Động cơ đốt trong là một thiết bị biến đổi năng lượng của nhiên liệu (hóa năng) thành nhiệt năng (đốt cháy) rồi thành cơ năng (quay trục khuỷu) sinh công. Trong ứng dụng, động cơ đốt trong thường có hai loại cơ bản là động cơ 4 kỳ và động cơ 2 kỳ. Cả hai loại động cơ này đều hoạt động tuân theo một chu trình công suất khép kín: hút – nén – nổ – xả.
Ở bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu cơ bản về các đặc tính kỹ thuật, ưu nhược điểm của mỗi loại động cơ. Chi tiết về các loại động cơ sẽ trình bày trong các bài viết khác.
1. Động cơ 2 kỳ
Động cơ 2 kỳ chủ yếu là động cơ xăng 2 kỳ có công suất nhỏ hoặc làm khởi động cho động cơ chính diesel, một số trường hợp động cơ tĩnh tại cũng sử dụng động cơ diesel 2 kỳ. Động cơ 2 kỳ là động cơ đốt trong không có van (xupap), không có hệ thống bôi trơn cụ thể. Đơn giản, ít bộ phận, nhẹ. Piston làm nhiệm vụ đóng mở đường nạp và xả.
Động cơ 2 kỳ hoạt động với một chu trình công suất (hút – nén – nổ – xả) xảy ra trong hai hành trình của piston (lên và xuống) tức một vòng quay của trục khuỷu.
Động cơ xăng 2 kỳ: Piston đi từ điểm chết dưới (ĐCD) lên điểm chết trên (ĐCT), van lưỡi gà mở, nạp hỗn hợp không khí, nhiên liệu vào khoang cac te, đồng thời thực hiện việc xả khí xót và nén hỗn hợp hòa khí, cuối hành trình này, bugi đánh lửa đốt cháy nhiên liệu, áp suất tăng lên đẩy piston đi xuống. Piston đi từ ĐCT xuống ĐCD thực hiện hành trình sinh công, đồng thời xả khí thải và nạp hòa khí từ khoang cac te vào buồng đốt động cơ. Như vậy chu trình công suất của động cơ đã hoàn thành và tiếp tục một chu trình mới.
Động cơ 2 kỳ không có hệ thống bôi trơn cụ thể, bởi vì cac te của nó cần phải làm nhiệm vụ của buồng nén phụ (nạp khí vào trong kỳ nén. Do đó, nhiên liệu (xăng) sử dụng cần phải pha trộn với dầu bôi trơn theo một tỷ lệ nhất định. Khi hỗn hợp hòa khí tràn vào khoang cac te, làm nhiệm vụ bôi trơn các bộ phận bên trong động cơ. Vì cách bôi trơn này không thực sự hiệu quả, nên động cơ 2 kỳ thường mòn nhanh.
Ưu điểm của Động cơ 2 kỳ:
- Không có xupap, cấu tạo đơn giản hơn
- Cháy một lần cho mỗi vòng quay có nghĩa công suất đầu ra cao hơn động cơ 4 kỳ
- Kết cấu đơn giản, nhẹ hơn, do đó chi phí sản xuất rẻ hơn
- Động cơ hai kỳ có tiềm năng cho công suất gấp đôi so với động cơ 4 kỳ có cùng thể tích (thực tế chỉ bằng 1.5 lần)
- Công việc bảo trì ít hơn
Nhược điểm của Động cơ 2 kỳ:
- Tuổi thọ thấp hơn động cơ 4 kỳ vì không có hệ thống bôi trơn cụ thể
- Phải trộn nhiên liệu và dầu để bôi trơn động cơ, do đó tốn dầu bôi trơn, cháy kém hiệu quả
- Khả năng tiết kiệm nhiên liệu kém
- Chúng tạo ra nhiều ô nhiễm hơn
- Chúng là động cơ rất khói
- Hỗn hợp không khí, nhiên liệu bị rò rỉ ra ngoài qua cổng xả
2. Động cơ 4 kỳ
Động cơ 4 kỳ hoạt động với 4 hành trình của piston (2 chu kỳ piston) tương đương 2 vòng quay trục khuỷu để hoàn thành một chu trình công suất. Ở động cơ 4 kỳ, cấu tạo phức tạp hơn, cần có các van (xupap) để đóng mở cửa xả và cửa nạp. Động cơ 4 kỳ cũng có một hệ thống bôi trơn hoàn chỉnh, do đó các chi tiết bị mòn chậm hơn.
Ở động cơ 4 kỳ, mỗi một kỳ sẽ được thực hiện bởi một hành trình đầy đủ của piston. Về nguyên lý thì rất đơn giản, nhưng kết cấu lại phức tạp hơn động cơ 2 kỳ, cần phải có xupap, trục cam,…
Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ 4 kỳ (xăng) – trình bày đơn giản (chi tiết sẽ được trình bày trong một bài viết khác):
Kỳ 1 – Nạp: Piston đi từ ĐCT xuống ĐCD, xupap nạp mở, xupap xả đóng, hút hỗn hợp hòa khí vào xilanh.
Kỳ 2 – Nén: Piston đi từ ĐCD lên ĐCT, cả hai xupap nạp và xả đều đóng, hỗn hợp hòa khí được nén trong buồng đốt đến áp xuất cao.
Kỳ 3 – Nổ, sinh công: Cả hai xupap vẫn đang đóng, khi piston lên ĐCT – trong một vùng lân cận ĐCT, bugi bật tia lửa điện, đốt cháy hỗn hợp hòa khí bên trong, áp suất tăng nhanh trong buồng đốt, đẩy pisotn đi xuống từ ĐCT đến ĐCD.
Kỳ 4 – Xả: Piston đi từ ĐCD lên ĐCT, hỗn hợp đã cháy hoàn toàn được đẩy ra ngoài khi xupap xả mở, xupap nạp đóng, cuối hành trình xả, xupap nạp mở và chuẩn bị cho một chu trình công suất tiếp theo.
Ưu điểm của động cơ 4 kỳ:
- Nhiều mô-men xoắn hơn, động cơ êm hơn và đáng tin cậy hơn
- Tuổi thọ lớn hơn động cơ 2 kỳ
- Bạn không cần phải trộn dầu và nhiên liệu
- Chạy sạch hơn động cơ 2 kỳ, ít ô nhiễm hơn
- Tiết kiệm nhiên liệu hơn nhiều
Nhược điểm của động cơ 4 kỳ:
- Thiết kế phức tạp hơn
- Cơ cấu phối khí xupap thiết kế phức tạp, khó sửa chữa/khắc phục sự cố
- Công suất bằng một nửa so với động cơ 2 kỳ cùng cỡ (trên lý thuyết)
- Nhiều bộ phận hơn, sản xuất đắt hơn, sửa chữa đắt hơn động cơ 2 kỳ
- Do thiết kế phức tạp hơn nên những động cơ này nặng hơn nhiều
Tổng hợp so sánh động cơ 4 kỳ và động cơ 2 kỳ
