Tìm hiểu Động cơ hai kỳ (Two-stroke Engine)

Động cơ hai kỳ (động cơ hai thì) là một loại động cơ đốt trong hoàn thành một chu trình công suất bằng hai hành trình (chuyển động lên và xuống) của pít-tông trong một vòng quay của trục khuỷu. (Động cơ bốn kỳ cần bốn hành trình của pít-tông để hoàn thành một chu kỳ công suất trong hai vòng quay trục khuỷu). Trong động cơ hai kỳ, thời điểm kết thúc quá trình đốt cháy và bắt đầu quá trình nén diễn ra đồng thời, với các chức năng nạp và xả diễn ra đồng thời.

Động cơ hai kỳ thường có tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao, công suất khả dụng trong một dải tốc độ quay hẹp được gọi là dải công suất. Động cơ hai kỳ có ít bộ phận chuyển động hơn động cơ bốn kỳ.

Lịch sử động cơ 2 kỳ

Động cơ hai kỳ thương mại đầu tiên liên quan đến quá trình nén xi lanh được cho là của kỹ sư Dugald Clerk người Scotland, người đã được cấp bằng sáng chế cho thiết kế của mình vào năm 1881. Tuy nhiên, không giống như hầu hết các động cơ hai thì sau này, động cơ của ông có một xi lanh nạp riêng. Động cơ làm sạch cacte, sử dụng khu vực bên dưới pít-tông làm bơm nạp, thường được cho là của Joseph Day, người Anh. Vào ngày 31 tháng 12 năm 1879, nhà phát minh người Đức Karl Benz đã sản xuất một động cơ xăng hai thì, ông đã nhận được bằng sáng chế vào năm 1880 tại Đức. Động cơ hai thì thực sự thực tế đầu tiên được cho là của Alfred Angas Scott, người Yorkshireman, người đã bắt đầu sản xuất những chiếc mô tô làm mát bằng nước hai xi-lanh vào năm 1908.

Động cơ hai kỳ hoạt động như thế nào?

Đúng như tên gọi, động cơ hai kỳ chỉ yêu cầu hai chuyển động của pít-tông (một chu kỳ) để tạo ra công suất. Động cơ có thể tạo ra công suất sau một chu kỳ vì quá trình xả và nạp khí xảy ra đồng thời, như thể hiện trong hình trên. Có một van cho hành trình nạp mở và đóng do áp suất thay đổi. Ngoài ra, do tiếp xúc thường xuyên với các bộ phận chuyển động, nhiên liệu được trộn với dầu để bổ sung chất bôi trơn, giúp hành trình chuyển động mượt mà hơn.

Cơ bản động cơ hai kỳ gồm hai hành trình:

• Hành trình nén: Cửa nạp mở ra, hỗn hợp không khí-nhiên liệu đi vào buồng và pít-tông di chuyển lên trên nén hỗn hợp này. Một bugi đánh lửa đốt cháy nhiên liệu nén và bắt đầu hành trình công suất.
• Hành trình công suất: Khí được làm nóng tạo áp suất cao lên pít-tông, pít-tông di chuyển xuống dưới (giãn nở), nhiệt thải ra ngoài.

Hiệu suất nhiệt của các động cơ xăng này sẽ thay đổi tùy thuộc vào kiểu dáng và thiết kế của xe. Tuy nhiên, nói chung, động cơ xăng chuyển đổi 20% năng lượng nhiên liệu (hóa học) thành năng lượng cơ học—trong đó chỉ 15% sẽ được sử dụng để di chuyển các bánh xe (phần còn lại bị mất do ma sát và các yếu tố cơ học khác).

Đánh lửa

Bạn có thể hiểu động cơ hai thì bằng cách xem từng phần của chu trình. Bắt đầu với điểm mà bugi đánh lửa. Nhiên liệu và không khí trong xi lanh đã được nén, và khi bugi đánh lửa, hỗn hợp sẽ bốc cháy. Quá trình bốc cháy nhiên liệu tạo ra áp lực lớn đẩy pít-tông đi xuống. Lưu ý rằng khi pít-tông di chuyển xuống dưới, nó đang nén hỗn hợp không khí/nhiên liệu trong cacte. Khi pít-tông tiến đến điểm cuối của hành trình, cổng xả sẽ không mở ra. Áp suất trong xi-lanh đẩy hầu hết khí thải ra khỏi xi-lanh, như hình minh họa ở đây:

Nạp nhiên liệu

Khi pít-tông chạm đáy ĐCD, cửa nạp sẽ lộ ra. Chuyển động của pít-tông đã tạo áp suất cho hỗn hợp trong cacte, vì vậy nó sẽ lao vào xi-lanh, thay thế các khí thải còn lại và nạp đầy xi-lanh bằng một lượng nhiên liệu mới, như hình minh họa ở đây:

Lưu ý rằng trong nhiều động cơ hai kỳ sử dụng thiết kế dòng chảy chéo, pít-tông được tạo hình sao cho hỗn hợp nhiên liệu đến không chỉ đơn giản chảy qua đỉnh pít-tông và ra khỏi cổng xả.

Hành trình nén

Động lượng trong trục khuỷu bắt đầu đẩy pít-tông quay trở lại bugi để thực hiện kỳ nén. Khi hỗn hợp không khí/nhiên liệu trong pít-tông được nén, chân không được tạo ra trong cacte. Khoảng chân không này mở van lưỡi gà và hút không khí/nhiên liệu/dầu từ bộ chế hòa khí.

Khi pít-tông đi đến cuối hành trình nén, bugi sẽ đánh lửa trở lại để lặp lại chu kỳ. Nó được gọi là động cơ hai kỳ vì có một kỳ nén và sau đó là một kỳ đốt cháy. Trong động cơ bốn kỳ, có các kỳ nạp, nén, đốt và xả riêng biệt.

Bạn có thể thấy rằng pít-tông thực sự làm ba việc khác nhau trong động cơ hai thì:

• Ở phía trên của pít-tông là buồng đốt, nơi pít-tông đang nén hỗn hợp không khí/nhiên liệu và thu năng lượng được giải phóng khi đốt cháy nhiên liệu.
• Ở phía dưới của pít-tông là cacte, nơi pít-tông tạo chân không để hút không khí/nhiên liệu từ bộ chế hòa khí qua van lưỡi gà rồi tạo áp suất cho cacte để không khí/nhiên liệu được đưa vào buồng đốt.
• Trong khi đó, các mặt thành bên của pít-tông hoạt động giống như các van, che và mở các cổng nạp và xả được khoan vào thành xi-lanh.

Thật thú vị khi thấy pít-tông làm nhiều việc khác nhau! Đó là điều làm cho động cơ hai kỳ trở nên đơn giản và nhẹ.

Nếu bạn đã từng sử dụng động cơ hai kỳ, bạn sẽ biết rằng bạn phải trộn dầu hai kỳ đặc biệt với xăng. Trong động cơ bốn thì, cacte hoàn toàn tách biệt với buồng đốt, vì vậy bạn có thể đổ dầu nặng vào cacte để bôi trơn các ổ trục trục khuỷu, các ổ trục ở hai đầu thanh nối của pít-tông và thành xi-lanh. Mặt khác, trong động cơ hai kỳ, cacte đóng vai trò là buồng điều áp để đẩy không khí/nhiên liệu vào xi lanh, vì vậy nó không thể chứa dầu đặc. Thay vào đó, bạn trộn dầu với xăng để bôi trơn trục khuỷu, thanh truyền và thành xi lanh. Nếu bạn quên pha dầu, động cơ sẽ không hoạt động được lâu!

Ưu điểm của động cơ 2 kỳ

So với động cơ 4 kỳ thì động cơ 2 kỳ nhẹ hơn, hiệu quả hơn, khả năng sử dụng nhiên liệu cấp thấp hơn, tiết kiệm chi phí hơn. Do đó, động cơ nhẹ hơn dẫn đến tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao hơn (công suất nhiều hơn cho trọng lượng ít hơn). Tuy nhiên, chúng thiếu khả năng cơ động có thể có trong động cơ bốn thì và cần bôi trơn nhiều hơn. Điều này làm cho động cơ hai thì trở nên lý tưởng cho tàu thủy (cần chở nhiều hàng hóa), xe máy và máy cắt cỏ—trong khi động cơ bốn thì sẽ lý tưởng cho ô tô như ô tô con và xe tải.

Các ưu điểm của động cơ hai kỳ so với động cơ bốn kỳ:

• Động cơ hai kỳ không có xupap, giúp đơn giản hóa việc chế tạo và giảm trọng lượng.
• Động cơ hai kỳ sinh công sau mỗi vòng quay trục khuỷu, trong khi động cơ 4 kỳ sinh công sau mỗi hai vòng quay trục khuỷu. Điều này giúp động cơ hai kỳ tăng sức mạnh đáng kể.
• Động cơ hai kỳ có thể hoạt động theo bất kỳ hướng nào, điều này có thể quan trọng đối với những thứ như cưa máy. Động cơ bốn kỳ tiêu chuẩn có thể gặp vấn đề với dòng dầu trừ khi động cơ ở vị trí thẳng đứng và việc giải quyết vấn đề này có thể làm phức tạp thêm động cơ.

Những lợi thế này làm cho động cơ hai kỳ nhẹ hơn, đơn giản hơn và ít tốn kém hơn để sản xuất. Động cơ hai thì cũng có khả năng cung cấp gấp đôi công suất vào cùng một không gian vì có gấp đôi số hành trình công suất trên mỗi vòng quay. Sự kết hợp giữa trọng lượng nhẹ và công suất gấp đôi mang lại cho động cơ hai thì tỷ lệ công suất trên trọng lượng lớn so với nhiều thiết kế động cơ bốn thì.

Nhược điểm của động cơ hai thì

Bây giờ bạn có thể thấy rằng động cơ hai kỳ có hai ưu điểm quan trọng so với động cơ bốn thì: Chúng đơn giản hơn và nhẹ hơn, đồng thời tạo ra công suất gấp đôi. Vậy tại sao ô tô và xe tải sử dụng động cơ bốn kỳ? Có bốn lý do chính:

• Động cơ hai kỳ tuổi thọ không bằng động cơ bốn kỳ. Việc thiếu hệ thống bôi trơn chuyên dụng đồng nghĩa với việc các bộ phận của động cơ hai kỳ mòn nhanh hơn rất nhiều.
• Dầu hai kỳ đắt tiền và bạn cần khoảng 120ml (khoảng 1 ounce) dầu cho 3.8 lít xăng (~1gallon). Bạn sẽ đốt khoảng một 1 gallon dầu mỗi 1.000 dặm nếu bạn sử dụng động cơ hai kỳ trong xe hơi.
• Động cơ hai kỳ không sử dụng nhiên liệu hiệu quả, vì vậy bạn sẽ đi được ít dặm hơn cho mỗi gallon.
• Động cơ hai kỳ tạo ra rất nhiều ô nhiễm – trên thực tế, nhiều đến mức có khả năng bạn sẽ không nhìn thấy chúng trong thời gian dài nữa. Sự ô nhiễm đến từ hai nguồn. Đầu tiên là quá trình đốt cháy dầu. Dầu làm cho tất cả các động cơ hai kỳ bốc khói ở một mức độ nào đó, và một động cơ hai kỳ bị mòn nặng có thể thải ra những đám khói dầu khổng lồ. Lý do thứ hai ít rõ ràng hơn nhưng có thể được nhìn thấy trong hình sau:

Mỗi lần nạp một lượng không khí/nhiên liệu mới vào buồng đốt, một phần của nó sẽ rò rỉ ra ngoài qua cổng xả. Đó là lý do tại sao bạn nhìn thấy một lớp dầu bóng xung quanh bất kỳ động cơ hai kỳ nào. Hydrocacbon rò rỉ từ nhiên liệu tươi kết hợp với dầu rò rỉ là một mớ hỗn độn và gây ô nhiễm thực sự đối với môi trường.