หลักการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินและดีเซลแบบพื้นฐาน

ในรถยนต์ระบบสันดาปภายใน (Internal Combustion Engine : ICE) ที่เราใช้งานกันอยู่ในปัจจุบันนั้น แบ่งเป็นหลัก ๆ ได้ 2 แบบใหญ่ ๆ คือ เครื่องยนต์เบนซินและเครื่องยนต์ดีเซล ซึ่งเครื่องยนต์ทั้ง 2 แบบนี้ ถึงแม้ว่าหลักการทำงานจะคล้ายกัน แต่ไม่เหมือนกันเสียทีเดียว ทำให้ทั้ง 2 แบบไม่สามารถสลับกันใช้งานเชื้อเพลิงได้ เพื่อให้หายสงสัยว่าทำเครื่องยนต์ทั้ง 2 แบบ ทำงานแตกต่างกันอย่างไรถึงไม่สามารถใช้น้ำมันผิดประเภทไ

เครื่องยนต์เบนซิน
ชิ้นส่วนภายในเครื่องยนต์เบนซินนั้น มีอยู่มากมายหลายพันชิ้น แต่จะขอยกชิ้นส่วนหลักที่คอยทำงานในการจุดระเบิดเพื่อให้เครื่องยนต์ทำงาน และส่งแรงไปยังล้อเพื่อให้รถขับเคลื่อนได้ จะประกอบไปด้วย

- กระบอกสูบ เป็นเหมือนห้องที่เอาไว้ใช้ในการจุดระเบิดที่อยู่ภายในเสื้อสูบ เป็นที่อยู่เอาไว้ให้ลูกสูบขยับตัวขึ้นลงตามจังหวะการทำงานได้
- ลูกสูบ เป็นอุปกรณ์ที่คอยทำหน้าที่อัดอากาศและรองรับแรงจุดระเบิดภายในกระบอกสูบ วิ่งขึ้นลงตามจังหวะการจุดระเบิด
- วาล์วไอดี เป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ในการเปิด-ปิดรับอากาศดี หรือออกซิเจนเพื่อเข้าไปใช้ในการจุดระเบิดภายในกระบอกสูบ

- วาล์วไอเสีย เป็นอุปกรณ์ที่คอยเปิด-ปิดเพื่อระบายอากาศเสียหลังจากการจุดระเบิดให้ออกมาจากกระบอกสูบ เพื่อทำการจุดระเบิดในรอบใหม่
- หัวฉีด ทำหน้าที่คอยฉีดน้ำมันเข้าสู่กระบอกสูบ เพื่อทำการเผาไหม้ให้เกิดความร้อนจนไปผลักลูกสูบให้ขยับได้ โดยจะทำการฉีดภายในท่อไอดีที่อยู่หน้าวาล์วไอดี ก่อนที่จะเข้ากระบอกสูบ แต่ถ้าเป็นเครื่องยนต์เบนซินแบบ GDI จะฉีดตรงเข้ากระบอกสูบเลย

- หัวเทียน ทำหน้าที่คอยจุดประกายไฟ เพื่อให้น้ำมันเบนซินที่ถูกฉีดเข้าไปผสมกับอากาศติดไฟขึ้นมา
- ก้านสูบ จะเชื่อมต่อกันระหว่างลูกสูบกับเพลาข้อเหวี่ยง เพื่อส่งกำลังจากการขยับของลูกสูบให้ส่งไปยังเพลาข้อเหวี่ยงได้
- เพลาข้อเหวี่ยง ทำหน้าที่รับกำลังจากกระบอกสูบผ่านทางก้านสูบ เพื่อทำให้ตัวเองหมุน แล้วส่งกำลังของตัวเองไปแปลงผ่านทางเกียร์ ส่งกำลังไปสู่ล้ออีกที

การทำงานของเครื่องยนต์เบนซินส่วนใหญ่ในปัจจุบันนั้น จะเป็นรูปแบบการทำงาน 4 จังหวะ  (4 Cycle Gasoline Engine) แบ่งการทำงานเป็น 4 ขั้นตอนใหญ่คือ
1. ดูด คือจังหวะที่ลูกสูบจะทำการดูด "ส่วนผสมไอดี" ที่เป็นการผสมกันระหว่างอากาศจากภายนอกและน้ำมันเบนซินที่ฉีดฝอยออกมาจากหัวฉีด มาผสมกันตามสัดส่วนที่กำหนด แล้วเริ่มทำงานจากจังหวะที่ลูกสูบอยู่ตำแหน่งบนสุดของกระบอกสูบ หรือที่ศัพท์เทคนิคเรียกว่า "ศูนย์ตายบน" จากนั้นลูกสูบจะขยับลงสู่จุดล่างสุดของกระบอกสูบ หรือที่เรียกว่า "ศูนย์ตายล่าง" โดยจังหวะที่ลูกสูบขยับตัวลงมานั้น วาล์วไอดีจะทำการเปิดเพื่อให้ส่วนผสมไอดี เข้ามาอยู่ในกระบอกสูบได้ ส่วนวาล์วไอเสียนั้น จะทำการปิดเพื่อไม่ให้ส่วนผสมไอดีออกจากกระบอกสูบได้

แต่สำหรับเครื่องยนต์เบนซินยุคใหม่ที่เรียกกันว่าเครื่องยนต์แบบ GDI (Gasoline Direct Injection) จะมีการย้ายการฉีดน้ำมันเบนซินจากหน้าวาล์วในท่อไอดี ให้ฉีดเข้าสู่กระบอกสูบโดยตรง ในจังหวะเดียวกับการดูดอากาศดีเข้ามาเลย เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการจุดระเบิด ลดอัตราการใช้น้ำมัน และทำให้การเผาไหม้สมบูรณ์มากขึ้นกว่าแบบเดิม

2. อัด เมื่อกระบอกสูบลงมาจุดล่างสุด ทำให้มีส่วนผสมไอดีสะสมอยู่ในกระบอกสูบได้มากที่สุดแล้ว วาล์วไอดีจะทำการปิด จากนั้นลูกสูบจะขยับตัวขึ้นไปสู่จุดบนสุดอีกครั้ง เพื่ออัดส่วนผสมไอดีให้มีการควบแน่นตามสัดส่วนที่ผู้ผลิตกำหนดเอาไว้ อย่างที่เราเห็นได้ในสเปกของรถยนต์ใหม่ เช่น เครื่องยนต์ของ Toyota Corolla Cross 1.8 Sport มี อัตราส่วนกำลังอัด 10.0:1 นั่นหมายถึงลูกสูบจะทำการอัดส่วนผสมไอดีจาก 10 ส่วน ให้เหลือ 1 ส่วนในการยกตัวจากล่างสุดสู่บนสุด
3. ระเบิด เมื่อลูกสูบยกตัวขึ้นบนสุด จนเกิดอากาศที่อัดเอาไว้เต็มอัตราส่วนแล้ว หัวเทียนจะทำการจุดประกายไฟ เพื่อให้อากาศที่อัดเอาไว้ติดไฟจนเกิดปฏิกิริยาระเบิดขึ้นมา เมื่อเกิดการระเบิด อากาศที่ขยายตัวอย่างรวดเร็วจะทำการผลักให้ลูกสูบกลับเข้าไปสู่ตำแหน่งศูนย์ตายล่างอีกครั้ง
4. คาย เมื่อลูกสูบที่ถูกการจุดระเบิดจนกลับไปอยู่จุดศูนย์ตายล่าง จังหวะที่จะยกตัวขึ้นของลูกสูบไปสู่จุดศูนย์ตายบน วาล์วไอเสียจะทำการเปิดขึ้นมา เพื่อให้ลูกสูบดันเอาอากาศเเสียที่ทำการจุดระเบิดแล้ว วิ่งออกไปทางท่อไอเสีย เพื่อระบายออกสู่ภายนอกต่อไป และเมื่อลูกสูบถึงจุดศูนย์ตายบนแล้ว การทำงานก็จะกลับไปเริ่มขั้นตอนที่ 1 ใหม่อีกครั้ง
การทำงานใน 1 วงจร 4 ขั้นตอนนี้ เพลาข้อเหวี่ยงจะทำงานรวมทั้งสิ้น 2 รอบ และทุกการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยงนี่เอง ที่จะแปลงเป็นกำลังไปส่งผ่านทางชิ้นส่วนต่าง ๆ ผ่านทางเกียร์ แล้วส่งกำลังไปหมุนล้อได้อีกที

และด้วยเหตุที่ว่า น้ำมันเบนซินนั้นจุดติดไฟได้ง่าย เครื่องยนต์จึงต้องมีการกำหนดตัวออกเทนเอาไว้ เช่น น้ำมันออกเทน 91 จะมีการต่อต้านการชิงจุดระเบิดได้ 91% น้ำมันออกเทน 95 จะมีการต่อต้านการชิงจุดระเบิดได้ 95% หมายความว่าน้ำมันเบนซินจะไม่ทำการจุดระเบิดถ้ายังไม่ถึงค่าที่กำหนดเอาไว้เลขของออกเทนนั่นเอง ดังนั้นถ้าเกิดเราเอาน้ำมันออกเทน 91 ไปใส่ในเครื่องยนต์ที่มีกำหนดเอาไว้ว่าให้ใช้ได้เฉพาะออกเทน 95 จึงมีโอกาสเป็นไปได้ว่า น้ำมันเบนซินจะทำการชิงจุดระเบิดก่อนที่ลูกสูบจะวิ่งถึงจุดศูนย์ตายบน และเมื่อจังหวะที่หัวเทียนทำการจุดประกายไฟ ก็จะไม่เกิดการระเบิดในจังหวะนั้นแล้ว ส่งผลให้การทำงานของเครื่องยนต์ผิดปกติ ไม่สามารถส่งกำลังอย่างเต็มที่ได้

เครื่องยนต์ดีเซล
สำหรับการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซลนั้น จะคล้ายกันกับเครื่องยนต์เบนซิน แต่ด้วยคุณสมบัติของน้ำมันดีเซลนั้น จะมีการติดไฟได้ยากกว่าเครื่องยนต์ดีเซล จึงทำให้การจุดระเบิดนั้น ไม่สามารถทำการจุดให้ติดด้วยหัวเทียนเหมือนเครื่องยนต์เบนซินได้ จึงต้องใช้การเพิ่มความร้อนภายในกระบอกสูบด้วยการอัดอากาศกำกำลังสูง จนน้ำมันดีเซลสามารถติดไฟและระเบิดขึ้นได้ หรือที่เรียกว่า การจุดระเบิดด้วยการอัดตัว Compression Ignition Engine ดังนั้นชิ้นส่วนจะมีดังนี้
- กระบอกสูบ เป็นเหมือนห้องที่เอาไว้ใช้ในการจุดระเบิดที่อยู่ภายในเสื้อสูบ เป็นที่อยู่เอาไว้ให้ลูกสูบขยับตัวขึ้นลงตามจังหวะการทำงานได้

- ลูกสูบ เป็นอุปกรณ์ที่คอยทำหน้าที่อัดอากาศและรองรับแรงจุดระเบิดภายในกระบอกสูบ วิ่งขึ้นลงตามจังหวะการจุดระเบิด
- วาล์วไอดี เป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ในการเปิด-ปิดรับอากาศดี หรือออกซิเจนเพื่อเข้าไปใช้ในการจุดระเบิดภายในกระบอกสูบ
- วาล์วไอเสีย เป็นอุปกรณ์ที่คอยเปิด-ปิดเพื่อระบายอากาศเสียหลังจากการจุดระเบิดให้ออกมาจากกระบอกสูบ เพื่อทำการจุดระเบิดในรอบใหม่

- หัวฉีด ทำหน้าที่คอยฉีดน้ำมันเข้าสู่กระบอกสูบ เพื่อทำการเผาไหม้ให้เกิดความร้อนจนไปผลักลูกสูบให้ขยับได้ โดยจะทำการฉีดตรงเข้าสู่กระบอกสูบเลย
- ก้านสูบ จะเชื่อมต่อกันระหว่างลูกสูบกับเพลาข้อเหวี่ยง เพื่อส่งกำลังจากการขยับของลูกสูบให้ส่งไปยังเพลาข้อเหวี่ยงได้

- เพลาข้อเหวี่ยง ทำหน้าที่รับกำลังจากกระบอกสูบผ่านทางก้านสูบ เพื่อทำให้ตัวเองหมุน แล้วส่งกำลังของตัวเองไปแปลงผ่านทางเกียร์ ส่งกำลังไปสู่ล้ออีกที

 

การทำงานของเครื่องยนต์ดีเซลส่วนใหญ่ในปัจจุบันนั้น จะเป็นรูปแบบการทำงาน 4 จังหวะ เช่นเดียวกับเครื่องยนต์เบนซิน แบ่งการทำงานเป็น 4 ขั้นตอนใหญ่คือ
1. ดูด คือจังหวะที่ลูกสูบจะทำการดูดอากาศดีจากภายนอก โดยเริ่มทำงานจากจังหวะที่ลูกสูบอยู่ตำแหน่งบนสุดของกระบอกสูบ หรือที่ศัพท์เทคนิคเรียกว่า "ศูนย์ตายบน" จากนั้นลูกสูบจะขยับลงสู่จุดล่างสุดของกระบอกสูบ หรือที่เรียกว่า "ศูนย์ตายล่าง" โดยจังหวะที่ลูกสูบขยับตัวลงมานั้น วาล์วไอดีจะทำการเปิดเพื่อให้อากาศดี เข้ามาอยู่ในกระบอกสูบได้ ส่วนวาล์วไอเสียนั้น จะทำการปิดเพื่อไม่ให้อากาศดีออกจากกระบอกสูบได้
2. อัด เมื่อกระบอกสูบลงมาจุดล่างสุด ทำให้มีอากาศดีสะสมอยู่ในกระบอกสูบได้มากที่สุดแล้ว วาล์วไอดีจะทำการปิด จากนั้นลูกสูบจะขยับตัวขึ้นไปสู่จุดบนสุดอีกครั้ง เพื่ออัดส่วนผสมไอดีให้มีการควบแน่นตามสัดส่วนที่ผู้ผลิตกำหนดเอาไว้ อย่างที่เราเห็นได้ในสเปกของรถยนต์ใหม่ เช่น เครื่องยนต์ของ Toyota Hilux Revo Rocco มี อัตราส่วนกำลังอัด  15.6 : 1 นั่นหมายถึงลูกสูบจะทำการอัดส่วนผสมไอดีจาก 15.6 ส่วน ให้เหลือ 1 ส่วนในการยกตัวจากล่างสุดสู่บนสุด
3. ระเบิด เมื่อลูกสูบยกตัวขึ้นบนสุด จนเกิดอากาศที่อัดเอาไว้เต็มอัตราส่วนแล้ว หัวฉีดจะทำการฉีดน้ำมันดีเซลละอองฝอย เข้าไปเจอกับอากาสที่ถูกอัดจนมีแรงดันกับความร้อนสูง จนเกิดการติดไฟแล้วระเบิดขึ้น  เมื่อเกิดการระเบิด อากาศที่ขยายตัวอย่างรวดเร็วจะทำการผลักให้ลูกสูบกลับเข้าไปสู่ตำแหน่งศูนย์ตายล่างอีกครั้ง โดยจังหวะการฉีดน้ำมันดีเซลเข้าสู่กระบอกสูบนั้น จะอยู่กับการคำนวนของสมองกลว่าในอุณหภูมิเครื่องยนต์ขนาดนี้ ควรฉีดที่จังหวะไหน ดังนั้นจึงเป็นไปได้ว่าการฉีดละอองฝอยน้ำมันดีเซลเข้าไป จะเป็นช่วงลูกสูบอยู่ในจุดศูนย์ตายบน หรือก่อนเล็กน้อยก็ได้
4. คาย เมื่อลูกสูบที่ถูกการจุดระเบิดจนกลับไปอยู่จุดศูนย์ตายล่าง จังหวะที่จะยกตัวขึ้นของลูกสูบไปสู่จุดศูนย์ตายบน วาล์วไอเสียจะทำการเปิดขึ้นมา เพื่อให้ลูกสูบดันเอาอากาศเเสียที่ทำการจุดระเบิดแล้ว วิ่งออกไปทางท่อไอเสีย เพื่อระบายออกสู่ภายนอกต่อไป และเมื่อลูกสูบถึงจุดศูนย์ตายบนแล้ว การทำงานก็จะกลับไปเริ่มขั้นตอนที่ 1 ใหม่อีกครั้ง
การทำงานใน 1 วงจร 4 ขั้นตอนนี้ เพลาข้อเหวี่ยงจะทำงานรวมทั้งสิ้น 2 รอบ และทุกการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยงนี่เอง ที่จะแปลงเป็นกำลังไปส่งผ่านทางชิ้นส่วนต่าง ๆ ผ่านทางเกียร์ แล้วส่งกำลังไปหมุนล้อได้อีกที

ส่วนลำดับการจุดระเบิดนั้น ก็ขึ้นอยู่ว่า ทางผู้ผลิตจะกำหนดให้กระบอกสูบไหนทำงานก่อน-หลัง และเรียงลำดับอย่างไรบ้าง แต่โดยปกติแล้ว จะไม่มีการทำให้มีการจุดระเบิดพร้อมกันในเวลาเดียวกัน เพราะจะไม่สามารถสร้างกำลังอย่างต่อเนื่องได้ และการกำหนดรูปแบบลำดับการจุดระเบิดนั้น จะต้องทำให้เพลาข้อเหวี่ยงสามารถหมุนได้อย่างสมดุลด้วย

เห็นหรือยังครับว่าเพราะเหตุใด เครื่องยนต์ทั้ง 2 ประเภท ไม่ว่าจะเป็นเครื่องยนต์เบนซินหรือเครื่องยนต์ดีเซล ถึงไม่สามารถใช้น้ำมันผิดประเภทได้ ก็เนื่องมาจากที่ว่า วิธีการจุดระเบิดมันไม่เหมือนกันนี่เอง ถึงแม้ว่าขั้นตอนการทำงานของเครื่องยนต์จะคล้ายกันมากก็ตาม