แหวนลูกสูบเป็นแหวนโลหะแบบแยกชิ้นที่ติดอยู่ด้านนอกของลูกสูบในเครื่องยนต์สันดาปภายในหรือเครื่องยนต์ไอน้ำ

หน้าที่หลักของแหวนลูกสูบในเครื่องยนต์ ได้แก่:

1. การปิดผนึกห้องเผาไหม้เพื่อให้มีการสูญเสียก๊าซไปยังห้องข้อเหวี่ยงน้อยที่สุด
2. เพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนจากลูกสูบไปยังผนังกระบอกสูบ
3. การรักษาระดับปริมาณน้ำมันที่เหมาะสมระหว่างลูกสูบและผนังกระบอกสูบ
4. ควบคุมการใช้น้ำมันเครื่องโดยการขูดน้ำมันจากผนังกระบอกสูบกลับไปยังอ่างน้ำมันเครื่อง^{[ 1 ]}

แหวน ลูกสูบส่วนใหญ่ทำจากเหล็กหล่อหรือเหล็กกล้า

แหวนลูกสูบได้รับการออกแบบมาเพื่อปิดช่องว่างระหว่างลูกสูบและผนังกระบอกสูบ^{[ 2 ]}หากช่องว่างนี้เล็กเกินไป การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของลูกสูบอาจทำให้ลูกสูบติดอยู่ในกระบอกสูบ ซึ่งจะทำให้เครื่องยนต์เสียหายอย่างร้ายแรง ในทางกลับกัน ช่องว่างที่ใหญ่เกินไปจะทำให้แหวนลูกสูบไม่สามารถปิดผนึกกับผนังกระบอกสูบได้อย่างเพียงพอ ส่งผลให้มีการรั่วไหลของก๊าซเผาไหม้เข้าไปในห้องข้อเหวี่ยงมากเกินไป และความดันบนลูกสูบลดลง ทำให้กำลังของเครื่องยนต์ลดลง

การเคลื่อนที่แบบเลื่อนของแหวนลูกสูบภายในผนังกระบอกสูบทำให้เกิดการสูญเสียแรงเสียดทานสำหรับเครื่องยนต์ แรงเสียดทานที่เกิดจากแหวนลูกสูบคิดเป็นประมาณ 24% ของการสูญเสียแรงเสียดทานเชิงกลทั้งหมดของเครื่องยนต์^{[ 3 ] [ 4 ]}ดังนั้นการออกแบบแหวนลูกสูบจึงเป็นการประนีประนอมระหว่างการลดแรงเสียดทานให้น้อยที่สุดในขณะที่ยังคงรักษาการปิดผนึกที่ดีและอายุการใช้งานที่ยอมรับได้

การหล่อลื่นแหวนลูกสูบเป็นเรื่องยาก และเป็นแรงผลักดันสำคัญที่นำไปสู่การปรับปรุงคุณภาพของน้ำมันเครื่องน้ำมันต้องทนต่ออุณหภูมิสูงและสภาวะที่รุนแรง พร้อมกับการสัมผัสแบบเลื่อนด้วยความเร็วสูง การหล่อลื่นทำได้ยากเป็นพิเศษ เนื่องจากแหวนลูกสูบมีการเคลื่อนที่แบบแกว่งไปมา แทนที่จะหมุนอย่างต่อเนื่อง (เช่นเดียวกับในเพลาลูกปืน) เมื่อถึงขีดจำกัดของการเคลื่อนที่ของลูกสูบ แหวนจะหยุดและเปลี่ยนทิศทาง ซึ่งจะรบกวนผลของลิ่มน้ำมันตามปกติของแบริ่งไฮโดรไดนามิกทำให้ประสิทธิภาพการหล่อลื่นลดลง

นอกจากนี้ ยังมีการออกแบบให้มีสปริงอยู่ภายในวงแหวน เพื่อเพิ่มแรงสัมผัสและรักษาการปิดผนึกให้แน่นสนิท แรงสปริงนั้นได้มาจากความแข็งของวงแหวนเอง หรือจากสปริงแยกต่างหากที่อยู่ด้านหลังวงแหวนปิดผนึก

สิ่งสำคัญคือแหวนลูกสูบต้องลอยตัวได้อย่างอิสระในร่องภายในลูกสูบ เพื่อให้สามารถสัมผัสกับกระบอกสูบได้^{[ 5 ]}แหวนลูกสูบติดขัดในลูกสูบ ซึ่งมักเกิดจากการสะสมของผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้หรือการเสื่อมสภาพของน้ำมันหล่อลื่น อาจทำให้เครื่องยนต์เสียหายและเป็นสาเหตุทั่วไปของความเสียหายในเครื่องยนต์ดีเซล

การซีลมักทำได้โดยใช้แหวนหลายวง แต่ละวงมีหน้าที่เฉพาะของตัวเอง โดยใช้การสัมผัสแบบเลื่อนระหว่างโลหะกับโลหะ ลูกสูบส่วนใหญ่มีแหวนลูกสูบอย่างน้อยสองวงต่อกระบอกสูบ

เครื่องยนต์ลูกสูบของรถยนต์โดยทั่วไปจะมีแหวน 3 วงต่อกระบอกสูบ^{[ 6 ]}แหวนสองวงบนสุด—ที่เรียกว่าแหวนอัด —มีหน้าที่หลักในการปิดผนึกห้องเผาไหม้ แหวนวงล่างสุด—ที่เรียกว่าแหวนควบคุมน้ำมัน —มีหน้าที่หลักในการควบคุมการจ่ายน้ำมันไปยังผนังกระบอกสูบ เพื่อหล่อลื่นกระโปรงลูกสูบและแหวนควบคุมน้ำมัน^{[ 7 ]}

แหวนอัดในเครื่องยนต์รถยนต์โดยทั่วไปจะมีหน้าตัดเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าหรือรูปหินลิ่มแหวนอัดตัวบนมักจะมีรูปทรงกระบอกที่ขอบ ในขณะที่แหวนอัดตัวล่างมักจะมีหน้าตัดเรียวแบบเนเปียร์ เครื่องยนต์บางรุ่นก็ใช้หน้าตัดเรียวสำหรับแหวนตัวบนด้วย และในอดีตก็เคยใช้แหวนแบบหน้าเรียบธรรมดา

แหวนควบคุมน้ำมันมักทำจากเหล็กหล่อชิ้นเดียว เหล็กกล้าหลายชิ้น หรือเหล็กกล้าผสมเหล็กที่มีสปริงขดอยู่ด้านหลังเพื่อสร้างแรงตึงที่จำเป็นสำหรับการซีลที่แน่นสนิท แหวนน้ำมันเหล็กหล่อและแหวนที่มีสปริงขดอยู่ด้านหลังจะมีร่องขูดสองด้านที่มีรูปทรงละเอียดแตกต่างกัน ในทางกลับกัน แหวนควบคุมน้ำมันเหล็กกล้าหลายชิ้นมักประกอบด้วยแหวนเหล็กกล้าบางสองวง (เรียกว่าราง ) โดยมีสปริงตัวเว้นระยะอยู่ระหว่างรางทั้งสองเพื่อรักษาระยะห่างระหว่างรางทั้งสองและสร้างแรงดันในแนวรัศมี

ช่องว่างในแหวนลูกสูบจะถูกบีบอัดจนเหลือเพียงไม่กี่พันส่วนของนิ้วเมื่ออยู่ภายในกระบอกสูบ รูปทรงช่องว่างของแหวนประกอบด้วยการตัดแบบสี่เหลี่ยม การตัดแบบมุม ข้อต่อแน่น การตัดแบบขั้นบันได ขั้นบันไดขอเกี่ยว และขั้นบันไดแบบเฉียง^{[ 8 ]}

ในอดีตเคยมีการออกแบบที่ใช้วงแหวนแบบแยกส่วนคล้ายกับพวงกุญแจ โดยออกแบบมาเพื่อให้ไม่มีช่องว่างในวงแหวน แต่สามารถออกแรงกดแบบสปริงกับผนังกระบอกสูบได้ วงแหวนเหล่านี้เรียกว่าวงแหวนคลูเพ็ต (Clupet rings)

เครื่องยนต์ไอน้ำรุ่นแรกๆ ใช้การบรรจุใยป่านเพื่อปิดผนึกห้องเผาไหม้^{[ 9 ]}ซึ่งทำให้เกิดแรงเสียดทานสูงและไม่สามารถปิดผนึกได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การใช้แหวนลูกสูบในกระบอกสูบของเครื่องยนต์ไอน้ำครั้งแรกปรากฏขึ้นในปี พ.ศ. 2368 โดยนีล สโนดกราส วิศวกรและเจ้าของโรงงานในกลาสโกว์ เพื่อใช้ในเครื่องจักรของเขาเอง โดยใช้สปริงเพื่อรักษาความแน่นของซีลเพื่อป้องกันไอน้ำรั่วซึม จากการใช้งานภายในโรงงาน จึงได้มีการทดลองกับเรือกลไฟ"คาเลโดเนีย"ซึ่งแล่นในแม่น้ำกาเรลอค^{[ 10 ] [ 11 ]}

การออกแบบแหวนแยกโลหะแบบสมัยใหม่ถูกคิดค้นโดยJohn Ramsbottomในช่วงทศวรรษ 1850 การออกแบบครั้งแรกของ Ramsbottom ในปี 1852 มีรูปทรงกลม อย่างไรก็ตาม แหวนเหล่านี้สึกหรอไม่สม่ำเสมอและไม่ประสบความสำเร็จ ในปี 1854 มีการอ้างว่าการออกแบบที่ได้รับการปรับปรุงใหม่มีอายุการใช้งานยาวนานถึง 4,000 ไมล์ (6,437 กิโลเมตร) ^{[ 12 ]}โดยอิงจากการค้นพบว่าแหวนที่กลมสนิท (ก่อนการติดตั้ง) ที่มีรอยแยกจะไม่สร้างแรงกดที่สม่ำเสมอที่ผนังกระบอกสูบเมื่อติดตั้งแล้ว แหวนลูกสูบที่ได้รับการปรับปรุงใหม่จึงถูกผลิตให้มีรูปทรงที่ไม่กลม เพื่อสร้างแรงกดที่สม่ำเสมอเมื่อติดตั้งในกระบอกสูบ สิทธิบัตรในปี 1855 ได้บันทึกการเปลี่ยนแปลงนี้ การเปลี่ยนมาใช้แหวนลูกสูบโลหะช่วยลดแรงเสียดทาน การรั่วไหลของไอน้ำ และมวลของลูกสูบลงอย่างมาก ส่งผลให้กำลังและประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และมีช่วงเวลาการบำรุงรักษาที่ยาวนานขึ้น

แหวนลูกสูบจะสึกหรอเมื่อเคลื่อนที่ขึ้นลงในกระบอกสูบ เนื่องจากภาระภายในของตัวมันเองและเนื่องจากภาระของก๊าซที่กระทำต่อแหวน เพื่อลดการสึกหรอ แหวนลูกสูบจึงทำจากวัสดุที่ทนต่อการสึกหรอ เช่น เหล็กหล่อและเหล็กกล้า และเคลือบหรือบำบัดเพื่อเพิ่มความทนทานต่อการสึกหรอ การเคลือบที่ใช้ในรถจักรยานยนต์สมัยใหม่ ได้แก่ การเคลือบโครเมียม [ ^{13 ]}ไนไตรด์^{[ 14 ]}หรือการเคลือบเซรามิกที่ทำโดย^การตกตะกอนพลาสมา^{[ 15 ]}หรือการตกตะกอนไอระเหยทางกายภาพ (PVD) ^{[ 16 ] [ 17 ]}เครื่องยนต์ดีเซลสมัยใหม่ส่วนใหญ่มีแหวนบนที่เคลือบด้วยการเคลือบโครเมียมที่ดัดแปลง (เรียกว่า CKS หรือ GDC) ^{[ 13 ]}ซึ่งมีอนุภาคอะลูมิเนียมออกไซด์หรือเพชรรวมอยู่ในพื้นผิวโครเมียมตามลำดับ

ในเครื่องยนต์สองจังหวะ การออกแบบช่องไอดีและไอเสียก็เป็นปัจจัยสำคัญต่ออายุการใช้งานของแหวนลูกสูบเช่นกัน

การตรวจสอบไตรโบโลยีเชิงทดลองของวัสดุแหวนลูกสูบแสดงให้เห็นว่าเหล็กกล้าที่มีไนโตรเจนสูงสมัยใหม่ที่ใช้ในระบบแหวนลูกสูบและปลอกสูบของเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟอาจแสดงพฤติกรรมการสึกหรอที่ได้รับอิทธิพลอย่างมากจากเชื้อเพลิงที่มีไฮโดรเจนและองค์ประกอบทางเคมีของสารหล่อเย็นหล่อลื่น ภายใต้สภาวะการหล่อลื่นแบบขอบเขต ไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นระหว่างการสลายตัวทางเคมีของสารหล่อลื่นสามารถแพร่กระจายเข้าไปในชั้นใกล้ผิวของวัสดุแหวน ทำให้กลไกการเสียดทาน ความรุนแรงของการสึกหรอ และการพัฒนาความเสียหายของพื้นผิวเปลี่ยนแปลงไป ผลกระทบดังกล่าวเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงในการตอบสนองต่อแรงกดสัมผัส กระบวนการก่อตัวของเศษวัสดุ และการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคในโซนการเสียดทาน ซึ่งเน้นย้ำถึงความสำคัญของปรากฏการณ์การเสื่อมสภาพที่ได้รับความช่วยเหลือจากไฮโดรเจนในการประเมินความทนทานของแหวนลูกสูบที่ทำงานในสภาพแวดล้อมเชื้อเพลิงและสารหล่อลื่นสมัยใหม่^{[ 18 ]}

การศึกษาทางด้านไตรโบโลยีล่าสุดแสดงให้เห็นว่าพฤติกรรมการสึกหรอของแหวนลูกสูบและปลอกสูบนั้นถูกควบคุมอย่างมากโดยการขาดแคลนสารหล่อลื่น วิธีแก้ปัญหาทางวิศวกรรมพื้นผิว และวิวัฒนาการของภาระการสัมผัสระหว่างการทำงานของเครื่องยนต์ การตรวจสอบเชิงทดลองภายใต้สภาวะการหล่อลื่นที่ขาดแคลนเผยให้เห็นว่าส่วนต่อประสานระหว่างแหวนลูกสูบและปลอกสูบอาจมีการเปลี่ยนแปลงจากการสึกหรอแบบขัดถูและออกซิเดชันเล็กน้อยไปเป็นการขูดขีดอย่างรุนแรงที่เกี่ยวข้องกับการเสื่อมสภาพของชั้นไตรโบและค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานที่เพิ่มขึ้น ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งานของชิ้นส่วน^{[ 19 ]}เพื่อลดกระบวนการเสื่อมสภาพดังกล่าว แหวนลูกสูบสมัยใหม่จึงใช้สารเคลือบแข็งขั้นสูงที่ผลิตโดยเทคนิคการสะสมไอระเหยทางกายภาพมากขึ้นเรื่อยๆ รวมถึงระบบหลายชั้นที่มีส่วนประกอบของโครเมียม ไนไตรด์ และคาร์บอน ซึ่งออกแบบมาเพื่อลดการสูญเสียแรงเสียดทานและปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอในสภาพแวดล้อมการเผาไหม้^{[ 20 ]}การทบทวนเทคโนโลยีการเคลือบในปัจจุบันยังเน้นย้ำถึงความสำคัญของกระบวนการสะสมที่เหมาะสม สถาปัตยกรรมโครงสร้างนาโน และคุณสมบัติทางไตรโบโลยีที่ปรับแต่งมาเพื่อปรับปรุงความทนทาน ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และประสิทธิภาพการปล่อยมลพิษของเครื่องยนต์สันดาปภายใน^{[ 21 ]}

• กระบอกสูบ (เครื่องยนต์)
• รายการชิ้นส่วนรถยนต์
• แหวนปิดช่อง
• คลอง
• ตรวจสอบแก๊ส