หนังสือวิชาเครื่องยนต์สันดาปภายใน

46

……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………

2. เครืองยนตท์ ีทาํ งานตามวฏั จกั รออตโต้ เริมอดั อากาศตามกระบวนการไอเซนทรอปิค ทอี ณุ หภมู ิ oC และมี
ความดนั . bar จนกระทงั ความดนั เทา่ กบั bar และเริมขยายตวั ทคี วามดนั bar จงคาํ นวณหา

2.1) อตั ราส่วนการอดั
2.2) ประสิทธิภาพทางความร้อนของวฏั จกั ร
2.3) ปริมาตรดดู
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………

47

……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………

48
. วฏั จักรดเี ซลหรือวฏั จักรความดนั คงที (Diesel Cycle or Constant Pressure Cycle)

วฏั จกั รดีเซลเป็ นวฏั จักรทีคิดคน้ ขึนโดยชาวเยอรมันชือ รูดอล์ฟ ดีเซล (Rudolph Diesel) ระหว่าง
ปี ค.ศ. 1858 - 1913 เป็ นเครืองยนต์ทีใช้หัวฉีด (Injector) ดังรูปที 3.8 กระบวนการทาํ งานจะประกอบดว้ ย
4 กระบวนการระบบปิ ด วฏั จกั รดีเซลจะเหมือนกับวฏั จักรออตโต้แต่จะแตกต่างกนั ตรงทีวฏั จกั รดีเซลนัน
สําหรับกระบวนการป้อนความร้อนเขา้ สู่วฏั จักรจะเป็ นแบบความดันคงที ซึงกระบวนการนีของวฏั จักร
ออตโตจ้ ะเป็นแบบปริมาตรคงที วฏั จกั รดีเซลปกติเป็ นวฏั จกั รทีใช้กบั เครืองยนตด์ ีเซลรุ่นเก่า (เครืองยนตด์ เี ซล
รอบตาํ และรอบปานกลาง) สําหรับวฏั จกั รประกอบดว้ ย กระบวนการ ดังรูปที 3.6 และ 3.7 ซึงมีรายละเอยี ด
ดงั ต่อไปนี

รูปที 3.6 รูดอลฟ์ คริสทอี นั คาร์ล ดเี ซล
วิศวกรชาวเยอรมนั ทนี าํ เครืองจกั รดีเซลแรงอดั สูงมาใช้
(ทีมา : https://th.wikipedia.org/wiki/รูดอ็ ลฟ์ _ดเี ซิล)

รูปที 3.7 แสดงแผนภาพ P-V และ T-S Diagram ของวฏั จกั รดีเซล

49

รูปที 3.8 แสดงส่วนประกอบหลกั ของเครืองยนตด์ ีเซล
(ทมี า : http://www.drbjornsauto.com/diesel-technology/)

กระบวนการ 1 – 2 เป็ นกระบวนการอดั ตวั แบบไม่มีการสูญเสียความร้อนหรือ เรียกว่า อดั ตวั แบบ

ไอเซนโทรปิ ค หรืออดั ตวั แบบกระบวนการความร้อนคงที (Reversible Adiabatic Compression or Isentropic

Compression Process)

ความดนั จะเพิมขนึ จาก P1 เป็ น P2
ปริมาตรจะลดลงจาก V1 เป็ น V2
อุณหภูมิจะเพิมขนึ จาก T1 เป็ น T2
เอนโทรปี คงที S1 เท่ากบั S2

งานทใี ช้ W12 ₌

ปริมาณความร้อนทีถ่ายเท Q12 ₌ 0
กระบวนการ 2 – 3 เป็นกระบวนการรับความร้อนเขา้ แบบความดนั คงที (Heat Added at Reversible

Constant Pressure Process)

ความดนั คงที P2 เท่ากบั P3 mCP (T3 – T2)
ปริมาตรเพิมขนึ จาก V2 เป็ น V3
อณุ หภูมิเพิมขนึ จาก T2 เป็ น T3
เอนโทรปี เพิมขึนจาก S2 เป็ น S3
งานทีได้ W23 ₌ P2 (V3 – V2)
ปริมาณความร้อนทเี ขา้ สู่ระบบ Q23 ₌ Qin ₌

50

กระบวนการ 3 – 4 เป็นกระบวนการขยายตวั แบบไม่มกี ารสูญเสียความรอ้ นหรือ เรียกว่า การขยายตวั

แบบไอเซนโทรปิ ค หรือการขยายตัวแบบกระบวนการความร้อนคงที (Reversible Adiabatic Expansion or

Isentropic Expansion Process)

ความดนั ลดลงจาก P3 เป็ น P4

ปริมาตรเพิมขึนจาก V3 เป็ น V4

อณุ หภมู ิลดลงจาก T3 เป็ น T4

เอนโทรปี คงที S3 เทา่ กบั SP44V4 - P3V3
งานทีได้ W34 ₌ 1-k

ปริมาณความร้อนทีถ่ายเท Q34 ₌ 0

กระบวนการ 4 – 1 เป็ นกระบวนการถ่ายเทความร้อนทิ งแบบปริมาตรคงที (Heat Rejected at

Reversible Constant Volume Process)

ความดนั ลดลงจาก P4 เป็ น P1
เทา่ กบั V1
ปริมาตรคงที V4 เป็ น T1
เป็ น S1
อณุ หภมู ลิ ดลงจาก T4 ₌0

เอนโทรปี ลดลงจาก S4 ₌ Qout

งานสําหรับกระบวนการ W41

ปริมาณความร้อนทีออกจากระบบ Q41 ₌ mCV (T4 – T1)

จากทงั 4 กระบวนการทเี กิดขึน สามารถเขียนเป็นสมการไดว้ า่

 พิจารณาจากกระบวนการที 2 – 3 เป็ นกระบวนการรับความร้อนเข้าแบบความดันคงที

(P2 = P3) จะไดส้ มการดงั นี

Q2-3 ₌ Qin ₌ m CP (T3-T2) ……… (3.12)

 พิจารณาจากกระบวนการที 4 – 1 เป็ นกระบวนการถ่ายเทความร้อนทิงแบบปริมาตรคงที

(V4 = V1) จะไดส้ มการดงั นี

Q4-1 ₌ Qout ₌ m CV (T4-T1) ……… (3.13)

 งานสุทธิของวฏั จกั ร หาไดจ้ ากสมการ

Wnet ₌ Qin - Qout ……… (3.14)
หรือ Wnet ₌ mcP (T3 – T2) - mCV (T4 – T1)

 ประสิทธิภาพเชิงความรอ้ นของวฏั จกั ร ; Die

Die ₌ ……… (3.15)

51

₌ () ( )
)
() )

₌ () ( เมือ k =
() (

₌ 1- ()
()

₌ 1- () = 1.4
()
……… (3.16)
ดงั นนั ประสิทธิภาพเชิงความรอ้ นของวฏั จกั รดีเซล จะไดส้ มการดงั นี

Die ₌ 1- ( )
)
(

หมายเหตุ ในวฏั จกั รนีจะไดอ้ ตั ราส่วนของปริมาตร ดงั นี
อตั ราส่วนการอดั (rc) ₌

อตั ราส่วนการตดั (ro) ₌

จากแผนภาพ P-V Diagram ดงั รูปที . จุดซึงนาํ มนั ถูกฉีดเขา้ ไปภายในกระบอกสูบจนกระทงั หยุดฉีด
จะเรียกว่า จดุ ตดั (cut off) และปริมาตรทีจดุ นี คอื ปริมาตรการตดั (cut off volume) ทตี าํ แหน่ง V3 จะเห็นวา่ V3
จะมคี ่ามากกวา่ V2 เพราะทตี าํ แหน่ง V3 คอื ปริมาตรทีลกู สูบเคลือนทีลงมาจากดา้ นบนของกระบอกสูบ

จดั รูปจากสมการขา้ งตน้ ให้อยู่ในรูปของอตั ราส่วนการอดั หรือ rc และในรูปอตั ราส่วนคตั ออฟ หรือ ro
ซึงสามารถจดั รูปสมการใหมไ่ ดด้ งั นี

จากรูปที . ตาํ แหน่งที ( ) – ( ) เป็นกระบวนการขยายตวั แบบไอเซนทรอปิค จะได้

₌

จดั รูปสมการ จะได้ ₌ .
เมอื ₌ rc และ
ดงั นนั จะไดส้ มการเป็น ₌ ro

₌

52

T3 ₌ T4 ……… (3.17)

และ T4 ₌ T3 ……… (3.18)

จากรูปที . ตาํ แหน่งที ( ) – ( ) เป็นกระบวนการอดั ตวั แบบไอเซนทรอปิค หากจดั รูปสมการให้อยใู่ น
รูปความสัมพนั ธ์ระหวา่ งอุณหภูมิ ปริมาตร และอตั ราส่วนการอดั จะได้

₌ ₌ (r )

และ T2 ₌ T1 (r ) ……… (3.19)

หรือ T1 ₌ (rc)k−1 ……… (3.20)

จากรูปที . ตาํ แหน่งที ( ) – ( ) เป็นกระบวนการรบั ความรอ้ นเขา้ แบบความดนั คงที (P2 ₌ P3 ) ดงั นนั
จะไดค้ วามสัมพนั ธ์ของสมการแก๊สในอุดมคติ ดงั นี

₌

เนืองจากความดนั คงที พจิ ารณาทตี าํ แหน่ง ( ) – ( ) จากรูปที . จะไดส้ มการเป็น

₌ หรือ ₌

แต่ ₌ ro ดงั นนั จะได้ ₌ ro ……… (3.21)

และ T2 ₌ ro ……… (3.22)
หรือ
นาํ คา่ T1 , T2 , T4 T1 ₌ (rc)k−1 ……… (3.23)

ซึงไดจ้ ากสมการขา้ งตน้ ไปแทนคา่ ลงในสมการที (3.16) จะได้

Die ₌ 1- () ……… (3.24)
()
()

การหาค่าความดนั เฉลียของวฏั จกั ร (MEP)

PMEP = ……… (3.25)

หรือ PMEP = ……… (3.26)

53

ตวั อย่างที . เครืองยนตด์ ีเซลมาตรฐานอากาศมอี ตั ราส่วนการอดั เทา่ กบั 18:1 และอตั ราส่วนคตั ออฟเท่ากบั 2:1

กาํ หนดใหท้ ีจดุ เริมตน้ ของจงั หวะการอดั อากาศมอี ุณหภมู เิ ทา่ กบั 27 oC และความดนั เทา่ กบั 93 kPa จงคาํ นวณหา

1) ความดนั สูงสุดของวฏั จกั ร

2) อณุ หภมู ิสูงสุดของวฏั จกั ร

3) ประสิทธิภาพเชิงความรอ้ นของวฏั จกั ร

4) ความดนั ยงั ผลเฉลียของวฏั จกั ร

โจทยก์ าํ หนด

เนืองจากสารทาํ งานทีใชก้ บั เครืองยนตน์ ีคือ อากาศ (Air) จงึ กาํ หนดคณุ สมบตั ขิ องอากาศไวด้ งั นี

Cp ₌ 1.0035 kJ/kg.K Cv = 0.7165 kJ/kg.K
R= 0.285 kJ/kg.K k= 1.4

P1 = 93 kPa T1 = 273 + 27 = 300 K
rc = 18 ro = 2

) คาํ นวณหาความดนั สูงสุดของวฏั จกั ร
กระบวนการ ( - ) เป็นกระบวนการอดั ตวั แบบไอเซนทรอปิค

T2 = T1

หรือ T2 = T1 r

แทนคา่ ลงในสมการ = 300 (18)1.4-1
จะได้ T2 = 953.3 K

สาํ หรบั สมการแก๊สในอุดมคติ จากสมการ =

54

∴ P2 = P1

แทนคา่ ลงในสมการ = (93) x (18) .

จะได้ P2 = 5,319.4 kPa

จากกระบวนการ ( ) – ( ) เป็นกระบวนการรบั ความรอ้ นเขา้ แบบความดนั คงที (P2 ₌ P3 )

ดงั นนั P3 = 5,319.4 kPa

เพราะฉะนันจะไดค้ วามดนั สูงสุดของวฏั จกั ร เทา่ กบั ,319.4 kPa ตอบ

2) คาํ นวณหาอณุ หภมู ิสูงสุดของวฏั จกั ร จากสมการ = T2 (ro)
T3 = 953.3 (2)

แทนค่าลงในสมการ

จะได้ T3 = 1,906.6 K

เพราะฉะนนั จะไดอ้ ณุ หภูมิสูงสุดของวฏั จกั ร เทา่ กบั 1,906.6 K ตอบ

3) คาํ นวณหาประสิทธิภาพเชิงความรอ้ นของวฏั จกั ร จากสมการ

Die ₌ 1- ()
()
()

แทนค่าลงในสมการ = 1- ). (. )
.( )
(

จะได้ Die = 0.632 หรือ . %

เพราะฉะนนั จะไดป้ ระสิทธิภาพเชิงความร้อนของวฏั จกั ร เทา่ กบั . % ตอบ
4) คาํ นวณหาความดันเฉลียของวฏั จกั ร โดยเริมตน้ จากการคาํ นวณหาปริมาตร v1, v2 และ Wnet ตามขนั ตอน ดงั นี
คาํ นวณหา v1 และ v2 จากสมการ

v1 =

แทนค่าลงในสมการ = ( . )( )

จะได้ v1 = 0.9258 m3/kg
และ v2 =

แทนค่าลงในสมการ = 0.9258

จะได้ v2 = 0.0514 m3/kg

55

คาํ นวณหาค่างานสุทธิของวฏั จกั ร สมการ

Wnet ₌ qin - qout …………………(1)

หมายเหตุ เนืองจากยงั ไมท่ ราบคา่ Wnet จงึ ตอ้ งคาํ นวณหา qin และ qout ตามลาํ ดบั ซึงในคาํ ตอบนีการคาํ นวณหา
ค่า qin และ qout จะคาํ นวณโดยเทียบปริมาณความร้อนตอ่ หน่วยมวลสาร เป็นค่าความร้อนจาํ เพาะ (มีหนว่ ยเป็น
kJ/kg) ดงั นี

qin = CP (T3 – T2 )

แทนคา่ ลงในสมการ = 1.0035(1,906.6 – 953.3)

จะได้ qin = 956.64 kJ/kg
และ qout = Cv(T4 – T1 )
= 0.7165 (791.7 – 300)
แทนค่าลงในสมการ

จะได้ qout = 352.3 kJ/kg

นาํ คา่ qin และ qout แทนลงในสมการที ( ) จะได้ ₌ (956.64 – 352.3)
Wnet ₌ 604.34 kJ/kg

จะได้ Wnet
จากสมการความดนั ยงั ผลเฉลยี ของวฏั จกั ร

PMEP =

แทนค่าลงในสมการ = 604.34
จะได้ PMEP ..

= 691.15 kPa

เพราะฉะนนั จะไดค้ วามดนั ยงั ผลเฉลียของวฏั จกั ร เทา่ กบั 691.15 kPa ตอบ

56

แบบฝึ กหดั ที 3.2
เรือง วฏั จกั รดีเซลหรือวฏั จักรความดนั คงที (Diesel Cycle or Constant Pressure Cycle)

1. จงเขยี นแผนภาพ (P-V Diagram) และ (T-S Diagram) ของวฏั จกั รดเี ซลใหถ้ ูกตอ้ ง

……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………

2. วฎั จกั รดีเซลมาตรฐานอากาศ มีอตั ราส่วนการอดั เท่า : อุณหภูมิสูงสุดและตาํ สุดเท่ากบั °C กบั °C
และความดนั สูงสุดของวฏั จกั รเทา่ กบั bar จงคาํ นวณหา

2.1) ความรอ้ นทีป้อนเขา้ ของวฏั จกั ร
2.2) ความรอ้ นทคี ายออกของวฏั จกั ร
2.3) ประสิทธิภาพทางความรอ้ นของวฏั จกั ร
2. ) ความดนั ยงั ผลเฉลยี ของวฏั จกั ร
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………

57

……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………

58
บทที
การสันดาป
การทีออกซิเจนทาํ ปฏิกิริยากบั สารเชือเพลิงซึงนําไปสู่การสันดาป จะเรียกว่า “สารตงั ตน้ ” (Reactant)
และผลจากการสันดาปจะใหค้ วามร้อนออกมา เรียกวา่ “ผลปฏิกริ ิยา” (Production) ดงั แสดงในรูปที .

รูปที 4.1 กระบวนการสันดาปของเชือเพลิง
4.1 เคมแี ห่งการสันดาป

ออกซิเจนทใี ชใ้ นการสนั ดาปกับเชือเพลิง โดยปกติทวั ไปจะไดจ้ ากบรรยากาศบนผวิ โลก ซึงเราเรียกว่า
อากาศ (air) และอากาศโดยทวั ไปจะประกอบดว้ ยแก๊สหลกั ชนิด คอื ไนโตรเจน (N ) ประมาณ เปอร์เซ็นต์
และออกซิเจน (O ) ประมาณ เปอร์เซ็นต์ ทีเหลือประมาณ เปอร์เซ็นต์ เป็นแก๊สชนิดอืน ๆ ดงั แสดงใน
รูปที .

รูปที . แสดงส่วนประกอบของแกส๊ ในบรรยากาศ
(ทมี า : เสมอขวญั ตณั ตกิ ลุ , 2544 , น. )

59
เพือลดขอ้ จาํ กดั และความยุ่งยากในการคาํ นวณ เพราะฉะนนั ใหถ้ อื ว่าในบรรยากาศจะประกอบดว้ ยแก๊ส
ไนโตรเจนและออกซิเจนเท่านนั ดงั แสดงในตาราง .

ตารางที . แสดงสดั ส่วนออกซิเจนและไนโตรเจน

หมายเหตุ จากขอ้ มูลในตารางที . อตั ราส่วนของไนโตรเจนตอ่ ออกซิเจน คือ . : โดยมวล และ . : 1
โดยปริมาตร

อะตอมของสารเชือเพลิงในกระบวนการสันดาปจะมีมวลทีแตกต่างกนั โดยทวั ไปจะใชม้ วลอะตอม
ของไฮโดรเจนเป็นมาตรฐานเนืองจากมีมวลนอ้ ยทีสุด กาํ หนดให้มีค่าเทา่ กบั ดงั นันจึงสามารถกาํ หนดมวล
อะตอมของธาตุอืน ๆ ได้ เช่น คาร์บอนมีมวลอะตอมเทา่ กบั หมายถึง มวลอะตอมของคาร์บอนมีคา่ เทา่ กบั

เทา่ ของไฮโดรเจน ส่วนมวลอะตอมของสารเชือเพลิงอนื ๆ แสดงใหเ้ หน็ ในตารางที .
ตารางที . แสดงตวั อย่างมวลอะตอมและมวลโมเลกุลของธาตุและสารประกอบ

ตารางที . แสดงตวั อย่างมวลอะตอมและมวลโมเลกลุ ของสารเชือเพลงิ

หากพิจารณาการสันดาปของไฮโดรเจนตอ่ ออกซิเจน ซึงเป็นเชือเพลิงไฮโดรคาร์บอนผลปฏกิ ริ ิยาจะได้

นาํ (H2O) สมการจะเขียนไดเ้ ป็น

H2 + O2 → H2O

เมอื สมดุลสมการทงั ดา้ นจะเหน็ ว่าออกซิเจนไมส่ มดลุ คอื ดา้ นซ้ายเท่ากบั ดา้ นขวาเท่ากบั เมอื

ตอ้ งการให้ออกซิเจนสมดลุ จึงตอ้ งเติม ในดา้ นขวาของสมการ คอื

60

H2 + O2 → 2H2O

สมดุลไฮโดรเจนโดยเติม ทางดา้ นซ้ายของสมการ เขียนสมการไดเ้ ป็น

2H2 + O2 → 2H2O ……… (4.01)

จากสมการ ( . ) หัวลูกศรแสดงให้ทราบถงึ ทศิ ทางของปฏกิ ริ ิยาเคมซี ึงจะบอกให้ทราบวา่

. ไฮโดรเจนทาํ ปฏิกิริยากบั ออกซิเจนจะไดผ้ ลปฏกิ ริ ิยา คอื นาํ หรือไอนาํ ทงั นีจะขนึ อยู่กบั อุณหภมู ขิ อง

ผลปฏกิ ริ ิยา

. จํานวน โมเลกุลของไฮโดรเจน รวมกับ โมเลกุลของออกซิเจนเป็ น โมเลกุลของนํา

เมอื วเิ คราะหโ์ ดยปริมาตร จะเขยี นสมการไดเ้ ป็น

2 ปริมาตร H2 + 1 ปริมาตร O2 → 2 ปริมาตร H2O

3 ปริมาตร → 2 ปริมาตร

จะเห็นวา่ ปริมาตรทงั สองดา้ นจะไม่สมดุลกนั เพราะการรวมตวั กนั ของสารทีมีสองอะตอมเปลียนเป็น

สารสามอะตอม ซึงปริมาตรจะแปรผนั ตรงกบั จาํ นวนโมล เมือคดิ โดยมวลสามารถใชม้ วลอะตอมของแต่ละธาตุ

แทนลงในสมการ ( . ) ไดด้ งั นี

2H2 + O2 → 2H2O

2 x (1 x 2) + (16 x 2) → 2 x {(1 x 2) + 16}

4 kg H2 + 32 kg O2 → 36 kg H2O

พจิ ารณาอตั ราส่วนนอ้ ยลง โดยนาํ มาหารตลอด จะได้

1 kg H2 + 8 kg O2 → 9 kg H2O
เนืองจากในอากาศประกอบดว้ ยออกซิเจนและไนโตรเจนเป็ นส่วนประกอบหลกั ไนโตรเจนเป็นแกส๊

เฉือยไม่มสี ่วนชว่ ยในการสันดาป เมอื อยใู่ นสารตงั ตน้ ปริมาณเท่าใดก็จะอยู่ในผลปฏิกริ ิยาเท่าเดิม เพราะฉะนัน

ทงั สองด้านของสมการการสันดาปจะไม่เปลียนแปลง โดย โมลของออกซิเจน มีคา่ เท่ากบั . โมลกุลของ

ไนโตรเจน ดงั นนั จะไดส้ มการการสันดาป คือ

2H2 + O2 + 3.76 N2 → 2H2O + 3.76 N2 ……… (4.02)

การสันดาปของคาร์บอนในสารเชือเพลิงไฮโดรคาร์บอนแสดงได้ สมการ ขึนอยู่กับปริมาณของ

ออกซิเจนทีเพียงพอ คอื สมการทมี กี ารสนั ดาปทีสมบรู ณ์ และสมการการสันดาปทีไมส่ มบรู ณ์ เมือมีการสันดาป

ทีสมบูรณ์ ผลปฏิกิริยาการสันดาปจะไดค้ าร์บอนไดออกไซด์ ส่วนการสันดาปทีไม่สมบูรณ์จะไดผ้ ลปฏิกิริยา

เป็ นคาร์บอนมอนอกไซด์

พจิ ารณากระบวนการสนั ดาปทีสมบูรณข์ องคาร์บอน เขียนสมการไดเ้ ป็น

C + O2 → CO2 ……… (4.03)
เมือเขยี นเป็นสมการในรูปของมวล จะได้

12 + (16 x 2) → {12 + (16 x 2)}

61

แทนค่ามวลเป็น kg

12 kg C + 32 kg O2 → 44 kg CO2

พจิ ารณาอตั ราส่วนนอ้ ยลง โดยนาํ มาหารตลอด จะได้

3 kg C + 8 kg O2 → 11 kg CO2
เมอื ไดส้ มดลุ มวลแต่ละดา้ นของสมการ ถา้ รวมไนโตรเจนสมการการสนั ดาปทีสมบรู ณ์จะไดเ้ ป็น

C + O2 + 3.76 N2 → CO2 + 3.76 N2

ตวั อย่างที . จงเขยี นสมการการสนั ดาปอย่างสมบรู ณข์ องเชือเพลิง มเี ทน (CH4) และจะตอ้ งใชอ้ อกซิเจน (O2)

จาํ นวนเท่าใดสําหรับการสันดาปทสี มบูรณต์ ่อ kg ของเชือเพลงิ

- การสมดุลสมการการสันดาปอย่างสมบูรณ์ผลปฏิกริ ิยาจะได้ CO กบั H2O จะไดส้ มการดงั นี

CH4 + O2 → CO2 + H2O

- ปริมาณอะตอมของแต่ละธาตุตอ้ งสมดลุ ทงั สองดา้ นของสมการ จะได้

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

- การสันดาปในอากาศพจิ ารณาไนโตรเจนเป็นแก๊สเฉือย จะได้

CH4 + 2(O2 + 3.76 N2) → CO2 + 2 H2O + 7.52 N2

- คดิ โดยมวลอะตอม จะได้

(12 + 4) + (2 x 32) + (2 x 3.76 x 28) → (12 + 32) + (2 x 18) + (7.52 x 28)

- เมือใชห้ น่วยของมวลเป็น kg จะได้

16 kg CH4 + 64 kg O2 + 210.56 kg N2 → 44 kg CO2 + 36 kg H2O + 210.56 N2
- สาํ หรบั การสนั ดาปทีสมบรู ณต์ ่อ kg ของเชือเพลงิ มเี ทน (CH4)

จะได้ มวลของออกซิเจน (O2) ต่อกโิ ลกรมั ของเชือเพลงิ คือ = 4.0 ตอบ

4.2 อัตราส่วนอากาศ/เชือเพลิง และอัตราส่วนผสมทพี อดี
ในการวิเคราะห์กระบวนการสันดาปสิ งทีมีความสําคัญอีกประการหนึง คือ อัตราส่วนระหว่าง

อากาศ/เชือเพลิง โดยทวั ไปจะเขียนเป็ น A/F ratio ซึงก็คืออตั ราส่วนผสมระหว่างมวลของอากาศต่อมวลของ
เชือเพลิงในกระบวนการสันดาป ดงั นนั

A/F ratio ₌ ……… (4.04)

ส่วนผสมระหว่างอากาศและเชือเพลงิ จะตอ้ งมีปริมาณออกซิเจนทีเพียงพอในการสันดาปทีสมบูรณ์
ซึงเรี ยกว่า Stoichiometric mixture ประกอบด้วยอากาศทางทฤษฎี % ในการสันดาปเชือเพลิงทีมี

62

องคป์ ระกอบของคาร์บอนทงั หมดเชือเพลิงจะถูกเผาไหม้เป็ นคาร์บอนไดออกไซด์ (CO ) ไฮโดรเจนจะถูก
เผาไหมเ้ ป็นนาํ (H2O) และซลั เฟอรจ์ ะถูกเผาไหมเ้ ป็น (SO2)

ตัวอย่างที . จงคาํ นวณหาอตั ราส่วนอากาศ/เชือเพลิงทีพอดี (Stoichiometric) สําหรับการสันดาปทีสมบูรณ์
ของถ่าน ซึงมีส่วนประกอบทางเคมคี ดิ โดยมวลไดด้ งั นี C : 82%, H2 : 5%, O2 : 6%, N2 : 2%, S : 1%, ขีเถา้ : 4%

จากโจทยท์ กี าํ หนดให้ พิจารณาจากตาราง ดงั นี

ส่ วนประกอบ มวลของ สมการ ความต้องการออกซิเจน/กก. ผลปฏิกิริยา/กก.
เชือเพลิง ของเชือเพลิง ของเชือเพลงิ
C สนั ดาปโดยมวล
0.82 0.82 x ₌ 2.187 0.82 x ₌ 3.007
H2 C + O2 → CO2
O2 0.05 12 + 32 → 44 0.05 x ₌ 0.40 0.05 x ₌ 0.45
N2 2 H2 + O2 → 2 H2O - 0.06 -
S 0.06 4 + 32 → 36 - 0.02
ขีเถา้ 0.02
0.01 - 0.01 x ₌ 0.01 0.01 x ₌ 0.02
0.04 - - -
S + O2 → SO2
รวม 32 + 32 → 64 2.537 kg
-

เพราะฉะนนั จากตารางขา้ งตน้ จะไดค้ วามตอ้ งการของออกซิเจน (O ) ต่อ kg ของเชือเพลิงเท่ากับ
2.537 kg และเนืองจากอากาศมีส่วนประกอบของออกซิเจน (O ) คิดโดยมวลเท่ากบั . % ดงั นนั ความตอ้ งการ
อากาศต่อเชือเพลงิ kg คือ

A/F ratio ₌ . ₌ 10.93 kg

.

จะไดอ้ ตั ราส่วนอากาศ/เชือเพลิงทพี อดีเทา่ กบั 10.93 : 1 kg ตอบ

63

แบบฝึ กหดั บทที 4
เรือง การสันดาป

1. อตั ราส่วนอากาศ/เชือเพลงิ ทีพอดี (Stoichiometric Air fuel Ratio) คอื อะไร
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………

2. จงเขียนสมการการสนั ดาปอย่างสมบูรณ์ของเชือเพลิงตอ่ ไปนีให้ถูกตอ้ ง
2.1 ดีเซล (C10H22)

……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………

2.2 เบนซิน (C8H18)
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………

64

บทที
การทดสอบสมรรถนะของเครืองยนต์

เมือได้ทราบถึงหลกั การเบืองตน้ ทางเทอร์โมไดนามิกส์ กระบวนการต่าง ๆ ของแก๊สในอุดมคติ
วฏั จกั รของเครืองยนตส์ ันดาปภายใน และการสันดาปของเชือเพลิงในบททีผา่ นมานนั สิงทจี าํ เป็นตอ้ งทราบอีก
ประการหนึงก็คอื การทดสอบสมรรถนะของเครืองยนต์ ทงั นีก็เพือนําขอ้ มูลทีไดจ้ ากการทดสอบไปปรับปรุง
ออกแบบเครืองยนตใ์ หม้ ีความเหมาะสมหรือมปี ระสิทธิภาพสูงยิงขึน แตเ่ นืองจากเครืองยนตส์ ันดาปภายในมตี วั
แปรทีมีความสลบั ซบั ซ้อนมากจงึ จาํ เป็นตอ้ งศึกษาเพอื ใหเ้ ขา้ ใจถงึ วธิ ีการ เพือใหไ้ ดม้ าซึงคา่ ต่าง ๆ หรือผลลพั ธ์ที
ต้องการทราบ เดิมทีนนั สมรรถนะของเครืองยนต์อาจมีความหมายหลายประการ เช่นความสามารถในเชิง
ประสิทธิภาพ แรงบิด กาํ ลงั งาน ความเร็วหรือความเร็วรอบ และการสิ นเปลอื งของเชือเพลิง เป็นตน้ ในบทนีจะ
กล่าวถึงเฉพาะการวดั ทีสําคญั ๆ เท่านนั เช่นการวดั แรงมา้ หรือกาํ ลงั มา้ การหาประสิทธิภาพของเครืองยนต์
ตลอดจนคา่ ต่าง ๆ ทีเกยี วขอ้ ง ดงั มีรายละเอยี ดต่อไปนี

กาํ ลังม้า (Horse power) เป็นหน่วยทใี ชว้ ดั คา่ ของกาํ ลงั งาน แบงออกเป็น 3 ประเภท
- กาํ ลงั มา้ อินดิเคต (Indicated Horse Power)
- กาํ ลงั มา้ เบรก (Brake Horse Power)
- กาํ ลงั มา้ เสียดทาน (Friction Horse Power)

ประสิทธิภาพของเครืองยนต์ (Engine Efficiency)
- ประสิทธิภาพเชิงความร้อน (Thermal Efficiency)
- ประสิทธิภาพเชิงกล (Mechanical Efficiency)

. กําลงั ม้า (Horse power)
กาํ ลังมา้ เป็นหน่วยทีใช้วดั คา่ ของกาํ ลงั งานโดยมีความหมายวา่ กาํ ลังมา้ คือความพยายามในการทาํ ให้

วตั ถุทมี นี าํ หนกั ค่าหนึง เคลอื นทีไปในระยะทาง 1 หน่วยความยาว ภายใน 1 หน่วยเวลา หน่วยกาํ ลงั มา้ มีใชท้ งั ใน
ระบบองั กฤษ และระบบเมตริก กาํ ลงั มา้ ในหน่วยองั กฤษ เรียกว่า กาํ ลงั มา้ องั กฤษ ใชอ้ กั ษรยอ่ “ HP ” โดยที

1 HP หมายถึง ความสามารถในการทําให้วตั ถุทีมีนําหนกั 550 lb เคลือนทีให้ได้ระยะทาง l ft ภายใน
เวลา l s หรือ 1 HP หมายถึง ความสามารถในการทาํ ให้วตั ถุทีมีนาํ หนัก 33,000 lb เคลือนทีให้ได้ระยะทาง l ft
ภายในเวลา 1 min

ดงั นนั 1 HP = 550 ft -lb/s
หรือ 1 HP = 33,000 ft -lb/min หรือ = 746 W
สําหรับกาํ ลงั มา้ ในระบบเมตริกนนั เรียกวา่ กาํ ลงั มา้ เมตริก ใชอ้ กั ษรย่อ “ PS ” โดยที
1 PS หมายถึง ความสามารถในการทาํ ให้วตั ถุทีมีนาํ หนัก kg เคลือนทีไปในระยะทาง m ภายใน
ระยะเวลา s ดงั แสดงในรูปที .
ดงั นนั 1 PS = 75 kg.m/s

65

รูปที . มา้ ตวั หนึงสามารถทาํ งานได้ 75 kg.m/s

5.1.1 กาํ ลงั มา้ อินดเิ คต (Indicated Horse Power ; I.H.P) เป็นกาํ ลงั มา้ ทีเกิดจากการเผาไหมข้ องเชือเพลิง
ภายในกระบอกสูบ ซึงจะมคี า่ มากกว่ากาํ ลงั มา้ ทวี ดั ไดจ้ ากเพลา เพราะยงั ไม่หกั พลงั งานทีตอ้ งสูญเสียไปกับแรง
เสียดทานในเครืองยนต์ และพลงั งานทีจะตอ้ งนาํ ไปขบั ระบบทจี าํ เป็นต่าง ๆ เช่น ปัมนาํ ปัมนาํ มนั เครือง เป็นตน้
กาํ ลงั มา้ อนิ ดเิ คตสามารถเขยี นเป็นสมการดงั นี

- กรณีทเี ป็นเครืองยนต์ จงั หวะ Imep . Ap . S . . k ……… (5.01)
Imep . Ap . S . N . k ……… (5.02)
I.H.P ₌
- กรณีทีเป็นเครืองยนต์ จงั หวะ

I.H.P ₌

เมอื Imep ₌ ความดนั เฉลียภายในกระบอกสูบ มหี น่วยเป็น (kPa)
Ap ₌ พนื ทีหนา้ ตดั ของกระบอกสูบ มหี น่วยเป็น (m2)

โดยค่า Ap สามารถคาํ นวณหาไดจ้ ากสมการ ดังนี

Ap ₌ ( ) ……… (5.03)
B₌
S₌ ขนาดเส้นผ่านศูนยก์ ลางของกระบอกสูบ มีหน่วยเป็น (m)
ระยะชกั ของลกู สูบ มีหน่วยเป็น (m)

N ₌ จาํ นวนรอบหมุนของเพลาขอ้ เหวยี ง มหี น่วยเป็น (rpm)

k ₌ จาํ นวนลกู สูบ

หมายเหตุ เนืองจากการทาํ งานครบ กลวตั ร ของเครืองยนต์ จงั หวะกบั เครืองยนต์ จงั หวะ นนั เเตกตา่ งกนั

กล่าวคือ เครืองยนต์ จงั หวะ เมือทาํ งานครบ กลวตั ร เพลาขอ้ เหวียงของเครืองยนตจ์ ะหมุน รอบ ส่วน

66

เครืองยนต์ จงั หวะ เมือทาํ งานครบ กลวตั ร เพลาขอ้ เหวียงของเครืองยนต์จะหมุน รอบ จึงทาํ ให้สมการ
กาํ ลงั มา้ อนิ ดเิ คตสําหรับเครืองยนต์ จงั หวะ ตอ้ งหารดว้ ย เสมอ

และเนืองจาก Ap . S . k ₌ VD
เมือ VD หมายถึง ปริมาตรดดู รวม หรือ ขนาดความจุของเครืองยนต์ มีหน่วยเป็น (m3)

ดงั นนั จะไดส้ มการกาํ ลงั มา้ อนิ ดเิ คต ดงั นี

- กรณีทีเป็นเครืองยนต์ จงั หวะ Imep . VD . ……… (5.04)
Imep . VD . N ……… (5.05)
I.H.P ₌
- กรณีทีเป็นเครืองยนต์ จงั หวะ

I.H.P ₌

5.1.2 กาํ ลงั มา้ เบรก (Brake Horse Power ; B.H.P) เป็นกาํ ลงั มา้ ของเครืองยนตท์ ีวดั ไดจ้ ากเพลาขอ้ เหวียง
โดยตรง และเป็นกาํ ลงั มา้ ทีนําไปใชง้ าน ซึงเป็ นกาํ ลงั ทีเหลือจากการเอาชนะความฝืดหรือแรงเสียดทานต่าง ๆ
เครืองมือทีใชใ้ นการวดั หากาํ ลงั มา้ เบรกเรียกว่า ไดนาโมมิเตอร์ ดงั แสดงในรูปที . โดยจะวดั ออกมาในรูปของ
ทอร์ก (Torque) และรอบการหมุนของเครืองยนต์ แลว้ จงึ นาํ คา่ ของทอร์กทีไดไ้ ปคาํ นวณหากาํ ลงั มา้ เบรกอกี ครงั
สาํ หรบั กาํ ลงั มา้ เบรกสามารถคาํ นวณไดจ้ ากสมการต่อไปนี

B.H.P ₌ 2 . Te . N ……… (5.06)

เมือ Te หมายถงึ แรงบดิ (Torque) ของเครืองยนต์ มหี นว่ ยเป็น (N.m)

รูปที . แสดงการทดสอบกาํ ลงั มา้ เบรกดว้ ยไดนาโมมเิ ตอร์ ชนิดโพนีเบรก
(ทมี า : http://mte.kmutt.ac.th/elearning/Internal%20Combustion%20Engine%20Part%20I/6_2.html)

67
5.1.3 กาํ ลงั มา้ เสียดทาน (Friction Horse Power ; F.H.P) เป็ นกาํ ลงั มา้ ทีตอ้ งสูญเสียไปเพือเอาชนะแรง
เสียดทานของชินส่วนทีเคลือนทีในเครืองยนต์ ซึงได้แก่แรงเสียดทานทีเกิดขึนทีผิวสัมผสั แรงเสียดทานที
เกิดขึนระหวา่ งผนงั กระบอกสูบกบั ลูกสูบ หรือในทุก ๆ ทีทีมีการเคลือนไหว โดยแรงเสียดทานทเี กิดขึนจะคิด
เป็ น 75 เปอร์เซ็นต์ของแรงเสียดทานทงั หมด ดังรูปที . สําหรับกาํ ลงั มา้ เสียดทาน สามารถคาํ นวณได้จาก
สมการตอ่ ไปนี

รูปที . แรงเสียดทานทเี กิดขึนในเครืองยนต์
(ทีมา : https://www.slideshare.net/maureenmarcia/power-and-its-measurements)

5.2 ประสิทธภิ าพของเครืองยนต์ (Engine Efficiency)
ประสิทธิภาพของเครืองยนต์ หมายถึง เปอร์เซ็นตข์ องปริมาณความร้อนทีได้รับจากการสันดาปของ

เชือเพลิงทีเฉลียเป็นพลงั งานกล พลงั งานความรอ้ นทีเกดิ จากการสันดาป จะไม่สามารถเปลียนเป็นพลงั งานกล
ไดท้ งั หมดเนืองจากมีการสูญเสียไปในกรณีต่าง ๆ ดงั นี

 สูญเสียไปกบั การสนั ดาป ในระหวา่ งทเี กิดปฏิกิริยาการสนั ดาป ขณะทีแก๊สร้อนหรือเชือระเบิด
เกิดการขยายตวั หรือทีจงั หวะงาน อุณหภูมิประมาณ C – 2500 0C และอณุ หภูมินีจะลดลงเนืองจากความ
ร้อนจะถกู ระบายออกไปทางฝาสูบและผนังกระบอกสูบ โดยสูญเสียไปกบั นาํ หล่อเยน็ หรือครีบระบายความ
ร้อนเครืองยนต์

 สูญเสียไปกบั ระบบไอเสียในจงั หวะคาย
 สูญเสียไปเนืองจากการแผร่ งั สีความรอ้ น ตามพืนผวิ ของตวั เครืองยนต์
 สูญเสียไปกบั นาํ มนั หลอ่ ลนื
 สูญเสียให้กบั แรงเสียดทานในเครืองยนต์
 พลงั งานบางส่วน ถกู ใชไ้ ปกบั การสูญเสียจากการใชป้ ัม และอนื ๆ

68

ในบทนีจะกล่าวถึงประสิทธภิ าพของเครืองยนต์ ซึงแบ่งออกเป็น ประเภทคอื
 ประสิทธิภาพเชิงความร้อน (Thermal Efficiency)
 ประสิทธิภาพเชิงกล (Mechanical Efficiency)

5.2.1 ประสิทธิภาพเชงิ ความร้อน (Thermal Efficiency)
ประสิทธิภาพทางความร้อน คือ อตั ราส่วนระหว่างค่าความร้อนของงานทีเครืองยนตผ์ ลิตได้ ต่อค่า
ความรอ้ นของเชือเพลิงทีตอ้ งหมดสิ นไป ในขณะเดียวกันประสิทธิภาพเชิงความร้อนสามารถแบ่งออกเป็ น
ชนิด ไดแ้ ก่
- ประสิทธิภาพเชิงความร้อนอินดิเคต (Indicated Thermal Efficiency)
- ประสิทธิภาพเชิงความรอ้ นเบรก (Brake Thermal Efficiency)

. . . ประสิทธิภาพเชิงความรอ้ นอนิ ดิเคต (Indicated Thermal Efficiency) เป็นประสิทธิภาพ
เชิงความรอ้ นทีคดิ จากพลงั งานกลภายในกระบอกสูบทีเครืองยนตผ์ ลติ ได้ ตอ่ อตั ราการป้อนพลงั งานความร้อน
ของเชือเพลงิ ให้กบั เครืองยนต์ ดงั สมการตอ่ ไปนี

η₌ .. ……… (5.07)

เมือ I.H.P ₌ กาํ ลงั มา้ อนิ ดเิ คต มีหน่วยเป็น (W)
q₌ อตั ราการป้อนพลงั งานความรอ้ นของเชือเพลงิ ใหก้ บั เครืองยนต์
มีหน่วยเป็น (J/s)

โดยค่า q สามารถคาํ นวณหาไดจ้ ากสมการ ดงั นี ……… (5.08)
q ₌ Bf . Cvf

เมือ Bf ₌ อตั ราการสินเปลอื งนาํ มนั เชือเพลิ งมีหน่วยเป็น (kg/hr)
Cvf ₌ คา่ ความรอ้ นของเชือเพลิง มีหน่วยเป็น (kJ/kg)

5.2.1.2 ประสิทธิภาพเชิงความร้อนเบรก (Brake Thermal Efficiency) เป็ นประสิทธิภาพเชิง

ความร้อนทีคิดจากอัตราส่วนระหว่างพลงั งานกลทีเครืองยนต์ผลิตไดจ้ ากเพลาขอ้ เหวียง ต่ออัตราการป้อน

พลงั งานความร้อนของเชือเพลิงให้กบั เครืองยนต์ ดงั สมการต่อไปนี

η₌ .. ……… (5.09)

เมอื B.H.P ₌ กาํ ลงั มา้ เบรก มหี นว่ ยเป็น (W)

69

q ₌ อตั ราการป้อนพลงั งานความรอ้ นของเชือเพลิงให้กบั เครืองยนต์
มหี น่วยเป็น (J/s)

หมายเหตุ ประสิทธิภาพเชิงความรอ้ น เป็นค่าทไี มม่ หี น่วย แต่สามารถคดิ เป็นเปอร์เซ็นตไ์ ดด้ ว้ ยการคณู

. . ประสิทธิภาพเชิงกล (Mechanical Efficiency)
อัตราส่วนทีเปรียบเทียบระหว่างกาํ ลงั งานหรือแรงมา้ ทีไดจ้ ากเครืองยนต์ กับกําลังงานทางกลหรือ
แรงมา้ ทีวดั ได้ภายในกระบอกสูบของเครืองยนต์ เครืองยนต์ทีมีประสิทธิภาพเชิงกลสูงจะประหยดั เชือเพลิง
ไดม้ าก เปอร์เซ็นตก์ ารสูญเสียความร้อนมีนอ้ ย สามารถคาํ นวณหาดงั สมการต่อไปนี

η ₌ .. ……… (5.10)
..
เมอื B.H.P ₌
I.H.P ₌ กาํ ลงั มา้ เบรก มีหนว่ ยเป็น (W)
กาํ ลงั มา้ อินดิเคต มหี น่วยเป็น (W)

ประสิทธิภาพเชิงกล เป็ นค่าทีไม่มีหน่วยเช่นเดียวกับประสิทธิภาพเชิงความร้อน แต่สามารถคิดเป็น
เปอร์เซ็นตไ์ ดด้ ว้ ยการคูณ

ตัวอย่าง เครืองยนต์แก๊สโซลีน สูบ จงั หวะ มีขนาด Bore x Stroke เท่ากบั mm x 92 mm ขณะทาํ งานที

ความเร็วรอบ ,000 rpm มคี วามดนั เฉลยี ภายในกระบอกสูบเทา่ กบั . bar อตั ราการสิ นเปลอื งนาํ มนั เชือเพลิง

15 kg/hr โดยมีกําลังมา้ เสียดทานในขณะนัน . kW (กําหนดให้ค่าความร้อนของเชือเพลิง ₌ 42.7 MJ/kg)

จงคาํ นวณหา

) กาํ ลงั มา้ อินดเิ คต

) กาํ ลงั มา้ เบรก

) ประสิทธิภาพเชิงความรอ้ นอนิ ดเิ คต

) ประสิทธิภาพเชิงความรอ้ นเบรก

) ประสิทธิภาพเชิงกล

โจทยก์ าํ หนด

k₌4 Bf ₌ 15.19 kg/hr
B ₌ 92 mm ₌
₌ .
₌ 0.092 m
,

4.22 x 10-3 kg/s

S ₌ 92 mm F.H.P ₌ 8.4 kW

₌ 0.092 m ₌ 8,400 W

70

N ₌ 5,000 rpm Cvf ₌ 42.7 MJ/kg
₌ , rps ₌ 42.7 x 106 J/kg
₌ 83.33 rps 4.26 bar
Pmep ₌ 4.26 x 105 N/m2
1) คาํ นวณหาค่ากาํ ลงั มา้ อินดเิ คต จากสมการ ₌
I.H.P ₌ …………..(1)
Imep . Ap . S . . k

เนืองจากโจทยไ์ มไ่ ดก้ าํ หนดคา่ Ap มาให้ ดงั นนั จงึ ตอ้ งหาค่า Ap จากสมการ
Ap ₌ ( )

แทนค่าลงในสมการ ₌ (. )

จะได้ Ap ₌ 6.65 x 10-3 m2 ตอบ

แทนค่า Ap ลงในสมการที ( ) จะได้ 4.26 x 105 x 6.65 x 10-3 x 0.092 x . x 4
I.H.P ₌

จะได้ I.H.P ₌ 43,436.06 W

เพราะฉะนันจะไดก้ าํ ลงั มา้ อินดิเคต เท่ากบั 43,436.06 W ตอบ

2) คาํ นวณหาค่ากาํ ลงั มา้ เบรก จากสมการ

B.H.P ₌ I.H.P – F.H.P

แทนค่าลงในสมการ ₌ 43,463.06 – 8,400

จะได้ B.H.P ₌ 35,063.06 W

เพราะฉะนนั จะไดก้ าํ ลงั มา้ เบรก เทา่ กบั 35,063.06 W ตอบ

3) คาํ นวณหาค่าประสิทธิภาพเชิงความรอ้ นอินดเิ คต จากสมการ

η₌ .. …………..(2)

เนืองจากโจทยไ์ ม่ไดก้ าํ หนดค่า q มาให้ ดงั นนั จึงตอ้ งหาคา่ qจากสมการ

q₌ Bf . Cvf
แทนคา่ ลงในสมการ ₌ 4.22 x 10-3 x 42.7 x 106

จะได้ q ₌ 180,194 J/s

71

แทนคา่ q ลงในสมการที ( ) จะได้ ..
η₌

แทนค่าลงในสมการ ₌ ,.
₌ ,

0.2411

หรือ η ₌ 24.11 %

เพราะฉะนันจะไดป้ ระสิทธิภาพเชิงความรอ้ นอนิ ดเิ คต เท่ากบั 24.11 % ตอบ

4) คาํ นวณหาค่าประสิทธภิ าพเชิงความร้อนเบรก จากสมการ

η₌ ..

แทนค่าลงในสมการ ₌ ,.
₌ ,

0.1944

หรือ η ₌ 19.44 %

เพราะฉะนนั จะไดป้ ระสิทธิภาพเชิงความรอ้ นเบรก เท่ากบั 19.44 % ตอบ

5) คาํ นวณหาคา่ ประสิทธภิ าพเชิงกล จากสมการ

η₌ ..
..

แทนคา่ ลงในสมการ ₌ ,.
,.

₌ 0.807

หรือ η ₌ 80.7 %

เพราะฉะนันจะไดป้ ระสิทธิภาพเชิงกล เท่ากบั 80.7 % ตอบ

72

แบบฝึ กหดั บทที
เรือง การทดสอบสมรรถนะของเครืองยนต์

1. จงอธิบายคาํ จาํ กดั ความตอ่ ไปนี พร้อมบอกหน่วยวดั ทีใช้ใหถ้ ูกตอ้ ง

1.1 indicated Horse power
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………

1.2 Brake Horse power
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………

1.3 Friction Horse power
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………

1.4 Thermal Efficiency

……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………

73

2. เครืองยนตด์ เี ซล สูบ จงั หวะเครืองหนึงมขี นาด Bore x Stroke เท่ากบั 124 mm x 130 mm มคี วามดนั เฉลยี
ในกระบอกสูบขณะทาํ งานที 2,700 rpm เทา่ กบั bar และมีกาํ ลงั มา้ เสียดทานขณะนนั . kW จงคาํ นวณหา

. กาํ ลงั มา้ เบรก
. ประสิทธิภาพเชิงกล
. แรงบดิ ของเครืองยนต์
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………

74

……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………

75

ภาคผนวก

76

ตารางที A-1 แสดงสมการความสมั พนั ธ์ของกระบวนการตา่ ง ๆ ในวชิ าเครืองยนตส์ นั ดาปภายใน

กระบวนการ ดัชนี ความสัมพันธ์ P , V , T การถ่ายเท งาน (W) พลังงานภายใน
ความร้อน (Q) (∆U)

ปริมาตรคงที ₌ m Cv (T2-T1) 0 m Cv (T2-T1)
(V = C) ∞

ความดันคงที 0 ₌ m CP (T2-T1) P (V2 - V1) m Cv (T2-T1)
(P = C) mR ∆T
P1V1 ₌ P2V2
อณุ หภูมคิ งที 1 PV ln PV ln 0
(T = C) mRT ln mRT ln

PV = PV -( )
₌₌
เอนโทรปี k 0
คงที
(S = C) mR (T − T )
1−k
-

(P1V1n = P1V1n) PV PV -( )
₌₌ 1−n

โพลโี ทรปิ ค n ∆U + W
(PVn = C) mR (T − T )
-
1−n

77

ตารางที A-2 แสดงคณุ สมบตั ิของแก๊สในอุดมคติ

ชนิดของแก๊ส นาํ หนัก k cp cv R
โมเลกลุ kJ/kg.K kJ/kg.K kJ/kg.K
อากาศ (Air) 28.970 1.400 1.0048 0.7180 0.2868
คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) 28.010 1.398 1.0413 0.7448 0.2966
ไฮโดรเจน (H2) 2.016 1.405 14.3188 10.1953 4.1236
ไนโตรเจน (N2) 28.016 1.399 1.0401 0.7436 0.2965
ออกซิเจน (O2) 32.000 1.395 0.9182 0.6586 0.2596

คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) 44.010 1.288 0.8457 0.6573 0.1884
ไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) 34.086 1.321 1.3732 1.1304 0.2428
ไนตรัสออกไซด์ (N2O) 44.016 1.274 0.8834 0.6950 0.1884
ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) 64.070 1.263 0.6447 0.5150 0.1297
อะเซทิลนี (C2H2) 26.036 1.232 1.7124 1.3942 0.3182
อเี ทน (C2H6) 30.068 1.187 1.7668 1.4947 0.2721
บวิ เทน (C4H10) 58.120 1.093 1.7585 1.6203 0.1382
มีเทน (CH4) 16.042 1.321 2.2317 1.7124 0.5193
โพเพน (C3H8) 44.094 1.127 1.6915 1.5072 0.1843
ออกเทน (C8H18) 114.23 1.044 1.7113 1.6385 0.0727

ตารางที A-3 แสดงคา่ พลงั ความรอ้ นของเชือเพลงิ ชนิดตา่ ง ๆ

ค่าความร้อนของเชือเพลิง

ประเภท ชนดิ เชือเพลิง ค่าความร้อนสูง ค่าความร้อนตํา
เชือเพลิงเหลว (kJ/kg) (kJ/kg)
43,700
เชือเพลิงแกส๊ นาํ มนั เบนซิน (Motor petrol) 46,000 43,250
43,250
นาํ มนั ก๊าด (Kerosene) 46,250 40,000
40,200
นาํ มนั ดีเซล (Diesel oil) 4,6000 17,850
6,000
นาํ มนั เตา (Residual fuel oil) 42,100 32,600
3,370
เบนซอล (Benzole) 42,000

แก๊สถ่านหิน 20,000

โปรดิวเซอร์แก๊ส 6,040

ก๊าซธรรมชาติ 36,200

บลาสเฟอร์เนซแกส๊ 3,410

78

เอกสารอ้างอิง

ธนา นิชรานนท.์ เครืองยนต์สันดาปภายใน. กรุงเทพฯ : สาํ นกั พมิ พศ์ นู ยส์ ่งเสริมอาชีวะ, 2558 .
มนตรี พริ ุณเกษตร. ค่มู ืออุณหพลศาสตร์ . กรุงเทพฯ : บริษทั วทิ ยพฒั น์ จาํ กัด, 2540 .
สมนึก มงั งกะระ. คณิตศาสตร์ช่างยนต์. กรุงเทพฯ : สํานกั พมิ พศ์ นู ยส์ ่งเสริมอาชีวะ , 2544 .
สุเทพ ญาณวฒั น์. เครืองยนต์สันดาปภายใน. กรุงเทพฯ : สํานกั พมิ พศ์ ูนยส์ ่งเสริมอาชีวะ, 2528 .
เสมอขวญั ตณั ตกิ ลุ . เครืองยนต์สันดาปภายใน. กรุงเทพฯ : สํานกั พิมพศ์ นู ยส์ ่งเสริมอาชีวะ, 2544 .
อุตส่าห์ จิรากรณ์, เชือ ชขู าํ . เครืองยนต์สันดาปภายใน. กรุงเทพฯ : บริษทั ซีเอ็ดยูเคชนั จาํ กดั , 2535.
อาํ พล ซือตรง, ร.ศ. อนนั ต์ วงศก์ ระจ่าง ผศ.ดร. และธนา นิชรานนท.์ เทอร์โมไดนามสิ ์ . กรุงเทพฯ :

ศนู ยส์ ่งเริมวิชาการ , 2548.