Động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong (tiếng Anh: Internal Combustion Engine; viết tắt: ICE) là một loại động cơ nhiệt, trong đó quá trình đốt cháy nhiên liệu xảy ra với chất oxy hóa (thường là không khí) trong buồng đốt, vốn là một bộ phận quan trọng của chu trình của chất lỏng làm việc. Trong động cơ đốt trong, sự giãn nở của khí ở nhiệt độ cao và áp suất cao do quá trình đốt cháy tác dụng lực trực tiếp lên một số thành phần của động cơ như piston, cánh tuabin, cánh quạt hoặc vòi phun. Lực này giúp di chuyển vật thể di chuyển một quãng đường nhất định, biến năng lượng hóa học thành công hữu ích.

Động cơ đốt trong được ứng dụng thương mại đầu tiên được tạo ra bởi Étienne Lenoir vào khoảng năm 1860 và động cơ đốt trong hiện đại đầu tiên được Nicolaus Otto tạo ra vào năm 1876 (xem động cơ Otto).

Thuật ngữ động cơ đốt trong thường dùng để chỉ một động cơ trong đó quá trình đốt xảy ra không liên tục, chẳng hạn như những loại động cơ quen thuộc như động cơ piston bốn kỳ và hai kỳ, cùng với các biến thể, như động cơ piston sáu kỳ và động cơ quay Wankel. Loại động cơ đốt trong thứ hai sử dụng quá trình đốt liên tục bao gồm tua bin khí, động cơ phản lực và hầu hết các động cơ tên lửa; mỗi loại động cơ này đều hoạt động theo nguyên tắc động cơ đốt trong cơ bản.^[1][2] Súng cầm tay cũng là một dạng động cơ đốt trong.

Ngược lại, trong các động cơ đốt ngoài, như động cơ hơi nước hoặc Stirling, năng lượng truyền cho lưu chất hoạt động không chứa, trộn lẫn, hoặc bị tạp nhiễm bởi các sản phẩm của quá trình đốt. Lưu chất hoạt động (chất lỏng làm việc) có thể là không khí, nước nóng, nước áp lực hoặc thậm chí natri lỏng, được đun nóng trong nồi hơi.

Động cơ đốt trong thường được vận hành bằng nhiên liệu năng lượng cao như xăng hoặc dầu diesel, hoặc những chất lỏng có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch. Mặc dù được ứng dụng trong nhiều thiết bị cố định, hầu hết những động cơ đốt trong được sử dụng trong các thiết bị di động và là nguồn sinh công quan trọng cho các loại phương tiện như ô tô, máy bay và tàu thuyền, nhóm phương tiện này thường được gọi là “phương tiện động cơ đốt trong” (ICEV).

Thông thường, động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch như khí tự nhiên hoặc các sản phẩm dầu mỏ như xăng, dầu diesel hoặc dầu nhiên liệu. Những loại nhiên liệu tái tạo ngày càng được sử dụng rộng rãi như diesel sinh học cho động cơ kích nổ nén (động cơ diesel) và bioethanol hoặc metanol cho động cơ kích nổ tia lửa (động cơ xăng). Hydro đôi khi được sử dụng, và có thể được lấy từ nhiên liệu hóa thạch hoặc năng lượng tái tạo.

Nhà vật lý người Pháp Jean de Hautefeuille đề xuất thiết kế một động cơ đốt trong dùng để bơm nước vào năm 1678. Tuy nhiên, người được xem phát minh động cơ đốt trong đầu tiên là Christiaan Huygens, nhà khoa học người Hà Lan.^[5] Vào năm 1678 hoặc 1679 (có tài liệu cho rằng năm 1673), Huygens sử dụng một ống hình trụ lớn với bề mặt nhẵn bóng bên trong làm xi lanh và có piston di chuyển dọc trục xi lanh. Piston nối với một sợi dây và ròng rọc để nâng vật nặng. Bên dưới ống trụ là buồng đốt dùng để đốt nổ thuốc súng. Khi thuốc súng nổ, không khí giãn nở thể tích và đẩy piston.

Sau khi nổ xong, không khí nguội lại, giảm thể tích, tạo chân không bên trong ống trụ, di chuyển piston về vị trí ban đầu, đồng thời kéo dây nâng vật nặng, thực hiện quá trình sinh công. “Động cơ Huygens” (Huygens engine) được cho rằng, chỉ với 1 dram (tương đương 1/16 ounce hoặc 1,77 gram) thuốc súng, sử dụng trong ống trụ cao 7–8 feet (2,1–2,4 m), đường kính 15–16 in (khoảng 38–41 cm), có thể tạo ra công đủ nâng khối lượng của 8 thiếu niên (tương đương 540 kg).

Đến năm 1791, nhà khoa học người Anh John Barber đăng ký bằng sáng chế cho động cơ tuabin khí đầu tiên. Trong động cơ tuabin của Barber, nhiên liệu như than, dầu đốt, hoặc gỗ được gia nhiệt, hòa trộn với không khí, nén và đốt cháy. Sản phẩm khí cháy có áp suất cao sẽ làm quay cánh quạt của tuabin, làm sinh công. Năm 1794, Thomas Mead và Robert Street, hai kỹ sư người Anh, cùng đồng thời đăng ký bằng phát minh cho động cơ đốt trong sử dụng khí cháy. Thomas Mead sử dụng hỗn hợp khí khi nổ trong buồng đốt sẽ đẩy piston lên; sau khi quá trình cháy kết thúc, piston sẽ di chuyển xuống nhờ vào sức nặng của piston và áp suất chân không.

Còn Robert Street sử dụng nhiên liệu lỏng (dầu hỏa hoặc nhựa thông) bay hơi để tạo hỗn hợp khí cháy. Nhựa thông hoặc dầu hỏa được phun lên đáy của xi lanh đang được đốt nóng, khiến nhiên liệu ở thể lỏng hóa hơi thành hỗn hợp khí. Hỗn hợp này được kích nổ bằng ngọn lửa. Quá trình cháy–nổ của hỗn hợp khí làm giãn nở thể tích trong xi lanh và làm piston chuyển động, thực hiện công.

Năm 1798, John Stevens, nhà phát minh người Mỹ, đã thiết kế động cơ đốt trong sử dụng cồn (alcohol) làm nhiên liệu cháy. Năm 1801, Philippe Lebon, một kỹ sư người Pháp, đã đăng ký phát minh cho động cơ khí (hỗn hợp khí ga được nén trong buồng đốt và kích nổ). Năm 1807, anh em kỹ sư người Pháp, Nicéphore Niépce (cũng là người phát minh ra kỹ thuật nhiếp ảnh) và Claude Niépce, đã chạy thử mẫu động cơ đốt trong mang tên Pyréolophore. Hai ông đã gắn động cơ Pyréolophore để điều khiển tàu thủy chạy trên sông Saône, Pháp. Cùng năm đó, kỹ sư người Thụy Sĩ François Isaac de Rivaz phát minh động cơ đốt trong dùng khí hydro làm nhiên liệu và kích nổ bằng tia lửa điện. Ý tưởng sử dụng khí hydro làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong cũng được nghiên cứu độc lập bởi kỹ sư người Anh William Cecil vào năm 1820. Năm 1823, Samuel Brown đăng ký phát minh động cơ chân không đốt bằng khí được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Động cơ của Brown được sử dụng trong ô tô vào năm 1824, vận hành tàu chạy trên sông Thames vào năm 1827, và bơm nước ở kênh đào Croydon, phía nam London, vào năm 1832. Động cơ đốt trong đầu tiên có kỳ nén diễn ra trước kỳ nổ được phát triển lần đầu tiên bởi William Barnett, một kỹ sư người Anh, vào năm 1838. Năm 1854, hai nhà phát minh người Ý, Eugenio Barsanti và Felice Matteucci, phát minh động cơ piston tự do.

Năm 1860, Jean Joseph Étienne Lenoir, một kỹ sư người Bỉ, đã phát minh động cơ đốt trong hai kỳ chạy bằng khí đốt, công suất 6 HP, hiệu suất 5%. Đây được xem là động cơ đốt trong có hiệu quả thực tế đầu tiên. Động cơ đốt trong của Lenoir là loại động cơ hai kỳ, một xi lanh, tác động kép, không có kỳ nén (hỗn hợp khí không được nén trước khi kích nổ), hỗn hợp khí được kích nổ ở khoảng 1/3 hành trình di chuyển của piston. Ưu điểm của thiết kế này là tạo ra loại động cơ vận hành nhanh hơn, ít ồn hơn, và hiệu quả kinh tế cao hơn động cơ hơi nước. Do vậy, động cơ Lenoir được ưa chuộng, với khoảng 400 đến 500 bộ động cơ được bán ra thời điểm đó. Tuy nhiên, động cơ Lenoir có hiệu suất không cao do không có kỳ nén nên chủ yếu chỉ được dùng cho những động cơ tĩnh tại.

Năm 1872, George Brayton, một kỹ sư người Mỹ, đã phát minh động cơ đốt trong sử dụng dầu hỏa làm nhiên liệu. Động cơ Brayton cấu tạo gồm hai xi lanh piston tịnh tiến, một xi lanh thực hiện kỳ nén và xi lanh còn lại thực hiện kỳ giãn nở (sinh công). Hỗn hợp không khí và khí đốt được kích nổ bằng ngọn lửa mồi, hỗn hợp cháy được bơm từ xi lanh nén qua xi lanh nổ để thực hiện quá trình sinh công ở điều kiện đẳng áp. Hiệu suất hoạt động của động cơ Brayton không cao do phần lớn công sinh ra trong xi lanh kỳ nổ được dùng để vận hành xi lanh kỳ nén. Tuy vậy, phát minh của Brayton có ý nghĩa quan trọng vì, nhờ sử dụng nhiên liệu lỏng (khác với nhiên liệu khí như động cơ Lenoir hoạt động tĩnh tại), động cơ đốt trong của Brayton có thể được ứng dụng để vận hành trên xe ô tô. Chu trình Brayton ngày nay được ứng dụng trong những tuabin khí. Năm 1874, Siegfried Marcus, một nhà phát minh người Đức, được xem là người thiết kế xe ô tô sử dụng động cơ bốn kỳ đầu tiên. Động cơ của Marcus sử dụng kích nổ điện, phun hòa khí, và thiết bị tiết lưu (“bướm ga”). Động cơ Marcus, hiện đang được trưng bày tại Bảo tàng Kỹ thuật Công nghiệp và Thương mại tại Vienna, được xem là mẫu xe động cơ xăng cổ nhất còn tồn tại đến ngày nay.

Dựa trên mẫu thiết kế động cơ của Lenoir, Nikolaus Otto, một kỹ sư người Đức, đã phát minh động cơ đốt trong bốn kỳ đầu tiên vào năm 1876 (Chu trình Otto). Động cơ chạy bằng khí than của Otto không chỉ giảm tiếng ồn hơn, mà còn hiệu quả cao hơn gấp 3 lần so với động cơ của Lenoir. Năm 1879, Karl Benz chế tạo thành công động cơ đốt trong hai kỳ chạy bằng xăng. Năm 1882, James Atkinson phát minh ra động cơ đốt trong hoạt động theo chu trình Atkinson. Năm 1885, Gottlieb Daimler, một kỹ sư người Đức, đăng ký bằng sáng chế cho động cơ bốn kỳ chạy bằng xăng đầu tiên. Năm 1889, Daimler cùng một kỹ sư người Đức khác là Wilhelm Maybach đã cho ra mắt động cơ chữ V hai xi lanh đầu tiên tại Paris, Pháp. Năm 1892, Rudolf Diesel phát triển thành công động cơ kích nổ nhờ quá trình nén hỗn hợp nhiên liệu (Động cơ Diesel). Động cơ Diesel vận hành ở tốc độ 170 RPM, có công suất 18 HP và hiệu suất 27% – hiệu suất cao hơn những động cơ hơi nước và động cơ kích nổ tia lửa điện cùng thời điểm đó. Năm 1926, Robert Goddard, một kỹ sư người Mỹ, chế tạo tên lửa vận hành bằng nhiên liệu lỏng đầu tiên.

Trong lịch sử chế tạo động cơ đã có rất nhiều phương án được phác thảo và hiện thực nhưng lại không phù hợp với các cách phân loại dưới đây, ví dụ như động cơ Otto với bộ phun nhiên liệu trực tiếp hay các loại động cơ hoạt động theo nguyên tắc của động cơ diesel nhưng lại có bộ phận đánh lửa. Các phương pháp chế tạo lại có thể được kết hợp rất đa dạng, ví dụ như động cơ có dung tích nhỏ với piston tròn và điều khiển qua khe hở theo nguyên tắc Otto (động cơ Wankel) hay động cơ diesel hai kỳ có dung tích lớn với bộ điều khiển bằng van (động cơ diesel của tàu thuỷ). Phần phân loại tổng quát này không liệt kê những trường hợp đặc biệt nhằm để tránh sự khó hiểu.

• Động cơ tĩnh tại: Dùng vận hành các thiết bị như máy phát điện (công suất lên đến 25 MW).
• Động cơ ô tô.
• Động cơ máy bay: Bao gồm động cơ đốt trong kiểu piston cho máy bay cánh quạt và động cơ phản lực dùng cho máy bay phản lực.
• Động cơ tàu thủy.
• Động cơ xe lửa (đầu máy xe lửa).
• Động cơ một số thiết bị và dụng cụ như máy cày, máy cắt cỏ, máy trộn bê tông.

• Động cơ một kỳ: Loại động cơ này thực chất là kiểu động cơ bốn kỳ nhưng được thiết kế lại. Động cơ 1 kỳ gồm bốn buồng đốt với các piston di chuyển cùng lúc, do vậy, tuy có bốn kỳ, nhưng mỗi kỳ đều là kỳ sinh công (power stroke). Một kiểu thiết kế khác của động cơ 1 kỳ sử dụng một khối piston có chứa khoang nổ và khoang nén.
• Động cơ hai kỳ: Chu trình làm việc được hoàn thành trong 2 hành trình chuyển động qua lại của piston, tương ứng với một vòng quay trục khuỷu. Trong động cơ hai kỳ chỉ diễn ra hai quá trình nén và nổ (sinh công). Việc thay đổi khí mở tức là hai hỗn hợp khí–nhiên liệu mới và khí thải bị trộn lẫn với nhau một phần.
• Động cơ ba kỳ: Động cơ này có cấu tạo gồm hai piston di chuyển tịnh tiến được đặt trong cùng một xi lanh; hai piston được gắn trên cùng một trục khuỷu. Chu trình cháy diễn ra trong một vòng quay trục khuỷu. Khi trục khuỷu thực hiện một vòng quay, hai piston sẽ di chuyển đến gần nhau rồi xa ra, về hai đầu của xi lanh.
• Động cơ bốn kỳ: Chu trình làm việc được hoàn thành trong 4 hành trình chuyển động qua lại của piston, tương ứng với 2 vòng quay trục khuỷu. Việc thay đổi khí được đóng kín có nghĩa là hỗn hợp khí – nhiên liệu mới và khí thải được tách hoàn toàn ra khỏi nhau. Trong thực tế hai khí này tiếp xúc với nhau trong một khoảng thời gian ngắn.
• Động cơ sáu kỳ: Loại động cơ này có thêm hành trình phụ để nén và đốt cháy lại khí xả. Do vậy, động cơ 6 kỳ có hai kỳ sinh công – tức là 1/3 trong tổng số kỳ (hành trình chuyển động của piston) tạo ra công hữu ích, nhiều hơn khi so với động cơ bốn kỳ chỉ có 1/4 trong tổng số kỳ là sinh công. Đối với cùng dung tích xi lanh, nếu động cơ có tỉ lệ kỳ sinh công càng cao, sẽ có công suất lớn hơn. Ưu điểm của động cơ 6 kỳ là giúp tận dụng nhiệt thải của kỳ sinh công đầu tiên; lượng nhiệt này có thể dùng để sinh hơi nước giúp làm mát động cơ và đẩy piston. Do vậy, loại động cơ này có hiệu năng cao hơn, đồng thời giảm bớt khí thải ô nhiễm. Động cơ 6 kỳ có thể tiết kiệm nhiên liệu lên đến 40% so với động cơ bốn kỳ.

Tùy vào quá trình cấp nhiệt và tỷ số nén, các loại động cơ đốt trong có thể chia thành hai nhóm chính như sau:

• Động cơ Otto: Động cơ làm việc theo quá trình cấp nhiệt đẳng tích (chu trình Otto), có tỷ số nén thấp (ε = 8–12), như động cơ sử dụng nhiên liệu xăng, cồn nhiên liệu, hoặc ga.
• Động cơ Diesel: Động cơ làm việc theo quá trình cấp nhiệt đẳng áp (chu trình Diesel), có tỷ số nén cao (ε = 12–24), như động cơ diesel, động cơ sử dụng bột than.

• Động cơ xăng
• Động cơ diesel
• Động cơ ga hay động cơ khí đốt
• Động cơ sử dụng loại nhiên liệu khác như: khí hóa lỏng (LPG), cồn (metanol, etanol), khí hydro

• Động cơ không tăng áp: Không khí không được nén trước khi nạp vào động cơ.
• Động cơ tăng áp: Loại động cơ này tận dụng khí xả từ động cơ để quay tuabin; sau đó, tuabin làm quay trục máy nén khí mới đi vào động cơ.
• Động cơ siêu nạp: Loại động cơ này sử dụng một máy nén khí làm tăng áp suất dòng khí nạp, đi qua cổ hút, vào buồng cháy của động cơ, được vận hành nhờ lực truyền động của trục khuỷu động cơ thông qua dây đai.

• Động cơ piston đẩy (hay kết hợp với thanh truyền và trục khuỷu)
• Động cơ Wankel (Động cơ piston tròn)
• Động cơ piston quay
• Động cơ piston tự do

Theo phương pháp tạo hỗn hợp đốt hay còn gọi là hòa khí (hỗn hợp khí và nhiên liệu để đốt cháy trong động cơ), động cơ đốt trong được chia thành các loại sau:

• Động cơ tạo hòa khí bên ngoài: Hỗn hợp nhiên liệu và không khí được tạo thành bên ngoài xi lanh nhờ bộ chế hòa khí (carburetor), gọi là hỗn hợp đồng thể, sau đó được đưa vào xi lanh và đốt cháy bằng tia lửa điện (bugi). Các loại động cơ loại này bao gồm động cơ xăng, động cơ ga.
• Động cơ tạo hòa khí bên trong: Hỗn hợp hơi nhiên liệu và không khí được tạo thành bên trong xi lanh nhờ bơm cao áp và vòi phun, gọi là hỗn hợp dị thể. Hỗn hợp được phun vào xi lanh gần điểm chết trên (ĐCT); sau đó, hỗn hợp này tự bốc cháy do hỗn hợp bị nén ở nhiệt độ cao. Các loại động cơ loại này bao gồm động cơ diesel, động cơ phun xăng điện tử.

• Hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt bằng bộ phận đánh lửa (bugi) trong các động cơ Otto, tốt nhất là ngay trước điểm chết trên.
• Trong các động cơ diesel hỗn hợp đốt bằng cách tự bốc cháy. Không khí được nén rất mạnh và ngay trước điểm chết trên, nhiên liệu được phun vào. Vì ở nhiệt độ rất cao nên nhiên liệu tự bốc cháy.

• Động cơ làm mát bằng nước: Loại động cơ này dùng nước hoặc hỗn hợp nước–etylen glycol bơm tuần hoàn trong những khoang rỗng (gọi là áo nước) bao quanh xi lanh. Nhiệt được truyền qua thành xi lanh đến áo nước và cuối cùng được truyền cho nước. Nước được bơm đến bộ phận két nước để trao đổi nhiệt đối lưu với không khí bên ngoài. Hỗn hợp dung dịch làm mát nước–etylen glycol có thể được thêm chất chống ăn mòn và chất chống xâm thực khí. Etylen glycol giúp hạ nhiệt độ dung dịch xuống −50 °C.
• Động cơ làm mát bằng không khí: Loại động cơ này dùng không khí trao đổi nhiệt đối lưu để làm mát động cơ. Động cơ làm mát bằng không khí có thiết kế dạng cánh tản nhiệt hoặc gờ nổi để tăng bề mặt trao đổi nhiệt.
• Động cơ làm mát bằng dầu nhờn (như động cơ Elsbett). Những động cơ làm mát bằng dầu thường là loại có công suất thấp. Năng suất giải nhiệt của phương pháp làm mát này vốn không cao do dầu bôi trơn có tính giải nhiệt thấp.

Theo hình dáng động cơ và số xi lanh

Tuỳ theo số lượng xi lanh động cơ Otto và động cơ diesel có thể được chế tạo thành:

• Động cơ 1 xi lanh.
• Động cơ thẳng hàng 2, 3, 4, 5, 6 hay 8 xi lanh
  (động cơ I2, I3, I4, I5, I6 hay I8).
• Động cơ chữ V 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16 xi lanh
  (động cơ V2, V4, V6, V8, V10, V12 hay V16).
• Động cơ VR 6 hay 8 xi lanh.
• Động cơ chữ W 3, 8, 12 hay 16 xi lanh.
• Động cơ Boxer hay còn gọi là động cơ phẳng, là kiểu động cơ có các piston đặt trên mặt phẳng nằm ngang và đối đỉnh nhau.
• Động cơ piston hướng kính hay còn gọi là “động cơ piston tỏa tròn” hoặc “động cơ hình sao” 5, 6, 7, 8, 9 hay 12 xi lanh.
• Động cơ piston đối .

Theo số trục khuỷu

• Động cơ 1 trục khuỷu.
• Động cơ 2 trục khuỷu.
• Động cơ 3 trục khuỷu trở lên.
• Động cơ không có trục khuỷu (như động cơ piston quay Wankel).

Theo thiết kế – vị trí van

Đối với động cơ bốn kỳ:

• Động cơ van trên (OHV).
• Động cơ van dưới (UHV).
• Van xoay

Đối với động cơ hai kỳ:

• Lỗ thông khí thẳng: Động cơ này có lỗ quét và lỗ nạp khí nằm ở hai phía đối diện nhau ở một đầu xi lanh.
• Lỗ thông khí vòng: Động cơ này có lỗ quét và lỗ nạp khí nằm cùng một phía ở một đầu xi lanh.
• Lỗ thông khí thẳng một chiều: Động cơ này có lỗ quét và lỗ nạp khí nằm riêng biệt ở hai đầu xi lanh.