อัตราส่วนการอัด

อัตราส่วนการอัด (อังกฤษ: compression ratio) คืออัตราส่วนระหว่างปริมาตรสูงสุดและต่ำสุดในระหว่างขั้นตอนการอัดในวัฏจักรกำลังของเครื่องยนต์ลูกสูบหรือเครื่องยนต์วังเกล
เป็นคุณลักษณะพื้นฐานสำหรับเครื่องยนต์ประเภทเหล่านี้ สามารถวัดได้สองวิธีที่แตกต่างกัน วิธีที่ง่ายกว่าคือ อัตราส่วนการอัดสถิต (static compression ratio) ในเครื่องยนต์ลูกสูบ นี่คืออัตราส่วนปริมาตรกระบอกสูบเมื่อลูกสูบอยู่ที่ตำแหน่งต่ำสุดของระยะชักต่อปริมาตรนั้นเมื่อลูกสูบอยู่ที่ตำแหน่งสูงสุดของระยะชัก[1] ส่วน อัตราส่วนการอัดพลวัต (dynamic compression ratio) เป็นการคำนวณขั้นสูงกว่าซึ่งจะพิจารณาถึงแก๊สที่เข้าและออกจากกระบอกสูบในระหว่างขั้นตอนการอัดด้วย[2]
ผลและอัตราส่วนโดยทั่วไป
[แก้]อัตราส่วนการอัดสูงเป็นที่ต้องการเนื่องจากช่วยให้เครื่องยนต์สามารถดึงพลังงานกลออกมาได้มากขึ้นจากสารผสมอากาศกับเชื้อเพลิงผสมที่กำหนด เนื่องจากมีประสิทธิภาพทางอุณหภาพสูงกว่า[3] สิ่งนี้เกิดขึ้นเพราะเครื่องยนต์สันดาปภายในเป็นเครื่องจักรความร้อน และอัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้นจะช่วยให้สามารถเข้าถึงอุณหภูมิเผาไหม้เดียวกันได้โดยใช้เชื้อเพลิงน้อยลง ในขณะเดียวกันก็ให้วัฏจักรการขยายตัวที่ยาวนานขึ้น สร้างกำลังกลส่งออกที่มากขึ้น และลดอุณหภูมิไอเสียลง[4]
อย่างไรก็ดี ข้อจำกัดทางวิศวกรรมหลายประการได้จำกัดการนำอัตราส่วนการอัดสูงมากมาใช้งานจริง อัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้นจะเพิ่มความดันและอุณหภูมิสูงสุดของกระบอกสูบ ซึ่งต้องการส่วนประกอบเครื่องยนต์ที่แข็งแรงและวัสดุที่ทนทานกว่าเพื่อทนต่อความเค้นทางกลและความเค้นทางความร้อนที่เพิ่มขึ้น[5] นอกจากนี้ อัตราส่วนการอัดสูงยังทำให้เครื่องยนต์มีความไวต่อการน็อกและการระเบิดรุนแรงได้ง่ายขึ้น โดยเฉพาะเมื่อใช้เชื้อเพลิงออกเทนต่ำ ซึ่งอาจสร้างความเสียหายให้ส่วนประกอบเครื่องยนต์และลดประสิทธิภาพ[6] ประสิทธิภาพอุณหภาพที่เพิ่มขึ้นจากการเพิ่มอัตราส่วนการอัดยังจะลดลงเมื่อเกินประมาณ 10:1 เนื่องจากแรงเสียดทานที่เพิ่มขึ้นและการสูญเสียความร้อนเริ่มหักล้างประโยชน์ทางอุณหพลศาสตร์[7]
เครื่องยนต์เบนซิน
[แก้]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[8][9][10] เครื่องยนต์สกายแอคทีฟบรรลุอัตราส่วนการอัดนี้ด้วยน้ำมันเบนซินไร้สารตะกั่วธรรมดา (95 อาร์โอเอ็นในสหราชอาณาจักร) ผ่านการไล่ไอเสียที่ดีขึ้น (ซึ่งทำให้แน่ใจว่าอุณหภูมิกระบอกสูบต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ก่อนจังหวะดูด) นอกเหนือจากการฉีดเชื้อเพลิงตรง
- เครื่องยนต์โตโยต้า ไดนามิกฟอร์ซ มีอัตราส่วนการอัดสูงถึง 14:1
- เฟอร์รารี่ 458 สเปเชียลเล ปี 2014 ก็มีอัตราส่วนการอัด 14:1
เมื่อมีการใช้ระบบอัดอากาศ (เช่น เทอร์โบชาร์จเจอร์หรือซูเปอร์ชาร์จเจอร์) อัตราส่วนการอัดมักจะ ต่ำกว่าเครื่องยนต์ไม่มีระบบอัดอากาศ[11] นี่เป็นเพราะเทอร์โบชาร์จเจอร์หรือซูเปอร์ชาร์จเจอร์ได้อัดอากาศไว้ล่วงหน้าก่อนที่อากาศจะเข้าสู่กระบอกสูบ เครื่องยนต์ที่ใช้การฉีดเชื้อเพลิงแยกช่องไอดี (port fuel-injection) มักจะใช้ความดันเสริมในท่อร่วมไอดีและ/หรืออัตราส่วนการอัดต่ำกว่าเครื่องยนต์ฉีดตรงเนื่องจากการฉีดเชื้อเพลิงแยกช่องไอดีทำให้สารผสมอากาศกับเชื้อเพลิงผสมถูกทำให้ร้อนพร้อมกัน ซึ่งนำไปสู่การระเบิดรุนแรง กลับกัน เครื่องยนต์ฉีดตรงสามารถใช้ความดันเสริมในท่อร่วมไอดีที่สูงขึ้นได้เนื่องจากอากาศที่ร้อนจะไม่ระเบิดโดยไม่มีเชื้อเพลิงอยู่ด้วย
อัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้นอาจทำให้เครื่องยนต์เบนซินมีความไวต่อการน็อก (หรือที่เรียกว่า "การระเบิดรุนแรง", "การชิงจุดระเบิด" หรือ "ปิง") หากใช้เชื้อเพลิงที่มีค่าประเมินออกเทนต่ำ[12] สิ่งนี้สามารถลดประสิทธิภาพหรือสร้างความเสียหายให้เครื่องยนต์ได้หากไม่มีตัวรับรู้การน็อกเพื่อปรับเปลี่ยนการตั้งไฟจุดระเบิด[13]
เครื่องยนต์ดีเซล
[แก้]เครื่องยนต์ดีเซลใช้อัตราส่วนการอัดสูงกว่าเครื่องยนต์เบนซิน เนื่องจากไม่มีหัวเทียน หมายความว่าอัตราส่วนการอัดจะต้องเพิ่มอุณหภูมิอากาศในกระบอกสูบให้เพียงพอต่อการจุดระเบิดน้ำมันดีเซลโดยใช้การจุดระเบิดด้วยการอัด อัตราส่วนการอัดมักอยู่ระหว่าง 14:1 ถึง 23:1 สำหรับเครื่องยนต์ดีเซลฉีดตรง และระหว่าง 18:1 ถึง 23:1 สำหรับเครื่องยนต์ดีเซลฉีดอ้อม
ที่อัตราส่วนต่ำสุดที่ 14:1 การปล่อยไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) จะลดลงแต่ต้องแลกมาด้วยการสตาร์ตในสภาพอากาศเย็นที่ยากขึ้น[14] มาสด้า สกายแอคทีฟ-D เครื่องยนต์เชิงพาณิชย์รุ่นแรกดังกล่าวตั้งแต่ ค.ศ. 2013 ได้ใช้ตัวฉีดเชื้อเพลิงแบบปรับตัว (adaptive fuel injector) ร่วมกับเทคนิคอื่น ๆ เพื่อช่วยให้สตาร์ตในสภาพอากาศเย็นได้ง่ายขึ้น[15]
เชื้อเพลิงอื่น ๆ
[แก้]อัตราส่วนการอัดอาจสูงขึ้นในเครื่องยนต์ที่ทำงานด้วยแก๊สปิโตรเลียมเหลว (LPG) หรือแก๊สธรรมชาติอัด (CNG) เพียงอย่างเดียว เนื่องจากเชื้อเพลิงเหล่านี้มีค่าประเมินออกเทนที่สูงกว่า[16]
เครื่องยนต์ที่ใช้น้ำมันก๊าดโดยทั่วไปจะใช้อัตราส่วนการอัด 6.5 หรือต่ำกว่า เครื่องยนต์เบนซิน-พาราฟิน (petrol-paraffin engine) รุ่นของรถแทรกเตอร์เฟอร์กูสัน TE20 มีอัตราส่วนการอัด 4.5:1 สำหรับการทำงานกับน้ำมันระเหยสำหรับรถแทรกเตอร์ (tractor vaporising oil) ซึ่งมีค่าประเมินออกเทนระหว่าง 55 ถึง 70[17]
เครื่องยนต์กีฬาท้าความเร็ว
[แก้]เครื่องยนต์สำหรับกีฬาท้าความเร็วมักใช้น้ำมันเบนซินออกเทนสูงและดังนั้นจึงสามารถใช้อัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้นได้ ตัวอย่างเช่น เครื่องยนต์จักรยานยนต์สำหรับแข่งสามารถใช้อัตราส่วนการอัดสูงถึง 14.7:1 และเป็นเรื่องปกติที่จะพบจักรยานยนต์ที่มีอัตราส่วนการอัดสูงกว่า 12.0:1 ซึ่งออกแบบมาสำหรับเชื้อเพลิงออกเทน 95 หรือสูงกว่า
เอทานอลและเมทานอลสามารถรองรับอัตราส่วนการอัดที่สูงกว่าน้ำมันเบนซินได้อย่างมาก เครื่องยนต์แข่งที่เผาไหม้เชื้อเพลิงเมทานอลและเอทานอลมักมีอัตราส่วนการอัดระหว่าง 14:1 ถึง 16:1
สูตรทางคณิตศาสตร์
[แก้]ในเครื่องยนต์ลูกสูบ อัตราส่วนการอัดสถิต () คืออัตราส่วนระหว่างปริมาตรกระบอกสูบและห้องเผาไหม้เมื่อลูกสูบอยู่ที่ตำแหน่งต่ำสุดของระยะชัก ต่อปริมาตรของห้องเผาไหม้เมื่อลูกสูบอยู่ที่ตำแหน่งสูงสุดของระยะชัก[18] ดังนั้นจึงคำนวณได้โดยสูตร[19]
โดยที่
- คือปริมาตรความจุกระบอกสูบ เป็นปริมาตรภายในกระบอกสูบที่ถูกกวาดโดยลูกสูบตั้งแต่เริ่มต้นจังหวะอัดจนถึงสิ้นสุดจังหวะ
- คือปริมาตรห้องเผาไหม้ เป็นปริมาตรของพื้นที่ที่เหลืออยู่ในกระบอกสูบเมื่อสิ้นสุดจังหวะอัด
สามารถประมาณได้โดยสูตรปริมาตรกระบอกสูบ:
โดยที่
ด้วยรูปร่างที่ซับซ้อนของ โดยปกติแล้วจะวัดโดยตรง สิ่งนี้มักทำได้โดยการเติมของเหลวเข้าไปในกระบอกสูบ จากนั้นจึงวัดปริมาตรของของเหลวที่ใช้ไป
เครื่องยนต์อัตราส่วนการอัดแปรผัน
[แก้]เครื่องยนต์ส่วนใหญ่ใช้อัตราส่วนการอัดคงที่ อย่างไรก็ดี เครื่องยนต์อัตราส่วนการอัดแปรผันสามารถปรับอัตราส่วนการอัดได้ในขณะเครื่องยนต์ทำงาน เครื่องยนต์ผลิตเชิงพาณิชย์เครื่องแรกที่มีอัตราส่วนการอัดแปรผันถูกนำมาใช้ใน ค.ศ. 2019
อัตราส่วนการอัดแปรผันเป็นเทคโนโลยีที่สามารถปรับอัตราส่วนการอัดของเครื่องยนต์สันดาปภายในขณะเครื่องยนต์ทำงาน สิ่งนี้ทำขึ้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงขณะอยู่ภายใต้ภาระที่แตกต่างกัน เครื่องยนต์อัตราส่วนการอัดแปรผันอนุญาตให้มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรเหนือลูกสูบ ณ ศูนย์ตายบน[20]
ภาระที่สูงขึ้นต้องการอัตราส่วนที่ต่ำลงเพื่อเพิ่มกำลัง ในขณะที่ภาระที่ต่ำลงต้องการอัตราส่วนที่สูงขึ้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ เพื่อลดการใช้เชื้อเพลิง สำหรับการใช้งานในยานยนต์ สิ่งนี้จำเป็นต้องทำในขณะที่เครื่องยนต์ทำงานเพื่อตอบสนองต่อภาระและความต้องการในการขับขี่
อินฟินิตี QX50 ปี 2019 เป็นรถยนต์เชิงพาณิชย์คันแรกที่มีเครื่องยนต์อัตราส่วนการอัดแปรผัน
อัตราส่วนการอัดพลวัต
[แก้]ส่วนนี้ไม่มีการอ้างอิงจากเอกสารอ้างอิงหรือแหล่งข้อมูล โปรดช่วยพัฒนาส่วนนี้โดยเพิ่มแหล่งข้อมูลน่าเชื่อถือ เนื้อหาที่ไม่มีการอ้างอิงอาจถูกคัดค้านหรือนำออก |
อัตราส่วนการอัดสถิตที่กล่าวถึงข้างต้น ซึ่งคำนวณจากปริมาตรของกระบอกสูบและห้องเผาไหม้เท่านั้น ไม่ได้นำปัจจัยของแก๊สใด ๆ ที่เข้าหรือออกจากกระบอกสูบในระหว่างขั้นตอนการอัดมาพิจารณาด้วย ในเครื่องยนต์ยานยนต์ส่วนใหญ่ การปิดลิ้นไอดี (ซึ่งจะผนึกกระบอกสูบ) เกิดขึ้นในระหว่างขั้นตอนการอัด (กล่าวคือ หลังศูนย์ตายล่าง BDC) ซึ่งอาจทำให้แก๊สบางส่วนถูกดันกลับออกไปทางลิ้นไอดี กลับกัน การปรับแต่งช่องไอดีและการไล่ไอเสียอาจทำให้มีปริมาณแก๊สถูกกักเก็บไว้ในกระบอกสูบมากกว่าที่ปริมาตรสถิตจะบ่งบอก อัตราส่วนการอัดพลวัต จะพิจารณาปัจจัยเหล่านี้
อัตราส่วนการอัดพลวัตจะสูงขึ้นเมื่อใช้จังหวะเพลาลูกเบี้ยวไอดีแบบอนุรักษนิยมมากขึ้น (กล่าวคือ ปิดหลังศูนย์ตายล่างไม่นาน) และจะต่ำลงเมื่อใช้จังหวะเพลาลูกเบี้ยวไอดีแบบรุนแรงมากขึ้น (กล่าวคือ ปิดหลังศูนย์ตายบนนานขึ้น)[21] 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[22]
ดูเพิ่ม
[แก้]อ้างอิง
[แก้]- ↑ Encyclopædia Britannica, Compression ratio
- ↑ Sadegh, Ali M.; Worek, William M., บ.ก. (2018). "Internal Combustion Engines: General Features". Marks' standard handbook for mechanical engineers (พิมพ์ครั้งที่ Twelfth). New York, NY: McGraw-Hill Education. ISBN 978-1-259-58850-1.
- ↑ Caton, Jerald A. (2018). "Maximum efficiencies for internal combustion engines: Thermodynamic limitations". International Journal of Engine Research. 19 (10): 1005–1023. doi:10.1177/1468087417737700.
- ↑ Caton, Jerald A. (2007). The Effects of Compression Ratio and Expansion Ratio on Engine Performance Including the Second Law of Thermodynamics: Results From a Cycle Simulation. ASME 2007 Internal Combustion Engine Division Fall Technical Conference. น. 139–154. doi:10.1115/ICEF2007-1647.
- ↑ Xing, Kongzhao; Yang, Jianguo; Fan, Bolan; Wang, Zhenfeng; Du, Yanyan (2023). "Potential of high compression ratio combined with knock suppression strategy for improving thermal efficiency of spark ignition stoichiometric natural gas engine". Fuel. 331. doi:10.1016/j.fuel.2022.125765.
- ↑ Li, Yunlong; Pei, Yiqiang; Qin, Jing; Zhang, Shaozhe (2014). "Exhaust Gas Recirculation, Late Intake Valve Closure and High Compression Ratio for Fuel Economy Improvement in a MPI Gasoline Engine". SAE Technical Paper 2014-01-1197. doi:10.4271/2014-01-1197.
- ↑ Caton, Jerald A. (2007). The Effects of Compression Ratio and Expansion Ratio on Engine Performance Including the Second Law of Thermodynamics: Results From a Cycle Simulation. ASME 2007 Internal Combustion Engine Division Fall Technical Conference. น. 139–154. doi:10.1115/ICEF2007-1647.
- ↑ "2012 Mazda 3 gets 40-mpg SkyActiv engine option; diesel expected in 2014". Autoweek. 2011-04-22. ข้อมูลเก่าจากต้นฉบับ เมื่อ 2012-02-29. สืบค้นเมื่อ 2012-05-29.
- ↑ เก็บถาวร มีนาคม 12, 2012 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
- ↑ Vanderwerp, Dave (สิงหาคม 2010). "Mazda Engine News: Mazda Sky Gas and Diesel Details". Car and Driver. สืบค้นเมื่อ 2012-05-29.
{{cite web}}: CS1 maint: date auto-translated (ลิงก์) - ↑ Sadegh, Ali M.; Worek, William M., บ.ก. (2018). "Internal Combustion Engines: Gas Exchange Processes: Supercharging". Marks' standard handbook for mechanical engineers (พิมพ์ครั้งที่ Twelfth). New York, NY: McGraw-Hill Education. ISBN 978-1-259-58850-1.
- ↑ "High Compression!". Popular Science (ภาษาอังกฤษ). 154. Bonnier Corporation: 166–172. มกราคม 1949. ISSN 0161-7370. สืบค้นเมื่อ 14 กรกฎาคม 2019.
{{cite journal}}: CS1 maint: date auto-translated (ลิงก์) - ↑ Blakey, S. C.; Saunders, R. J.; Ma, T. H.; Chopra, A. (1991-02-01). A Design and Experimental Study of an Otto Atkinson Cycle Engine Using Late Intake Valve Closing (รายงาน) (ภาษาอังกฤษ). Warrendale, PA: SAE Technical Paper.
- ↑ Pacaud, P.; Perrin, H.; Laget, O. (2009). "Cold Start on Diesel Engine: Is Low Compression Ratio Compatible with Cold Start Requirements?". SAE International Journal of Engines. 1 (1): 831–849. doi:10.4271/2008-01-1310. ISSN 1946-3936. JSTOR 26308324.
- ↑ "Difference Engine: Born again". The Economist. 2013-07-08. ISSN 0013-0613. สืบค้นเมื่อ 2019-05-02.
- ↑ "Alternative Fuels Data Center: Fuel Properties Comparison". afdc.energy.gov (ภาษาอังกฤษ). สืบค้นเมื่อ 2025-06-20.
- ↑ "Tractor Vaporising Oil". 2005-04-18. ข้อมูลเก่าจากต้นฉบับเมื่อ ตุลาคม 12, 2007. สืบค้นเมื่อ 2014-08-10.
{{cite web}}: CS1 maint: date auto-translated (ลิงก์) - ↑ Encyclopædia Britannica, Compression ratio, สืบค้นเมื่อ 2009-07-21
- ↑ "Calculated Compression Ratios". SQ Engineering. ข้อมูลเก่าจากแหล่งเดิมเมื่อ 7 กันยายน 2009.
{{cite web}}: CS1 maint: date auto-translated (ลิงก์) - ↑ "Variable Compression Engine". fs.isy.liu.se. ข้อมูลเก่าจากต้นฉบับ เมื่อ 11 มีนาคม 2005.
{{cite web}}: CS1 maint: date auto-translated (ลิงก์) - ↑ "Cam Timing vs. Compression Analysis". victorylibrary.com. สืบค้นเมื่อ 14 กรกฎาคม 2019.
{{cite web}}: CS1 maint: date auto-translated (ลิงก์) - ↑ Lanzanova, Thompson; Nora, Macklini Dalla; Zhao, Hua (2017-03-28). "Investigation of Early and Late Intake Valve Closure Strategies for Load Control in a Spark Ignition Ethanol Engine". SAE International Journal of Engines (ภาษาอังกฤษ). 10 (3): 858–872. doi:10.4271/2017-01-0643. ISSN 1946-3936.