เครื่องยนต์สันดาปภายในเป็นกลไกการสร้างพลังงานที่ปฏิวัติการขนส่งและเครื่องจักร ทำงานบนหลักการแปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานกลโดยการเผาไหม้เชื้อเพลิง เช่น น้ำมันเบนซินหรือดีเซล
ส่วนประกอบสำคัญ: โดยแก่นของเครื่องยนต์สันดาปภายในประกอบด้วยกระบอกสูบ ลูกสูบ วาล์ว เพลาข้อเหวี่ยง และหัวเทียน (ในเครื่องยนต์เบนซิน) หรือหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง (ในเครื่องยนต์ดีเซล)
รอบสี่จังหวะ: การทำงานของเครื่องยนต์สันดาปภายในส่วนใหญ่จะขึ้นอยู่กับรอบสี่จังหวะ จังหวะเหล่านี้ได้แก่ ไอดี การบีบอัด กำลัง (หรือการเผาไหม้) และไอเสีย
การแปลงพลังงาน: กระบวนการเผาไหม้ในกระบอกสูบทำให้เกิดก๊าซแรงดันสูงซึ่งจะออกแรงที่ลูกสูบ แรงเชิงเส้นนี้จะถูกแปลงเป็นการเคลื่อนที่แบบหมุนโดยเพลาข้อเหวี่ยง ซึ่งสามารถขับเคลื่อนล้อรถหรือเครื่องจักรอื่นๆ ได้
เครื่องยนต์สันดาปภายในสามารถแบ่งประเภทตามประเภทของเชื้อเพลิง จำนวนจังหวะ หรือวิธีการเตรียมอากาศและเชื้อเพลิงและนำเข้าสู่ห้องเผาไหม้
ประเภทเชื้อเพลิง: เครื่องยนต์สันดาปภายในสามารถทำงานได้กับเชื้อเพลิงหลากหลายชนิด รวมถึงน้ำมันเบนซิน ดีเซล ไบโอดีเซล เอทานอล และแม้แต่ไฮโดรเจน การเลือกใช้เชื้อเพลิงส่งผลต่อการออกแบบ ประสิทธิภาพ และการปล่อยมลพิษของเครื่องยนต์
กระบวนการเผาไหม้: กระบวนการเผาไหม้จะสร้างความร้อนและขยายก๊าซภายในกระบอกสูบ ทำให้เกิดแรงกดดันต่อลูกสูบ กระบวนการในอุดมคติอธิบายได้ด้วยวัฏจักรของอ็อตโตสำหรับเครื่องยนต์เบนซิน และวัฏจักรดีเซลสำหรับเครื่องยนต์ดีเซล
วัฏจักรอ็อตโต: วัฏจักรอ็อตโตตามทฤษฎีสามารถอธิบายได้เป็นสี่ขั้นตอนคล้ายกับเครื่องยนต์สี่จังหวะ แต่ในแง่อุณหพลศาสตร์ - ด้วยกระบวนการไอโซคอริกสองกระบวนการ (ปริมาตรคงที่) สำหรับการเพิ่มและการปฏิเสธความร้อน และกระบวนการไอเซนโทรปิกสองกระบวนการ (ผันกลับอะเดียแบติกได้) สำหรับ การบีบอัดและการขยายตัว
วัฏจักรดีเซล: วัฏจักรดีเซลมีความแตกต่างกันเป็นหลักในกระบวนการเติมความร้อนซึ่งเกิดขึ้นที่ความดันคงที่และในอัตราส่วนกำลังอัดที่สูงขึ้น ซึ่งจะไม่ผสมเชื้อเพลิงกับอากาศจนกว่าจะถึงช่วงเวลาการเผาไหม้
ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สันดาปภายในเป็นตัววัดว่าเครื่องยนต์สามารถแปลงพลังงานเคมีในเชื้อเพลิงไปเป็นงานเครื่องกลได้ดีเพียงใด ปัจจัยที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพ ได้แก่ การออกแบบเครื่องยนต์ ประเภทของเชื้อเพลิง และความสมบูรณ์ของการเผาไหม้เชื้อเพลิง
การปล่อยก๊าซเรือนกระจกจากเครื่องยนต์สันดาปภายใน ได้แก่ คาร์บอนไดออกไซด์ (CO \(_2\) ) คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ไนโตรเจนออกไซด์ (NO \(_x\) ) และไฮโดรคาร์บอนที่ไม่ถูกเผาไหม้ การปล่อยก๊าซเหล่านี้มีส่วนทำให้เกิดมลพิษทางอากาศและภาวะโลกร้อน ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี เช่น ระบบฉีดเชื้อเพลิง เครื่องฟอกไอเสีย และเชื้อเพลิงทางเลือก มีจุดมุ่งหมายเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและลดการปล่อยมลพิษที่เป็นอันตราย
ด้วยความกังวลด้านสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มขึ้นและการผลักดันไปสู่พลังงานที่ยั่งยืน มีการวิจัยที่สำคัญที่มุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงประสิทธิภาพและลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของเครื่องยนต์สันดาปภายใน นวัตกรรมต่างๆ ได้แก่ เครื่องยนต์ไฮบริดที่รวมเครื่องยนต์สันดาปภายในเข้ากับมอเตอร์ไฟฟ้า จังหวะวาล์วแปรผัน และเครื่องยนต์ที่สามารถใช้เชื้อเพลิงหรือเชื้อเพลิงชีวภาพหลายประเภท
นอกจากนี้ การพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนยังเป็นทางเลือกในอนาคตที่มีศักยภาพแทนเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบดั้งเดิม โดยให้คำมั่นสัญญาในการขนส่งที่ปราศจากการปล่อยมลพิษ เมื่อใช้ไฮโดรเจนที่ผลิตจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน
ตัวอย่างที่แสดงให้เห็นการทำงานของเครื่องยนต์สันดาปภายในอาจเป็นการทดลองตั้งค่าเครื่องยนต์สี่จังหวะแบบง่ายๆ โมเดลดังกล่าวมักใช้ในสถานศึกษาเพื่อแสดงให้เห็นจังหวะไอดี การอัด กำลัง และจังหวะไอเสียอย่างชัดเจนและทำได้จริง ช่วยให้ผู้เรียนเห็นภาพกระบวนการภายในของเครื่องยนต์
แม้ว่าเครื่องยนต์จริงจะซับซ้อนกว่า โดยเกี่ยวข้องกับส่วนประกอบและระบบเพิ่มเติมมากมาย (เช่น ระบบทำความเย็น การหล่อลื่น และระบบจ่ายเชื้อเพลิง) หลักการพื้นฐานยังคงเหมือนเดิมและสามารถเข้าใจได้ผ่านโมเดลพื้นฐานเหล่านี้
เครื่องยนต์สันดาปภายในมีบทบาทสำคัญในสังคมยุคใหม่ โดยให้กำลังแก่ยานพาหนะ เครื่องจักร และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แม้ว่าจะมีการผลักดันไปสู่พลังงานทดแทนและยานพาหนะไฟฟ้า แต่เครื่องยนต์สันดาปภายในจะยังคงมีความเกี่ยวข้องในอนาคตอันใกล้นี้ ต้องขอบคุณความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องที่มุ่งปรับปรุงประสิทธิภาพและลดรอยเท้าทางนิเวศน์ การทำความเข้าใจหลักการพื้นฐาน ประเภท และการทำงานของเครื่องยนต์เหล่านี้เป็นรากฐานในการเข้าใจถึงความซับซ้อนและนวัตกรรมในเทคโนโลยียานยนต์และอื่นๆ
