ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนคือความสัมพันธ์ระหว่างพลังงาน ทั้งหมด ที่มีอยู่ในเชื้อเพลิงกับปริมาณพลังงานที่ใช้ในการทำงานที่เป็นประโยชน์ เครื่องยนต์ความร้อนแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่...

1. เครื่องยนต์สันดาปภายใน ( เบนซินดีเซลและกังหันก๊าซ-เครื่องยนต์วัฏจักรเบรย์ตัน ) และ
2. เครื่องยนต์สันดาปภายนอก ( เครื่องยนต์ลูกสูบไอน้ำ , เครื่องยนต์กังหันไอน้ำและ เครื่องยนต์ วัฏจักรสเตอร์ลิง )

เครื่องยนต์แต่ละเครื่องมี ลักษณะ ประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะตัว

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ การออกแบบระบบส่งกำลัง และการออกแบบยาง ล้วนมีส่วนช่วยให้รถยนต์ประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิง

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของงานที่เป็นประโยชน์ที่ทำได้ต่อความร้อนที่เกิดขึ้น

${\displaystyle \eta ={\frac {\mathrm {work\ done} }{\mathrm {heat\ absorbed} }}={\frac {Q_{1}-Q_{2}}{Q_{1}}}}$

ความร้อนถูกดูดซับที่ไหน และ งานเกิดขึ้น ที่ไหน${\displaystyle Q_{1}}$${\displaystyle Q_{1}-Q_{2}}$

โปรดทราบว่า คำว่า " งานที่ทำ"นั้นหมายถึงกำลังที่ส่งไปยังคลัตช์หรือเพลาขับ

นั่นหมายความว่าแรงเสียดทานและการสูญเสียอื่นๆ จะถูกหักออกจากงานที่ทำโดยการขยายตัวทางเทอร์โมไดนามิก ดังนั้นเครื่องยนต์ที่ไม่ได้ส่งงานใดๆ ออกสู่สิ่งแวดล้อมภายนอกจึงมีประสิทธิภาพเป็นศูนย์

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สันดาปภายในขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย ซึ่งปัจจัยที่สำคัญที่สุดคืออัตราส่วนการขยายตัว สำหรับเครื่องยนต์ความร้อน ใดๆ งานที่สามารถดึงออกมาได้จะแปรผันตรงกับความแตกต่างระหว่างความดันเริ่มต้นและความดันสุดท้ายในระหว่างขั้นตอนการขยายตัว ดังนั้น การเพิ่มความดันเริ่มต้นจึงเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเพิ่มงานที่ดึงออกมา (การลดความดันสุดท้าย เช่นเดียวกับที่ทำในกังหันไอน้ำโดยการระบายออกสู่สุญญากาศ ก็มีประสิทธิภาพเช่นกัน)

อัตราส่วนการอัด (คำนวณจากรูปทรงเรขาคณิตของชิ้นส่วนกลไกเท่านั้น) ของน้ำมันเบนซิน ทั่วไป อยู่ที่ 10:1 ( น้ำมันพรีเมียม ) หรือ 9:1 (น้ำมันธรรมดา) โดยเครื่องยนต์บางรุ่นอาจมีอัตราส่วนสูงถึง 12:1 หรือมากกว่านั้น โดยหลักการแล้ว ยิ่งอัตราส่วนการขยายตัวสูง เครื่องยนต์ก็ยิ่งมีประสิทธิภาพมากขึ้น และเครื่องยนต์ทั่วไปที่มีอัตราส่วนการอัด/การขยายตัวสูง มักต้องการน้ำมันเบนซินที่มี ค่า ออกเทน สูงกว่า อย่างไรก็ตาม การวิเคราะห์อย่างง่ายนี้มีความซับซ้อนเนื่องจากความแตกต่างระหว่างอัตราส่วนการอัดจริงและอัตราส่วนการอัดทางเรขาคณิต ค่าออกเทนสูงจะช่วยยับยั้งแนวโน้มของเชื้อเพลิงที่จะเผาไหม้เกือบจะทันที (เรียกว่าการระเบิดหรือการน็อค ) ในสภาวะการอัดสูง/ความร้อนสูง อย่างไรก็ตาม ในเครื่องยนต์ที่ใช้การอัดแทนการจุดระเบิดด้วยประกายไฟ โดยใช้อัตราส่วนการอัดสูงมาก (14–25:1) เช่นเครื่องยนต์ดีเซลหรือเครื่องยนต์ Bourkeเชื้อเพลิงที่มีค่าออกเทนสูงไม่จำเป็น ในความเป็นจริง เชื้อเพลิงที่มีค่าออกเทนต่ำกว่า ซึ่งโดยทั่วไปจะวัดจากค่าซีเทนจะเหมาะสมกว่าในงานเหล่านี้ เพราะจุดติดไฟได้ง่ายกว่าภายใต้การอัด

ภายใต้สภาวะการทำงานที่คันเร่งไม่เปิดเต็มที่ (เช่น เมื่อคันเร่งเปิดไม่สุด) อัตราส่วนการอัด ที่แท้จริงจะน้อยกว่าเมื่อเครื่องยนต์ทำงานที่คันเร่งเต็มที่ เนื่องจากส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศที่เข้ามาถูกจำกัดและไม่สามารถเติมเต็มห้องเผาไหม้จนถึงความดันบรรยากาศเต็มที่ได้ ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์จึงน้อยกว่าเมื่อเครื่องยนต์ทำงานที่คันเร่งเต็มที่ วิธีแก้ปัญหาอย่างหนึ่งคือการถ่ายโอนภาระในเครื่องยนต์หลายสูบจากบางสูบ (โดยการปิดใช้งานสูบเหล่านั้น) ไปยังสูบที่เหลือ เพื่อให้สูบเหล่านั้นสามารถทำงานภายใต้ภาระที่สูงขึ้นและมีอัตราส่วนการอัดที่แท้จริงสูงขึ้นตามไปด้วย เทคนิคนี้เรียกว่า การปรับปริมาตรกระบอกสูบได้

เครื่องยนต์ เบนซิน (น้ำมันเบนซิน, วัฏจักรโอโต ) และดีเซล ( วัฏจักรดีเซล ) ส่วนใหญ่มีอัตราส่วนการขยายตัวเท่ากับอัตราส่วนการอัดอย่างไรก็ตาม เครื่องยนต์บางชนิดที่ใช้วัฏจักรแอตกินสันหรือวัฏจักรมิลเลอร์จะมีประสิทธิภาพสูงขึ้นโดยมีอัตราส่วนการขยายตัวมากกว่าอัตราส่วนการอัด

เครื่องยนต์ดีเซลมีอัตราส่วนการอัด/การขยายตัวระหว่าง 14:1 ถึง 25:1 ในกรณีนี้ กฎทั่วไปที่ว่าประสิทธิภาพจะสูงขึ้นเมื่ออัตราส่วนการอัดสูงขึ้นนั้นใช้ไม่ได้ เพราะเครื่องยนต์ดีเซลที่มีอัตราส่วนการอัดมากกว่า 20:1 เป็นเครื่องยนต์ดีเซลแบบฉีดทางอ้อม (ตรงข้ามกับแบบฉีดตรง) ซึ่งใช้ห้องเผาไหม้ล่วงหน้าเพื่อให้สามารถทำงานที่รอบสูงซึ่งจำเป็นในรถยนต์และรถบรรทุกขนาดเล็ก การสูญเสียความร้อนและพลศาสตร์ของก๊าซจากห้องเผาไหม้ล่วงหน้าส่งผลให้เครื่องยนต์ดีเซลแบบฉีดตรง (แม้จะมีอัตราส่วนการอัด/การขยายตัวต่ำกว่า) มีประสิทธิภาพมากกว่า

เครื่องยนต์มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่จำนวนมากที่ก่อให้เกิดแรงเสียดทาน แรงเสียดทานบางส่วนคงที่ (ตราบใดที่ภาระที่กระทำคงที่) แรงเสียดทานบางส่วนเพิ่มขึ้นเมื่อความเร็วรอบของเครื่องยนต์เพิ่มขึ้น เช่น แรงด้านข้างของลูกสูบและแรงที่แบริ่งเชื่อมต่อ (เนื่องจากแรงเฉื่อยที่เพิ่มขึ้นจากลูกสูบที่แกว่งไปมา) แรงเสียดทานบางส่วนลดลงที่ความเร็วสูง เช่น แรงเสียดทานบน กลีบ ลูกเบี้ยวที่ใช้ในการทำงานของวาล์วไอดีและไอเสีย ( แรงเฉื่อยของวาล์วที่ความเร็วสูงมีแนวโน้มที่จะดึงตัวตามลูกเบี้ยวออกจากกลีบลูกเบี้ยว) นอกจากแรงเสียดทานแล้ว เครื่องยนต์ที่กำลังทำงานยังมีการสูญเสียจากการสูบฉีดซึ่งเป็นงานที่จำเป็นในการเคลื่อนอากาศเข้าและออกจากกระบอกสูบ การสูญเสียจากการสูบฉีดนี้มีน้อยมากที่ความเร็วต่ำ แต่จะเพิ่มขึ้นประมาณตามกำลังสองของความเร็ว จนกระทั่งที่กำลังงานสูงสุด เครื่องยนต์จะใช้กำลังประมาณ 20% ของกำลังทั้งหมดเพื่อเอาชนะแรงเสียดทานและการสูญเสียจากการสูบฉีด

อากาศ มี ออกซิเจนประมาณ 21% หากมีออกซิเจนไม่เพียงพอสำหรับการเผาไหม้ที่เหมาะสม เชื้อเพลิงจะไม่เผาไหม้สมบูรณ์และจะให้พลังงานน้อยลง อัตราส่วนเชื้อเพลิงต่ออากาศที่มากเกินไปจะเพิ่มมลพิษไฮโดรคาร์บอนที่เผาไหม้ไม่หมดจากเครื่องยนต์ หากออกซิเจนทั้งหมดถูกใช้ไปเนื่องจากมีเชื้อเพลิงมากเกินไป กำลังของเครื่องยนต์จะลดลง

เนื่องจากอุณหภูมิการเผาไหม้มีแนวโน้มสูงขึ้นเมื่อส่วนผสมเชื้อเพลิงกับอากาศมีความเข้มข้นน้อยลง สารมลพิษไฮโดรคาร์บอนที่เผาไหม้ไม่หมดจึงต้องได้รับการปรับสมดุลกับระดับสารมลพิษ ที่สูงขึ้น เช่น ไนโตรเจนออกไซด์ ( NOx ) ซึ่งเกิดขึ้นที่อุณหภูมิการเผาไหม้สูงขึ้น บางครั้งปัญหานี้จะได้รับการแก้ไขโดยการเติมเชื้อเพลิงก่อนเข้าห้องเผาไหม้เพื่อลดอุณหภูมิของอากาศที่เข้ามาผ่านการระเหย ซึ่งอาจเพิ่มปริมาณอากาศทั้งหมดที่เข้าสู่กระบอกสูบ (เนื่องจากอากาศที่เย็นกว่าจะมีความหนาแน่นมากกว่า) ส่งผลให้กำลังเพิ่มขึ้น แต่ก็ทำให้ระดับสารมลพิษไฮโดรคาร์บอนสูงขึ้นและระดับสารมลพิษไนโตรเจนออกไซด์ลดลงด้วย สำหรับระบบฉีดเชื้อเพลิงโดยตรง ผลกระทบนี้จะไม่รุนแรงเท่า แต่ก็สามารถลดอุณหภูมิห้องเผาไหม้ได้มากพอที่จะลดสารมลพิษบางชนิด เช่น ไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) ในขณะที่เพิ่มสารมลพิษอื่นๆ เช่น ไฮโดรคาร์บอนที่สลายตัวไม่สมบูรณ์

ส่วนผสมของอากาศและเชื้อเพลิงถูกดูดเข้าไปในเครื่องยนต์เนื่องจากการเคลื่อนที่ลงของลูกสูบทำให้เกิดสุญญากาศบางส่วน นอกจากนี้ยังสามารถใช้ คอมเพรสเซอร์เพื่ออัดอากาศเข้าไปในกระบอกสูบมากขึ้น (การอัดอากาศแบบบังคับ) เพื่อสร้างกำลังมากขึ้น คอมเพรสเซอร์อาจเป็นแบบซูเปอร์ชาร์จ ที่ขับเคลื่อนด้วยกลไก หรือแบบเทอร์โบชาร์จ ที่ขับเคลื่อนด้วยไอเสีย ไม่ว่าจะเป็นแบบใด การอัดอากาศแบบบังคับจะเพิ่มความดันอากาศภายนอกพอร์ตทางเข้าของกระบอกสูบ

มีวิธีการอื่นๆ ในการเพิ่มปริมาณออกซิเจนภายในเครื่องยนต์ หนึ่งในนั้นคือการฉีดไนตรัสออกไซด์ (N₂O ₎เข้าไปในส่วนผสม และเครื่องยนต์บางชนิดใช้ไนโตรมีเทนซึ่งเป็นเชื้อเพลิงที่ให้ปริมาณออกซิเจนที่จำเป็นสำหรับการเผาไหม้ ด้วยเหตุนี้ ส่วนผสมจึงอาจเป็นเชื้อเพลิง 1 ส่วนต่ออากาศ 3 ส่วน ทำให้สามารถเผาไหม้เชื้อเพลิงได้มากขึ้นภายในเครื่องยนต์และได้กำลังขับที่สูงขึ้น

เครื่องยนต์ลูกสูบขณะเดินเบาจะมีประสิทธิภาพเชิงความร้อนต่ำ เนื่องจากงานที่ใช้ประโยชน์ได้เพียงอย่างเดียวที่ดึงออกมาจากเครื่องยนต์มาจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

ที่ความเร็วต่ำ เครื่องยนต์เบนซินจะสูญเสียประสิทธิภาพเมื่อเปิดลิ้นเร่งเพียงเล็กน้อย เนื่องจากความปั่นป่วนสูงและการสูญเสียจากแรงเสียดทาน (แรงดัน) เมื่ออากาศที่เข้ามาต้องต่อสู้กับการไหลผ่านลิ้นเร่งที่เกือบปิดสนิท (การสูญเสียจากปั๊ม) ในขณะที่เครื่องยนต์ดีเซลจะไม่ประสบกับการสูญเสียนี้ เพราะอากาศที่เข้ามาไม่ได้ถูกจำกัด แต่จะประสบกับ "การสูญเสียจากการอัด" เนื่องจากการใช้เชื้อเพลิงทั้งหมดในการอัดอากาศให้ได้กำลังขับเพียงเล็กน้อย

ที่ความเร็วสูง ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ทั้งสองประเภทจะลดลงเนื่องจากการสูญเสียจากการสูบจ่ายและการเสียดทานเชิงกล รวมถึงระยะเวลาที่การเผาไหม้ต้องเกิดขึ้นสั้นลง นอกจากนี้ ความเร็วสูงยังส่งผลให้เกิดแรงต้านมากขึ้นด้วย

เครื่องยนต์ เบนซินสมัยใหม่มีประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงสุดมากกว่า 50% ^{[ 1 ]}แต่รถยนต์ที่ถูกกฎหมายบนท้องถนนส่วนใหญ่มีประสิทธิภาพเพียงประมาณ 20% ถึง 40% เท่านั้น^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}เครื่องยนต์หลายเครื่องสามารถทำงานได้ที่ประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงกว่า แต่ต้องแลกมาด้วยการสึกหรอและการปล่อยมลพิษที่สูงขึ้น^{[ 6 ]}กล่าวอีกนัยหนึ่ง แม้ว่าเครื่องยนต์จะทำงานที่จุดที่มีประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงสุด พลังงานความร้อนทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากน้ำมันเบนซินที่ใช้ไป ประมาณ 60-80% ของพลังงานทั้งหมดจะถูกปล่อยออกมาเป็นความร้อนโดยไม่ได้ถูกเปลี่ยนเป็นงานที่มีประโยชน์ เช่น การหมุนเพลาข้อเหวี่ยง^{[ 7 ]}ประมาณครึ่งหนึ่งของความร้อนที่ถูกปล่อยออกมานี้จะถูกพาไปกับก๊าซไอเสีย และอีกครึ่งหนึ่งจะผ่านผนังกระบอกสูบหรือฝาสูบเข้าไปในระบบระบายความร้อนของเครื่องยนต์ และถูกปล่อยสู่บรรยากาศผ่านหม้อน้ำของระบบระบายความร้อน^{[ 8 ]}งานที่สร้างขึ้นบางส่วนยังสูญเสียไปในรูปของแรงเสียดทาน เสียง ความปั่นป่วนของอากาศ และงานที่ใช้ในการหมุนอุปกรณ์เครื่องยนต์และเครื่องใช้ต่างๆ เช่นปั๊มน้ำและน้ำมัน และ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าทำให้เหลือพลังงานที่ปล่อยออกมาจากเชื้อเพลิงที่ใช้ไปเพียงประมาณ 20-40% เท่านั้นที่สามารถใช้ในการเคลื่อนที่ของยานพาหนะได้

เครื่องยนต์เบนซินเผาไหม้ส่วนผสมของน้ำมันเบนซินและอากาศ โดยมีอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงประมาณ 12-18 ส่วน (โดยน้ำหนัก) ต่อเชื้อเพลิง 1 ส่วน (โดยน้ำหนัก) ส่วนผสมที่มีอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิง 14.7:1 เรียกว่าstoichiometric นั่นคือ เมื่อเผาไหม้แล้ว เชื้อเพลิงและออกซิเจน จะถูกใช้ไป 100% ส่วนผสมที่มีเชื้อเพลิงน้อยกว่าเล็กน้อย เรียกว่าlean burnจะมีประสิทธิภาพมากกว่าการเผาไหม้เป็นปฏิกิริยาที่ใช้ออกซิเจนในอากาศรวมตัวกับเชื้อเพลิง ซึ่งเป็นส่วนผสมของไฮโดรคาร์บอน หลายชนิด ทำให้เกิดไอน้ำคาร์บอนไดออกไซด์และบางครั้งอาจ มี คาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรคาร์บอนที่เผาไหม้ไม่สมบูรณ์ นอกจากนี้ ที่อุณหภูมิสูง ออกซิเจนมีแนวโน้มที่จะรวมตัวกับไนโตรเจนเกิดเป็นออกไซด์ของไนโตรเจน (โดยทั่วไปเรียกว่าNOx เนื่องจากจำนวนอะตอมของออกซิเจนในสารประกอบอาจแตกต่างกันไป จึง มี ตัวห้อย "X" อยู่) ส่วนผสมนี้ พร้อมกับไนโตรเจนที่ไม่ได้ใช้และธาตุอื่นๆ ในบรรยากาศคือสิ่งที่พบในไอเสีย

วัฏจักรที่มีประสิทธิภาพสูงสุดคือวัฏจักรแอตกินสัน แต่ผู้ผลิตเครื่องยนต์เบนซินส่วนใหญ่ใช้วัฏจักรออตโตเพื่อให้ได้กำลังและแรงบิดที่สูงขึ้น การออกแบบเครื่องยนต์บางแบบ เช่นSkyactiv-G ของมาสด้า และเครื่องยนต์ไฮบริดบางรุ่นที่ออกแบบโดยโตโยต้า ใช้ทั้งวัฏจักรแอตกินสันและออตโตควบคู่กับมอเตอร์ไฟฟ้า/เครื่องกำเนิดไฟฟ้า และแบตเตอรี่เก็บพลังงานสำหรับการขับเคลื่อน ระบบขับเคลื่อนไฮบริดสามารถบรรลุประสิทธิภาพได้ใกล้เคียง 40%

เครื่องยนต์ที่ใช้วัฏจักรดีเซลมักจะมีประสิทธิภาพมากกว่า แม้ว่าวัฏจักรดีเซลเองจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่าเมื่ออัตราส่วนการอัดเท่ากันก็ตาม เนื่องจากเครื่องยนต์ดีเซลใช้อัตราส่วนการอัดที่สูงกว่ามาก (ความร้อนจากการอัดถูกนำไปใช้ในการจุดติดเชื้อเพลิงดีเซล ที่เผาไหม้ช้า ) อัตราส่วนที่สูงกว่านั้นจึงชดเชยการสูญเสียจากการปั๊มอากาศภายในเครื่องยนต์ได้อย่างเหลือเฟือ

เครื่องยนต์เทอร์โบดีเซลสมัยใหม่ใช้ระบบฉีดเชื้อเพลิง แบบคอมมอนเรลที่ควบคุมด้วยอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ด้วยความช่วยเหลือของระบบเทอร์โบชาร์จแบบแปรผันตามเรขาคณิต (แม้ว่าจะต้องบำรุงรักษามากขึ้น) ก็ยังช่วยเพิ่มแรงบิดของเครื่องยนต์ที่ความเร็วรอบต่ำ (1,200–1,800 รอบต่อนาที) เครื่องยนต์ดีเซลความเร็วต่ำ เช่นMAN S80ME-C7 มีประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน โดยรวม สูงถึง 54.4% ซึ่งเป็นการแปลงเชื้อเพลิงเป็นพลังงานที่สูงที่สุดของเครื่องยนต์ สันดาป ภายในหรือภายนอก แบบวัฏจักรเดียว ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}เครื่องยนต์ในรถบรรทุกดีเซลขนาดใหญ่ รถโดยสาร และรถยนต์ดีเซลรุ่นใหม่สามารถบรรลุประสิทธิภาพสูงสุดได้ประมาณ 45% ^{[ 12 ]}

กังหันก๊าซมีประสิทธิภาพสูงสุดที่กำลังส่งออกสูงสุด เช่นเดียวกับเครื่องยนต์ลูกสูบที่มีประสิทธิภาพสูงสุดที่ภาระสูงสุด ความแตกต่างคือ ที่ความเร็วรอบต่ำ ความดันของอากาศอัดจะลดลง ดังนั้นประสิทธิภาพทางความร้อนและการใช้เชื้อเพลิง จึง ลดลงอย่างมาก ประสิทธิภาพจะลดลงอย่างต่อเนื่องเมื่อกำลังส่งออกลดลง และจะต่ำมากในช่วงกำลังต่ำ

ครั้งหนึ่ง General Motorsเคยผลิตรถบัสที่ขับเคลื่อนด้วยกังหันก๊าซ แต่เนื่องจากราคาน้ำมันดิบที่สูงขึ้นในทศวรรษ 1970 แนวคิดนี้จึงถูกยกเลิกไปRover , ChryslerและToyotaก็เคยสร้างต้นแบบรถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยกังหันก๊าซเช่นกัน Chrysler สร้างต้นแบบจำนวนจำกัดเพื่อประเมินผลในสภาพการใช้งานจริง ความสะดวกสบายในการขับขี่ดี แต่โดยรวมแล้วประหยัดน้ำมันได้ไม่ดีนักเนื่องจากเหตุผลที่กล่าวมาข้างต้น นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมกังหันก๊าซจึงสามารถใช้สำหรับโรงไฟฟ้าพลังงานถาวรและพลังงานชั่วคราวได้ ในการใช้งานเหล่านี้ กังหันจะทำงานที่กำลังสูงสุดหรือใกล้เคียงกับกำลังสูงสุดเท่านั้น ซึ่งเป็นช่วงที่มีประสิทธิภาพ หรือจะปิดการทำงานเมื่อไม่จำเป็นต้องใช้งาน

กังหันก๊าซมีข้อได้เปรียบในด้านความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าโดยกังหันก๊าซถูกนำมาใช้เป็นเครื่องยนต์ในยานเกราะหนักและรถถังหุ้มเกราะ รวมถึงเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในเครื่องบินรบไอพ่น

ปัจจัยอื่นที่ส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของกังหันก๊าซคืออุณหภูมิอากาศโดยรอบ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น อากาศที่เข้าสู่ระบบจะมีความหนาแน่นน้อยลง ดังนั้นกังหันก๊าซจึงประสบกับการสูญเสียพลังงานตามสัดส่วนของการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิอากาศโดยรอบ^{[ 13 ]}

เครื่องยนต์กังหันแก๊สรุ่นล่าสุดมีประสิทธิภาพ 46% ในรอบการทำงานแบบง่ายและ 61% เมื่อใช้งานใน รอบการทำงาน แบบผสม^{[ 14 ]}

ดูเพิ่มเติม: เครื่องจักรไอน้ำ #ประสิทธิภาพ

ดูเพิ่มเติม: ลำดับเหตุการณ์ของพลังงานไอน้ำ

เครื่องยนต์ไอน้ำและกังหันไอน้ำทำงานตามวัฏจักรแรงไคน์ซึ่งมีประสิทธิภาพคาร์โนต์ สูงสุด ที่ 63% สำหรับเครื่องยนต์ที่ใช้งานได้จริง โดยโรงไฟฟ้ากังหันไอน้ำสามารถบรรลุประสิทธิภาพได้ในช่วงกลาง 40%

ประสิทธิภาพของเครื่องจักรไอน้ำเกี่ยวข้องกับอุณหภูมิและความดันของไอน้ำและจำนวนขั้นตอนหรือการขยายตัวเป็นหลัก^{[ 15 ]}ประสิทธิภาพของเครื่องจักรไอน้ำดีขึ้นเมื่อมีการค้นพบหลักการทำงาน ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาวิทยาศาสตร์ด้านอุณหพลศาสตร์ดูแผนภูมิ: ประสิทธิภาพของเครื่องจักรไอน้ำ

ในเครื่องจักรไอน้ำรุ่นแรกๆ หม้อไอน้ำถือเป็นส่วนหนึ่งของเครื่องจักร แต่ในปัจจุบันถือว่าแยกออกจากกัน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องทราบว่าประสิทธิภาพที่ระบุไว้เป็นประสิทธิภาพโดยรวมซึ่งรวมถึงหม้อไอน้ำด้วย หรือเป็นประสิทธิภาพเฉพาะของเครื่องจักรเท่านั้น

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพและกำลังของเครื่องจักรไอน้ำในยุคแรกนั้นทำได้ยากด้วยเหตุผลหลายประการ: 1) ไม่มีมาตรฐานน้ำหนักสำหรับถ่านหินหนึ่งบุชเชล ซึ่งอาจมีน้ำหนักตั้งแต่ 82 ถึง 96 ปอนด์ (37 ถึง 44 กิโลกรัม) 2) ไม่มีมาตรฐานค่าความร้อนสำหรับถ่านหิน และอาจไม่มีวิธีวัดค่าความร้อน ถ่านหินในสมัยนั้นมีค่าความร้อนสูงกว่าถ่านหินสำหรับเครื่องจักรไอน้ำในปัจจุบันมาก โดยบางครั้งมีการกล่าวถึงค่า 13,500 BTU/ปอนด์ (31 เมกะจูล/กิโลกรัม) 3) ประสิทธิภาพถูกรายงานเป็น "หน้าที่" ซึ่งหมายถึงจำนวนฟุตปอนด์ (หรือนิวตันเมตร) ของงานที่ใช้ในการยกน้ำ แต่ประสิทธิภาพการสูบน้ำเชิงกลนั้นไม่เป็นที่ทราบ^{[ 15 ]}

เครื่องยนต์ไอน้ำแบบลูกสูบเครื่องแรก ซึ่งพัฒนาโดยโทมัส นิวโคเมนราวปี 1710 มีประสิทธิภาพเพียงเล็กน้อยกว่าครึ่งเปอร์เซ็นต์ (0.5%) หลักการทำงานคือไอน้ำที่ความดันใกล้เคียงกับความดันบรรยากาศถูกดูดเข้าไปในกระบอกสูบด้วยแรงกระทำ จากนั้นจึงควบแน่นด้วยการฉีดน้ำเย็นเข้าไปในกระบอกสูบที่เต็มไปด้วยไอน้ำ ทำให้เกิดสุญญากาศบางส่วนในกระบอกสูบ และความดันของบรรยากาศจะดันลูกสูบลง การใช้กระบอกสูบเป็นภาชนะในการควบแน่นไอน้ำยังทำให้กระบอกสูบเย็นลงด้วย ดังนั้นความร้อนบางส่วนในไอน้ำที่เข้ามาในรอบถัดไปจึงสูญเสียไปกับการทำให้กระบอกสูบร้อนขึ้น ซึ่งลดประสิทธิภาพทางความร้อนลง การปรับปรุงโดยจอห์น สมีตันต่อเครื่องยนต์ของนิวโคเมนทำให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นเป็นมากกว่า 1%

เจมส์ วัตต์ได้ทำการปรับปรุงเครื่องยนต์นิวโคเมน หลายประการ ซึ่งการปรับปรุงที่สำคัญที่สุดคือคอนเดนเซอร์ภายนอก ซึ่งป้องกันไม่ให้น้ำหล่อเย็นไปหล่อเย็นกระบอกสูบ เครื่องยนต์ของวัตต์ทำงานด้วยไอน้ำที่ความดันสูงกว่าความดันบรรยากาศเล็กน้อย การปรับปรุงของวัตต์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้มากกว่า 2.5 เท่า^{[ 16 ]} การขาดแคลนความสามารถทางกลทั่วไป รวมถึงช่างกลที่มีทักษะเครื่องมือกลและวิธีการผลิต ทำให้ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์จริงและการออกแบบของเครื่องยนต์นั้นมีข้อจำกัด จนกระทั่งประมาณปี 1840 ^{[ 17 ]}

เครื่องยนต์แรงดันสูงได้รับการพัฒนาโดยโอลิเวอร์ อีแวนส์และริชาร์ด เทรวิธิคโดยทั้งสองทำงานแยกจากกัน เครื่องยนต์เหล่านี้มีประสิทธิภาพไม่สูงนัก แต่มีอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนัก สูง ทำให้สามารถนำไปใช้ขับเคลื่อนหัวรถจักรและเรือได้

ตัวควบคุมแรงเหวี่ยงซึ่งวัตต์ใช้เป็นครั้งแรกเพื่อรักษาความเร็วคงที่ ทำงานโดยการควบคุมไอน้ำขาเข้า ซึ่งทำให้ความดันลดลง ส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลงในเครื่องยนต์ที่มีความดันสูง (สูงกว่าความดันบรรยากาศ) ^{[ 18 ]}ต่อมาวิธีการควบคุมได้ลดหรือขจัดความสูญเสียความดันนี้

กลไกวาล์วที่ได้รับการปรับปรุงของเครื่องยนต์ไอน้ำคอร์ลิส (จดสิทธิบัตรในปี 1849) สามารถปรับความเร็วได้ดีขึ้นตามภาระที่เปลี่ยนแปลงไป และเพิ่มประสิทธิภาพได้ประมาณ 30% เครื่องยนต์คอร์ลิสมีวาล์วและท่อส่งแยกกันสำหรับไอน้ำขาเข้าและไอเสีย ดังนั้นไอน้ำร้อนที่ป้อนเข้าไปจึงไม่สัมผัสกับพอร์ตไอเสียและวาล์วที่เย็นกว่า วาล์วทำงานได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งช่วยลดปริมาณการควบคุมไอน้ำและส่งผลให้ตอบสนองได้เร็วขึ้น แทนที่จะใช้วาล์วควบคุม ตัวควบคุมจะใช้ในการปรับจังหวะวาล์วเพื่อให้มีการตัดไอน้ำแบบแปรผัน การตัดแบบแปรผันนี้เป็นสาเหตุหลักที่ทำให้ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์คอร์ลิสเพิ่มขึ้น^{[ 19 ]}

คนอื่นๆ ก่อนหน้าคอร์ลิสก็มีแนวคิดนี้อย่างน้อยบางส่วน รวมถึงแซคาริอาห์ อัลเลนซึ่งจดสิทธิบัตรการตัดแบบแปรผัน แต่การขาดความต้องการ ต้นทุนและความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้น และเทคโนโลยีการตัดเฉือนที่พัฒนาไม่ดี ทำให้การนำมาใช้ล่าช้าจนกระทั่งคอร์ลิส^{[ 19 ]}

เครื่องยนต์ความเร็วสูงของ Porter-Allen (ประมาณปี 1862) ทำงานด้วยความเร็วสามถึงห้าเท่าของเครื่องยนต์ขนาดใกล้เคียงกันอื่นๆ ความเร็วที่สูงขึ้นช่วยลดปริมาณการควบแน่นในกระบอกสูบ ส่งผลให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น^{[ 19 ]}

เครื่องยนต์คอมพาวด์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพให้ดียิ่งขึ้นไปอีก^{[ 19 ]}ในช่วงทศวรรษ 1870 เครื่องยนต์แบบขยายตัวสามเท่าถูกนำมาใช้บนเรือ เครื่องยนต์คอมพาวด์ทำให้เรือสามารถบรรทุกถ่านหินได้น้อยกว่าสินค้า^{[ 20 ]}เครื่องยนต์คอมพาวด์ถูกนำมาใช้กับหัวรถจักรบางรุ่น แต่ไม่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางเนื่องจากความซับซ้อนทางกลไก

รถจักรไอน้ำที่ออกแบบและสร้างมาอย่างดีมักจะมีประสิทธิภาพสูงสุดประมาณ 7–8% ^{[ 21 ]}การออกแบบเครื่องยนต์ไอน้ำแบบลูกสูบที่มีประสิทธิภาพสูงสุด (ต่อขั้น) คือเครื่องยนต์แบบไหลทางเดียวแต่เมื่อถึงเวลานั้น เครื่องยนต์ไอน้ำก็ถูกแทนที่ด้วยเครื่องยนต์ดีเซลที่มีประสิทธิภาพมากกว่า ซึ่งต้องการแรงงานน้อยกว่า (สำหรับการจัดการถ่านหินและการหล่อลื่น) ใช้เชื้อเพลิงที่มีความหนาแน่นมากกว่า และบรรทุกสินค้าน้อยกว่า

จากการใช้สถิติที่รวบรวมในช่วงต้นทศวรรษ 1940 ทางรถไฟซานตาเฟได้วัดประสิทธิภาพของหัวรถจักรไอน้ำของตนเมื่อเทียบกับหัวรถจักรดีเซลที่เพิ่งเริ่มใช้งานในจำนวนมาก พวกเขาพบว่าต้นทุนน้ำมันเชื้อเพลิงหนึ่งตันที่ใช้ในเครื่องยนต์ไอน้ำอยู่ที่ 5.04 ดอลลาร์ และวิ่งได้ระยะทางเฉลี่ย 20.37 ไมล์ทั่วทั้งระบบ ในขณะที่น้ำมันดีเซลมีต้นทุน 11.61 ดอลลาร์ แต่วิ่งได้ระยะทาง 133.13 ไมล์ต่อตัน กล่าวคือ ดีเซลวิ่งได้ไกลกว่าไอน้ำถึงหกเท่า โดยใช้น้ำมันเชื้อเพลิงที่มีต้นทุนเพียงสองเท่าเท่านั้น นี่เป็นเพราะประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเครื่องยนต์ดีเซลดีกว่าเครื่องยนต์ไอน้ำมาก สันนิษฐานว่าขบวนรถไฟที่ใช้เป็นมาตรฐานระยะทางคือขบวนรถไฟบรรทุกสินค้าขนาด 4,000 ตัน ซึ่งเป็นขนาดปกติในเวลานั้น

กังหันไอน้ำเป็นเครื่องยนต์ไอน้ำที่มีประสิทธิภาพสูงสุด และด้วยเหตุนี้จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตไฟฟ้า การขยายตัวของไอน้ำในกังหันเกิดขึ้นเกือบต่อเนื่อง ทำให้กังหันมีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับขั้นตอนการขยายตัวจำนวนมากโรงไฟฟ้าพลัง ไอน้ำ ที่ทำงาน ณจุดวิกฤตจะมีประสิทธิภาพอยู่ในช่วงต่ำกว่า 40% กังหันสร้างการเคลื่อนที่แบบหมุนโดยตรง มีขนาดกะทัดรัดและน้ำหนักเบากว่าเครื่องยนต์ลูกสูบมาก และสามารถควบคุมความเร็วให้คงที่ได้ เช่นเดียวกับกังหันก๊าซ กังหันไอน้ำทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดที่กำลังเต็มที่ และทำงานได้ไม่ดีที่ความเร็วต่ำกว่า ด้วยเหตุนี้ แม้จะมีอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักสูง แต่กังหันไอน้ำก็ถูกนำไปใช้ในงานที่สามารถทำงานที่ความเร็วคงที่ได้เป็นหลัก ในการผลิตไฟฟ้ากระแสสลับ การรักษาความเร็วของกังหันให้คงที่อย่างมากเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อรักษาระดับความถี่ที่ถูกต้อง

เครื่องยนต์สเตอร์ลิงมีประสิทธิภาพทางทฤษฎีสูงสุดในบรรดาเครื่องยนต์ความร้อนทั้งหมด แต่มีอัตราส่วนกำลังเอาต์พุตต่อน้ำหนักต่ำ ดังนั้นเครื่องยนต์สเตอร์ลิงที่มีกำลังเอาต์พุตใช้งานได้จริงจึงมักมีขนาดใหญ่ ผลกระทบจากขนาดของเครื่องยนต์สเตอร์ลิงเกิดจากการอาศัยการขยายตัวของก๊าซเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น และข้อจำกัดทางปฏิบัติเกี่ยวกับอุณหภูมิการทำงานของชิ้นส่วนเครื่องยนต์ สำหรับก๊าซในอุดมคติ การเพิ่มอุณหภูมิสัมบูรณ์สำหรับปริมาตรที่กำหนด จะทำให้ความดันเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนเท่านั้น ดังนั้น ในกรณีที่ความดันต่ำของเครื่องยนต์สเตอร์ลิงอยู่ที่ระดับบรรยากาศ ความแตกต่างของความดันในทางปฏิบัติจึงถูกจำกัดด้วยขีดจำกัดของอุณหภูมิ และโดยทั่วไปจะไม่เกินสองสามบรรยากาศ ทำให้ความดันลูกสูบของเครื่องยนต์สเตอร์ลิงต่ำมาก ดังนั้นจึงต้องใช้พื้นที่ลูกสูบค่อนข้างใหญ่เพื่อให้ได้กำลังเอาต์พุตที่ใช้งานได้

• รถยนต์ไครสเลอร์เทอร์ไบน์ (1963)
• ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง
• อัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงจำเพาะ (เครื่องยนต์เพลา)
• แรงขับจำเพาะ

• ประหยัดน้ำมัน ประสิทธิภาพเครื่องยนต์ และกำลัง