วัฏจักรดีเซล

วัฏจักรดีเซล () คือกระบวนการเผาไหม้ของเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบลูกสูบ ในการทำงาน เชื้อเพลิงจะถูกจุดระเบิดด้วยความร้อนที่เกิดจากการอัดอากาศในห้องเผาไหม้ ซึ่งเป็นห้องที่ฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในภายหลัง ต่างจากการจุดระเบิดของส่วนผสมเชื้อเพลิง-อากาศด้วยหัวเทียนดังเช่นในเครื่องยนต์วัฏจักรออตโต (สี่จังหวะ/เบนซิน) เครื่องยนต์ดีเซลถูกใช้ในอากาศยาน ยานยนต์ การผลิตพลังงาน รถจักรดีเซลไฟฟ้า และทั้งเรือกำปั่นและเรือดำน้ำ

วัฏจักรดีเซลถูกตั้งสมมติฐานให้มีความดันคงตัวในระหว่างช่วงเริ่มต้นของระยะการเผาไหม้ (คือช่วง  ไปจนถึง  ในแผนภาพด้านล่าง) นี่เป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ในอุดมคติ: เครื่องยนต์ดีเซลทางกายภาพแท้จริงจะมีความดันเพิ่มขึ้นในช่วงนี้ แต่ก็เพิ่มขึ้นไม่มากเท่ากับในวัฏจักรออตโต ตรงกันข้าม วัฏจักรออตโตในอุดมคติของเครื่องยนต์แกโซลีนจะประมาณเป็นกระบวนการปริมาตรคงตัวในระหว่างระยะเดียวกันนั้น

 วัฏจักรดีเซลในอุดมคติ 

ในแผนภาพนี้  คือความดันและ V คือปริมาตร หรือ  คือปริมาตรจำเพาะถ้ากระบวนการนั้นพิจารณาต่อหนึ่งหน่วยมวล วัฏจักรดีเซลในอุดมคติจะสมมติให้มีการใช้แก๊สอุดมคติและละเลยปฏิกิริยาเคมีของการเผาไหม้ ขั้นตอนการไอเสียและการเติมอากาศเข้า และจะประกอบด้วยกระบวนการที่แตกต่างกันสี่ขั้นตอนดังนี้:

 1→2 : การอัดตัวแบบไอเซนทรอปิกของของไหล (สีน้ำเงิน)
 2→3 : การรับความร้อนแบบความดันคงตัว (สีแดง)
 3→4 : การขยายตัวแบบไอเซนทรอปิก (สีเหลือง)
 4→1 : การคายความร้อนแบบปริมาตรคงตัว (สีเขียว)Eastop & McConkey 1993, Applied Thermodynamics for Engineering Technologists, Pearson Education Limited, Fifth Edition, p.137

เครื่องยนต์ดีเซลคือเครื่องจักรความร้อน: มันเปลี่ยนความร้อนให้เป็นงาน ในระหว่างกระบวนการไอเซนทรอปิกส่วนล่าง (สีน้ำเงิน) พลังงานจะถูกถ่ายโอนเข้าสู่ระบบในรูปของงานเข้า () แต่ตามนิยาม (ไอเซนทรอปิก) จะไม่มีการถ่ายโอนพลังงานเข้าหรือออกจากระบบในรูปของความร้อน ในระหว่างกระบวนการความดันคงที่ (สีแดง ไอโซบาริก) พลังงานจะเข้าสู่ระบบในรูปของความร้อนเข้า () ในระหว่างกระบวนการไอเซนทรอปิกส่วนบน (สีเหลือง) พลังงานจะถูกถ่ายโอนออกจากระบบในรูปของงานออก () แต่ตามนิยาม (ไอเซนทรอปิก) จะไม่มีการถ่ายโอนพลังงานเข้าหรือออกจากระบบในรูปของความร้อน ในระหว่างกระบวนการปริมาตรคงตัว (สีเขียว ไอโซคอริก) พลังงานบางส่วนจะไหลออกจากระบบในรูปของความร้อนออก () ผ่านกระบวนการลดความดันทางด้านขวา งานที่ออกจากระบบจะเท่ากับงานที่เข้าสู่ระบบบวกกับผลต่างระหว่างความร้อนที่เพิ่มเข้าสู่ระบบกับความร้อนที่ออกจากระบบ; กล่าวอีกนัยหนึ่งคืองานสุทธิที่ได้รับจะเท่ากับผลต่างระหว่างความร้อนที่เพิ่มเข้าสู่ระบบกับความร้อนที่ออกจากระบบ

 งานเข้า () เกิดจากการที่ลูกสูบอัดอากาศ (ระบบ)
 ความร้อนเข้า () เกิดจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิง
 งานออก () เกิดจากการที่ของไหลทำงานขยายตัวและดันลูกสูบ (ซึ่งผลิตงานที่สามารถนำไปใช้ได้)
 ความร้อนออก () เกิดจากการระบายอากาศออก
 งานสุทธิที่ผลิตได้ =  - 

งานสุทธิที่ผลิตได้ยังแสดงด้วยพื้นที่ที่วัฏจักรล้อมรอบบนแผนภาพความดัน–ปริมาตรอีกด้วย งานสุทธิจะถูกผลิตในแต่ละวัฏจักรและเรียกอีกอย่างว่างานให้ผล (useful work) เนื่องจากสามารถเปลี่ยนไปเป็นพลังงานประเภทอื่นที่มีประโยชน์ เช่น ขับเคลื่อนยานพาหนะ (พลังงานจลน์) หรือผลิตพลังงานไฟฟ้า ผลรวมของวัฏจักรจำนวนมากต่อหนึ่งหน่วยเวลาเรียกว่ากำลังผลิตสูงสุด (developed power)  ยังถูกเรียกว่างานรวม (gross work) ซึ่งบางส่วนถูกใช้ในวัฏจักรต่อไปของเครื่องยนต์เพื่ออัดอากาศชุดถัดไป

 ประสิทธิภาพอุณหภาพสูงสุด 
ประสิทธิภาพอุณหภาพสูงสุดของวัฏจักรดีเซลขึ้นอยู่กับอัตราส่วนการอัดและอัตราส่วนตัด (cut-off ratio) โดยมีสูตรดังต่อไปนี้ภายใต้การวิเคราะห์มาตรฐานอากาศเย็น: 

โดยที่
 คือประสิทธิภาพอุณหภาพ
 คืออัตราส่วนตัด(อัตราส่วนระหว่างปริมาตรสุดท้ายกับปริมาตรเริ่มต้นสำหรับระยะการเผาไหม้)
 คืออัตราส่วนการอัด 
 คืออัตราส่วนความร้อนจำเพาะ (Cp/Cv)

อัตราส่วนตัดสามารถแสดงในรูปของอุณหภูมิได้ดังที่แสดงด้านล่าง:

 สามารถประมาณได้จากอุณหภูมิเปลวไฟของเชื้อเพลิงที่ใช้ อุณหภูมิเปลวไฟสามารถประมาณได้จากอุณหภูมิเปลวไฟอะเดียแบติกของเชื้อเพลิงที่มีอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงและความดันอัด  () ที่สอดคล้องกัน  สามารถประมาณได้จากอุณหภูมิอากาศขาเข้า

สูตรนี้ให้เพียงแค่ประสิทธิภาพอุณหภาพในอุดมคติเท่านั้น ประสิทธิภาพอุณหภาพจริงจะต่ำกว่ามากเนื่องจากการสูญเสียความร้อนและแรงเสียดทาน สูตรนี้ซับซ้อนกว่าความสัมพันธ์ของวัฏจักรออตโต (เครื่องยนต์เบนซิน/แกโซลีน) ที่มีสูตร:

ความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นสำหรับสูตรดีเซลมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าการรับความร้อนเกิดขึ้นที่ความดันคงตัวและการคายความร้อนเกิดขึ้นที่ปริมาตรคงตัว ในทางเปรียบเทียบ วัฏจักรออตโตมีการรับความร้อนและการคายความร้อนทั้งคู่ที่ปริมาตรคงตัว

 เปรียบเทียบประสิทธิภาพกับวัฏจักรออตโต 
เมื่อเปรียบเทียบสูตรทั้งสอง จะเห็นได้ว่าสำหรับอัตราส่วนการอัด () ที่กำหนด วัฏจักรออตโตในอุดมคติจะมีประสิทธิภาพมากกว่า อย่างไรก็ดี เครื่องยนต์ดีเซลที่ใช้งานจริงจะมีประสิทธิภาพโดยรวมสูงกว่าเพราะมีความสามารถในการทำงานที่อัตราส่วนการอัดที่สูงกว่า ถ้าเครื่องยนต์เบนซินมีอัตราส่วนการอัดเท่ากัน จะเกิดการน็อก (การจุดระเบิดตัวเอง) ซึ่งจะลดประสิทธิภาพลงอย่างรุนแรง ในขณะที่ในเครื่องยนต์ดีเซล การจุดระเบิดตัวเองเป็นพฤติกรรมที่ต้องการ นอกจากนี้ วัฏจักรทั้งสองนี้เป็นเพียงแบบจำลองในอุดมคติเท่านั้น และพฤติกรรมจริงไม่ได้แบ่งแยกได้ชัดเจนหรือคมชัดขนาดนั้น ยิ่งไปกว่านั้น สูตรวัฏจักรออตโตในอุดมคติที่ระบุไว้ข้างต้นไม่ได้รวมการสูญเสียเนื่องจากการลดความดัน (throttling losses) ซึ่งการสูญเสียนี้ไม่ได้นำมาใช้กับเครื่องยนต์ดีเซล

 การใช้งาน 
 เครื่องยนต์ดีเซล 

เครื่องยนต์ดีเซลมีการกินเชื้อเพลิงจำเพาะต่ำที่สุดในบรรดาเครื่องยนต์สันดาปภายในขนาดใหญ่ที่ใช้เพียงวัฏจักรเดียว โดยอยู่ที่ 0.26 ปอนด์ต้อแรงม้า-ชั่วโมง (0.16 กิโลกรัม/กิโลวัตต์ชั่วโมง) สำหรับเครื่องยนต์เรือขนาดใหญ่มาก (โรงไฟฟ้าแบบวัฏจักรผสมจะมีประสิทธิภาพมากกว่า แต่ใช้เครื่องยนต์สองเครื่องแทนที่จะเป็นเครื่องเดียว) เครื่องยนต์ดีเซลสองจังหวะที่มีการอัดอากาศแบบใช้แรงดันสูง โดยเฉพาะการใช้เทอร์โบชาร์จ (turbocharging) นั้นคิดเป็นสัดส่วนที่มากของเครื่องยนต์ดีเซลขนาดใหญ่ที่สุด

ในอเมริกาเหนือ เครื่องยนต์ดีเซลถูกนำมาใช้เป็นหลักในรถบรรทุกขนาดใหญ่ ซึ่งวัฏจักรที่มีความเค้นต่ำและมีประสิทธิภาพสูง นำไปสู่อายุการใช้งานของเครื่องยนต์ที่ยาวนานขึ้นมากและมีค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานที่ต่ำกว่า ข้อดีเหล่านี้ยังทำให้เครื่องยนต์ดีเซลเหมาะสำหรับการใช้งานในทางรถไฟสำหรับการบรรทุกหนักและในสภาพแวดล้อมที่ต้องมีการเคลื่อนย้ายดิน (งานก่อสร้าง/เหมืองแร่)

 เครื่องยนต์สันดาปภายในอื่น ๆ ที่ไม่มีหัวเทียน 
เครื่องบินจำลองจำนวนมากใช้เครื่องยนต์ "หัวเผา" และ "ดีเซล" ที่เรียบง่ายมาก เครื่องยนต์หัวเผาใช้หัวเผา เครื่องยนต์ "ดีเซล" สำหรับเครื่องบินจำลองมีอัตราส่วนการอัดแปรผัน เครื่องยนต์ทั้งสองประเภทนี้ต้องพึ่งพาเชื้อเพลิงพิเศษ

เครื่องยนต์ทดลองบางชนิดในศตวรรษที่ 19 หรือก่อนหน้านั้นใช้อุณหภูมิเปลวไฟภายนอกที่เปิดเผยโดยลิ้นสำหรับการจุดระเบิด แต่สิ่งนี้จะน่าสนใจน้อยลงเมื่อมีการเพิ่มอัตราส่วนการอัด (เป็นการวิจัยของนีกอลา เลออนาร์ ซาดี การ์โนที่สร้างมูลค่าทางอุณหพลศาสตร์ของการอัด) นัยทางประวัติศาสตร์ของเรื่องนี้คือเครื่องยนต์ดีเซลสามารถถูกคิดค้นขึ้นได้โดยไม่ต้องอาศัยไฟฟ้าเลย

ดูการพัฒนาของเครื่องยนต์เผาหัว (hot-bulb engine) และการฉีดเชื้อเพลิงอ้อมเพื่อให้เห็นความสำคัญทางประวัติศาสตร์

 อ้างอิง 

 ดูเพิ่ม 
 เครื่องยนต์ดีเซล
 เครื่องยนต์เผาหัว
 วัฏจักรคู่/ผสม
 การเผาไหม้แบบผสมล่วงหน้าบางส่วน

หมวดหมู่:วัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์