เครื่องยนต์สันดาปภายใน หลักการทำงานและวิวัฒนาการ

เครื่องยนต์สันดาปภายใน (Internal Combustion Engine หรือ ICE) คือเครื่องยนต์ความร้อนประเภทหนึ่งที่กระบวนการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงเกิดขึ้นภายในห้องเผาไหม้ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวงจรการไหลของของไหลทำงาน (Working Fluid) โดยการขยายตัวของก๊าซที่มีอุณหภูมิและความดันสูงที่เกิดจากการเผาไหม้ จะส่งแรงโดยตรงไปยังส่วนประกอบของเครื่องยนต์ เพื่อเปลี่ยนพลังงานเคมีจากเชื้อเพลิงให้เป็นพลังงานจลน์สำหรับขับเคลื่อนยานพาหนะหรือเครื่องจักร

ประเภทของเครื่องยนต์สันดาปภายใน

เครื่องยนต์สันดาปภายในสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่มหลักตามลักษณะการเผาไหม้:

• การเผาไหม้แบบไม่ต่อเนื่อง (Intermittent Combustion): เป็นเครื่องยนต์ที่คุ้นเคยกันดี เช่น เครื่องยนต์ลูกสูบแบบ 2 จังหวะ และ 4 จังหวะ รวมถึงเครื่องยนต์โรตารี (Wankel engine) ซึ่งมีการเผาไหม้เป็นรอบๆ ในห้องเผาไหม้
• การเผาไหม้แบบต่อเนื่อง (Continuous Combustion): ได้แก่ กังหันก๊าซ (Gas Turbines), เครื่องยนต์เจ็ท (Jet Engines) และเครื่องยนต์จรวดส่วนใหญ่ ซึ่งมีการเผาไหม้เชื้อเพลิงอย่างต่อเนื่องเพื่อสร้างแรงผลัก

ความแตกต่างระหว่างสันดาปภายในและสันดาปภายนอก

ในขณะที่เครื่องยนต์สันดาปภายในเผาไหม้เชื้อเพลิงภายในตัวเครื่องยนต์ แต่เครื่องยนต์สันดาปภายนอก (External Combustion Engine) เช่น เครื่องยนต์ไอน้ำหรือเครื่องยนต์สเตอร์ลิง จะส่งพลังงานความร้อนไปยังของไหลทำงาน (เช่น น้ำ หรือ อากาศ) ที่ไม่ได้ผสมกับผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้

ประวัติและการพัฒนา

วิวัฒนาการของเครื่องยนต์สันดาปภายในเกิดจากความร่วมมือของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรหลายท่านในช่วงศตวรรษที่ 18 และ 19:

• ค.ศ. 1794: Robert Street จดสิทธิบัตรเครื่องยนต์สันดาปภายในเครื่องแรกที่ใช้เชื้อเพลิงเหลว
• ค.ศ. 1807: พี่น้อง Niépce พัฒนาเครื่องยนต์ Pyréolophore ที่ใช้การระเบิดของฝุ่นควบคุมได้ ซึ่งได้รับสิทธิบัตรจากนโปเลียน โบนาปาร์ต
• ค.ศ. 1808: François Isaac de Rivaz ประดิษฐ์เครื่องยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจนและจุดระเบิดด้วยประกายไฟไฟฟ้า ซึ่งถือเป็นยานยนต์สันดาปภายในคันแรกของโลก
• ค.ศ. 1876: Nicolaus Otto ออกแบบเครื่องยนต์ Otto ซึ่งเป็นเครื่องยนต์สันดาปภายในสมัยใหม่เครื่องแรก โดยใช้ระบบอัดประจุและวัฏจักร 4 จังหวะ
• ค.ศ. 1886: Karl Benz เริ่มผลิตยานยนต์เชิงพาณิชย์เครื่องแรกที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในแบบ 4 จังหวะ
• ค.ศ. 1892: Rudolf Diesel พัฒนาเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยการอัด (Compression Ignition) หรือเครื่องยนต์ดีเซล

เชื้อเพลิงที่ใช้

เครื่องยนต์สันดาปภายในส่วนใหญ่ใช้เชื้อเพลิงพื้นฐานไฮโดรคาร์บอน เช่น ก๊าซธรรมชาติ, เบนซิน, ดีเซล หรือเอทานอล นอกจากนี้ยังมีการใช้เชื้อเพลิงหมุนเวียน เช่น ไบโอดีเซลในเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยการอัด และไบโอเอทานอลในเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟ