อัตราส่วนการอัด

อัตราส่วนการอัด () คืออัตราส่วนระหว่างปริมาตรสูงสุดและต่ำสุดในระหว่างขั้นตอนการอัดในวัฏจักรกำลังของเครื่องยนต์ลูกสูบหรือเครื่องยนต์วังเกล 

เป็นคุณลักษณะพื้นฐานสำหรับเครื่องยนต์ประเภทเหล่านี้ สามารถวัดได้สองวิธีที่แตกต่างกัน วิธีที่ง่ายกว่าคือ อัตราส่วนการอัดสถิต (static compression ratio) ในเครื่องยนต์ลูกสูบ นี่คืออัตราส่วนปริมาตรกระบอกสูบเมื่อลูกสูบอยู่ที่ตำแหน่งต่ำสุดของระยะชักต่อปริมาตรนั้นเมื่อลูกสูบอยู่ที่ตำแหน่งสูงสุดของระยะชัก ส่วน อัตราส่วนการอัดพลวัต (dynamic compression ratio) เป็นการคำนวณขั้นสูงกว่าซึ่งจะพิจารณาถึงแก๊สที่เข้าและออกจากกระบอกสูบในระหว่างขั้นตอนการอัดด้วย

ผลและอัตราส่วนโดยทั่วไป
อัตราส่วนการอัดสูงเป็นที่ต้องการเนื่องจากช่วยให้เครื่องยนต์สามารถดึงพลังงานกลออกมาได้มากขึ้นจากสารผสมอากาศกับเชื้อเพลิงผสมที่กำหนด เนื่องจากมีประสิทธิภาพทางอุณหภาพสูงกว่า สิ่งนี้เกิดขึ้นเพราะเครื่องยนต์สันดาปภายในเป็นเครื่องจักรความร้อน และอัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้นจะช่วยให้สามารถเข้าถึงอุณหภูมิเผาไหม้เดียวกันได้โดยใช้เชื้อเพลิงน้อยลง ในขณะเดียวกันก็ให้วัฏจักรการขยายตัวที่ยาวนานขึ้น สร้างกำลังกลส่งออกที่มากขึ้น และลดอุณหภูมิไอเสียลง

อย่างไรก็ดี ข้อจำกัดทางวิศวกรรมหลายประการได้จำกัดการนำอัตราส่วนการอัดสูงมากมาใช้งานจริง อัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้นจะเพิ่มความดันและอุณหภูมิสูงสุดของกระบอกสูบ ซึ่งต้องการส่วนประกอบเครื่องยนต์ที่แข็งแรงและวัสดุที่ทนทานกว่าเพื่อทนต่อความเค้นทางกลและความเค้นทางความร้อนที่เพิ่มขึ้น นอกจากนี้ อัตราส่วนการอัดสูงยังทำให้เครื่องยนต์มีความไวต่อการน็อกและการระเบิดรุนแรงได้ง่ายขึ้น โดยเฉพาะเมื่อใช้เชื้อเพลิงออกเทนต่ำ ซึ่งอาจสร้างความเสียหายให้ส่วนประกอบเครื่องยนต์และลดประสิทธิภาพ ประสิทธิภาพอุณหภาพที่เพิ่มขึ้นจากการเพิ่มอัตราส่วนการอัดยังจะลดลงเมื่อเกินประมาณ 10:1 เนื่องจากแรงเสียดทานที่เพิ่มขึ้นและการสูญเสียความร้อนเริ่มหักล้างประโยชน์ทางอุณหพลศาสตร์

เครื่องยนต์เบนซิน
ในเครื่องยนต์เบนซิน (แกโซลีน) ที่ใช้ในรถยนต์นั่งในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา อัตราส่วนการอัดโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 8:1 ถึง 12:1 เครื่องยนต์ที่ผลิตออกมาหลายรุ่นใช้อัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้น รวมถึง:
 รถยนต์ที่สร้างขึ้นตั้งแต่ ค.ศ. 1955 ถึง 1972 ซึ่งได้รับการออกแบบมาสำหรับน้ำมันเบนซินมีสารตะกั่วออกเทนสูง ซึ่งอนุญาตให้อัตราส่วนการอัดสูงถึง 13:1
 เครื่องยนต์มาสด้า สกายแอคทีฟ บางรุ่นที่เปิดตัวตั้งแต่ ค.ศ. 2012 มีอัตราส่วนการอัดสูงถึง 16:1  เครื่องยนต์สกายแอคทีฟบรรลุอัตราส่วนการอัดนี้ด้วยน้ำมันเบนซินไร้สารตะกั่วธรรมดา (95 อาร์โอเอ็นในสหราชอาณาจักร) ผ่านการไล่ไอเสียที่ดีขึ้น (ซึ่งทำให้แน่ใจว่าอุณหภูมิกระบอกสูบต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ก่อนจังหวะดูด) นอกเหนือจากการฉีดเชื้อเพลิงตรง
 เครื่องยนต์โตโยต้า ไดนามิกฟอร์ซ มีอัตราส่วนการอัดสูงถึง 14:1
 เฟอร์รารี่ 458 สเปเชียลเล ปี 2014 ก็มีอัตราส่วนการอัด 14:1

เมื่อมีการใช้ระบบอัดอากาศ (เช่น เทอร์โบชาร์จเจอร์หรือซูเปอร์ชาร์จเจอร์) อัตราส่วนการอัดมักจะ ต่ำกว่าเครื่องยนต์ไม่มีระบบอัดอากาศ นี่เป็นเพราะเทอร์โบชาร์จเจอร์หรือซูเปอร์ชาร์จเจอร์ได้อัดอากาศไว้ล่วงหน้าก่อนที่อากาศจะเข้าสู่กระบอกสูบ เครื่องยนต์ที่ใช้การฉีดเชื้อเพลิงแยกช่องไอดี (port fuel-injection) มักจะใช้ความดันเสริมในท่อร่วมไอดีและ/หรืออัตราส่วนการอัดต่ำกว่าเครื่องยนต์ฉีดตรงเนื่องจากการฉีดเชื้อเพลิงแยกช่องไอดีทำให้สารผสมอากาศกับเชื้อเพลิงผสมถูกทำให้ร้อนพร้อมกัน ซึ่งนำไปสู่การระเบิดรุนแรง กลับกัน เครื่องยนต์ฉีดตรงสามารถใช้ความดันเสริมในท่อร่วมไอดีที่สูงขึ้นได้เนื่องจากอากาศที่ร้อนจะไม่ระเบิดโดยไม่มีเชื้อเพลิงอยู่ด้วย

อัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้นอาจทำให้เครื่องยนต์เบนซินมีความไวต่อการน็อก (หรือที่เรียกว่า "การระเบิดรุนแรง", "การชิงจุดระเบิด" หรือ "ปิง") หากใช้เชื้อเพลิงที่มีค่าประเมินออกเทนต่ำ สิ่งนี้สามารถลดประสิทธิภาพหรือสร้างความเสียหายให้เครื่องยนต์ได้หากไม่มีตัวรับรู้การน็อกเพื่อปรับเปลี่ยนการตั้งไฟจุดระเบิด

เครื่องยนตืดีเซล
เครื่องยนต์ดีเซลใช้อัตราส่วนการอัดสูงกว่าเครื่องยนต์เบนซิน เนื่องจากไม่มีหัวเทียน หมายความว่าอัตราส่วนการอัดจะต้องเพิ่มอุณหภูมิอากาศในกระบอกสูบให้เพียงพอต่อการจุดระเบิดน้ำมันดีเซลโดยใช้การจุดระเบิดด้วยการอัด อัตราส่วนการอัดมักอยู่ระหว่าง 14:1 ถึง 23:1 สำหรับเครื่องยนต์ดีเซลฉีดตรง และระหว่าง 18:1 ถึง 23:1 สำหรับเครื่องยนต์ดีเซลฉีดอ้อม

ที่อัตราส่วนต่ำสุดที่ 14:1 การปล่อยไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) จะลดลงแต่ต้องแลกมาด้วยการสตาร์ตในสภาพอากาศเย็นที่ยากขึ้น มาสด้า สกายแอคทีฟ-D เครื่องยนต์เชิงพาณิชย์รุ่นแรกดังกล่าวตั้งแต่ ค.ศ. 2013 ได้ใช้ตัวฉีดเชื้อเพลิงแบบปรับตัว (adaptive fuel injector) ร่วมกับเทคนิคอื่น ๆ เพื่อช่วยให้สตาร์ตในสภาพอากาศเย็นได้ง่ายขึ้น

เชื้อเพลิงอื่น ๆ
อัตราส่วนการอัดอาจสูงขึ้นในเครื่องยนต์ที่ทำงานด้วยแก๊สปิโตรเลียมเหลว (LPG) หรือแก๊สธรรมชาติอัด (CNG) เพียงอย่างเดียว เนื่องจากเชื้อเพลิงเหล่านี้มีค่าประเมินออกเทนที่สูงกว่า

เครื่องยนต์ที่ใช้น้ำมันก๊าดโดยทั่วไปจะใช้อัตราส่วนการอัด 6.5 หรือต่ำกว่า เครื่องยนต์เบนซิน-พาราฟิน (petrol-paraffin engine) รุ่นของรถแทรกเตอร์เฟอร์กูสัน TE20 มีอัตราส่วนการอัด 4.5:1 สำหรับการทำงานกับน้ำมันระเหยสำหรับรถแทรกเตอร์ (tractor vaporising oil) ซึ่งมีค่าประเมินออกเทนระหว่าง 55 ถึง 70

เครื่องยนต์กีฬาท้าความเร็ว
เครื่องยนต์สำหรับกีฬาท้าความเร็วมักใช้น้ำมันเบนซินออกเทนสูงและดังนั้นจึงสามารถใช้อัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้นได้ ตัวอย่างเช่น เครื่องยนต์จักรยานยนต์สำหรับแข่งสามารถใช้อัตราส่วนการอัดสูงถึง 14.7:1 และเป็นเรื่องปกติที่จะพบจักรยานยนต์ที่มีอัตราส่วนการอัดสูงกว่า 12.0:1 ซึ่งออกแบบมาสำหรับเชื้อเพลิงออกเทน 95 หรือสูงกว่า

เอทานอลและเมทานอลสามารถรองรับอัตราส่วนการอัดที่สูงกว่าน้ำมันเบนซินได้อย่างมาก เครื่องยนต์แข่งที่เผาไหม้เชื้อเพลิงเมทานอลและเอทานอลมักมีอัตราส่วนการอัดระหว่าง 14:1 ถึง 16:1

สูตรทางคณิตศาสตร์
ในเครื่องยนต์ลูกสูบ อัตราส่วนการอัดสถิต () คืออัตราส่วนระหว่างปริมาตรกระบอกสูบและห้องเผาไหม้เมื่อลูกสูบอยู่ที่ตำแหน่งต่ำสุดของระยะชัก ต่อปริมาตรของห้องเผาไหม้เมื่อลูกสูบอยู่ที่ตำแหน่งสูงสุดของระยะชัก ดังนั้นจึงคำนวณได้โดยสูตร

โดยที่
 คือปริมาตรความจุกระบอกสูบ เป็นปริมาตรภายในกระบอกสูบที่ถูกกวาดโดยลูกสูบตั้งแต่เริ่มต้นจังหวะอัดจนถึงสิ้นสุดจังหวะ
 คือปริมาตรห้องเผาไหม้ เป็นปริมาตรของพื้นที่ที่เหลืออยู่ในกระบอกสูบเมื่อสิ้นสุดจังหวะอัด

 สามารถประมาณได้โดยสูตรปริมาตรกระบอกสูบ:

โดยที่
 คือขนาดกระบอกสูบ (เส้นผ่านศูนย์กลาง)
 คือความยาวระยะชักของลูกสูบ

ด้วยรูปร่างที่ซับซ้อนของ  โดยปกติแล้วจะวัดโดยตรง สิ่งนี้มักทำได้โดยการเติมของเหลวเข้าไปในกระบอกสูบ จากนั้นจึงวัดปริมาตรของของเหลวที่ใช้ไป

เครื่องยนต์อัตราส่วนการอัดแปรผัน

เครื่องยนต์ส่วนใหญ่ใช้อัตราส่วนการอัดคงที่ อย่างไรก็ดี เครื่องยนต์อัตราส่วนการอัดแปรผันสามารถปรับอัตราส่วนการอัดได้ในขณะเครื่องยนต์ทำงาน เครื่องยนต์ผลิตเชิงพาณิชย์เครื่องแรกที่มีอัตราส่วนการอัดแปรผันถูกนำมาใช้ใน ค.ศ. 2019

อัตราส่วนการอัดแปรผันเป็นเทคโนโลยีที่สามารถปรับอัตราส่วนการอัดของเครื่องยนต์สันดาปภายในขณะเครื่องยนต์ทำงาน สิ่งนี้ทำขึ้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงขณะอยู่ภายใต้ภาระที่แตกต่างกัน เครื่องยนต์อัตราส่วนการอัดแปรผันอนุญาตให้มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรเหนือลูกสูบ ณ ศูนย์ตายบน

ภาระที่สูงขึ้นต้องการอัตราส่วนที่ต่ำลงเพื่อเพิ่มกำลัง ในขณะที่ภาระที่ต่ำลงต้องการอัตราส่วนที่สูงขึ้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ เพื่อลดการใช้เชื้อเพลิง สำหรับการใช้งานในยานยนต์ สิ่งนี้จำเป็นต้องทำในขณะที่เครื่องยนต์ทำงานเพื่อตอบสนองต่อภาระและความต้องการในการขับขี่

อินฟินิตี QX50 ปี 2019 เป็นรถยนต์เชิงพาณิชย์คันแรกที่มีเครื่องยนต์อัตราส่วนการอัดแปรผัน

อัตราส่วนการอัดพลวัต

อัตราส่วนการอัดสถิตที่กล่าวถึงข้างต้น ซึ่งคำนวณจากปริมาตรของกระบอกสูบและห้องเผาไหม้เท่านั้น ไม่ได้นำปัจจัยของแก๊สใด ๆ ที่เข้าหรือออกจากกระบอกสูบในระหว่างขั้นตอนการอัดมาพิจารณาด้วย ในเครื่องยนต์ยานยนต์ส่วนใหญ่ การปิดลิ้นไอดี (ซึ่งจะผนึกกระบอกสูบ) เกิดขึ้นในระหว่างขั้นตอนการอัด (กล่าวคือ หลังศูนย์ตายล่าง BDC) ซึ่งอาจทำให้แก๊สบางส่วนถูกดันกลับออกไปทางลิ้นไอดี กลับกัน การปรับแต่งช่องไอดีและการไล่ไอเสียอาจทำให้มีปริมาณแก๊สถูกกักเก็บไว้ในกระบอกสูบมากกว่าที่ปริมาตรสถิตจะบ่งบอก อัตราส่วนการอัดพลวัต จะพิจารณาปัจจัยเหล่านี้

อัตราส่วนการอัดพลวัตจะสูงขึ้นเมื่อใช้จังหวะเพลาลูกเบี้ยวไอดีแบบอนุรักษนิยมมากขึ้น (กล่าวคือ ปิดหลังศูนย์ตายล่างไม่นาน) และจะต่ำลงเมื่อใช้จังหวะเพลาลูกเบี้ยวไอดีแบบรุนแรงมากขึ้น (กล่าวคือ ปิดหลังศูนย์ตายบนนานขึ้น) อย่างไรก็ดี อัตราส่วนการอัดพลวัตจะต่ำกว่าอัตราส่วนการอัดสถิตเสมอ

ความดันสัมบูรณ์ของกระบอกสูบถูกใช้ในการคำนวณอัตราส่วนการอัดพลวัต โดยใช้สูตร:โดยที่  คือค่าโพลีโทรปิกสำหรับอัตราส่วนความร้อนจำเพาะของแก๊สจากการเผาไหม้ที่อุณหภูมิที่เกิดขึ้น (สิ่งนี้ชดเชยการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่เกิดจากการอัด เช่นเดียวกับการสูญเสียความร้อนไปยังกระบอกสูบ)

ภายใต้สภาวะในอุดมคติ (อะเดียแบติก) อัตราส่วนของความร้อนจำเพาะจะมีค่าเป็น 1.4 แต่จะใช้ค่าที่ต่ำกว่า ซึ่งโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 1.2 ถึง 1.3 เนื่องจากปริมาณความร้อนที่สูญเสียไปจะแตกต่างกันไปในแต่ละเครื่องยนต์ขึ้นอยู่กับการออกแบบ ขนาด และวัสดุที่ใช้ ตัวอย่างเช่น หากอัตราส่วนการอัดสถิตคือ 10:1 และอัตราส่วนการอัดพลวัตคือ 7.5:1 ค่าใช้ประโยชน์สำหรับความดันกระบอกสูบจะเป็น 7.51.3 × ความดันบรรยากาศ หรือ 13.7 บาร์ (เมื่อเทียบกับความดันบรรยากาศ)

การแก้ไขสองส่วนสำหรับอัตราส่วนการอัดพลวัตส่งผลต่อความดันกระบอกสูบในทิศทางตรงกันข้าม แต่ไม่ได้มีความแข็งแรงเท่ากัน เครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนการอัดสถิตสูงและการปิดลิ้นไอดีช้าจะมีอัตราส่วนการอัดพลวัตใกล้เคียงเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนการอัดต่ำกว่าแต่มีการปิดลิ้นไอดีเร็ว

 ดูเพิ่ม 
 ความดันยังผลเฉลี่ย

 อ้างอิง 

หมวดหมู่:เทคโนโลยีเครื่องยนต์
หมวดหมู่:อัตราส่วนทางวิศวกรรม
หมวดหมู่:เครื่องยนต์ลูกสูบ