซลเซียส และความดันที่สูงถึง 600 กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตรได้เป็นอย่างดี

ฝาสูบที่ใช้กับเครื่องยนต์แก๊สโซลีนและดีเซล สามารถแบ่งตามลักษณะของการระบายความร้อนได้เป็น 2 ชนิดคือ 7.1.1 ฝาสูบที่ใช้กับเครื่องยนต์ที่หล่อเย็นด้วยน้ำ จะถูกออกแบบให้บรรจุช่องทางเดินของน้ำหล่อเย็นไว้ที่ฝาสูบ เพื่อให้น้ำหล่อเย็นไหลหมุนเวียนจากเสื้อสูบผ่านฝาสูบระบายความร้อนได้อย่างต่อเนื่อง ปัจจุบันฝาสูบชนิดนี้ส่วนใหญ่จะทำจากโลหะประเภทอะลูมิเนียม อัลลอย (aluminium alloy) แต่ยังมีฝาสูบที่ทำจากเหล็กหล่อบ้างเช่นกัน

ฝาสูบเครื่องยนต์ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ

7.1.2 ฝาสูบที่ใช้กับเครื่องยนต์ที่หล่อเย็นด้วยอากาศ ส่วนมากจะทำมาจากโลหะประเภทอะลูมิเนียมอัลลอย ซึ่งมีคุณสมบัติในการระบายความร้อนได้ดีและมีน้ำหนักเบา ที่ฝาสูบจะมีครีบ (fin) อยู่รอบๆซึ่งจะทำหน้าที่ในการระบายความร้อนให้กับเครื่องยนต์ ส่วนเครื่องยนต์ดีเซลซึ่งมีอัตราส่วนการอัดภายในกระบอกสูบที่สูงกว่าเครื่องยนต์แก๊สโซลีน ดังนั้นฝาสูบจึงต้องทำจากเหล็กหล่อชนิดพิเศษที่มีโครงสร้างแข็งแรงทนทานต่อแรงดันที่เกิดจากการเผาไหม้ในกระบอกสูบและการสั่นสะเทือน อย่างไรก็ตามฝาสูบที่ใช้กับเครื่องยนต์ดีเซลจะต้องมีสตัดที่ใช้ยึดฝาสูบกับเสื้อสูบที่มากกว่าเครื่องยนต์แก๊สโซลีน

7.2 เสื้อสูบ เสื้อสูบ (engine block) เป็นชิ้นส่วนที่สำคัญของเครื่องยนต์ ซึ่งเสื้อสูบนี้จะทำหน้าที่ในการรองรับชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องยนต์ทั้งหมด วัสดุที่ใช้ผลิตเสื้อสูบจะทำจากโลหะประเภทเหล็กหล่อแกรไฟต์ขาว (GG25) เหล็กหล่อผสมแกรไฟต์นี้จะมีคุณสมบัติพิเศษในการลดความฝืดและการ สึกหรอได้ดี แต่ในปัจจุบันได้มีการผลิตเสื้อสูบที่ทำจากโลหะประเภทอะลูมิเนียมอัลลอยซึ่งมีคุณสมบัติในการระบายความร้อนได้ดีและมีน้ำหนักเบา ซึ่งจะดีกว่าเสื้อสูบเหล็กหล่อ กระบอกสูบที่บรรจุในเสื้อสูบจะต้องผ่านกรรมวิธีชุบแข็งพิเศษเพื่อลดการสึกหรอและความฝืดให้น้อยลง และที่เสื้อสูบนี้ยังถูกออกแบบให้มีห้องสำหรับบรรจุเพลาข้อเหวี่ยงและช่องทางเดินของน้ำหล่อเย็น เพื่อให้น้ำหล่อเย็นไหลผ่านหล่อเย็นรอบ ๆ กระบอกสูบ

แสดงเสื้อสูบ ปลอกสูบ และปะเก็นฝาสูบ แสดงเสื้อสูบ ปลอกสูบ และปะเก็นฝาสูบ

7.3 กระบอกสูบ กระบอกสูบ (cylinder) เป็นส่วนหนึ่งของห้องเผาไหม้ ภายในกระบอกสูบจะมีลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นและลงตามกลวัตรของการทำงาน กระบอกสูบจะมีลักษณะรูปร่างเป็นทรงกระบอกผิวมันเรียบ ทนแรงเค้น แรงดัน และอุณหภูมิความร้อนจากการเผาไหม้ได้ดี วัสดุที่ใช้ทำกระบอกสูบส่วนใหญ่จะทำจากเหล็กหล่อผสมแกรไฟต์หรือโครเมียม ซึ่งจะมีประสิทธิภาพในการทนการสึกหรอและความฝืดได้ดี

กระบอกสูบ

การออกแบบกระบอกสูบจะมีลักษณะที่แตกต่างกัน ทั้งนี้จะขึ้นอยู่กับการระบายความร้อน โครงสร้างและการใช้งานของเครื่องยนต์ดังนี้ 1. กระบอกสูบแบบหล่อเป็นหน่วยเดียวกัน ลักษณะของกระบอกสูบแบบนี้ถูกหล่อขึ้นเป็นหน่วยเดียวกับเสื้อสูบ วัสดุที่ใช้ทำกระบอกสูบจึงเป็นโลหะชนิดเดียวกับเสื้อสูบ มีความคงทนต่อการสึกหรอ ส่วนใหญ่ผลิตขึ้นใช้กับเครื่องยนต์ที่มีจำนวนสูบหลายสูบ กระบอกสูบแบบหล่อเป็นหน่วยเดียวกันกับเสื้อสูบจึงมีประสิทธิภาพในการระบายความร้อนได้ดี ถ้ากระบอกสูบสึกหรอ หรือเป็นรอย สามารถทำการคว้านได้ ขั้นละ 0.02 นิ้ว จนถึงสูงสุด 0.060 นิ้ว ดังนั้นขนาดของลูกสูบจึงต้องเปลี่ยนไปตามขนาดของกระบอกสูบที่โตขึ้น ซึ่งเรียกว่า ขนาดโอเวอร์ไซส์ (oversize)

2. กระบอกสูบแบบแยกเฉพาะสูบ เป็นกระบอกสูบที่สามารถถอดเปลี่ยนออกได้เฉพาะสูบนั้น ๆ วัสดุที่ใช้จะทำมาจากโลหะประเภทอะลูมิเนียมอัลลอย ซึ่งประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนและลดการสึกหรอได้สูง เครื่องยนต์ที่ใช้กระบอกสูบแบบนี้ส่วนมากจะใช้กับเครื่องยนต์ประเภทระบายความร้อนด้วยอากาศ ดังนั้น โดยรอบของกระบอกสูบจึงมีครีบสำหรับถ่ายเทความร้อนจากกระบอกสูบ

7.4 ปลอกสูบ ปลอกสูบ (liner) ทำหน้าที่เช่นเดียวกับกระบอกสูบ มีลักษณะเป็นรูปทรงกระบอก การติดตั้งจะใช้วิธีสวมอัดเข้ากับเสื้อสูบ จะสามารถเปลี่ยนออกได้เมื่อเกิดการสึกหรอ โลหะที่ใช้ทำปลอกสูบจะทำจากเหล็กหล่อผสมหรืออะลูมิเนียมอัลลอยซึ่งมีคุณสมบัติที่ทนการสึกหรอได้สูง

ปลอกสูบ

7.5 ลูกสูบ ลูกสูบ (piston) ทำหน้าที่เคลื่อนที่ขึ้นและลงภายในกระบอกสูบเพื่อให้การทำงานของเครื่องยนต์เป็นไปตามกลวัตรของการทำงานในจังหวะดูด-อัดไอดีและขับไล่ไอเสีย นอกจากที่กล่าวมาข้างต้นแล้ว ลูกสูบยังมีหน้าที่ป้องกันกำลังดันไม่ให้รั่วลงสู่ห้องเพลาข้อเหวี่ยงได้ ดังนั้นลูกสูบที่ผลิตใช้กับเครื่องยนต์จึงต้องมีคุณสมบัติที่ทนต่อแรงเค้นและแรงดันที่เกิดขึ้นบนหัวลูกสูบ ซึ่งกำลังดันที่เกิดขึ้นนี้จะสูงมาก และความร้อนที่ลูกสูบได้รับจะมีอุณหภูมิประมาณ 2,000 ถึง 2,500 องศาเซลเซียสที่กระทำกับลูกสูบอยู่ตลอดเวลา ด้วยเหตุนี้ลูกสูบจึงต้องทำจากโลหะผสมอะลูมิเนียมซึ่งมีน้ำหนักเบา แต่มีประสิทธิภาพในการระบายความร้อนที่ดีกว่าโลหะชนิดอื่น ๆ

ลูกสูบที่นำมาใช้กับเครื่องยนต์โดยทั่วไปจะแยกส่วนประกอบออกเป็น 3 ส่วนด้วยกันคือ หัวลูกสูบ ร่องแหวนลูกสูบ และกระโปรงลูกสูบ ซึ่งแต่ละส่วนของลูกสูบก็ยังมีส่วนประกอบที่สำคัญดังต่อไปนี้

1. หัวลูกสูบ (Piston Head) เป็นส่วนที่อยู่บนสุดของลูกสูบ ที่บริเวณหัวลูกสูบนี้ยังเป็นส่วนหนึ่งของห้องเผาไหม้ซึ่งจะได้รับแรงกดกันและอุณหภูมิจากการเผาไหม้โดยตรง นอกกจากนี้หัวลูกสูบยังมีลักษณะการออกแบบที่แตกต่างกัน เช่น แบบราบ แบบโค้งเว้า และแบบนูน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการนำไปใช้เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพในการเผาไหม้ได้สูง แต่ก็มีลูกสูบบางแบบที่หัวลูกสูบจะออกแบบให้มีลักษณะเว้าลงเป็นเบ้า ทั้งนี้เพื่อจุดประสงค์ในการช่วยให้การคลุกเคล้าของน้ำมันกับอากาศดีขึ้น

หัวลูกสูบ

2. สันลูกสูบ (Rib) ลูกสูบในแต่ละแบบจะต้องมีสันลูกสูบซึ่งจะอยู่ใต้หัวลูกสูบ สันของลูกสูบจะมีไว้สำหรับเสริมความแข็งแรงให้กับลูกสูบเพื่อให้สามารถทนต่อแรงดันจากการเผาไหม้ และยังช่วยการระบายความร้อนจากหัวลูกสูบส่งผ่านไปยังแหวนและกระบอกสูบอีกด้วย 3. ร่องแหวนลูกสูบ (Ring Grooves) ลักษณะของร่องแหวนจะถูกเซาะให้เป็นร่องอยู่ที่ส่วนบนของลูกสูบเป็นที่ติดตั้งของแหวนอัดและแหวนกวาดน้ำมัน ซึ่งจะทำหน้าที่ป้องกันกำลังอัดรั่วและจะกวาดน้ำมันเครื่องที่จะขึ้นไปในห้องเผาไหม้ให้ลงสู่ห้องเพลาข้อเหวี่ยง

ส่วนประกอบของลูกสูบ

4. รูสลักสูบ (Pin Hole) มีไว้เพื่อทำหน้าที่ยึดก้านสูบกับเพลาข้อเหวี่ยงด้วยสลักลูกสูบ รูของสลักลูกสูบจะเจาะไว้ให้อยู่บริเวณกึ่งกลางของลูกสูบ แต่ก็มีลูกสูบบางแบบที่รูสลักลูกสูบถูกเจาะให้เยื้องศูนย์ มีจุดประสงค์เพื่อต้องการให้ลูกสูบลดการเบียดข้างกระบอกสูบในจังหวะอัดและจังหวะระเบิด 5. กระโปรงลูกสูบ (Piston Skirt) กระโปรงลูกสูบเป็นส่วนหนึ่งที่อยู่ตอนล่างรองจากร่องแหวนของลูกสูบกระโปรงลูกสูบทำหน้าที่ให้เกิดการสมดุลระหว่างลูกสูบกับกระบอกสูบ โดยทั่วไปแล้ว การออกแบบของลูกสูบจะออกแบบให้ส่วนบนมีขนาดที่เล็กกว่ากระโปรงลูกสูบ สาเหตุก็เพื่อจัดไว้ให้มีการขยายตัวเมื่อได้รับอุณหภูมิจากการเผาไหม้ในแต่ละครั้ง และช่วยลดเสียงดังจากการที่ลูกสูบตบด้านข้างในระหว่างที่อุ่นเครื่อง ทำให้ลักษณะการออกแบบของลูกสูบมีลักษณะเป็นรูปทรงไข่

7.6 แหวนลูกสูบ แหวนลูกสูบจะติดตั้งไว้ที่ร่องแหวนของลูกสูบ โดยมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางภายนอกที่ใหญ่กว่าลูกสูบเมื่อประกอบเข้ากับลูกสูบ จะมีคุณสมบัติในการขยายตัวและหดตัวได้ดีเมื่อได้รับความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้แต่สิ่งสำคัญก็คือ มันจะต้องแนบสนิทกับผนังกระบอกสูบอยู่เสมอในขณะที่ลูกสูบเคลื่อนตัวขึ้นและลงในกระบอกสูบ แหวนลูกสูบมีหน้าที่สำคัญหลัก ๆ อยู่ 3 ประการก็คือ 1. ป้องกันการรั่วของไอดีและแก๊สที่เกิดจากการเผาไหม้ 2. ช่วยในการระบายความร้อนให้กับลูกสูบ โดยการส่งผ่านไปยังผนังกระบอกสูบเพื่อไปยังน้ำหล่อเย็น 3. ควบคุมการหล่อลื่นของผนังกระบอกสูบกับลูกสูบ โดยแหวนน้ำมันจะทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้น้ำมันเครื่องผ่านลูกสูบเข้าสู่ห้องเผาไหม้

แหวนลูกสูบได้จัดแบ่งตามลักษณะของการใช้งานเป็น 2 ชนิด 1. แหวนอัด (Compression Ring) แหวนอัดจะถูกติดตั้งอยู่ที่ส่วนบนสุดของลูกสูบ ลูกสูบของรถยนต์โดยทั่วไปจะต้องใช้แหวนอัดถึง 2 ตัว เพื่อป้องกันการรั่วของกำลังดันจากการเผาไหม้ ซึ่งเมื่อแหวนอัดตัวแรกนั้นไม่สามารถป้องกันการรั่วของกำลังดันได้ทั้งหมด ดังนั้นแหวนอัดตัวที่ 2 จึงจำเป็นจะต้องช่วยป้องกันการรั่วให้ได้อย่างสมบูรณ์ แต่สำหรับเครื่องยนต์ที่ใช้งานหนัก เช่น เครื่องยนต์ดีเซล จะต้องใช้แหวนอัดที่มากกว่า 2 ตัวขึ้นไป เนื่องจากมีกำลังดันภายในกระบอกสูบที่มากกว่าเครื่องยนต์ธรรมดา

2. แหวนกวาดน้ำมัน (Oil Control Ring) แหวนกวาดน้ำมันจะถูกติดตั้งอยู่ในลำดับที่ 3 รองจากแหวนอัด โดยจะทำหน้าที่ป้องกันปริมาณของน้ำมันเครื่องที่ฉีดไปหล่อลื่นผนังกระบอกสูบ และอีกหน้าที่หนึ่งคือ ป้องกันไม่ให้น้ำมันเครื่องเล็ดลอดขึ้นไปยังห้องเผาไหม้ภายในกระบอกสูบ

ภาพที่ 7.6 แสดงชนิดของแหวนลูกสูบ

7.7 ก้านสูบ ก้านสูบ (connecting rod) จะทำหน้าที่เชื่อมต่อการส่งถ่ายกำลังงานที่เกิดจากการเผาไหม้ภายในกระบอกสูบไปยังเพลาข้อเหวี่ยงเพื่อทำให้เพลาข้อเหวี่ยงหมุน ก้านสูบจะต้องสามารถทนแรงดันและแรงดึงที่เกิดจากความเร็วที่กระทำอย่างต่อเนื่องในขณะเร่งหรือลดความเร็วของเครื่องยนต์ ในทำนองเดียวกัน สลักลูกสูบก็จะได้รับแรงเครียดที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของลูกสูบด้วยเช่นกัน ก้านสูบทำมาจากโลหะประเภทเหล็กกล้าชนิดพิเศษที่ผลิตด้วยกรรมวิธีขึ้นรูป ก้านสูบจะถูกออกแบบให้มีรูปร่างลักษณะเป็นรูปตัวที (T-shape) ประกอบด้วยปลายด้ามเล็ก ซึ่งปลายด้านนี้จะมีขนาดเล็ก เป็นส่วนที่ยึดติดกับลูกสูบด้วยสลักลูกสูบ ภายในจะมีบูชที่ทำจากโลหะทองแดงอัลลอยหรืออะลูมิเนียมสวมอัดไว้ ส่วนปลายอีกด้านหนึ่งจะมีลักษณะที่ใหญ่กว่าปลายด้านเล็ก ปลายด้านนี้ถูกเรียกว่าด้านปลายใหญ่ (big end) หรือปลายเพลาข้อเหวี่ยงที่ปลายด้านใหญ่จะถูกแบ่งออกเป็น 2 ส่วนเพื่อประกอบยึดติดกับเพลาข้อเหวี่ยงด้วยโบลต์

ภาพที่ 7.7 แสดงส่วนประกอบของก้านสูบ

7.8 เพลาข้อเหวี่ยง เพลาข้อเหวี่ยง (crankshaft) เป็นชิ้นส่วนของเครื่องยนต์ที่ทำหน้าที่เปลี่ยนแปลงการส่งถ่ายกำลังงานจากลูกสูบและก้านสูบในทิศทางขึ้นและลง มาเป็นการเคลื่อนที่ในทิศทางการหมุนเป็นวงกลม ดังนั้นจึงทำให้แรงที่ส่งถ่ายออกมาเกิดเป็นแรงบิด แรงบิดส่วนใหญ่จะถูกส่งถ่ายไปยังคลัตช์และเกียร์ตามลำดับ แต่มีแรงบิดจากเพลาข้อเหวี่ยงบางส่วนถูกส่งไปยังเฟืองเพื่อทำหน้าขับกลไกของลิ้น ปั้มน้ำมันเชื้อเพลิง ปั้มน้ำมันเครื่องและจานจ่ายแต่เนื่องจากเพลาข้อเหวี่ยงจะต้องรับโหลดจากการระเบิดและการทำงานของเครื่องยนต์ในขณะเกิดอัตราเร่งและอัตราหน่วงในทุกจังหวะของการทำงาน จึงทำให้เกิดแรงไดนามิกสูง เป็นสาเหตุที่ทำให้เพลาข้อเหวี่ยงเกิดแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง เกิดการสั่น บิดงอ ซึ่งพอจะสังเกตได้จากการสึกหรอของแบริ่งเพลาข้อเหวี่ยง

ดังนั้นเพลาข้อเหวี่ยงจึงต้องผลิตจากโลหะประเภทไนไตรด์หรือจากเหล็กหล่อผสมแกรไฟต์กลมโดยผ่านกรรมวิธีการตีขึ้นรูปและชุบแข็งด้วยความร้อนจึงทำให้มันมีคุณสมบัติในการดูดซับการสั่นสะเทือนได้ดี จากสาเหตุที่กล่าวไปแล้วข้างต้นเพลาข้อเหวี่ยงที่ใช้กับเครื่องยนต์ขนาดใหญ่จึงผลิตขึ้นเป็นชิ้นเดียวกันประกอบด้วยข้อเมนหลักซึ่งแต่ละข้อจะมีแขนของเพลาข้อเหวี่ยงประกอบอยู่ข้อก้านสูบจะติดตั้งอยู่ที่เพลาข้อเหวี่ยงในลักษณะเยื้องศูนย์กับตุ้มถ่วงน้ำหนักเพื่อลดการไม่สมดุลในขณะหมุนและที่เพลาข้อเหวี่ยงนี้จะมีรูน้ำมันที่เจาะไว้ตลอดทั้งเพลาเพื่อให้น้ำมันเครื่องสามารถหล่อลื่นเข้าเมนหลักแบริ่งก้านสูบและสลักลูกสูบ เป็นต้น

แสดงส่วนประกอบของเพลาข้อเหวี่ยง

7.9 แบริ่งเพลาข้อเหวี่ยง แบริ่งเพลาข้อเหวี่ยง (main bearing) แบริ่งเพลาข้อเหวี่ยงทำหน้าที่รองรับระหว่างเพลาข้อเหวี่ยงกับเสื้อสูบ เช่นเดียวกับแบริ่งก้านสูบ ซึ่งจะมีลักษณะรูปร่างเป็นแบริ่งแบบโค้งเปลือกหอย แยกออกเป็นสองส่วนและจะประกบเข้าด้วยโบลต์ แต่แบริ่งแบบนี้เป็นแบริ่งชนิดฝืด (friction bearing) จึงย่อมมีการสึกหรอที่สูง ดังนั้นคุณสมบัติที่สำคัญก็คือ จะต้องทนการสึกหรอและมีประสิทธิภาพในการป้องกันการยึดติดตายได้ดี ด้วยเหตุนี้ผิวหน้าของแบริ่งจึงต้องทำด้วยโลหะชนิดพิเศษซึ่งเมื่อสัมผัสเสียดทานกับเพลาข้อเหวี่ยงแล้วจะไม่ทำให้เพลาข้อเหวี่ยงสึกหรอนอกเหนือจากการหล่อลื่นด้วยน้ำมันเครื่องปกติ

7.10 ล้อช่วยแรง ล้อช่วยแรง (flywheel) เป็นชิ้นส่วนของเครื่องยนต์ที่ทำหน้าที่รับแรงหมุนจากการถ่ายทอดกำลังจากลูกสูบผ่านเพลาข้อเหวี่ยงในจังหวะจุดระเบิด และยังคงหมุนต่อไปจากแรงเฉื่อยอย่างต่อเนื่องในจังหวะอื่น ๆ เพื่อให้เครื่องยนต์นั้นทำงานได้อย่างราบเรียบ แต่อย่างไรก็ตาม ในจังหวะของการทำงานนั้น ๆ กำลังของเครื่องยนต์ก็จะต้องสูญเสียไปกับความฝืดและแรงเฉื่อยด้วยเช่นกัน ล้อช่วยแรงทำจากโลหะประเภทเหล็กกล้าหรือเหล็กหล่อชนิดพิเศษ โดยที่ล้อช่วยแรงจะมีฟันเฟืองอยู่รอบ ๆ ของขอบล้อ ทั้งนี้เพื่อให้ฟันเฟืองขับของมอเตอร์สตาร์ทขบให้ล้อช่วยแรงหมุนในขณะที่เครื่องยนต์เริ่มติดเครื่อง ซึ่งนอกจากหน้าที่ในการรับแรงหมุนจากเพลาข้อเหวี่ยงแล้ว ล้อช่วยแรงจะยังทำหน้าที่ในการถ่ายทอดแรงบิดผ่านคลัตช์ไปยังกระปุกเกียร์อีกด้วย

ภาพที่ 7.9 แสดงส่วนประกอบของล้อช่วยแรง

ล้อช่วยแรง

7.11 เพลาลูกเบี้ยว เพลาลูกเบี้ยว (camshaft) เป็นชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่และเป็นส่วนหนึ่งของเครื่องยนต์ที่ทำหน้าที่ควบคุมการเปิด-ปิดของลิ้นไอดีและไอเสีย ด้วยลูกเบี้ยวให้มีความสัมพันธ์ตามกลวัตรการทำงานของเครื่องยนต์ 4 จังหวะ ลูกเบี้ยวจะหมุนเป็นอัตราความเร็ว ½ เท่า ของความเร็วเพลาข้อเหวี่ยง ดังนั้นจึงทำให้เฟืองขับของเพลาลูกเบี้ยวมีจำนวนฟันเฟืองมากเป็น 2 เท่า ของฟันเฟืองขับของเพลาข้อเหวี่ยง เพลาลูกเบี้ยวผลิตขึ้นจากโลหะประเภทเหล็กหล่อแกรไฟต์กลมชุบแข็งที่มีความทนทานต่อการบิดงอและชุบแข็งเพื่อเป็นการลดการสึกหรอให้น้อยลง ผิวของลูกเบี้ยวจึงต้องผ่านกรรมวิธีชุบแข็ง

ภาพที่ 7.10 แสดงกลไกการทำงานของเพลาลูกเบี้ยว

7.12 ลิ้นและชิ้นส่วนกลไกของลิ้น ในเครื่องยนต์แก๊สโซลีนและเครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะ แต่ละสูบจะต้องประกอบด้วยลิ้นไอดีและลิ้นไอเสียอย่างละหนึ่งตัว หัวลิ้นและก้านลิ้นจะต้องมีขนาดที่ใหญ่โตและยาวพอที่จะเปิดบรรจุไอดีและระบายไอเสีย เข้า-ออก ได้อย่างเต็มที่และจะต้องสามารถทนแรงดันไอเสียที่กระทำอยู่ตลอดเวลาเมื่อลิ้นไอเสียเปิด ซึ่งเป็นผลมาจากการขับไล่ไอเสียให้ออกไปจากห้องเผาไหม้ได้ ลิ้นไอเสียจะมีขนาดเล็กกว่าลิ้นไอดี เพราะว่าการเผาไหม้ภายในกระบอกสูบจะมีแรงดันทำให้แก๊สไอเสียถูกระบายออกไปอย่างรวดเร็ว แต่เมื่อถึงจังหวะที่ลิ้นไอดีเปิดดูดไอดีเข้ากระบอกสูบ ก็จะมีเพียงแรงดันจากบรรยากาศภายนอกเท่านั้น ดังนั้นลิ้นไอดีจึงจำเป็นต้องมีขนาดที่โตกว่าลิ้นไอเสีย ทั้งนี้ก็เพื่อบรรจุไอดีเข้าในกระบอกสูบได้อย่างเต็มที่ ด้วยสาเหตุนี้ ในเครื่องยนต์ที่ต้องการให้สมรรถนะสูงขึ้นในแต่ละสูบ จึงได้เพิ่มจำนวนลิ้นไอดีและลิ้นไอเสียให้มากขึ้น

ลิ้นของเครื่องยนต์ประกอบด้วยหัวลิ้น หน้าลิ้น และก้านลิ้น หน้าลิ้นจะเอียงทำมุม 45 ถึง 45.5 องศา เมื่อลิ้นปิดสนิทบนบ่าลิ้น จะทำให้ลิ้นสามารถป้องกันการรั่วของกำลังอัดภายในกระบอกสูบได้ดี ดังนั้น หน้าสัมผัสของหน้าลิ้นในขณะที่ทำงานจะต้องหมุนบดให้หน้าสัมผัสของลิ้นกับบ่าลิ้นสัมผัสกันอย่างสนิท ที่ปลายสุดของก้านลิ้นจึงทำให้เป็นร่องไว้เพื่อติดตั้งประกับลิ้น ซึ่งเป็นชิ้นส่วนที่ล็อกกดสปริงลิ้นและตัวรองรับสปริงไม่ให้หลุดออกจากลิ้น

ภาพที่ 7.11 ลิ้นและชิ้นส่วนกลไกของลิ้น

7.12.1 ประกับล็อคสปริงลิ้น (valve spring retainer) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้สำหรับยึดลิ้นและแผ่นรองรับสปริงไม่ให้หลุดออกจากบ่าลิ้นในขณะที่เครื่องยนต์ทำงาน 7.12.2 บ่าลิ้น (valve seat) จะถูกสวมอัดอยู่ในฝาสูบ เมื่อลิ้นปิด หน้าสัมผัสของลิ้นจะสนิทแนบกับบ่าลิ้นเพื่อทำหน้าที่ป้องกันการรั่วของไอดี และยังช่วยระบายความร้อนให้กับลิ้นไปยังระบบระบายความร้อน 7.12.3 ปลอกนำลิ้น (valve guide) ทำหน้าที่ให้ลิ้นเลื่อนขึ้น-ลงที่ฝาสูบได้ถูกต้องตามจังหวะการทำงาน 7.12.4 อุปกรณ์ยกลิ้น (valve lifter) ทำหน้าที่เปิดและปิดลิ้นโดยได้รับการส่งถ่ายกำลังจากเพลาลูกเบี้ยวด้านข้างหรือเครื่องยนต์บางแบบที่ใช้เพลาลูกเบี้ยวจัดวางไว้บนฝาสูบโดยตรง

อุปกรณ์ยกลิ้นที่ใช้กับเครื่องยนต์โดยทั่วไปจะถูกจัดแบ่งออกได้ 2 แบบ คือ 1. แบบกลไก ประกอบด้วย ลูกกระทุ้ง (tappet) รูปร่างเป็นทรงกระบอก จะสัมผัสอยู่บนลูกเบี้ยว การทำงานจะเคลื่อนตัวขึ้น-ลงอยู่ในปลอกของเสื้อสูบ ลูกกระทุ้งจะทำงานก็ต่อเมื่อเพลาลูกเบี้ยวหมุนเท่านั้น ก้านกระทุ้ง (push rod) มีลักษณะเป็นแท่งขนาดเล็ก และจะทำงานถ่ายทอดการเคลื่อนที่จากลูกกระทุ้งไปยังกระเดื่องกดลิ้น กระเดื่องกดลิ้น (rocker arm) มีลักษณะเป็นก้านโยก ตรงกลางจะถูกเจาะเป็นรูไว้สวมเพลา ปลายด้านหนึ่งจะถูกยกขึ้นโดยก้านกระทุ้งและปลายอีกด้านหนึ่งจะกดลิ้นลิ้นให้เปิดปิด และกระเดื่องกดลิ้นด้านปลายที่รับแรงส่งถ่ายจากก้านกระทุ้งจะมีสกรูไว้สำหรับตั้งระยะห่างของลิ้น แต่อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบันเครื่องยนต์บางแบบได้นำเพลาลูกเบี้ยวติดตั้งไว้บนฝาสูบเพื่อเปิด-ปิดลิ้นโดยตรง (direct valve) ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียการส่งถ่ายกำลังจากเพลาลูกเบี้ยวอีกวิธีหนึ่ง

2. แบบไฮดรอลิก ประกอบด้วยลูกกระทุ้งไฮดรอลิกที่สามารถปรับระยะช่องว่างของลิ้นให้มีระยะห่างเป็นศูนย์ตลอดเวลา ซึ่งทำให้ไม่ต้องปรับตั้งระยะช่องว่างของลิ้น นอกจากนี้ยังช่วยลดเสียงดังที่เกิดจากระยะช่องว่างของลิ้น ซึ่งปัจจุบันได้นำเข้ามาใช้แทนลูกกระทุ้งแบบกลไก

7.13 ท่อร่วมไอดี ท่อร่วมไอดี (intake manifold) ทำหน้าที่แจกจ่ายส่วนผสมไอดีจากคาร์บูเรเตอร์ ส่วนเครื่องยนต์ดีเซลจะดูดอากาศบริสุทธิ์แยกเข้าสู่กระบอกสูบในแต่ละสูบให้มีปริมาณที่เท่ากัน ไอดีจะสามารถไหลผ่านเข้ากระบอกสูบในแต่ละสูบได้จากการเกิดสุญญากาศที่เกิดขึ้นภายในกระบอกสูบ ท่อร่วมไอดีทำมาจากอะลูมิเนียมอัลลอย เนื่องจากมีประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนได้ดีกว่าโลหะชนิดอื่น

7.14 ท่อร่วมไอเสีย ท่อร่วมไอเสีย (exhaust manifold) ทำหน้าที่ระบายแก๊สไอเสียที่เกิดจากการเผาไหม้ในกระบอกสูบของแต่ละสูบเพื่อส่งผ่านไปยังท่อไอเสีย ขนาดความโตของท่อร่วมไอเสียจะต้องมีขนาดที่พอเหมาะที่จะทำให้ไอเสียไหลผ่านได้สะดวกโดยไม่ทำให้เกิดแรงดันไหลย้อนกลับขึ้น ซึ่งจะมีผลทำให้ไอเสียระบายออกจากกระบอกสูบได้ยากเป็นสาเหตุให้เครื่องยนต์มีกำลังลดลง ท่อร่วมไอเสียส่วนมากทำมาจากโลหะประเภทเหล็กหล่อ ทั้งนี้เพื่อให้ทนความร้อนจากแก๊สไอเสียได้

7.15 อ่างน้ำมันเครื่อง อ่างน้ำมันเครื่อง (oil pan) จะถูกติดตั้งให้อยู่ตอนล่างของเสื้อสูบหรือห้องเพลาข้อเหวี่ยง โดยที่อ่างน้ำมันเครื่องจะยิดติดกับห้องเพลาข้อเหวี่ยงด้วยสลักเกลียว และประสานให้ติดกันด้วยปะเก็นไม้ก๊อก หรือปะเก็นเหลวเพื่อป้องกันการรั่วซึมของน้ำมันเครื่อง อ่างน้ำมันเครื่องทำจากเหล็กแผ่นขึ้นรูป ภายในอ่างน้ำมันจะมีแผ่นเหล็กกันไม่ให้น้ำมันเครื่องกระฉอกไป-มาในขณะรถวิ่งหรือหยุดในทันที ซึ่งจากสาเหตุนี้จึงทำให้ปั๊มน้ำมัน เครื่อง สามารถที่จะจ่ายน้ำมันไปหล่อลื่นชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องยนต์ไดอย่างเพียงพอ และที่อ่างน้ำมันบางแบบจะมีตะแกรงกรองเศษโลหะ-เศษผงก่อนส่งผ่านไปยังปั๊มอีกทีหนึ่ง

7.16 ปะเก็นฝาสูบ ปะเก็นฝาสูบ (gasket) ถูกติดตั้งในตำแหน่งที่อยู่ระหว่างฝาสูบกับเสื้อสูบ ทำหน้าที่ป้องกันแก๊สที่เกิดจากการเผาไหม้รั่วไหลออกมาได้ และนอกจากนี้ปะเก็นฝาสูบยังจะต้องมีความคงทนต่อความร้อนและแรงกดดันได้ทุกระดับขออุณหภูมิ ปะเก็นฝาสูบที่ใช้มีอยู่หลายแบบ แต่ละแบบจะประกอบด้วยใยหิน เหล็กกล้า ทองแดงและยางเป็นโครงสร้างหลัก

7.17 ระบบสตาร์ทของเครื่องยนต์ เครื่องยนต์แก๊สโซลีนและเครื่องยนต์ดีเซลจะไม่สามารถติดเครื่องได้ด้วยตนเอง มันจะหมุนได้ด้วยการใช้มือหมุน ใช้เชือกดึง และปัจจุบันได้ใช้มอเตอร์ไฟฟ้าร่วมกับสวิตซ์แม่เหล็ก เพื่อเลื่อนเฟืองขับให้เข้าไปขบกับล้อช่วยแรงทำให้เครื่องยนต์ติด ซึ่งเรียกว่า มอเตอร์สตาร์ท เป็นอุปกรณ์เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานกลมันจะทำหน้าที่หมุนเครื่องยนต์ให้เกิดความเร็วจนครบกลวัตรของการทำงานของเครื่องยนต์จนเครื่องยนต์ติดได้ ความเร็วในการหมุนที่พอจะทำให้เครื่องยนต์ติดได้นั้นขึ้นอยู่กับขนาดหรือแบบของเครื่องยนต์และสภาพของการทำงาน

ภาพที่ 7.12 ระบบสตาร์ทของเครื่องยนต์

7.18 ระบบจุดระเบิด ในเครื่องยนต์แก๊สโซลีน พลังงานจะเกิดขึ้นได้โดยการเผาไหม้ของไอดีที่ถูกอัดปริมาตรด้วยลูกสูบในกระบอกสูบ แล้วเกิดการลุกไหม้ขึ้นจากประกายไฟแรงสูงของหัวเทียน ซึ่งเป็นแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าแรงสูง ประกายไฟที่เกิดขึ้นในกระบอกสูบเกิดจากการเพิ่มแรงเคลื่อนไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ ซึ่งมันจะเพิ่มได้สูงถึง 18 กิโลโวลต์ เพื่อให้เกิดการลุกไหม้ได้อย่างรวดเร็ว ดังนั้นระบบจุดระเบิดจึงมีหน้าที่จ่ายประกายไฟแรงสูงเพื่อจุดระเบิดไอดีภายในกระบอกสูบตามจังหวะของการจุดระเบิดของเครื่องยนต์

ภาพที่ 7.13 ระบบจุดระเบิดของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน

7.19 ระบบประจุไฟฟ้า (ไดนาโม) 7.19 ระบบประจุไฟฟ้า (ไดนาโม) แบตเตอรี่ที่ใช้ในรถยนต์มีหน้าที่จ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ภายในรถยนต์ เช่น มอเตอร์สตาร์ท ไฟหน้า เครื่องปรับอากาศรถยนต์ และที่ปัดน้ำฝน แต่อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ก็มีขีดจำกัดในเรื่องประจุไฟฟ้า ทำให้มันไม่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าอุปกรณ์ต่าง ๆ อย่างต่อเนื่องได้ ดังนั้นจึงมีความจำเป็นที่จะต้องประจุกระแสไฟฟ้าให้มีอยู่อย่างเพียงพอเสมอ เพื่อที่จะสามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่อง ด้วยเหตุนี้รถยนต์จึงต้องมีระบบประจุไฟให้กับแบตเตอรี่และรักษาแบตเตอรี่ให้มีกระแสไฟฟ้าที่มีปริมาณพอที่จะจ่ายไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่อง นอกจากนี้มันจะต้องจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ต่าง ๆ ในรถยนต์ที่ต้องการพลังงานไฟฟ้าในขณะเครื่องยนต์ทำงานอีกทางหนึ่งด้วย

7.20 ระบบระบายความร้อน ระบบระบายความร้อนของเครื่องยนต์แก๊สโซลีนและเครื่องยนต์ดีเซลถูกออกแบบเพื่อทำหน้าที่ควบคุมอุณหภูมิความร้อนของเครื่องยนต์ให้มีความเหมาะสมกับการทำงาน ความร้อนที่เครื่องยนต์ดูดกลืนไว้จึงต้องถูกถ่ายเทออกไปจากเครื่องยนต์ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง ดังนั้นอุปกรณ์ต่าง ๆ ของระบบระบายความร้อนจึงช่วยควบคุมอุณหภูมิของชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องยนต์ให้มีอุณหภูมิคงที่ แต่อย่างไรก็ตาม ในบางครั้งการทำงานของระบบจะไม่ทำงานสมบูรณ์เต็มที่นักในขณะที่เครื่องยนต์มีอุณหภูมิที่ยังต่ำอยู่หรืออุ่นเครื่องยนต์

ภาพที่ 7.14 ระบบระบายความร้อนของเครื่องยนต์

7.21 ระบบหล่อลื่น เครื่องยนต์มีโครงสร้างส่วนใหญ่มาจากโลหะ เมื่อเกิดการเสียดสีกันขึ้นจะทำให้เกิดการสึกหรอ กำลังงานสูญเสียและเกิดความร้อน ดังนั้น เพื่อเป็นการลดปัญหาที่เกิดขึ้น น้ำมันเครื่องจึงถูกจ่ายให้ไปหล่อลื่นชิ้นส่วนต่าง ๆ ของเครื่องยนต์ เพื่อป้องกันปัญหาที่เกิดขึ้น ด้วยเหตุนี้ เครื่องยนต์แก๊สโซลีนและเครื่องยนต์ดีเซลจึงต้องมีระบบหล่อลื่น เพื่อทำหน้าที่ส่งจ่ายน้ำมันเครื่องไปหล่อลื่นชิ้นส่วนต่าง ๆ เป็นการยืดอายุการใช้งานของเครื่องยนต์ให้มีระยะเวลาในการใช้งานที่ยาวนานกว่าปกติ และยังช่วยระบายความร้อนให้กับชิ้นส่วนของเครื่องยนต์ควบคู่ไปกับระบบหล่อเย็น ระบบหล่อลื่นประกอบด้วย อ่างน้ำมันเครื่อง ปั๊มน้ำมันเครื่อง ลิ้นลดแรงดัน กรองน้ำมันเครื่อง เครื่องระบายความร้อน เกจ์วัดแรงดัน เป็นต้น

ระบบหล่อลื่น

7.22 ระบบเชื้อเพลิง ระบบเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน และเครื่องยนต์ดีเซลทำหน้าที่จ่ายเชื้อเพลิงเข้าภายในห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ เพื่อทำให้เกิดการเผาไหม้และกำลังงานในทุกย่านความเร็วของเครื่องยนต์ในจังหวะที่ถูกต้อง

เครื่องยนต์แก๊สโซลีนและเครื่องยนต์ดีเซลย่อมมีความต้องการปริมาณเชื้อเพลิงในปริมาณที่แตกต่างกัน คือ 1. เมื่อสตาร์ทเครื่องยนต์ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องมีไอดีที่หนา เพื่อให้การสตาร์ทมีประสิทธิภาพที่ดีขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีอุณหภูมิที่ต่ำ เนื่องจากอากาศมีความหนาแน่นที่สูง และน้ำมันเชื้อเพลิงระเหยกลายเป็นไอได้ยาก 2. ในขณะที่เครื่องยนต์มีความเร็วรอบและอุณหภูมิที่ต่ำ น้ำมันเชื้อเพลิงจะเป็นไอระเหยที่ไม่ดีนัก ดังนั้นจึงต้องการเชื้อเพลิงที่มากกว่าเช่นเดียวกับการสตาร์ท 3. ขณะเร่งความเร็ว เมื่อเร่งความเร็วจากความเร็วต่ำ ทำให้ปริมาณของอากาศเพิ่มขึ้นทันที แต่น้ำมันเชื้อเพลิงมีน้ำหนักที่มากกว่าอากาศ เป็นสาเหตุให้เกิดความล่าช้าในการจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิงและการลุกไหม้ของเชื้อเพลิงในชั่วขณะหนึ่ง 4. เมื่อใช้กำลังงานสูง ในขณะที่ขับขี่รถยนต์บนทางเรียบในความเร็วสูง ไอดีจะบางมากเมื่อแซงรถคันอื่น จึงเป็นสาเหตุให้โหลดของเครื่องยนต์เพิ่มมากขึ้น กำลังงานไม่เพียงพอ ดังนั้นเครื่องยนต์แก๊สโซลีนที่ใช้คาร์บูเรเตอร์จึงจำเป็นต้องมีวงจรกำลังเพื่อเพิ่มปริมาณเชื้อเพลิงเพื่อให้ไอดีหนา

ระบบเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์แก๊สโซลีนและเครื่องยนต์ดีเซลมีส่วนประกอบที่แตกต่างกันดังนี้ 1. ระบบเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์แก๊สโซลีน ประกอบด้วย ถังน้ำมันเชื้อเพลิง ท่อทางเดินน้ำมันเชื้อเพลิง ไส้กรองเชื้อเพลิง ปั๊มน้ำมันเชื้อเพลิง และคาร์บูเรเตอร์ 2. ระบบเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ดีเซล ประกอบด้วย ถังน้ำมันเชื้อเพลิง ปั๊มมือ ปั๊มแรงดันต่ำ หม้อดักน้ำ กรองเชื้อเพลิง ปั๊มฉีดเชื้อเพลิง หัวฉีด ท่อน้ำมันแรงดันสูง และท่อน้ำมันไหลกลับ

วันนี้ พอแค่นี้ก่อนนะ