อัตราส่วนกำลังอัดเครื่องยนต์ (Engine compression ratio)

คือปริมาณไอดีที่ลูกสูบเคลื่อนตัวจากตำแหน่ง BDC ขึ้นไปสู่ตำแหน่ง TDC ในจังหวะอัด (Compression stroke) โดยคำนวณจากปริมาตรอากาศในกระบอกสูบ ณ ขณะที่ลูกสูบอยู่ในตำแหน่ง BDC และหารด้วยปริมาตรอากาศ ในกระบอกสูบ เมื่อลูกสูบอยู่ในตำแหน่ง TDC เช่น ปริมาตรกระบอกสูบ (ต่อ 1 สูบ) คือ 480 cc และปริมาตรอากาศ ในขณะที่ลูกสูบเคลื่อนตัวขึ้นสู่ตำแหน่ง TDC คือ 52 cc ดังนั้น อัตราส่วน กำลังอัด = 480/52 = 9.23

อัตราส่วนการอัด(Cr) = ปริมาตรทั้งหมดในกระบอกสูบ(Vs+Vc) / ปริมาตรหลังการอัดตัว(Vc)

1. ปริมาตร (Volume)

หมายถึงปริมาณหรือความจุ เราสามารถหาปริมาตรโดยใช้สูตร

ปริมาตร(V) = พื้นที่หน้าตัด(A) * ความสูง(L)          (cm³) หรือ cc

พื้นที่หน้าตัดรูปวงกลม(A) = (¶ * D²)/4                (cm²)

D = ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง

ปริมาตรในกระบอกสูบวัดจากตำแหน่งศูนย์ตายล่างถึงตำแหน่งศูนย์ตายบน ซึ่งหาได้ จากการเอาพื้นที่หน้าตัดของกระบอกสูบ คูณ กับระยะช่วงชัก (L)

2. ปริมาตรอากาศที่ถูกอัดตัว (Clearance Volume)

ปริมาตรอากาศที่ถูกอัดตัว(Vc) = ปริมาตรในหลุมที่ฝาสูบ + ปริมาตรในส่วนความหนาประเก็นฝาสูบ

ปริมาตรในส่วนความหนาประเก็นฝาสูบ(Vg) = (¶ * D²)/4 * T

โดย (¶ * D²)/4  คือพื้นที่หน้าตัดลูกสูบ, ความสูงของห้องเผาไหม้, D คือเส้นผ่าศูนย์กลางกระบอกสูบ, T คือความสูงของประเก็นฝาสูบ

นอกจากนี้ยังต้องพิจารณาจากลักษณะของหัวลูกสูบ ดังนี้

• หัวลูกสูบเรียบเสมอกับเสื้อสูบ ปริมาตรอากาศที่ถูกอัดตัว = ปริมาตรในหลุมที่ฝาสูบ + บวกกับปริมาตรในส่วนความหนา ประเก็นฝาสูบ
• หัวลูกสูบนูนพ้นเสื้อสูบ ปริมาตรอากาศที่ถูกอัดตัว = ปริมาตรส่วนที่นูนขึ้นมา –  ปริมาตรในหลุมฝาสูบ + ปริมาตรในส่วน ความหนาประเก็นฝาสูบ
• หัวลูกสูบเว้าหรือเป็นหลุม ปริมาตรอากาศที่ถูกอัดตัว = ปริมาตรที่หลุมบนหัวลูกสูบ + ปริมาตรของหลุมที่ฝาสูบ +ปริมาตรในส่วนความหนาประเก็นฝาสูบ

3. ปริมาตรก่อนการอัดตัว หรือปริมาตรความจุของเครื่องยนต์(Swet Volume)

ปริมาตรก่อนการอัดตัว (Vs หรือ Vd) คือปริมาตรที่อยู่ระหว่าง TDC กับ BDC หรือระยะชักของลูกสูบ(L) มีหน่วยเป็น cc หรือ cm³

สูตรการหาปริมาตรก่อนการอัดตัว

Vs = (¶ * D²)/4 * L

D = ขนาดเส้นผ่าศูนย์กระบอกสูบ

L = ระยะชักหรือระยะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นลงระหว่าง TDC และ BDC

¶ = 22/7 หรือ 3.14

ตัวอย่าง เครื่องยนต์นิสสัน SR20DET มีระยะช่วงซัก เป็น 86 x 86 mm ให้หาปริมาตรก่อนการอัดตัวหรือปริมาตรความจุของกระบอกสูบนี้

• เปลี่ยนหน่วย จาก mm เป็น cm ได้ 8.6 x 8.6 cm
• D = 8.6

หาพื้นที่หน้าตัด = (¶ * D²)/4 = (3.14*8.6²)/4 = 58.06 cm²

ปริมาตรกระบอกสูบ(Vs) = (¶ * D²)/4 * L = 58.06*8.6 = 499.32

ความจุของเครื่องยนต์ 4 สูบ = 499.32 * 4 = 1997.26 cm³ หรือ 1997.26 cc นั่นเอง

4. ปริมาตรทั้งหมดในกระบอกสูบ (Total Volume)

ปริมาตรทั้งหมดในกระบอกสูบ(Vt) ก็คือปริมาตรที่อยู่ระหว่าง BDC ถึงผนังด้านบนของฝาสูบ เราสามารถหาได้ดังนี้

ปริมาตรทั้งหมดในการะบอกสูบ(Vt) = ปริมาตก่อนการอัดตัว(Vs) + ปริมาตรหลังการอัดตัว(Vc)

5. อัตราส่วนการอัด (Compression Ratio)

อัตราส่วนการอัด(Cr) หมายถึงอัตราส่วนของปริมาตรก่อนการอัดตัวต่อปริมาตรหลังการอัดตัว

อัตราส่วนการอัด(Cr) = อัตราส่วนของปริมาตรก่อนการอัดตัว(Vs+Vc) / ปริมาตรหลังการอัดตัว(Vc)

ตัวอย่าง เครื่องยนต์นิสสัน SR20DET ระยะชักเท่ากับ 86×86 mm(8.6*8.6 cm) ประเก็นฝาสูบหนา 0.5 mm (0.05 cm.) เปลี่ยนลูกสูบเป็นแบบหัวเรียบ ที่ตำแหน่งศูนย์ตายบนหัวลูกสูบเตี้ยกว่าเสื้อสูบ 1 mm (0.1 cm) ปริมาตรในหลุมฝาสูบเท่ากับ 47 cm3 จงหาอัตราส่วนการอัด

ปริมาตรในส่วนความหนาประเก็นฝาสูบ(Vg) = (¶ * D²)/4 * T

โดย (¶ * D²)/4  คือพื้นที่หน้าตัดลูกสูบ, ความสูงของห้องเผาไหม้, D คือเส้นผ่าศูนย์กลางกระบอกสูบ, T คือความสูงของประเก็นฝาสูบ

Vg = (58.06 cm²) *(0.05 cm)

= 2.9 cm³

อัตราส่วนการอัด(Cr) = อัตราส่วนของปริมาตรก่อนการอัดตัว(Vs+Vc) / ปริมาตรหลังการอัดตัว(Vc)

Cr = (499.32 + 55.7) / 55.7

= 9.96 :1

6. การเพิ่มหรือลดอัตราส่วนการอัดของเครื่องยนต์

เราสามารถเพิ่มหรือลดอัตราส่วนการอัดของเครื่องยนต์ได้โดยการเปลี่ยนปริมาตรห้องเผาไหม้ เช่น

• การไสฝาสูบ
• การเปลี่ยนความหนาของประเก็นฝาสูบ
• การเพิ่มเส้นผ่าศูนย์กลางของกระบอกสูบ (โดยการคว้าน)

นอกจากนี้ตะกอนที่เกิดจากการเผาไหม้ก็สามารถทำให้อัตราส่วนการอัดเปลี่ยนไปได้เช่นกัน

การคำนวณหาอัตราส่วนการอัดจากการเปลี่ยนความสูงของห้องเผาไหม้

ความสูงของห้องเผาไหม้(C) = ระยะชัก(L)/(อัตราส่วนการอัด(Cr)- 1)

C = L/(Cr – 1)

ตัวอย่าง เครื่องยนต์ 4 สูบ 4 จังหวะ มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางกระบอกสูบและช่วงชักยาว 70*85 มม. ตามลำดับ และมีอัตราส่วนการอัดเป็น 8:1 ถ้าต้องการเพิ่มอัตราอัดเป็น 9.5:1 จะต้องใสฝาสูบออกเท่าไร

กำหนดให้ Cr1 = 8:1, Cr2 = 9.5:1, L=85 มม.

C1 = L/(Cr1-1) = 85 มม./(8-1) = 12.14 มม.

C2 = L/(Cr2-1) = 85 มม./(9.5-1) = 10 มม.

ดังนั้นจะต้องไสฝาสูบออก (C1-C2) = 12.14-10 = 2.14 มม.

จังหวะ การเปิด-ปิด ของวาล์วไอดี ในจังหวะดูดจะมีผลกับความดันในกระบอกสูบ ถ้าวาล์วไอดีปิด ที่ศูนย์ตายล่าง พอดี เมื่อลูกสูบ เลื่อนขึ้นก็เริ่มอัดไอดี ที่อยู่ในกระบอกสูบทันที  ความดันที่ได้ก็จะสูงเพราะมีไอดีอยู่เต็มกระบอกสูบ แต่ในความเป็นจริงวาล์วไอดี ไม่ได้ปิดทันทีที่ศูนย์ตายล่างแต่ยังคงเปิดต่อไปอีกเล็กน้อย(องศาวาล์วไอดียิ่งมากยิ่งเปิดนานขี้น) พอลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นก็จะอัดไอดีที่ดูดเข้าไปแล้วกลับออกมาทางวาล์วไอดีที่ยังไม่ปิดสนิท แต่เหตุการณ์นี้จะเกิดขึ้นเฉพาะที่รอบเครื่องยนต์ต่ำเท่านั้น เพราะไอดียังไหลได้ไม่เร็ว ก็ไม่มีโมเมนตัมมากพอ ที่จะไหลผ่านวาล์วไอดีเข้าไปในกระบอกสูบขณะที่ลูกสูบกำลังเลื่อนขึ้น เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ถึงตำแหน่งศูนย์ตายบน ความดันที่วัดได้ก็จะต่ำเพราะเหลือไอดีอยู่น้อย