Trong lịch sử hào hùng của động cơ đốt trong, động cơ hai thì từng giữ một vị trí nổi bật với những đặc điểm độc đáo của chúng. Thiết kế đơn giản nhưng hiệu suất mạnh mẽ, chúng thống trị các lĩnh vực xe máy hạng nhẹ và xe đua. Tuy nhiên, khi các quy định về môi trường ngày càng nghiêm ngặt và công nghệ bốn thì phát triển, động cơ hai thì dần biến mất khỏi việc sử dụng chính. Điều gì đã làm cho những động cơ này trở nên đặc biệt? Chúng so sánh như thế nào với các đối tác bốn thì của chúng? Bài viết này khám phá các nguyên tắc, cấu trúc, sự phát triển và các ứng dụng tiềm năng trong tương lai của động cơ hai thì.
Tổng quan về Động cơ Hai thì
Như tên gọi, động cơ hai thì hoàn thành một chu kỳ công suất chỉ trong hai chuyển động của piston. So với động cơ bốn thì, thiết kế hai thì mang lại công suất đầu ra cao hơn ở cùng một dung tích, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi cấu trúc nhẹ và hiệu suất cao. Tuy nhiên, hiệu suất đốt cháy thấp hơn và lượng khí thải cao hơn đã hạn chế việc áp dụng rộng rãi của chúng trong các phương tiện hiện đại.
Phát triển lịch sử
Động cơ hai thì bắt nguồn từ cuối thế kỷ 19. Kỹ sư người Scotland Dugald Clerk đã thiết kế động cơ hai thì hoạt động đầu tiên vào năm 1879. Kỹ sư người Đức Karl Benz sau đó đã cải tiến khái niệm này và áp dụng nó trong các nguyên mẫu ô tô ban đầu. Tuy nhiên, phải đến đầu thế kỷ 20, động cơ hai thì mới trở nên phổ biến trong các ứng dụng xe máy. Cấu trúc đơn giản và chi phí sản xuất thấp đã khiến chúng trở thành nguồn năng lượng được ưa chuộng cho xe máy hạng nhẹ và tiết kiệm.
Nguyên tắc hoạt động
Động cơ hai thì hoạt động khác biệt về cơ bản so với thiết kế bốn thì. Trong khi động cơ bốn thì yêu cầu bốn chuyển động của piston để hoàn thành chu kỳ nạp, nén, đốt và xả, thì động cơ hai thì hoàn thành cả bốn quá trình chỉ trong hai kỳ:
- Kỳ thứ nhất (Chuyển động piston đi lên):
- Nạp: Piston đi lên tạo ra chân không trong hộp trục khuỷu, mở các cổng nạp để hút hỗn hợp nhiên liệu-không khí mới. Một số thiết kế kết hợp van lưỡi gà hoặc van quay để cải thiện hiệu quả nạp.
- Nén: Chuyển động đi lên liên tục nén hỗn hợp trong buồng đốt.
- Kỳ thứ hai (Chuyển động piston đi xuống):
- Đốt: Gần điểm chết trên, bugi đốt cháy hỗn hợp đã nén, đẩy piston đi xuống.
- Xả: Piston đi xuống trước tiên mở các cổng xả, cho phép khí đốt áp suất cao thoát ra.
- Quét: Chuyển động đi xuống xa hơn mở các cổng chuyển, buộc hỗn hợp mới từ hộp trục khuỷu vào xi lanh để loại bỏ khí thải còn lại. Thiết kế quét hiệu quả là rất quan trọng đối với hiệu suất động cơ.
Các thành phần và chức năng chính
Kiến trúc tương đối đơn giản của động cơ hai thì bao gồm một số thành phần thiết yếu:
- Xi lanh: Vỏ chính nơi chuyển động của piston diễn ra, có các cổng nạp, xả và chuyển.
- Piston: Thành phần chuyển động qua lại chuyển đổi năng lượng đốt thành chuyển động cơ học.
- Đầu xi lanh: Tạo thành buồng đốt và chứa bugi.
- Trục khuỷu: Chuyển đổi chuyển động piston tuyến tính thành lực quay.
- Thanh truyền: Liên kết piston với trục khuỷu.
- Hộp trục khuỷu: Hoạt động như một bình chứa dầu bôi trơn và thực hiện các chức năng nén trước.
- Bugi: Đốt cháy hỗn hợp đã nén.
- Hệ thống cung cấp nhiên liệu: Bộ chế hòa khí hoặc phun nhiên liệu để trộn không khí-nhiên liệu.
- Hệ thống xả: Quản lý việc thải khí và giảm tiếng ồn.
Phương pháp bôi trơn
Không giống như động cơ bốn thì có các-te dầu, thiết kế hai thì sử dụng các phương pháp bôi trơn thay thế:
- Bôi trơn trộn sẵn: Dầu trộn trực tiếp với nhiên liệu, đơn giản hơn nhưng kém hiệu quả hơn.
- Bôi trơn riêng biệt: Hệ thống phun dầu chuyên dụng để cải thiện khả năng bôi trơn.
Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm:
- Tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao hơn
- Cấu trúc cơ học đơn giản hơn
- Đặc tính tăng tốc vượt trội
Nhược điểm:
- Hiệu quả nhiên liệu kém
- Lượng khí thải cao hơn
- Khả năng bôi trơn kém
- Tuổi thọ hoạt động ngắn hơn
Tiến hóa công nghệ
Các kỹ sư đã phát triển một số cải tiến để giải quyết những hạn chế của hai thì:
- Van công suất: Thời gian cổng xả thay đổi để tối ưu hóa hiệu suất trên các dải vòng/phút.
- Van lưỡi gà: Cải thiện khả năng kiểm soát và hiệu quả nạp.
- Phun nhiên liệu trực tiếp: Cung cấp nhiên liệu chính xác để đốt cháy sạch hơn.
- Quét phân tầng: Giảm ô nhiễm hỗn hợp mới bởi khí thải.
Các ứng dụng hiện tại
Bất chấp những thách thức, động cơ hai thì vẫn tồn tại trong các ứng dụng chuyên biệt:
- Xe máy và xe tay ga dung tích nhỏ
- Động cơ ngoài boong biển
- Thiết bị làm vườn
- Xe đua
Triển vọng tương lai
Những tiến bộ trong công nghệ phun nhiên liệu, kỹ thuật quét và nhiên liệu thay thế có thể duy trì động cơ hai thì trong các ứng dụng thích hợp, nơi mật độ công suất và sự đơn giản của chúng vẫn còn lợi thế.
So sánh với Động cơ Bốn thì
| Đặc điểm |
Hai thì |
Bốn thì |
| Chu kỳ công suất |
Hai kỳ |
Bốn kỳ |
| Công suất trên trọng lượng |
Cao |
Thấp |
| Cấu trúc |
Đơn giản |
Phức tạp |
| Hiệu quả nhiên liệu |
Kém |
Tốt |
| Khí thải |
Cao |
Thấp |
| Bôi trơn |
Trộn sẵn/Phun |
Các-te |
| Tuổi thọ |
Ngắn |
Dài |
| Ứng dụng |
Xe hạng nhẹ, dụng cụ |
Ô tô, máy phát điện |
Động cơ hai thì đại diện cho một chương quan trọng trong lịch sử công nghệ đẩy. Mặc dù các mối quan tâm về môi trường đã làm giảm vai trò của chúng, nhưng sự đổi mới liên tục có thể bảo tồn sự phù hợp của chúng trong các lĩnh vực chuyên biệt, nơi những lợi thế độc đáo của chúng lớn hơn những hạn chế của chúng.
