ลูกสูบเป็นส่วนประกอบของเครื่องยนต์แบบลูกสูบปั๊มแบบลูกสูบเครื่องอัดอากาศกระบอกไฮดรอลิกและกระบอกลมรวมถึงกลไกอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกัน มันเป็นชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ได้ซึ่งอยู่ภายในกระบอกสูบและถูกทำให้กันอากาศรั่วโดยแหวนลูกสูบในเครื่องยนต์ หน้าที่ของมันคือการถ่ายทอดแรงจากก๊าซที่ขยายตัวในกระบอกสูบไปยังเพลา ข้อเหวี่ยง ผ่านก้านลูกสูบและ/หรือก้านเชื่อมต่อในปั๊ม หน้าที่จะกลับกันและแรงจะถูกถ่ายทอดจากเพลาข้อเหวี่ยงไปยังลูกสูบเพื่อจุดประสงค์ในการอัดหรือดันของเหลวในกระบอกสูบ ในเครื่องยนต์บางชนิด ลูกสูบยังทำหน้าที่เป็นวาล์วโดยการปิดและเปิดช่องในกระบอกสูบด้วย

เครื่องยนต์สันดาปภายในทำงานโดยอาศัยแรงดันจากการขยายตัวของก๊าซเผาไหม้ในห้องเผาไหม้ที่อยู่ด้านบนของกระบอกสูบ แรงดันนี้จะส่งผลลงมาผ่านก้านสูบไปยังเพลาข้อเหวี่ยง ก้านสูบเชื่อมต่อกับลูกสูบด้วยสลักหมุน (หรือที่เรียกว่าสลักข้อมือ) สลักนี้ติดตั้งอยู่ภายในลูกสูบ ซึ่งแตกต่างจากเครื่องยนต์ไอน้ำที่ไม่มีก้านลูกสูบหรือหัวเชื่อม (ยกเว้นเครื่องยนต์สองจังหวะขนาดใหญ่)

ภาพแสดงการออกแบบลูกสูบแบบทั่วไป ลูกสูบประเภทนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องยนต์ดีเซล ของรถยนต์ รูปร่างและสัดส่วนของลูกสูบสามารถปรับเปลี่ยนได้ตามวัตถุประสงค์ ระดับการอัดอากาศ และสภาวะการทำงานของเครื่องยนต์

เครื่องยนต์ดีเซลกำลังสูงทำงานในสภาวะที่ยากลำบาก แรงดันสูงสุดในห้องเผาไหม้สามารถสูงถึง 20 MPa และอุณหภูมิสูงสุดของพื้นผิวลูกสูบบางส่วนอาจสูงเกิน 450 °C สามารถปรับปรุงการระบายความร้อนของลูกสูบได้โดยการสร้างช่องระบายความร้อนพิเศษหัวฉีดจะจ่ายน้ำมันเข้าไปในช่องระบายความร้อน «A» ผ่านช่องทางจ่ายน้ำมัน «B» เพื่อให้ได้ผลลัพธ์การลดอุณหภูมิที่ดีขึ้น ควรคำนวณและวิเคราะห์โครงสร้างอย่างรอบคอบ อัตราการไหลของน้ำมันในช่องระบายความร้อนไม่ควรน้อยกว่า 80% ของอัตราการไหลของน้ำมันผ่านหัวฉีด

ตัวสลักทำจากเหล็กกล้าชุบแข็งและยึดติดกับลูกสูบ แต่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในก้านสูบ บางแบบใช้การออกแบบแบบ "ลอยตัวเต็มที่" ซึ่งหลวมทั้งในส่วนประกอบทั้งสอง สลักทุกตัวจะต้องได้รับการป้องกันไม่ให้เคลื่อนที่ไปด้านข้างและปลายสลักไปทิ่มแทงผนังกระบอกสูบ โดยปกติจะใช้แหวนล็อกเพื่อป้องกันไม่ให้ เคลื่อนที่

การกันแก๊สรั่วทำได้โดยใช้แหวนลูกสูบ แหวนเหล่านี้เป็นแหวนเหล็กแคบๆ หลายวงที่ติดตั้งอย่างหลวมๆ ในร่องของลูกสูบ ใต้หัวลูกสูบเล็กน้อย แหวนเหล่านี้มีรอยแยกที่ขอบ ทำให้สามารถกดกับกระบอกสูบด้วยแรงดันสปริงเบาๆ แหวนที่ใช้มีสองประเภท: แหวนบนมีหน้าเรียบและทำหน้าที่กันแก๊สรั่ว ส่วนแหวนล่างมีขอบแคบและรูปทรงตัวยู เพื่อทำหน้าที่เป็นตัวกวาดน้ำมัน มีคุณสมบัติการออกแบบเฉพาะและรายละเอียดมากมายที่เกี่ยวข้องกับแหวนลูกสูบ

ลูกสูบมักจะหล่อหรือตีขึ้นรูปจากโลหะผสมอะลูมิเนียมเพื่อความแข็งแรงและอายุการใช้งานที่ดีขึ้น ลูกสูบสำหรับรถแข่งบางรุ่น^{[ 1 ]}อาจจะใช้วิธีการตีขึ้นรูปแทน ลูกสูบแบบแท่งก็ถูกนำมาใช้ในเครื่องยนต์รถแข่งเช่นกัน เพราะไม่ขึ้นอยู่กับขนาดและโครงสร้างของการตีขึ้นรูปที่มีอยู่ ทำให้สามารถเปลี่ยนแปลงการออกแบบในนาทีสุดท้ายได้ แม้ว่าจะมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า แต่ลูกสูบเองก็ได้รับการออกแบบให้มีความเป็นรูปไข่และความเรียวในระดับหนึ่ง ซึ่งหมายความว่าลูกสูบจะไม่กลมสนิท และเส้นผ่านศูนย์กลางจะใหญ่กว่าบริเวณด้านล่างของกระโปรงลูกสูบมากกว่าบริเวณหัวลูกสูบ^{[ 2 ]}

ลูกสูบในยุคแรกทำจากเหล็กหล่อแต่การใช้โลหะผสมที่เบากว่านั้นมีข้อดีอย่างเห็นได้ชัดในเรื่องการปรับสมดุลเครื่องยนต์ เพื่อผลิตลูกสูบที่ทนต่ออุณหภูมิการเผาไหม้ในเครื่องยนต์ได้ จึงจำเป็นต้องพัฒนาโลหะผสมใหม่ๆ เช่นโลหะผสม Yและอะลูมิเนียมออกไซด์โดยเฉพาะสำหรับการใช้งานเป็นลูกสูบ

เครื่องยนต์แก๊สรุ่นแรกๆ บางเครื่อง^{[ i ]}มีกระบอกสูบแบบทำงานสองจังหวะแต่โดยทั่วไปแล้วลูกสูบของเครื่องยนต์สันดาปภายในเกือบทั้งหมดจะทำงานจังหวะเดียวในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง เรือดำ น้ำปอมปาโนของสหรัฐฯ^{[ ii ]}ได้ติดตั้งต้นแบบของ เครื่องยนต์ดีเซลสองจังหวะแบบทำงานสองจังหวะ HOR ที่ขึ้นชื่อเรื่องความไม่น่าเชื่อถือ แม้ว่าจะมีขนาดกะทัดรัด แต่สำหรับการใช้งานในเรือดำน้ำที่คับแคบ การออกแบบเครื่องยนต์นี้ก็ไม่ได้ถูกทำซ้ำอีก

สื่อที่เกี่ยวข้องกับลูกสูบเครื่องยนต์สันดาปภายในที่วิกิมีเดียคอมมอนส์

ลูกสูบแบบลำตัวยาวนั้นมีความยาวเมื่อเทียบกับเส้นผ่านศูนย์กลาง ทำหน้าที่ทั้งเป็นลูกสูบและตัวเชื่อมขวางทรง กระบอก เนื่องจากก้านสูบทำมุมเอียงเป็นส่วนใหญ่ของการหมุน จึงมีแรงด้านข้างที่กระทำต่อด้านข้างของลูกสูบกับผนังกระบอกสูบ ลูกสูบที่ยาวขึ้นช่วยรองรับแรงนี้ได้

ลูกสูบแบบลำตัวเป็นแบบลูกสูบที่พบได้ทั่วไปตั้งแต่ยุคแรกๆ ของเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นลง มีการใช้ในทั้งเครื่องยนต์เบนซินและดีเซล แม้ว่าปัจจุบันเครื่องยนต์ความเร็วสูงจะนำลูกสูบแบบลื่นไถลที่ มีน้ำหนักเบากว่ามาใช้แล้ว ก็ตาม

ลักษณะเฉพาะของลูกสูบแบบลำตัวส่วนใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเครื่องยนต์ดีเซล คือจะมีร่องสำหรับแหวนน้ำมันอยู่ใต้สลักลูกสูบนอกเหนือจากแหวนที่อยู่ระหว่างสลักลูกสูบและหัวลูกสูบ

ชื่อ "ลูกสูบทรงกระบอก" มาจาก " เครื่องยนต์ทรงกระบอก " ซึ่งเป็นการออกแบบเครื่องยนต์ไอน้ำสำหรับเรือ ในยุคแรกๆ เพื่อให้มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น จึงหลีกเลี่ยง การใช้ก้านลูกสูบ ที่มีหัวเชื่อมต่อแยกต่างหากเหมือน เครื่องยนต์ไอน้ำทั่วไปและเป็นเครื่องยนต์แบบแรกที่วางสลักลูกสูบไว้ภายในลูกสูบโดยตรง อย่างไรก็ตาม ลูกสูบของเครื่องยนต์ทรงกระบอกเหล่านี้แทบไม่เหมือนกับลูกสูบทรงกระบอกทั่วไปเลย มันมีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่มากและทำงานสองทิศทาง "ทรงกระบอก" ของมันคือทรงกระบอกแคบๆ ที่ติดตั้งอยู่ตรงกลางลูกสูบ

สื่อที่เกี่ยวข้องกับลูกสูบ Trunkใน Wikimedia Commons

เครื่องยนต์ดีเซลขนาดใหญ่ที่ทำงานด้วยความเร็วรอบต่ำอาจต้องการการรองรับเพิ่มเติมสำหรับแรงด้านข้างที่กระทำต่อลูกสูบ โดยทั่วไปเครื่องยนต์เหล่านี้จะใช้ ลูกสูบ แบบครอสเฮดลูกสูบหลักมีก้านลูกสูบ ขนาดใหญ่ ยื่นลงมาจากลูกสูบไปยังลูกสูบขนาดเล็กกว่าอีกตัวหนึ่ง ลูกสูบหลักมีหน้าที่ในการปิดผนึกก๊าซและมีแหวนลูกสูบติดตั้งอยู่ ส่วนลูกสูบขนาดเล็กนั้นเป็นเพียงตัวนำทางเชิงกล มันวิ่งอยู่ภายในกระบอกสูบขนาดเล็กทำหน้าที่เป็นตัวนำทางลำตัวและมีสลักลูกสูบติดตั้งอยู่ด้วย

การหล่อลื่นของหัวลูกสูบมีข้อดีเหนือกว่าลูกสูบตัวหลัก เนื่องจากน้ำมันหล่อลื่นไม่ได้รับผลกระทบจากความร้อนจากการเผาไหม้ : น้ำมันไม่ปนเปื้อนด้วยอนุภาคเขม่าจากการเผาไหม้ ไม่สลายตัวเนื่องจากความร้อน และสามารถใช้น้ำมันที่บางกว่าและมีความหนืดน้อยกว่าได้ แรงเสียดทานของทั้งลูกสูบและหัวลูกสูบอาจมีเพียงครึ่งหนึ่งของแรงเสียดทานของลูกสูบตัวหลัก^{[ 3 ]}

เนื่องจากลูกสูบเหล่านี้มีน้ำหนักมาก จึงไม่นิยมใช้ในเครื่องยนต์ความเร็วสูง

สื่อที่เกี่ยวข้องกับลูกสูบ Crossheadใน Wikimedia Commons

ลูกสูบแบบสลิปเปอร์คือลูกสูบสำหรับเครื่องยนต์เบนซินที่มีขนาดและน้ำหนักลดลงมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ในกรณีที่รุนแรงที่สุด ลูกสูบจะถูกลดขนาดเหลือเพียงส่วนหัวลูกสูบ ส่วนรองรับแหวนลูกสูบ และส่วนกระโปรงลูกสูบที่เหลืออยู่เพียงพอที่จะเหลือร่องสองร่องเพื่อป้องกันไม่ให้ลูกสูบโยกไปมาในกระบอกสูบ ด้านข้างของกระโปรงลูกสูบรอบสลักลูกสูบจะถูกลดขนาดให้ห่างจากผนังกระบอกสูบ จุดประสงค์หลักคือเพื่อลดมวลที่เคลื่อนที่ไปมา ทำให้การปรับสมดุลเครื่องยนต์ง่ายขึ้นและช่วยให้สามารถใช้งานที่ความเร็วสูงได้^{[ 4 ]}ในการใช้งานสำหรับการแข่งขัน กระโปรงลูกสูบแบบสลิปเปอร์สามารถออกแบบให้มีน้ำหนักเบามากในขณะที่ยังคงความแข็งแกร่งและความทนทานของกระโปรงแบบเต็ม^{[ 5 ]} การลดแรงเฉื่อยยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพเชิงกลของเครื่องยนต์: แรงที่จำเป็นในการเร่งและลดความเร็วของชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ไปมาทำให้เกิดแรงเสียดทานของลูกสูบกับผนังกระบอกสูบมากกว่าแรงดันของของเหลวบนหัวลูกสูบ^{[ 6 ]}ประโยชน์รองอาจเป็นการลดแรงเสียดทานกับผนังกระบอกสูบ เนื่องจากพื้นที่ของกระโปรงซึ่งเลื่อนขึ้นลงในกระบอกสูบลดลงครึ่งหนึ่ง อย่างไรก็ตาม แรงเสียดทานส่วนใหญ่เกิดจากแหวนลูกสูบซึ่งเป็นชิ้นส่วนที่พอดีกับกระบอกสูบและพื้นผิวรับแรงของสลักลูกสูบแน่นที่สุด ดังนั้นประโยชน์ที่ได้รับจึงลดลง

สื่อที่เกี่ยวข้องกับลูกสูบแบบสลิปเปอร์ในวิกิมีเดียคอมมอนส์

ลูกสูบแบบมีตัวเบี่ยงทิศทางใช้ในเครื่องยนต์สองจังหวะที่มีการอัดในห้องข้อเหวี่ยง ซึ่งการไหลของก๊าซภายในกระบอกสูบจะต้องถูกควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อให้เกิดการกวาดล้าง ที่มีประสิทธิภาพ ด้วยการกวาดล้างแบบไขว้พอร์ตถ่ายโอน (ทางเข้าสู่กระบอกสูบ) และพอร์ตไอเสียจะอยู่ด้านตรงข้ามของผนังกระบอกสูบโดยตรง เพื่อป้องกันไม่ให้ส่วนผสมที่เข้ามาไหลผ่านจากพอร์ตหนึ่งไปยังอีกพอร์ตหนึ่งโดยตรง ลูกสูบจึงมีสันนูนบนส่วนบนของลูกสูบ ซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อเบี่ยงส่วนผสมที่เข้ามาขึ้นด้านบน รอบๆห้องเผาไหม้^{[ 7 ]}

ความพยายามอย่างมากและการออกแบบหัวลูกสูบที่แตกต่างกันหลายแบบถูกนำมาใช้เพื่อพัฒนาการกวาดล้างที่ดีขึ้น หัวลูกสูบพัฒนาจากสันเรียบๆ ไปเป็นปุ่มนูนขนาดใหญ่ที่ไม่สมมาตร โดยปกติจะมีหน้าชันทางด้านทางเข้าและส่วนโค้งเล็กน้อยทางด้านไอเสีย ถึงกระนั้น การกวาดล้างแบบไขว้ก็ไม่เคยมีประสิทธิภาพเท่าที่หวังไว้ เครื่องยนต์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันใช้พอร์ต Schnuerleแทน ซึ่งจะวางพอร์ตถ่ายโอนคู่หนึ่งไว้ที่ด้านข้างของกระบอกสูบและกระตุ้นให้การไหลของก๊าซหมุนรอบแกนแนวตั้งแทนที่จะเป็นแกนแนวนอน^{[ 8 ]}

สื่อที่เกี่ยวข้องกับลูกสูบ Deflectorใน Wikimedia Commons

ในเครื่องยนต์สำหรับการแข่งขัน ความแข็งแรงและความแข็งของลูกสูบมักจะสูงกว่าเครื่องยนต์สำหรับรถยนต์นั่งส่วนบุคคลมาก ในขณะที่น้ำหนักจะน้อยกว่ามาก เพื่อให้ได้รอบเครื่องยนต์สูงที่จำเป็นในการแข่งขัน^{[ 9 ]}

กระบอกไฮดรอลิกอาจเป็นแบบทำงานทางเดียวหรือสองทางก็ได้ ตัวกระตุ้นไฮดรอลิกจะควบคุมการเคลื่อนที่ของลูกสูบไปข้างหน้าและ/หรือข้างหลัง แหวนนำทางจะนำทางลูกสูบและก้านสูบ และดูดซับแรงในแนวรัศมีที่กระทำตั้งฉากกับกระบอกสูบ และป้องกันการสัมผัสกันระหว่างชิ้นส่วนโลหะที่เลื่อนไปมา

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องยนต์ไอน้ำจะเป็นแบบสองทิศทาง (กล่าวคือ แรงดันไอน้ำจะกระทำสลับกันที่แต่ละด้านของลูกสูบ) และการรับและปล่อยไอน้ำจะถูกควบคุมโดยวาล์วเลื่อนวาล์วลูกสูบหรือวาล์วป๊อปเป็ตดังนั้น ลูกสูบของเครื่องยนต์ไอน้ำจึงมักเป็นแผ่นกลมบางๆ โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเป็นหลายเท่าของความหนา (ข้อยกเว้นคือ ลูกสูบ ของเครื่องยนต์แบบลำตัวซึ่งมีรูปร่างคล้ายกับลูกสูบในเครื่องยนต์สันดาปภายในสมัยใหม่) อีกปัจจัยหนึ่งคือ เนื่องจากเครื่องยนต์ไอน้ำเกือบทั้งหมดใช้หัวต่อเพื่อส่งแรงไปยังก้านขับ จึงมีแรงด้านข้างน้อยมากที่พยายาม "โยก" ลูกสูบ ดังนั้นกระโปรงลูกสูบรูปทรงกระบอกจึงไม่จำเป็น

ปั๊มลูกสูบสามารถใช้ในการเคลื่อนย้ายของเหลวหรืออัดก๊าซได้

ปืน ลมมีลูกสูบสองประเภทพิเศษได้แก่ ลูกสูบความคลาดเคลื่อนต่ำและลูกสูบคู่ ในลูกสูบความคลาดเคลื่อนต่ำโอริงทำหน้าที่เป็นวาล์ว แต่ในลูกสูบคู่จะไม่ใช้โอริง

• Irving, PE (1967). หน่วยกำลังสองจังหวะ . Newnes.
• ริคาร์โด, แฮร์รี่ (1922). เครื่องยนต์สันดาปภายในเล่ม 1: เครื่องยนต์ความเร็วต่ำ (ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 1). ลอนดอน: แบล็กกี้ .

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับทีมดีทรอยต์ พิสตันส์

• เรียงความเกี่ยวกับเครื่องยนต์ลูกสูบ
• วิธีการทำงานของชิ้นส่วนต่างๆ – ชิ้นส่วนพื้นฐานของเครื่องยนต์
• สมการการเคลื่อนที่ของลูกสูบ