วัฏจักรดีเซล

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

วัฏจักรดีเซลถูกตั้งสมมติฐานให้มีความดันคงตัวในระหว่างช่วงเริ่มต้นของระยะการเผาไหม้ (คือช่วง V_2 ไปจนถึง V_3 ในแผนภาพด้านล่าง) นี่เป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ในอุดมคติ: เครื่องยนต์ดีเซลทางกายภาพแท้จริงจะมีความดันเพิ่มขึ้นในช่วงนี้ แต่ก็เพิ่มขึ้นไม่มากเท่ากับในวัฏจักรออตโต ตรงกันข้าม วัฏจักรออตโตในอุดมคติของเครื่องยนต์แกโซลีนจะประมาณเป็นกระบวนการปริมาตรคงตัวในระหว่างระยะเดียวกันนั้น

## วัฏจักรดีเซลในอุดมคติ

ในแผนภาพนี้ p คือความดันและ V คือปริมาตร หรือ v คือปริมาตรจำเพาะถ้ากระบวนการนั้นพิจารณาต่อหนึ่งหน่วยมวล วัฏจักรดีเซลในอุดมคติจะสมมติให้มีการใช้แก๊สอุดมคติและละเลยปฏิกิริยาเคมีของการเผาไหม้ ขั้นตอนการไอเสียและการเติมอากาศเข้า และจะประกอบด้วยกระบวนการที่แตกต่างกันสี่ขั้นตอนดังนี้:

* 1→2 : การอัดตัวแบบไอเซนทรอปิกของของไหล (สีน้ำเงิน)
* 2→3 : การรับความร้อนแบบความดันคงตัว (สีแดง)
* 3→4 : การขยายตัวแบบไอเซนทรอปิก (สีเหลือง)
* 4→1 : การคายความร้อนแบบปริมาตรคงตัว (สีเขียว)

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

* งานเข้า (W_{in}) เกิดจากการที่ลูกสูบอัดอากาศ (ระบบ)
* ความร้อนเข้า (Q_{in}) เกิดจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิง
* งานออก (W_{out}) เกิดจากการที่ของไหลทำงานขยายตัวและดันลูกสูบ (ซึ่งผลิตงานที่สามารถนำไปใช้ได้)
* ความร้อนออก (Q_{out}) เกิดจากการระบายอากาศออก
* งานสุทธิที่ผลิตได้ = Q_{in} - Q_{out}

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

### ประสิทธิภาพอุณหภาพสูงสุด
ประสิทธิภาพอุณหภาพสูงสุดของวัฏจักรดีเซลขึ้นอยู่กับอัตราส่วนการอัดและอัตราส่วนตัด (cut-off ratio) โดยมีสูตรดังต่อไปนี้ภายใต้การวิเคราะห์มาตรฐานอากาศเย็น: 

\eta_{th}=1-\frac{1}{r^{\gamma-1}}\left ( \frac{\alpha^{\gamma}-1}{\gamma(\alpha-1)} \right )

โดยที่
:\eta_{th}  คือประสิทธิภาพอุณหภาพ
:\alpha คืออัตราส่วนตัด\frac{V_3}{V_2}(อัตราส่วนระหว่างปริมาตรสุดท้ายกับปริมาตรเริ่มต้นสำหรับระยะการเผาไหม้)
: คืออัตราส่วนการอัด \frac{V_1}{V_2}
:\gamma  คืออัตราส่วนความร้อนจำเพาะ (Cp/Cv)

อัตราส่วนตัดสามารถแสดงในรูปของอุณหภูมิได้ดังที่แสดงด้านล่าง:
:\frac{T_2}{T_1} ={\left(\frac{V_1}{V_2}\right)^{\gamma-1}} = r^{\gamma-1}

: \displaystyle {T_2} ={T_1} r^{\gamma-1} 

:\frac{V_3}{V_2} = \frac{T_3}{T_2}

:\alpha = \left(\frac{T_3}{T_1}\right)\left(\frac{1}{r^{\gamma-1}}\right)

T_3 สามารถประมาณได้จากอุณหภูมิเปลวไฟของเชื้อเพลิงที่ใช้ อุณหภูมิเปลวไฟสามารถประมาณได้จากอุณหภูมิเปลวไฟอะเดียแบติกของเชื้อเพลิงที่มีอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงและความดันอัด  (p_3) ที่สอดคล้องกัน T_1 สามารถประมาณได้จากอุณหภูมิอากาศขาเข้า

สูตรนี้ให้เพียงแค่ประสิทธิภาพอุณหภาพในอุดมคติเท่านั้น ประสิทธิภาพอุณหภาพจริงจะต่ำกว่ามากเนื่องจากการสูญเสียความร้อนและแรงเสียดทาน สูตรนี้ซับซ้อนกว่าความสัมพันธ์ของวัฏจักรออตโต (เครื่องยนต์เบนซิน/แกโซลีน) ที่มีสูตร:

\eta_{otto,th}=1-\frac{1}{r^{\gamma-1}}

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&nbsp;ปอนด์ต้อแรงม้า-ชั่วโมง (0.16&nbsp;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