เครื่องยนต์ 4 จังหวะทำงานอย่างไร

เครื่องยนต์ 4 จังหวะเปลี่ยนพลังงานจากการเผาไหม้น้ำมันเป็นแรงหมุน โดยลูกสูบเคลื่อนขึ้นลง 4 ครั้งต่อการทำงานหนึ่งรอบ ข้อเหวี่ยงจึงหมุน 2 รอบ (720°) และแคมชาฟต์ซึ่งหมุนครึ่งหนึ่งของข้อเหวี่ยงหมุน 1 รอบ วาล์วแต่ละตัวจึงเปิดครั้งเดียวต่อรอบการทำงาน

  1. จังหวะดูด (Intake) ลูกสูบเลื่อนลง วาล์วไอดีเปิด อากาศไหลผ่านลิ้นเร่ง รับน้ำมันจากหัวฉีด แล้วเข้ากระบอกสูบ
  2. จังหวะอัด (Compression) วาล์วปิดทั้งคู่ ลูกสูบขึ้นอัดไอดีให้มีปริมาตรเล็กลง ความดันและอุณหภูมิสูงขึ้น
  3. จังหวะระเบิดหรือกำลัง (Power) หัวเทียนจุดระเบิดก่อนศูนย์ตายบนเล็กน้อย แก๊สร้อนขยายตัวดันลูกสูบลง เป็นจังหวะเดียวที่ได้งาน
  4. จังหวะคาย (Exhaust) วาล์วไอเสียเปิด ลูกสูบขึ้นไล่ไอเสียออกทางท่อไอเสีย

ทำไมวาล์วไม่เปิดปิดตรง TDC และ BDC พอดี

ถ้าดูแถบไทมิ่งจะเห็นว่าวาล์วไอดีเปิดก่อน TDC และปิดหลัง BDC ส่วนวาล์วไอเสียเปิดก่อน BDC และปิดหลัง TDC เพราะอากาศและไอเสียมีมวล วิ่งด้วยความเร็วสูงในท่อ จึงมีแรงเฉื่อย ไอดีที่วิ่งเข้ามายังอัดเข้ากระบอกสูบต่อได้แม้ลูกสูบเริ่มขึ้นแล้ว และการเปิดวาล์วไอเสียก่อน BDC ทำให้ไอเสียแรงดันสูงพุ่งออกเองโดยลูกสูบไม่ต้องดันสู้

ช่วงรอบ TDC ปลายจังหวะคายที่วาล์วเปิดพร้อมกันทั้งสองตัวเรียกว่า วาล์วโอเวอร์แลป (overlap) ไอเสียที่วิ่งออกช่วยดึงไอดีใหม่เข้ามาและกวาดไอเสียที่ค้างอยู่ออกไป (scavenging) แต่ไอดีบางส่วนก็หลุดตรงออกท่อไอเสียไปด้วย ตอนเปิดคันเร่งน้อย ท่อไอดีเป็นสุญญากาศ ไอเสียกลับไหลย้อนเข้าท่อไอดีแทน (internal EGR) แคมสายแข่งมี overlap มากเพื่อได้กำลังที่รอบสูง แต่เดินเบาไม่เรียบ แคมรถใช้งานทั่วไปมี overlap น้อยกว่า ในหน้านี้ใช้ overlap 50° (ไอดีเปิด 25° ก่อน TDC ไอเสียปิด 25° หลัง TDC) แสดงเป็นแถบสีม่วงบนแถบไทมิ่งและบน P-V diagram

DOHC แคมชาฟต์ และโซ่ราวลิ้น

DOHC (Double Overhead Camshaft) คือมีแคมชาฟต์สองแท่งบนฝาสูบ แท่งหนึ่งกดวาล์วไอดี อีกแท่งกดวาล์วไอเสีย ลูกเบี้ยวกดถ้วยวาล์ว (bucket) ลงตรงๆ ทำให้ไทมิ่งของไอดีและไอเสียแยกกันออกแบบได้ และรับรอบสูงได้ดี แคมชาฟต์ถูกขับด้วยโซ่ราวลิ้นจากข้อเหวี่ยงด้วยอัตราทด 2:1 ถ้าโซ่กระโดดฟันไปแม้ซี่เดียว ไทมิ่งทั้งหมดจะคลาดไป

P-V diagram: งานที่ได้จากหนึ่งรอบ

P-V diagram คือกราฟความดันในกระบอกสูบเทียบกับปริมาตร ตลอดหนึ่งรอบการทำงาน พื้นที่ภายในวงคืองานที่แก๊สทำต่อลูกสูบ (W = ∮p dV) วงใหญ่ด้านบนของจังหวะอัดและระเบิดให้งานออกมา ส่วนวงเล็กด้านล่างของจังหวะคายและดูดคืองานที่เสียไปกับการปั๊มอากาศ ซึ่งกว้างขึ้นเมื่อปิดลิ้นเร่ง เป็นเหตุผลหนึ่งที่เครื่องเบนซินกินน้ำมันต่อกำลังมากขึ้นเมื่อเปิดคันเร่งน้อย

แกนปริมาตรไม่มีวันลงถึงศูนย์ เพราะที่ศูนย์ตายบนยังเหลือปริมาตรห้องเผาไหม้ (Vc) อยู่เสมอ ลูกสูบกวาดได้เพียงปริมาตร Vd และในจังหวะดูด ความดันในกระบอกสูบต้องต่ำกว่าบรรยากาศ (ต่ำกว่า p₀) อากาศจึงไหลเข้ามาได้ เปิดคันเร่งสุดต่ำกว่าบรรยากาศเพียงเล็กน้อย แต่เมื่อปิดคันเร่งจะต่ำลงมาก

เส้นประคือวัฏจักร Otto ในอุดมคติ ซึ่งมีประสิทธิภาพ η = 1 − 1/CRγ−1 ขึ้นกับอัตราส่วนกำลังอัดเท่านั้น เครื่องจริงได้วงเล็กกว่าเพราะการเผาไหม้ใช้เวลา ความร้อนสูญเสียออกทางผนัง และวาล์วต้องเปิดปิดก่อนและหลังจุดตาย กราฟในหน้านี้มาจากแบบจำลองอย่างง่ายเพื่อให้เห็นรูปร่าง ไม่ใช่ค่าที่วัดจากเครื่องยนต์จริง

ลิ้นเร่งและหัวฉีด

ลิ้นเร่งคุมปริมาณอากาศ ไม่ได้คุมน้ำมันโดยตรง กล่อง ECU วัดอากาศที่เข้า แล้วสั่งหัวฉีดจ่ายน้ำมันให้ได้สัดส่วนที่เหมาะ (ราว 14.7 ส่วนอากาศต่อน้ำมัน 1 ส่วนโดยน้ำหนักสำหรับน้ำมันเบนซิน) ลองเลื่อนลิ้นเร่งในหน้านี้จะเห็นว่าเปิดน้อย ไอดีที่เข้ากระบอกสูบต่อรอบก็น้อยลง

ตัวเลของศาในหน้านี้เป็นตัวอย่างของเครื่องยนต์ถนนทั่วไปเพื่อการเรียนรู้ ไม่ใช่สเปคของรุ่นใด ไทมิ่งจริงของแต่ละเครื่องให้ดูจากคู่มือซ่อมของผู้ผลิต

How a four-stroke engine works

A four-stroke engine turns the energy of burning fuel into rotation. The piston makes four trips per cycle, so the crank turns twice (720°) and the camshafts, geared at half crank speed, turn once: each valve opens once per cycle.

  1. Intake. The piston moves down with the intake valve open. Air flows past the throttle, picks up fuel from the injector, and fills the cylinder.
  2. Compression. Both valves shut and the piston rises, squeezing the mixture into a small space; pressure and temperature climb.
  3. Power. The spark plug fires just before top dead centre and the hot, expanding gas drives the piston down. This is the only stroke that does work.
  4. Exhaust. The exhaust valve opens and the rising piston pushes the burnt gas out into the pipe.

Why the valves don't open at TDC and BDC

The timing strip shows the intake valve opening before TDC and closing after BDC, and the exhaust valve opening before BDC and closing after TDC. Air and exhaust have mass and move fast in the ports, so they carry momentum: the incoming charge keeps ramming in after the piston has started back up, and opening the exhaust early lets the high-pressure gas rush out on its own rather than the piston pushing against it.

The few degrees around TDC at the end of exhaust when both valves are open is valve overlap. The outgoing exhaust helps pull the new charge in and sweep out the last burnt gas (scavenging), though a little fresh charge escapes straight out of the exhaust too. At light throttle the intake is under vacuum, so exhaust flows back into the intake port instead (internal EGR). Race cams use a lot of overlap for power at high rpm at the cost of a rough idle; street cams use less. This page uses 50° (intake opening 25° before TDC, exhaust closing 25° after), shown in purple on the timing strip and the P-V diagram.

DOHC, camshafts and the cam chain

DOHC (double overhead camshaft) means two camshafts in the head, one for the intake valves and one for the exhaust. Each lobe presses straight down on a bucket over its valve, so intake and exhaust timing can be designed separately and the valve train copes with high rpm. A cam chain drives them from the crank at 2:1; if it jumps even one tooth, all the timing moves with it.

The P-V diagram: the work in one cycle

A P-V diagram plots cylinder pressure against volume over one whole cycle. The area inside the loop is the work the gas does on the piston (W = ∮p dV). The big upper loop of compression and power gives work out; the small lower loop of exhaust and intake is work spent pumping, and it grows as the throttle closes, one reason a petrol engine uses more fuel per unit of power at light throttle.

Volume never reaches zero: at top dead centre the combustion chamber (Vc) is always left, and the piston only sweeps Vd. During intake the cylinder has to be below atmospheric for air to flow in: only slightly with the throttle wide open, a long way below with it nearly shut.

The dashed line is the ideal Otto cycle, whose efficiency η = 1 − 1/CRγ−1 depends only on compression ratio. A real engine's loop is smaller because combustion takes time, heat escapes through the walls, and the valves have to open and close either side of the dead centres. The diagram on this page comes from a simple model to show the shape, not from a measured engine.

Throttle and injector

The throttle controls air, not fuel. The ECU measures the air going in and has the injector add fuel to match, around 14.7 parts air to one of petrol by mass. Move the throttle on this page and you will see a smaller charge reach the cylinder when it is barely open.

The angles on this page are an example of a typical street engine, for learning, not any model's specification. For a real engine's timing, use the maker's service manual.