Động cơ đốt trong là một cơ chế tạo ra năng lượng đã cách mạng hóa phương tiện vận tải và máy móc. Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng cơ học thông qua quá trình đốt cháy nhiên liệu như xăng hoặc dầu diesel.
Các thành phần chính: Về cốt lõi, động cơ đốt trong bao gồm một xi lanh, một piston, các van, trục khuỷu và một bugi đánh lửa (trong động cơ xăng) hoặc kim phun nhiên liệu (trong động cơ diesel).
Chu trình bốn thì: Hoạt động của hầu hết các động cơ đốt trong đều dựa trên chu trình bốn thì. Các hành trình này là nạp, nén, công suất (hoặc đốt) và xả.
Chuyển hóa năng lượng: Quá trình cháy trong xi lanh tạo ra khí có áp suất cao tác dụng một lực lên piston. Lực tuyến tính này được chuyển đổi thành chuyển động quay nhờ trục khuỷu, sau đó trục khuỷu có thể dẫn động các bánh xe của ô tô hoặc máy móc khác.
Động cơ đốt trong có thể được phân loại dựa trên loại nhiên liệu, số hành trình hoặc cách thức chuẩn bị không khí và nhiên liệu và đưa vào buồng đốt.
Các loại nhiên liệu: Động cơ đốt trong có thể chạy bằng nhiều loại nhiên liệu bao gồm xăng, dầu diesel, dầu diesel sinh học, ethanol và thậm chí cả hydro. Việc lựa chọn nhiên liệu ảnh hưởng đến thiết kế, hiệu suất và lượng khí thải của động cơ.
Quá trình đốt cháy: Quá trình đốt cháy tạo ra nhiệt và làm giãn nở các khí bên trong xi lanh, tạo ra áp suất lên piston. Quá trình lý tưởng được mô tả bằng chu trình Otto cho động cơ xăng và chu trình Diesel cho động cơ diesel.
Chu trình Otto: Chu trình Otto lý thuyết có thể được mô tả theo bốn giai đoạn tương tự như động cơ bốn thì, nhưng theo nghĩa nhiệt động - với hai quá trình đẳng tích (thể tích không đổi) để bổ sung và thải nhiệt, và hai quá trình đẳng entropic (đảo đoạn thuận nghịch) cho nén và mở rộng.
Chu trình Diesel: Chu trình Diesel khác chủ yếu ở quá trình bổ sung nhiệt xảy ra ở áp suất không đổi và ở tỷ số nén cao hơn, không trộn lẫn nhiên liệu và không khí cho đến thời điểm đốt cháy.
Hiệu suất của động cơ đốt trong là thước đo mức độ nó chuyển đổi năng lượng hóa học trong nhiên liệu thành công cơ học. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất bao gồm thiết kế của động cơ, loại nhiên liệu và mức độ đốt cháy hoàn toàn của nhiên liệu.
Khí thải từ động cơ đốt trong bao gồm carbon dioxide (CO \(_2\) ), carbon monoxide (CO), oxit nitơ (NO \(_x\) ) và hydrocarbon không cháy hết. Những khí thải này góp phần gây ô nhiễm không khí và sự nóng lên toàn cầu. Những tiến bộ trong công nghệ, chẳng hạn như hệ thống phun nhiên liệu, bộ chuyển đổi xúc tác và nhiên liệu thay thế, nhằm mục đích nâng cao hiệu quả và giảm lượng khí thải độc hại.
Với mối quan tâm về môi trường ngày càng tăng và nỗ lực hướng tới năng lượng bền vững, có nhiều nghiên cứu quan trọng tập trung vào việc nâng cao hiệu suất và giảm tác động đến môi trường của động cơ đốt trong. Những cải tiến bao gồm động cơ hybrid kết hợp động cơ đốt trong với động cơ điện, van biến thiên và động cơ có khả năng chạy bằng nhiều loại nhiên liệu hoặc nhiên liệu sinh học.
Hơn nữa, sự phát triển của pin nhiên liệu hydro thể hiện một giải pháp thay thế tiềm năng trong tương lai cho động cơ đốt trong truyền thống, mang đến hứa hẹn về phương tiện vận chuyển không phát thải khi sử dụng hydro được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo.
Một ví dụ minh họa hoạt động của động cơ đốt trong có thể là một thiết lập thử nghiệm đơn giản của mô hình động cơ bốn thì. Những mô hình như vậy thường được sử dụng trong môi trường giáo dục để trình diễn các hành trình nạp, nén, công suất và xả một cách rõ ràng và thực tế, giúp người học hình dung được các quá trình bên trong của động cơ.
Mặc dù động cơ thực tế phức tạp hơn, bao gồm nhiều bộ phận và hệ thống bổ sung (như hệ thống làm mát, bôi trơn và cung cấp nhiên liệu), nhưng nguyên tắc cơ bản vẫn giữ nguyên và có thể hiểu được thông qua các mô hình cơ bản này.
Động cơ đốt trong đóng một vai trò then chốt trong xã hội hiện đại, cung cấp năng lượng cho các phương tiện, máy móc và máy phát điện. Bất chấp nỗ lực hướng tới năng lượng tái tạo và xe điện, động cơ đốt trong có thể sẽ vẫn phù hợp trong tương lai gần nhờ những tiến bộ liên tục nhằm nâng cao hiệu quả và giảm dấu chân sinh thái của chúng. Hiểu các nguyên tắc cơ bản, loại và hoạt động của các động cơ này cung cấp nền tảng để đánh giá cao sự phức tạp và đổi mới trong công nghệ ô tô và hơn thế nữa.
