เครื่องยนต์สันดาปภายในเบื้องต้น

เครื่องยนต์สันดาปภายในเบื้องต้น

แรงขับของยานพาหนะมักจะได้มาจากเครื่องยนต์ หรือที่เรียกว่าตัวขับเคลื่อนหลัก เช่น อุปกรณ์ทางกลที่สามารถแปลงพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงเป็นพลังงานกล อย่างไรก็ตาม คำว่า 'เครื่องยนต์' ในภาษาอังกฤษน่าจะมีที่มาภาษาฝรั่งเศสในคำว่า 'engin' ในภาษาฝรั่งเศสโบราณ ซึ่งในทางกลับกันก็คิดว่ามาจากภาษาละตินว่า 'ingenium' (มีรากศัพท์เดียวกันกับคำว่า 'ingénieur' หรือ ' วิศวกร').

ขั้นแรก พลังงานเคมีของเชื้อเพลิงจะถูกแปลงเป็นความร้อนโดยการเผาไหม้ จากนั้นความร้อนจะถูกแปลงเป็นงานทางกลโดยใช้ตัวกลางในการทำงาน สื่อการทำงานนี้อาจเป็นของเหลวหรือก๊าซ อันที่จริง ความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้จะเพิ่มแรงดันหรือปริมาตรจำเพาะของมัน และด้วยการขยายตัวทำให้ได้งานทางกล

ในเครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE) ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ (เช่น อากาศและเชื้อเพลิง) ถูกใช้เป็นตัวกลางในการทำงาน ในขณะที่ในเครื่องยนต์สันดาปภายนอก ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้จะถ่ายเทความร้อนไปยังสื่อการทำงานที่แตกต่างกันโดยใช้ตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ยิ่งกว่านั้น ในขณะที่ใน ICE การเผาไหม้เกิดขึ้นภายในกระบอกสูบ ในเครื่องยนต์สันดาปภายนอก การเผาไหม้จะได้รับในห้องที่แยกต่างหาก ซึ่งมักจะเรียกว่าหัวเผา

การจำแนกประเภทเครื่องยนต์



ตั้งแต่ กระบวนการเผาไหม้ ของ ICE จะเปลี่ยนคุณสมบัติของสื่อการทำงาน การทำงานของวงจรสามารถทำได้ผ่านการเปลี่ยนตัวกลางการทำงานเป็นระยะเท่านั้น เช่น ผ่านวงจรเปิด คำว่า 'รอบ' สำหรับ ICE จึงหมายถึงวัฏจักรการทำงานของเครื่องยนต์ที่ต้องเปลี่ยนเป็นระยะๆ ไม่ใช่วัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์ของของเหลวทำงาน เชื้อเพลิงต้องมีคุณสมบัติที่เข้ากันได้กับการทำงานของ ICE ซึ่งหมายความว่าผลิตภัณฑ์ที่เผาไหม้ควรอนุญาตให้ใช้เป็นสื่อการทำงาน (เช่น การเผาไหม้ไม่ควรเกิดขี้เถ้าเหมือนในปล่องไฟของคุณ ซึ่งจะทำให้กลไกเครื่องยนต์ติด)

เครื่องยนต์สันดาปภายใน

โดยทั่วไปแล้วเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบลูกสูบจะเลือกใช้สำหรับการขับเคลื่อนของยานพาหนะภาคพื้นดินโดยมีข้อยกเว้นบางประการ ( มอเตอร์ไฟฟ้า สำหรับทางรถราง รถราง หรือรถยนต์ไฟฟ้า) เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานที่เหมาะสมและต้นทุนการผลิตและการบริการที่ค่อนข้างต่ำ (เมื่อเทียบกับกังหันก๊าซ เป็นต้น)

ในการยื่นหมูยื่นแมว ICE การเคลื่อนที่ของลูกสูบเข้าไปในกระบอกสูบที่ปิดที่ปลายอีกด้านโดยหัวกระบอกสูบทำให้เกิดความแปรผันตามวัฏจักรของปริมาตรกระบอกสูบ ลูกสูบเชื่อมต่อกับแกนและข้อเหวี่ยงกับเพลา ซึ่งการหมุนอย่างคงที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของลูกสูบแบบวนซ้ำระหว่างตำแหน่งสุดขั้วสองตำแหน่ง คือ Top Dead Center (TDC ใกล้กับหัวกระบอกสูบมากที่สุด) และ Bottom Dead Center (BDC, ระยะห่างจากฝาสูบมากที่สุด) ตำแหน่งสองตำแหน่งนี้สอดคล้องกับปริมาตรกระบอกสูบขั้นต่ำตามลำดับ (ปริมาตรระยะห่าง Vc) และปริมาตรกระบอกสูบสูงสุดตามลำดับ (ปริมาตรรวม Vt) ความแตกต่างระหว่างปริมาตรสูงสุดและต่ำสุดเรียกว่าปริมาตรการกวาดหรือการกระจัดของกระบอกสูบและตั้งชื่อว่า Vd และสุดท้าย อัตราส่วนระหว่างปริมาตรสูงสุดและต่ำสุดเรียกว่าอัตราส่วนการบีบอัด (rc)

คำจำกัดความของ ICE

การจำแนก ICE

เครื่องยนต์สันดาปสามารถจำแนกได้เป็นประเภทต่างๆ สองสิ่งที่สำคัญที่สุดคือกระบวนการเผาไหม้ (การจุดระเบิดด้วยประกายไฟเทียบกับการจุดระเบิดด้วยการอัด) และวงจรการทำงาน (2 จังหวะกับ 4 จังหวะ) การจำแนกประเภทเพิ่มเติมอาจขึ้นอยู่กับปริมาณอากาศ (ที่สำลักโดยธรรมชาติหรือเทอร์โบชาร์จ) การเติมเชื้อเพลิง (การฉีดโดยตรงหรือทางอ้อม) และ ระบบระบายความร้อน (ระบายความร้อนด้วยอากาศหรือระบายความร้อนด้วยน้ำ). ในบทความนี้จะนำเสนอเฉพาะความแตกต่างระหว่างกระบวนการเผาไหม้

การจำแนก ICE

การจุดระเบิดด้วยประกายไฟและการจุดระเบิดด้วยการอัด

จุดประกายไฟ

ในเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟ เชื้อเพลิงที่มีปฏิกิริยาค่อนข้างต่ำจะถูกใช้ เช่น น้ำมันเบนซิน ก๊าซธรรมชาติอัด (CNG) หรือก๊าซปิโตรเลียมเหลว (GPL) เชื้อเพลิงดังกล่าวผสมกับอากาศเพื่อสร้างส่วนผสมของอากาศ/เชื้อเพลิงที่ติดไฟได้และเป็นเนื้อเดียวกัน จากนั้นอัดเข้าไปในเครื่องยนต์เพื่อให้มีอุณหภูมิประมาณ 700 K (400 °C) และแรงดันประมาณ 20 บาร์ โดยไม่มีการจุดไฟเอง

พฤติกรรมนี้สามารถอธิบายได้บนพื้นฐานของลักษณะโมเลกุลเชื้อเพลิง: เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนที่ใช้ในเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟ (SI) ทำจากโมเลกุลสายสั้น โครงสร้างแข็งแรงและกะทัดรัด (เช่น CH4 สำหรับ CNG หรือไอโซ-ออกเทน C8h28 สำหรับน้ำมันเบนซิน) สำหรับ ซึ่งแม้ในอุณหภูมิและความดันสูง เวลาที่จำเป็นในการเริ่มกระบวนการเผาไหม้ก็ค่อนข้างนาน อย่างไรก็ตาม แนวคิดนี้ต้องไม่สับสนกับความสามารถของเชื้อเพลิงเหลวในการระเหยที่อุณหภูมิห้องและก่อตัวเป็นส่วนผสมที่ติดไฟได้ในอากาศแวดล้อม ความสามารถนี้มีอยู่ในน้ำมันเบนซินสูงและเป็นตัวกำหนดอันตรายจากการระเบิดหากมีแหล่งกำเนิดประกายไฟ

ในเครื่องยนต์ SI กระบวนการเผาไหม้สามารถเริ่มต้นได้เท่านั้น (อย่างน้อยสำหรับการเผาไหม้แบบคลาสสิก) กับแหล่งภายนอกของ พลังงานเช่นไฟฟ้า จุดประกาย พลังงานที่เติมลงในส่วนผสมโดยการคายประจุไฟฟ้ามีขนาดเล็ก (ขนาดประมาณ 10 mJ) แต่อย่างไรก็ตาม จำเป็นอย่างยิ่งต่อการเริ่มกระบวนการเผาไหม้รูปวาดกระบอกจุดระเบิดอัด

จากเมล็ดแรกที่จุดประกายด้วยประกายไฟ การเผาไหม้จึงแพร่กระจายผ่านส่วนผสม: ชั้นแล้วชั้นเล่า ส่วนหน้าของเปลวไฟจะเดินทางผ่านห้องเพาะเลี้ยง ส่วนใหญ่ต้องขอบคุณการแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพาความร้อนระหว่างก๊าซที่เผาไหม้กับของผสมสด จนถึงโซนสุดท้าย (เรียกว่า “ แก๊สหมด') ห่างจากจุดประกายไฟ

ความเร็วด้านหน้าเปลวไฟอยู่ที่ประมาณ 20-40 เมตร/วินาที และจะเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อมีความวุ่นวายภายในส่วนผสม (ความปั่นป่วนจะเพิ่มพื้นที่ผิวระหว่างก๊าซสดและก๊าซที่เผาไหม้ ดังนั้นการแลกเปลี่ยนความร้อนจึงเพิ่มขึ้น และความเร็วในการแพร่กระจายเปลวไฟ) เนื่องจากความปั่นป่วนที่เพิ่มขึ้นตามความเร็วของเครื่องยนต์ และความเร็วของเปลวไฟด้านหน้าเป็นสัดส่วนกับความรุนแรงของความปั่นป่วน ความเร็วของเปลวไฟด้านหน้าจะเพิ่มขึ้นตามความเร็วของเครื่องยนต์ ซึ่งจะช่วยชดเชยระยะเวลาที่ลดลงสำหรับการเผาไหม้ ด้วยเหตุนี้จึงแทบไม่มีข้อ จำกัด ในแง่ของ ความเร็วรอบเครื่องยนต์ SI จากการเผาไหม้ มุมมอง (เครื่องยนต์สูตร 1 สามารถทำงานได้ถึง 20,000 รอบต่อนาที)

อย่างไรก็ตาม ส่วนผสมของอากาศ/เชื้อเพลิง เมื่อคงอุณหภูมิและความดันสูงไว้เป็นเวลานาน อาจเกิดการจุดไฟอัตโนมัติได้ในที่สุด ด้วยเหตุผลนี้ การเผาไหม้ที่ผิดปกติอาจเกิดขึ้นได้เมื่อแก๊สดับอัตโนมัติจุดประกายขึ้นเองตามธรรมชาติก่อนการมาถึงของเปลวไฟด้านหน้า การเผาไหม้ที่ผิดปกตินี้ทำให้ .เพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน แรงดันกระบอกสูบ ตามด้วยคลื่นแรงดันภายในห้องเผาไหม้ที่ส่งผ่านโครงสร้างเครื่องยนต์ไปยังสภาพแวดล้อมโดยรอบ สิ่งนี้เรียกว่า 'การเคาะ' และอาจทำให้ลูกสูบและกระบอกสูบเสียหายได้เนื่องจากความล้าจากความร้อน เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้เกิดการน็อค เครื่องยนต์ SI ต้องปฏิบัติตามข้อจำกัดหลายประการเกี่ยวกับความยาวเส้นทางเปลวไฟสูงสุด (ซึ่งจำกัดเส้นผ่านศูนย์กลางของกระบอกสูบสูงสุดที่เรียกว่ารูเจาะไว้ที่ประมาณ 100 มม.) และอุณหภูมิและความดันสูงสุดของแก๊สที่ปลายท่อ (สด) ที่ยอมรับได้ (ที่ จำกัดทั้งอัตราส่วนกำลังอัดและแรงดันบูสต์)

นอกจากนี้ ค่าความเร็วเปลวไฟที่สูงสามารถทำได้ก็ต่อเมื่ออัตราส่วนอากาศ/เชื้อเพลิงค่อนข้างใกล้เคียงกับอัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์: ดังนั้น เมื่อต้องใช้งานเครื่องยนต์ SI ที่โหลดชิ้นส่วน เป็นไปไม่ได้ที่จะลดเพียงเชื้อเพลิงโดยที่ยังคงรักษาระดับเดิมไว้ มวลอากาศเข้าสู่กระบอกสูบ จากนั้นจึงจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เพื่อลดการไหลของมวลอากาศเพื่อควบคุมโหลด (มักจะเลือกคันเร่งไอดี) แม้ว่าจะทำให้เกิดบทลงโทษด้านประสิทธิภาพที่โหลดชิ้นส่วนก็ตาม

[colored_box variable=”moss green” title=”ปริมาณสัมพันธ์คืออะไร?”]Stoichiometry ถูกกำหนดให้เป็นจุดที่ในส่วนผสม ออกซิเจนทั้งหมดถูกใช้ไปและเชื้อเพลิงทั้งหมดจะถูกเผาไหม้ สำหรับน้ำมันเบนซิน อัตราส่วนที่กำหนดโดยมวลคือ 14.7:1 (อากาศ 14.7 กรัมต่อเชื้อเพลิง 1 กรัม) [/colored_box]

การจุดระเบิดด้วยการอัด

วิวัฒนาการของอุณหภูมิในห้องเผาไหม้เมื่อใช้เชื้อเพลิงที่มีปฏิกิริยาสูง เช่น ดีเซล เชื้อเพลิงเหล่านี้ไม่สามารถผสมกับอากาศแล้วอัดเข้าไปในกระบอกสูบได้ เพราะไม่เช่นนั้น กระบวนการเผาไหม้จะเริ่มขึ้นเองตามธรรมชาติระหว่างจังหวะการอัด อันที่จริง น้ำมันดีเซลเป็นส่วนผสมของไฮโดรคาร์บอนที่สามารถแทนด้วยซีเทน C16H34 ที่มีโมเลกุลสายโซ่ยาวตรง ซึ่งปฏิกิริยาเบื้องต้นของกระบวนการออกซิเดชันดำเนินไปอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิและความดันสูง

ดังนั้น, น้ำมันดีเซลฉีดเป็นแรงดันสูง ฉีดของเหลวเข้าไปในอากาศอัดแล้ว ทันทีก่อนที่จะเริ่มการเผาไหม้ตามต้องการ (ในกรณีของการเผาไหม้ดีเซลแบบคลาสสิก) หยดเชื้อเพลิงขนาดเล็ก (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10 µm) ล้อมรอบด้วยอากาศอัดร้อน (ประมาณ 900 K) จะระเหยอย่างรวดเร็ว และกระบวนการเผาไหม้จะเริ่มต้นเองโดยมีการหน่วงเวลาการจุดระเบิดที่สั้นมาก

แตกต่างจากเครื่องยนต์ SI ตรงที่ กระบวนการเผาไหม้ในเครื่องยนต์ดีเซลไม่สามารถปรับคุณลักษณะตามเวลาที่มีอยู่เพื่อดำเนินการเผาไหม้ที่เกี่ยวข้องกับการเพิ่มความเร็วรอบเครื่องยนต์ได้เอง (เช่น เวลาที่ร้องขอสำหรับการระเหยของเชื้อเพลิง ความล่าช้าในการผสมและการจุดระเบิดจะไม่ลดลงตามความเร็วของเครื่องยนต์ที่เพิ่มขึ้น) . ดังนั้นเครื่องยนต์เหล่านี้จึงไม่สามารถทำงานได้ที่ความเร็วสูงกว่า 5,000 รอบต่อนาที

สุดท้าย แตกต่างจากเครื่องยนต์ SI ไม่มีข้อกำหนดที่เข้มงวดในแง่ของอัตราส่วนอากาศ/เชื้อเพลิงสำหรับการเผาไหม้ประเภทนี้ ที่โหลดชิ้นส่วน ปริมาณเชื้อเพลิงที่ฉีดเข้าไปจะลดลงในขณะที่ยังคงรักษาปริมาณอากาศที่เหนี่ยวนำให้เท่าเดิม โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์ควบคุมปริมาณและไม่ทำให้สูญเสียเพิ่มเติม