ผู้ใช้:นางสาวณพสร ถิ่นระยะ
วัฏจักรเทอร์โมไดนามิกส์
[แก้]1.วัฏจักรออตโต วัฎจักรออตโต เป็นวัฎจักรอุดมคติของเครื่องยนต์ Reciprocating ชนิดที่เชื้อเพลิงถูกจุดระเบิดด้วยหัวเทียน (Spark-ignition) วัฎจักรนี้ถูกตั้งชื่อโดย Nikolsus A. Otto หลังจากที่เขาได้เป็นผู้ผลิตเครื่องยนต์แบบ 4 จังหวะ ได้สำเร็จในปี ค. ศ. 1876 ในประเทศเยอรมันโดยใช้วัฎจักรที่ถูกเสนอโดย Frenchman Beau de Rochas ในปี ค.ศ. 1862
ในเครื่องยนต์ที่เชื้อเพลิงถูกจุดระเบิดด้วยหัวเทียน (spark -ignition) โดยส่วนใหญ่ ลูกสูบจะทำงานทั้งหมดด้วยกัน 4 จังหวะ (หรือ 2 วัฏจักรเชิงกล) ภายในกระบอกสูบและเพลาข้อเหวี่ยง (crankshaft) จะทำงานทั้งหมด 2 รอบต่อหนึ่งวัฏจักร เครื่องยนต์ที่ทำงานในลักษณะนี้จะถูกเรียกว่า เครื่องยนต์สันดาปภายในแบบ 4 จังหวะ ภาพแสดงการทำงานในแต่ละจังหวะและแผนภาพ P-v ของเครื่องยนต์ที่เชื้อเพลิงถูกจุดระเบิดด้วยหัวเทียนแบบ 4 จังหวะนี้ได้แสดงในรูปที่ 1.1 การทำงานแบบ 4 จังหวะนี้ ในขณะเริ่มต้นลิ้นไอดี และลิ้นไอเสียทั้งสองจะปิดและขณะนั้นลูกสูบจะอยู่ที่ตำแหน่งต่ำสุดคือที่ BDC ในช่วง จังหวะอัด (compression stroke) ลูกสูบจะเคลื่อนที่ขึ้นอัดของผสมของอากาศ-เชื้อเพลิง ก่อนที่ลูกสูบจะอยู่ตำแหน่ง TDC เพียงเล็กน้อย หัวเทียนจะทำการจุดระเบิดอากาศ-เชื้อเพลิงนั้นทำให้ความดันและอุณหภูมิของระบบสูงขึ้น แก๊สที่มีความดันสูงนี้จะดันลูกสูบลง ซึ่งจะทำให้เกิดแรงเหวี่ยงเพลาข้อเหวี่ยงให้หมุน ทำให้ได้งานที่เป็นประโยชน์ออกมาในระหว่างกระบวนการนี้ เรียกจังหวะนี้ว่า จังหวะขยายตัว (expansion stroke) หรือจังหวะกำลัง (power stroke) ที่จุดสิ้นสุดของจังหวะนี้ลูกสูบจะอยู่ที่ตำแหน่งต่ำสุด (ทำงานครบหนึ่งรอบวัฏจักรเชิงกล) และภายในกระบอกสูบจะเต็มไปด้วยผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการเผาไหม้ต่อจากนั้นลูกสูบจะเคลื่อนที่ขึ้นอีกครั้ง เพื่อขับเอาแก๊สไอเสียออกจากกระบอกสูบโดยผ่านลิ้นไอเสีย เราเรียกจังหวะนี้ว่า จังหวะระบาย (exhaust stroke) และจะเคลื่อนลงอีกครั้ง เพื่อดูดของผสมของอากาศ- เชื้อเพลิงใหม่ผ่านลิ้นไอดี เราเรียกจังหวะนี้ว่า จังหวะดูด (intake stroke) เข้ามาในกระบอกสูบใหม่ ข้อสังเกตคือ ความดันในกระบอกสูบจะสูงกว่าความดันในบรรยากาศเล็กน้อยในจังหวะระบายและต่ำกว่าเล็กน้อยในจังหวะดูด สำหรับในเครื่องยนต์ 2 จังหวะ (two- stroke engines)บทบาททั้งสี่ที่ได้กล่าวข้างต้นจะเกิดขึ้นเพียง 2 จังหวะเท่านั้น คือ จังหวะกำลังและจังหวะอัด ในเครื่องยนต์ประเภทนี้ crankcase จะถูกหุ้มด้วยฉนวนอย่างดีดังแสดงในรูปที่ 1.2 ทางเปิดไอดีและไอเสีย จะอยู่ส่วนล่างทางด้านข้างของผนังกระบอกสูบ ในช่วงท้ายของจังหวะกำลังขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลงนั้น เนื่องจากทางเปิดไอเสียอยู่สูงกว่าไอดีเล็กน้อย ดังนั้นลูกสูบจะเปิดทางออกไอเสียก่อนจึงทำให้ไอเสียบางส่วนถูกขับออก และเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ต่ำลงมาอีกลูกสูบก็จะเปิดให้ไอดีไหลเข้ากระบอกสูบผ่านทางทางเปิดไอดี ทำให้ไอดีไปขับไอเสียที่ยังคงหลงเหลืออยู่ออกจากกระบอกสูบไป ในช่วงจังหวะนี้เองอาจจะมีไอดีบางส่วนติดไปกับไอเสียได้ หลังจากนั้นไอดีจะถูกอัดโดยลูกสูบจะเคลื่อนที่ขึ้นในจังหวะอัดและทำให้เกิดการจุดระเบิดด้วยหัวเทียน ใส่รูป รูปที่ 1.2 ภาพของเครื่องยนต์ reciprocating แบบ 2 จังหวะ เครื่องยนต์แบบ 2 จังหวะนี้โดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่าเครื่องยนต์แบบ 4 จังหวะ เพราะว่าไอเสียบางส่วนอาจจะไม่ถูกขับไล่ออกไปจนหมดหรือไอดีบางส่วนอาจจะติดออกไปกับไอเสียได้ แต่อย่างไรก็ตามเครื่องยนต์แบบ 2 จังหวะนี้มีราคาแพงและไม่สลับซับซ้อนมาก นอกจากนี้ยังมีอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักหรือกำลังต่อปริมาตรค่อนข้างสูง ดังนั้นจึงมักถูกใช้กับรถจักรยานยนต์, โซ่เลื่อน หรือเครื่องตัดหญ้าที่มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา เป็นต้น
วัฏจักรอุดมคติที่มีความใกล้เคียงกับสภาวะการทำงานจริงคือ วัฏจักรอุดมคติ Otto ซึ่งประกอบด้วยกระบวนการผันกลับได้แบบภายใน 4 กระบวนการด้วยกันคือ
- กระบวนการ 1-2 เป็นกระบวนการอัดตัวแบบไอเซนโทรปิก (S1=S2)
- กระบวนการ 2-3 เป็นกระบวนการรับความร้อนที่ปริมาตรคงที่ (V2=V3)
- กระบวนการ 3-4 เป็นกระบวนการขยายตัวแบบไอเซนโทรปิก (S3-S4)
- กระบวนการ 4-1 เป็นกระบวนการถ่ายเทความร้อนออกที่ปริมาตรคงที่ (V4=V1)
กระบวนการ 1-2 ตรงกับจังหวะอัด
กระบวนการ 2-3 และกระบวนการ 3-4 ตรงกับจังหวะกำลัง
กระบวนการ 4-1 ตรงกับจังหวะคายและจังหวะดูด
การทำงานของวัฏจักร Otto ในกระบอกสูบพร้อมทั้งแผนภาพ P-v ได้แสดงในรูปที่ 1.1 ส่วนแผนภาพ T-s ของวัฏจักรได้แสดงในรูปที่ 1.3
ใส่รูป รูปที่ 1.3 แผนภาพ T-s ของวัฏจักรอุดมคติ Otto