เครื่องยนต์ลูกสูบ

เครื่องยนต์ลูกสูบ (หรือ) คือเครื่องจักรความร้อนที่ใช้ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นลงหนึ่งตัวหรือมากกว่าเพื่อแปลงอุณหภูมิและความดันสูงให้กลายเป็นการเคลื่อนที่แบบหมุน บทความนี้จะอธิบายคุณลักษณะทั่วไปของทุกประเภท โดยประเภทหลัก ๆ ได้แก่ เครื่องยนต์สันดาปภายใน ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในยานยนต์ เครื่องจักรไอน้ำ ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของการปฏิวัติอุตสาหกรรม และเครื่องยนต์สเตอร์ลิงสำหรับการใช้งานเฉพาะด้าน เครื่องยนต์สันดาปภายในยังถูกจัดออกเป็นสองประเภท ได้แก่ เครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟ (SI) ซึ่งหัวเทียนจะจุดประกายเพื่อเริ่มต้นการเผาไหม้ หรือเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยการอัด (CI) ซึ่งอากาศภายในกระบอกสูบจะถูกบีบอัดจนร้อนขึ้น และอากาศที่ร้อนขึ้นนี้จะจุดระเบิดเชื้อเพลิงที่ฉีดเข้ามาในตอนนั้นหรือก่อนหน้า
คุณลักษณะทั่วไปในทุกประเภท.
อาจจะมีลูกสูบหนึ่งตัวหรือหลายตัว แต่ละตัวจะอยู่ภายในกระบอกสูบ ซึ่งภายในกระบอกสูบนั้นจะมีแก๊สถูกนำเข้ามา อาจอยู่ในสภาวะที่มีความดันอยู่แล้ว (เช่น เครื่องจักรไอน้ำ) หรือถูกทำให้ร้อนขึ้นภายในกระบอกสูบโดยการจุดระเบิดส่วนผสมเชื้อเพลิงและอากาศ (เครื่องยนต์สันดาปภายใน) หรือโดยการสัมผัสกับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่ร้อนจัดซึ่งอยู่ภายในกระบอกสูบ (เครื่องยนต์สเตอร์ลิง) แก๊สที่ร้อนจะเกิดการขยายตัวและดันลูกสูบให้เคลื่อนที่ลงไปยังส่วนล่างสุดของกระบอกสูบ ตำแหน่งนี้เรียกว่าศูนย์ตายล่าง (BDC) หรือเป็นตำแหน่งที่ลูกสูบทำให้เกิดปริมาตรสูงสุดในกระบอกสูบ ลูกสูบจะถูกดันให้กลับขึ้นไปที่ด้านบนของกระบอกสูบ (ศูนย์ตายบน) (TDC) โดยอาศัยล้อตุนกำลัง พลังงานจากลูกสูบอื่น ๆ ที่เชื่อมอยู่บนเพลาเดียวกันหรือ (ในกระบอกสูบสองทาง) โดยกระบวนการเดียวกันที่เกิดขึ้นที่อีกด้านหนึ่งของลูกสูบ ตำแหน่งนี้เป็นตำแหน่งที่ลูกสูบทำให้เกิดปริมาตรน้อยที่สุดในกระบอกสูบ ในเครื่องยนต์ส่วนใหญ่ แก๊สที่ขยายตัวหรือ "ไอเสีย" จะถูกกำจัดออกจากกระบอกสูบโดยจังหวะนี้ ยกเว้นเครื่องยนต์สเตอร์ลิง ซึ่งจะทำหน้าที่อุ่นและทำให้เย็นลงปริมาณแก๊สที่ถูกปิดผนึกไว้เดิมซ้ำ ๆ ระยะชัก (stroke) คือระยะระหว่าง TDC และ BDC หรือระยะที่มากที่สุดที่ลูกสูบสามารถเคลื่อนที่ได้ในทิศทางเดียว
ในบางการออกแบบ ลูกสูบอาจถูกขับเคลื่อนในทั้งสองทิศทางของกระบอกสูบ ซึ่งในกรณีนี้เรียกว่าสองทาง (double-acting)
ในเครื่องยนต์ส่วนใหญ่ การเคลื่อนที่เชิงเส้นของลูกสูบจะถูกแปลงเป็นการเคลื่อนที่แบบหมุนผ่านก้านสูบและเพลาข้อเหวี่ยงหรือโดยสวอชเพลตหรือกลไกที่เหมาะสมอื่น ๆ มักใช้ล้อตุนกำลังเพื่อให้แน่ใจว่าการหมุนราบรื่นหรือเพื่อเก็บพลังงานไว้ใช้ขับเคลื่อนเครื่องยนต์ในช่วงที่ไม่มีกำลังขับเคลื่อน ยิ่งเครื่องยนต์ลูกสูบมีจำนวนกระบอกสูบมากเท่าไหร่ โดยทั่วไปแล้วจะทำงานได้ราบรื่น (ไม่มีการสั่นสะเทือน) มากขึ้นเท่านั้น กำลังของเครื่องยนต์ลูกสูบจะแปรผันตามปริมาตรรวมของควาจุลูกสูบ
ต้องมีกันรั่วระหว่างลูกสูบที่เลื่อนไปมากับผนังกระบอกสูบเพื่อป้องกันไม่ให้แก๊สแรงดันสูงที่อยู่เหนือลูกสูบรั่วไหลผ่านไปได้จนทำให้ประสิทธิภาพเครื่องยนต์ลดลง โดยทั่วไปแล้วกันรั่วนี้จะประกอบด้วยแหวนลูกสูบตั้งแต่หนึ่งวงขึ้นไป ซึ่งเป็นแหวนที่ทำจากโลหะแข็งและถูกสปริงให้เข้าที่ในร่องวงกลมที่หัวลูกสูบ แหวนจะพอดีกับร่องอย่างแนบสนิทและกดแนบกับผนังกระบอกสูบเบา ๆ เพื่อสร้างกันรั่ว และจะกดหนักขึ้นเมื่อความดันจากการเผาไหม้ที่สูงขึ้นเคลื่อนไปที่พื้นผิวด้านในของแหวน
เป็นเรื่องปกติที่จะจัดประเภทเครื่องยนต์ดังกล่าวตามจำนวนและแนวการจัดวางกระบอกสูบและปริมาตรรวมของความจุก๊าซโดยลูกสูบที่เคลื่อนที่ในกระบอกสูบ ซึ่งมักวัดเป็นลูกบาศก์เซนติเมตร (cm3 หรือ cc) หรือลิตร (l) หรือ (L) ตัวอย่างเช่น สำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน การออกแบบหนึ่งและสองสูบนั้นเป็นเรื่องปกติในยานพาหนะขนาดเล็ก เช่น จักรยานยนต์ ขณะที่รถยนต์โดยทั่วไปจะมีสี่ถึงแปดสูบ และรถจักรและเรือกำปั่นอาจมีสิบสองสูบหรือมากกว่า ความจุกระบอกสูบอาจมีตั้งแต่ 10 cm3 หรือน้อยกว่าในเครื่องยนต์จำลองไปจนถึงหลายพันลิตรในเครื่องยนต์ของเรือกำปั่น
อัตราส่วนการอัดส่งผลต่อประสิทธิภาพในเครื่องยนต์ลูกสูบส่วนใหญ่ เป็นอัตราส่วนระหว่างปริมาตรกระบอกสูบเมื่อลูกสูบอยู่ที่จุดต่ำสุดของระยะชัก และปริมาตรเมื่อลูกสูบอยู่ที่จุดสูงสุดของระยะชัก
อัตราส่วนระยะชัก/ขนาดกระบอกสูบคืออัตราส่วนของเส้นผ่านศูนย์กลางของลูกสูบ หรือที่เรียกว่า "ขนาดกระบอกสูบ (bore)" ต่อความยาวในการเคลื่อนที่ภายในกระบอกสูบ หรือที่เรียกว่า "ระยะชัก (stroke)" หากอัตราส่วนนี้มีค่าประมาณ 1 เครื่องยนต์จะถูกเรียกว่า "สแควร์ (square)" หากมีค่ามากกว่า 1 นั่นคือกระบอกสูบมีขนาดใหญ่กว่าระยะชัก จะเรียกว่า "โอเวอร์สแควร์ (oversquare)" หากมีค่าน้อยกว่า 1 นั่นคือระยะชักมีขนาดใหญ่กว่ากระบอกสูบ จะเรียกว่า "อันเดอร์สแควร์ (undersquare)"
กระบอกสูบอาจเรียงเป็นแนวตรง รูปตัววี วางตรงข้ามกันในแนวนอน หรือเรียงในแนวรัศมีรอบเพลาข้อเหวี่ยง เครื่องยนต์สูบชนจะใช้ลูกสูบสองตัวทำงานที่ปลายกระบอกสูบเดียวกัน และมีการพัฒนาต่อไปเป็นการเรียงแบบสามเหลี่ยม เช่น เนเปียร์ เดลติก การออกแบบบางอย่างทำให้กระบอกสูบเคลื่อนที่ไปรอบเพลา เช่นในเครื่องยนต์โรทารี
ในเครื่องจักรไอน้ำบางประเภท กระบอกสูบอาจมีขนาดแตกต่างกัน โดยกระบอกสูบที่มีขนาดเล็กที่สุดจะทำงานด้วยไอน้ำที่มีแรงดันสูงสุด จากนั้นไอน้ำจะถูกส่งผ่านกระบอกสูบที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ ทีละตัว เพื่อสกัดพลังงานจากไอน้ำที่แรงดันลดต่ำลงเรื่อย ๆ ตามลำดับ เหล่านี้เรียกว่าเครื่องจักรผสม
นอกจากจะพิจารณากำลังที่เครื่องยนต์สามารถผลิตได้แล้ว ความดันยังผลเฉลี่ย (MEP) ยังสามารถนำมาใช้ในการเปรียบเทียบกำลังและสมรรถนะของเครื่องยนต์ลูกสูบที่มีขนาดเท่ากันได้ ความดันยังผลเฉลี่ยคือความดันเชิงสมมติที่จะสร้างงานสุทธิได้ในปริมาณเท่ากันกับที่ถูกสร้างขึ้นระหว่างวัฏจักรจังหวะกำลัง ซึ่งแสดงได้โดย:
 <math>W_{net}= \text{MEP}\cdot A_pS = \text{MEP} \cdot V_d</math>
โดยที่ <math>A_p</math> คือพื้นที่ลูกสูบรวมของเครื่องยนต์ <math>S</math> คือความยาวระนะชักของลูกสูบ และ <math>V_d</math> คือปริมาตรความจุรวมของเครื่องยนต์ ดังนั้น:
 <math>\text{MEP} = \frac{W_{net}}{V_d}</math>
เครื่องยนต์ที่มีค่า MEP สูงกว่าจะสร้างงานสุทธิต่อวัฏจักรได้มากกว่าและมีประสิทธิภาพดีกว่า
การทำงาน.
ในเครื่องจักรไอน้ำและเครื่องยนต์สันดาปภายใน ลิ้นมีความจำเป็นเพื่อให้อากาศเข้าและออกจากกระบอกสูบในเวลาที่ถูกต้องตามวัฏจักรของลูกสูบ ลิ้นเหล่านี้ทำงานด้วยลูกเบี้ยว ลูกเบี้ยวเยื้องศูนย์ หรือข้อเหวี่ยงที่ขับโดยเพลาของเครื่องยนต์ การออกแบบในยุคแรกใช้ลิ้นเลื่อนรูปตัว D แต่ส่วนใหญ่ถูกแทนที่ด้วยการออกแบบลิ้นลูกสูบหรือลิ้นดอกเห็ด ในเครื่องจักรไอน้ำ จุดในวัฏจักรลูกสูบที่ลิ้นไอน้ำขาเข้าปิดเรียกว่าคัตออฟ (cutoff) และมักถูกควบคุมเพื่อปรับแรงบิดที่เครื่องยนต์ส่งออกมาและปรับปรุงประสิทธิภาพ ในเครื่องจักรไอน้ำบางชนิด การทำงานของลิ้นสามารถถูกแทนที่ด้วยกระบอกสูบแกว่งได้
เครื่องยนต์สันดาปภายในทำงานผ่านลำดับของจังหวะที่ทำหน้าที่นำก๊าซเข้าและออกจากกระบอกสูบ การทำงานเหล่านี้จะเกิดขึ้นซ้ำเป็นวัฏจักร และเครื่องยนต์จะถูกเรียกว่าสองจังหวะ สี่จังหวะ หรือหกจังหวะ ขึ้นอยู่กับจำนวนจังหวะที่ใช้ในการทำงานให้ครบหนึ่งวัฏจักร
ประเภทที่พบมากที่สุดคือสี่จังหวะ ซึ่งมีวัฏจักรดังต่อไปนี้:
ประวัติศาสตร์.
เครื่องยนต์ลูกสูบได้รับการพัฒนาในยุโรปช่วงศตวรรษที่ 18 โดยเริ่มต้นจากเครื่องจักรบรรยากาศ (atmospheric engine) และต่อมากลายเป็นเครื่องจักรไอน้ำ ตามมาด้วยเครื่องยนต์สเตอร์ลิงและเครื่องยนต์สันดาปภายในในศตวรรษที่ 19 ปัจจุบัน เครื่องยนต์ลูกสูบที่พบได้บ่อยที่สุดคือเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้น้ำมันเบนซิน ดีเซลแก๊สปิโตรเลียมเหลว (LPG) หรือแก๊สธรรมชาติอัด (CNG) เป็นเชื้อเพลิง และใช้ในการขับเคลื่อนยานยนต์และโรงไฟฟ้า
เครื่องยนต์ลูกสูบที่โดดเด่นจากยุคสงครามโลกครั้งที่สองคือเครื่องยนต์แฉกดาว Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major ที่มี 28 สูบและกำลัง เครื่องยนต์นี้เป็นขุมพลังขับเคลื่อนให้กับเครื่องบินลูกสูบขนาดใหญ่รุ่นสุดท้ายก่อนที่เครื่องยนต์ไอพ่นและเครื่องยนต์กังหันใบพัดจะเข้ามาแทนที่ตั้งแต่ ค.ศ. 1944 เป็นต้นไป เครื่องยนต์มีปริมาตรรวม และมีอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักสูง
เครื่องยนต์ลูกสูบที่มีขนาดใหญ่ที่สุดที่ยังคงผลิตอยู่ในปัจจุบัน แต่ไม่ใช่เครื่องยนต์ที่ใหญ่ที่สุดที่เคยสร้างมาคือเครื่องยนต์ดีเซลสองจังหวะเทอร์โบ Wärtsilä-Sulzer RTA96-C สร้างโดย Wärtsilä ใน ค.ศ. 2006 ใช้สำหรับขับเคลื่อนเรือบรรทุกตู้สินค้าขนาดใหญ่ที่ทันสมัยที่สุดอย่าง Emma Mærsk เครื่องยนต์นี้มีความสูงเท่าอาคารห้าชั้น  ยาว และมีน้ำหนักมากกว่า ในรุ่นใหญ่ที่สุดที่มี 14 กระบอกสูบ ให้กำลังมากกว่า 84.42 เมกะวัตต์ (113,209 แรงม้าเพลา) แต่ละกระบอกสูบมีความจุ ทำให้มีความจุรวมทั้งหมด สำหรับรุ่นใหญ่ที่สุด
ความจุเครื่องยนต์.
สำหรับเครื่องยนต์ลูกสูบ ความจุเครื่องยนต์ (engine displacement) หรืออีกนัยหนึ่งคือปริมาตรที่ลูกสูบทั้งหมดของเครื่องยนต์กวาดได้ในการเคลื่อนที่เพียงครั้งเดียว โดยปกติแล้วจะวัดเป็นลิตร (l) หรือลูกบาศก์นิ้ว (c.i.d., cu in, "หรือ" in3) สำหรับเครื่องยนต์ขนาดใหญ่ และลูกบาศก์เซนติเมตร (ย่อว่า cc) สำหรับเครื่องยนต์ขนาดเล็ก เมื่อปัจจัยอื่น ๆ เท่ากัน เครื่องยนต์ที่มีความจุมากกว่าจะมีกำลังมากกว่าและสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงมากขึ้นตามไปด้วย (แม้สิ่งนี้จะไม่เป็นจริงกับเครื่องยนต์ลูกสูบทุกรุ่น) แต่กำลังและการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงก็ได้รับผลกระทบจากปัจจัยอื่น ๆ อีกมากมายที่อยู่นอกเหนือจากความจุเครื่องยนต์
กำลัง.
เครื่องยนต์ลูกสูบสามารถจำแนกได้ด้วยกำลังจำเพาะ (specific power) ซึ่งโดยทั่วไปจะให้เป็นหน่วยกิโลวัตต์ต่อลิตรของความจุเครื่องยนต์ (ในสหรัฐอาจใช้หน่วยแรงม้าต่อลูกบาศก์นิ้ว) ผลลัพธ์ที่ได้จะบ่งบอกถึงค่ากำลังสูงสุดโดยประมาณของเครื่องยนต์ ไม่ควรสับสนกับประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง (fuel efficiency) เนื่องจากประสิทธิภาพสูงมักจะต้องใช้อัตราส่วนเชื้อเพลิงต่ออากาศที่บาง ซึ่งส่งผลให้ความหนาแน่นของกำลังลดลง เครื่องยนต์รถยนต์สมรรถนะสูงที่ทันสมัยสามารถผลิตกำลังได้เกิน 75 กิโลวัตต์ต่อลิตร (1.65 แรงม้าต่อลูกบาศก์นิ้ว)
ประเภทการสันดาบที่ไม่ใช่ภายในสมัยใหม่อื่น ๆ.
เครื่องยนต์ลูกสูบที่ขับเคลื่อนด้วยอากาศอัด ไอน้ำ หรือก๊าซร้อนอื่น ๆ ยังคงถูกนำมาใช้ในบางการใช้งาน เช่น เพื่อขับตอร์ปิโดสมัยใหม่หลายชนิด หรือใช้เป็นพลังงานขับไม่ก่อมลพิษ การใช้งานที่ขับด้วยไอน้ำส่วนใหญ่จะใช้กังหันไอน้ำซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์ลูกสูบ
ยานพาหนะ FlowAIR ที่ออกแบบโดยฝรั่งเศสใช้อากาศอัดที่เก็บไว้ในถังเพื่อขับเครื่องยนต์ลูกสูบในยานยนต์ในเมืองที่ไม่ก่อมลพิษในท้องถิ่น
ตอร์ปิโดอาจใช้ก๊าซทำงานที่ผลิตจากเพอร์ออกไซด์ความเข้มข้นสูงหรือเชื้อเพลิง Otto II ซึ่งจะเกิดแรงดันโดยไม่มีการเผาไหม้ ตัวอย่างเช่น ตอร์ปิโด Mark 46 น้ำหนัก 230 กิโลกรัม (510 ปอนด์) สามารถเดินทางใต้น้ำได้ 11 กิโลเมตร (6.8 ไมล์) ที่ความเร็ว 74 กิโลเมตรต่อชั่วโมง (46 ไมล์ต่อชั่วโมง) โดยมีเชื้อเพลิงเป็น Otto fuel โดยไม่ต้องใช้ตัวออกซิไดซ์
เครื่อจักรความร้อนควอนตัมลูกสูบ.
เครื่องจักรความร้อนควอนตัม เป็นอุปกรณ์ที่สร้างพลังงานจากความร้อนที่ไหลจากแหล่งเก็บความร้อนไปยังแหล่งเก็บความเย็น กลไกการทำงานของเครื่องจักรนี้สามารถอธิบายได้ด้วยกฎของกลศาสตร์ควอนตัม ส่วนตู้เย็นควอนตัมเป็นอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานเพื่อสูบฉีดความร้อนจากแหล่งเก็บความเย็นไปยังแหล่งเก็บความร้อน
ในเครื่องจักรความร้อนควอนตัมลูกสูบ สารทำงานคือระบบควอนตัม เช่น ระบบสปิน หรือระบบฮาร์โมนิกออสซิลเลเตอร์ วัฏจักรการ์โนและวัฏจักรออตโต เป็นวัฏจักรที่ได้รับการศึกษามากที่สุด วัฏจักรควอนตัมเหล่านี้เป็นไปตามกฎอุณหพลศาสตร์ นอกจากนี้ แบบจำลองเหล่านี้สามารถพิสูจน์สมมติฐานของอุณหพลศาสตร์ผันกลับไม่ได้ (endoreversible thermodynamics) การศึกษาเชิงทฤษฎีแสดงให้เห็นว่ามีความเป็นไปได้และเป็นไปได้ในทางปฏิบัติที่จะสร้างเครื่องยนต์ลูกสูบซึ่งประกอบด้วยอะตอมเดี่ยวที่แกว่งไปมา นี่เป็นส่วนหนึ่งของการวิจัยในอนาคตและอาจนำไปประยุกต์ใช้ในด้านนาโนเทคโนโลยี
เครื่องยนต์เบ็ดเตล็ด.
มีเครื่องยนต์ลูกสูบแปลก ๆ จำนวนมากที่มีความหลากหลายและอ้างว่ามีข้อดีต่าง ๆ แต่หลายชนิดแทบไม่ถูกนำมาใช้งานในปัจจุบันเลย:
ดูเพิ่ม.
<templatestyles src="Div col/styles.css"/>