เครื่องยนต์สันดาปภายใน หลักการทำงาน ประวัติ และประเภท

เครื่องยนต์สันดาปภายใน (Internal Combustion Engine หรือ ICE) คือเครื่องยนต์ความร้อนประเภทหนึ่งที่กระบวนการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงเกิดขึ้นภายในห้องเผาไหม้ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวงจรการไหลของของไหลทำงาน (Working Fluid) โดยการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงร่วมกับตัวออกซิไดซ์ (ซึ่งโดยปกติคืออากาศ) จะทำให้เกิดก๊าซที่มีอุณหภูมิและความดันสูง ซึ่งจะขยายตัวและส่งแรงโดยตรงไปยังชิ้นส่วนของเครื่องยนต์

หลักการทำงานพื้นฐาน

กระบวนการหลักของเครื่องยนต์สันดาปภายในคือการเปลี่ยน พลังงานเคมี จากเชื้อเพลิงให้กลายเป็น พลังงานจลน์ เพื่อใช้ในการขับเคลื่อนยานพาหนะหรือเครื่องจักร แรงที่เกิดจากการขยายตัวของก๊าซจะถูกส่งต่อไปยังส่วนประกอบต่างๆ ตามประเภทของเครื่องยนต์ ดังนี้:

• เครื่องยนต์ลูกสูบ (Piston Engine): แรงกระทำต่อลูกสูบเพื่อเปลี่ยนการเคลื่อนที่แนวเส้นตรงเป็นการหมุน
• กังหันก๊าซ (Gas Turbine): แรงกระทำต่อใบพัดกังหัน
• เครื่องยนต์แวนเคิล (Wankel Engine): แรงกระทำต่อโรเตอร์
• เครื่องยนต์เจ็ท (Jet Engine): แรงกระทำต่อหัวฉีดเพื่อสร้างแรงผลัก

ประเภทของเครื่องยนต์สันดาปภายใน

เครื่องยนต์สันดาปภายในสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่มใหญ่ตามลักษณะการเผาไหม้:

1. การเผาไหม้แบบเป็นจังหวะ (Intermittent Combustion)

เป็นประเภทที่คุ้นเคยกันมากที่สุด เช่น เครื่องยนต์ลูกสูบแบบ 2 จังหวะ และ 4 จังหวะ รวมถึงเครื่องยนต์โรตารีแบบแวนเคิล ซึ่งมีการดูด อัด ระเบิด และคาย เป็นรอบๆ

2. การเผาไหม้แบบต่อเนื่อง (Continuous Combustion)

ได้แก่ กังหันก๊าซ เครื่องยนต์เจ็ท และเครื่องยนต์จรวดส่วนใหญ่ ซึ่งกระบวนการเผาไหม้จะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องตลอดเวลา

ความแตกต่างระหว่างสันดาปภายในและสันดาปภายนอก

ในขณะที่เครื่องยนต์สันดาปภายในเผาไหม้เชื้อเพลิงในห้องเครื่องโดยตรง เครื่องยนต์สันดาปภายนอก (External Combustion Engine) เช่น เครื่องจักรไอน้ำหรือเครื่องยนต์สเตอร์ลิง จะส่งพลังงานไปยังของไหลทำงาน (เช่น น้ำ หรือ อากาศ) จากภายนอก โดยที่ของไหลนั้นจะไม่ผสมกับผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการเผาไหม้

ประวัติการพัฒนา

การพัฒนาเครื่องยนต์สันดาปภายในเกิดจากความพยายามของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรหลายท่านในช่วงศตวรรษที่ 18 และ 19:

• ค.ศ. 1791: John Barber พัฒนากังหันก๊าซ
• ค.ศ. 1807: พี่น้อง Niépce ชาวฝรั่งเศสสร้างเครื่องยนต์ Pyréolophore ที่ใช้การระเบิดของฝุ่นควบคุมได้ เพื่อขับเคลื่อนเรือ
• ค.ศ. 1808: François Isaac de Rivaz ประดิษฐ์เครื่องยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจนและจุดระเบิดด้วยประกายไฟไฟฟ้า ซึ่งถือเป็นรถยนต์สันดาปภายในคันแรกของโลก
• ค.ศ. 1860: Jean Joseph Etienne Lenoir ผลิตเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้ก๊าซ
• ค.ศ. 1876: Nicolaus Otto ออกแบบเครื่องยนต์ Otto ซึ่งเป็นเครื่องยนต์สันดาปภายในสมัยใหม่เครื่องแรกที่ใช้ระบบ 4 จังหวะ
• ค.ศ. 1886: Karl Benz เริ่มผลิตยานพาหนะเชิงพาณิชย์คันแรกที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายใน
• ค.ศ. 1892: Rudolf Diesel พัฒนาเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยการอัด (Compression Ignition) ซึ่งเป็นต้นกำเนิดของเครื่องยนต์ดีเซล

เชื้อเพลิงที่ใช้

เครื่องยนต์สันดาปภายในส่วนใหญ่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน เช่น ก๊าซธรรมชาติ, เบนซิน, ดีเซล หรือเอทานอล นอกจากนี้ยังมีการใช้เชื้อเพลิงหมุนเวียน เช่น ไบโอดีเซลในเครื่องยนต์ดีเซล และไบโอเอทานอลในเครื่องยนต์เบนซิน โดย Rudolf Diesel ผู้ประดิษฐ์เครื่องยนต์ดีเซล เคยใช้ น้ำมันถั่วลิสง ในการขับเคลื่อนเครื่องยนต์ของเขาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1900