Sơ đồ mô tả chu trình đốt lý tưởng của Carnot
Hỗn hợp không khí và nhiên liệu (thường được gọi là hoà khí) được đốt trong xi lanh của động cơ đốt trong. Khi đốt cháy nhiệt độ tăng làm cho khí đốt giãn nở tạo nên áp suất tác dụng lên một piston đẩy piston này di chuyển đi.
Có nhiều loại động cơ đốt trong khác nhau, một phần sử dụng các chu kì tuần hoàn khác nhau. Tuy vậy tất cả các động cơ đốt trong đều lặp lại trong một chu trình tuần hoàn chu kì làm việc bao gồm 4 bước: nạp, nén, nổ (đốt) và xả. Xả và nạp là hai bước dùng để thay khí thải bằng nhiên liệu mới (ví dụ hoà khí ở động cơ xăng, không khí ở động cơ diesel,...). Nén và nổ dùng để biến đổi năng lượng hoá học (đốt hỗn hợp không khí và nhiên liệu) thông qua nhiệt năng (nhiệt độ) và thế năng (áp suất) thành cơ năng (động năng trong chuyển động quay).
Động cơ bốn kỳ
Nguyên tắc hoạt động của động cơ bốn kỳ một xi lanh, với dòng di chuyển của nhiên liệu (màu vàng) và khí xả (màu xanh rêu đậm).
- Kỳ nạp: Kỳ thứ nhất bắt đầu khi piston ở vị trí điểm chết trên (ĐCT) và kết thúc khi piston ở điểm chết dưới (ĐCD). Trong kỳ thứ nhất (van nạp mở, van xả đóng), hỗn hợp không khí và nhiên liệu được "nạp" (hút) vào xi lanh trong lúc piston chuyển động từ ĐCT xuống ĐCD.
- Kỳ nén: Trong kỳ thứ hai (hai van đều đóng), piston nén hỗn hợp khí và nhiên liệu trong xi lanh khi chuyển động từ ĐCD lên ĐCT. Ở cuối kỳ thứ hai (piston ở tại ĐCT), hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt trong động cơ xăng bằng bộ phận đánh lửa gọi là bougie (bugi) hoặc tự bốc cháy trong động cơ diesel.
- Kỳ nổ: Hay còn gọi là kỳ đốt, kỳ sinh công. Trong kỳ thứ ba (các van vẫn tiếp tục được đóng), hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt cháy. Vì nhiệt độ tăng dẫn đến áp suất của hỗn hợp khí tăng, làm cho piston chuyển động từ ĐCT xuống ĐCD. Chuyển động tịnh tiến của piston được chuyển bằng thanh truyền đến trục khuỷu và được biến đổi thành chuyển động quay. Khi piston ở ĐCD (kết thúc kỳ nổ), van xả bắt đầu mở để chuẩn bị cho kỳ thứ tư, đồng thời giảm áp suất trong xi lanh gần bằng với áp suất xả.
- Kỳ xả: Trong kỳ thứ tư (van nạp đóng, van xả mở) piston chuyển động từ ĐCD lên ĐCT đẩy khí từ trong xi lanh qua ống xả thải ra môi trường. Kết thúc kỳ xả, van nạp bắt đầu mở, van xả đóng lại, chu trình lặp lại từ đầu.[51]
Chuyển động của piston ở kỳ thứ nhất, hai và bốn là nhờ vào năng lượng được tích trữ bởi bánh đà gắn ở trục khuỷu trong kỳ thứ ba (kỳ sinh công). Một động cơ bốn kỳ vì thế có góc đánh lửa là 720° tính theo góc quay của trục khuỷu tức là khi trục khuỷu quay 2 vòng thì mới có một lần đánh lửa. Có thêm nhiều xi lanh thì góc đánh lửa sẽ nhỏ đi, năng lượng đốt được đưa vào nhiều hơn trong hai vòng quay của trục khuỷu sẽ làm cho động cơ chạy êm hơn.
Do trong lúc khởi động chưa có đà nên trục khuỷu phải được quay từ bên ngoài bằng một thiết bị khởi động như dây (ở máy cưa, ca nô,...), cần khởi động (ở xe máy,...), tay quay khởi động (ở ô tô cổ, xe cải tiến, xe kéo nông nghiệp,...) hay một động cơ điện nhỏ (ở xe máy, ô tô,... hiện đại).
Việc thay thế khí thải bằng hỗn hợp khí mới được điều khiển bằng trục cam. Trục này được gắn với trục khuỷu, quay nhờ cơ cấu giảm tốc 1:2, đóng và mở các van trên đầu xi lanh của động cơ. Thời gian trục khuỷu đóng và mở các van được điều chỉnh sao cho van nạp và van xả được mở cùng một lúc trong một thời gian ngắn khi chuyển từ kỳ xả sang kỳ nạp. Khí thải thoát ra với vận tốc cao sẽ hút khí mới vào buồng đốt nhằm nạp khí mới vào xi lanh tốt hơn và tăng áp suất đốt.
Động cơ hai kỳ
Nguyên tắc hoạt động của động cơ hai kỳ
Động cơ hai kỳ không có các van nạp và van xả như động cơ bốn kỳ. Thay vào đó là các lỗ nạp và lỗ xả khí đặt trực tiếp trong thành xi lanh, được đóng–mở do chuyển động của piston.[71] Lỗ xả kiểm soát dòng khí nạp và khí xả khi piston ở gần điểm chết dưới (ĐCD). Chu trình cơ bản của động cơ hai kỳ như sau:[72]
- Kỳ nén: Bắt đầu khi piston ở vị trí gần điểm chết trên (ĐCT), đóng lỗ nạp và lỗ xả. Khi đó, piston nén hỗn hợp hòa khí bên trong xi lanh và đồng thời nạp hòa khí mới vào buồng đốt (cac-te). Khi piston đến vị trí ĐCT, quá trình nổ diễn ra.
- Kỳ nổ: Hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt cháy ở nhiệt độ cao và áp suất cao. Hỗn hợp khí giãn nở thể tích, làm đẩy piston chuyển động từ ĐCT xuống ĐCD. Khi piston gần đến ĐCD, lỗ xả và lỗ nạp được mở ra. Phần lớn lượng khí cháy thoát ra khỏi xi lanh; đồng thời, lượng hòa khí mới được nén ở buồng đốt, di chuyển vào xi lanh. Hình dạng thiết kế của piston và lỗ nạp–xả được thiết kế sao cho khí nạp không bị hút trực tiếp vào lỗ xả để đạt hiệu quả quét khí xả cao nhất.
Trong động cơ hai kỳ, mỗi chu trình quay của trục khuỷu sẽ có một kỳ sinh công. Về mặt lý thuyết, động cơ hai kỳ có công suất cao gấp đôi so với động cơ bốn kỳ trong cùng điều kiện như dung tích xi lanh, tốc độ piston v.v. Tuy nhiên, việc nạp hòa khí vào đầy dung tích xi lanh rất khó thực hiện; đồng thời, một lượng hòa khí mới sẽ bị thoát ra ngoài theo khí xả trong quá trình quét khí. Ngoài ra, trong xi lanh luôn tồn chứa một lượng khí sót của quá trình nổ; lượng khí sót này giảm hiệu suất của kỳ nổ. Do vậy, trong thực tế, hiệu suất của động cơ hai kỳ không thể cao gấp đôi so với động cơ bốn kỳ.[71][72]
So sánh động cơ hai kỳ và bốn kỳ
Ưu điểm của động cơ hai kỳ:
- Động cơ hai kỳ có mật độ năng lượng lớn hơn vì tạo ra công trong mỗi một vòng quay của trục khuỷu. Tỉ số công suất trên khối lượng động cơ[lower-alpha 30] của động cơ hai kỳ cao hơn so với động cơ bốn kỳ. Với cùng dung tích xi lanh, công suất động cơ hai kỳ tạo ra có thể cao hơn từ 1,4 đến 1,6 lần so với động cơ bốn kỳ.[73]
- Do không sử dụng các xu páp nạp–xả, động cơ hai kỳ có thể hoạt động ở tốc độ cao hơn động cơ bốn kỳ với cùng kích thước động cơ.[74]
- Các động cơ hai kỳ có thể được chế tạo đơn giản và rẻ tiền hơn vì ngược với động cơ bốn kỳ, loại động cơ này không cần có bộ phận điều khiển van.
Nhược điểm của động cơ hai kỳ:
- Nhiên liệu dùng cho động cơ hai kỳ là hỗn hợp giữa xăng và dầu nhờn. Dầu nhờn có nhiệm vụ bôi trơn thành xi lanh khi piston chuyển động tịnh tiến. Hiệu năng cháy của hỗn hợp nhiên liệu này thấp hơn so với xăng khi không có dầu nhờn. Ngoài ra, một phần hỗn hợp không khí và nhiên liệu không được đốt trong lúc đẩy khí thải thoát ra ngoài.[71] Điều này có thể được khắc phục nhờ bộ phận phun nhiên liệu trực tiếp (ví dụ như ở động cơ diesel).
- Do mỗi vòng quay của piston đều có kỳ nổ, nên nhiệt độ động cơ hai kỳ nóng hơn, dẫn đến giảm độ bền động cơ.[75]
- Các động cơ hai kỳ không có được công suất như động cơ bốn kỳ ngày nay vì khác với động cơ hai kỳ chúng đã không được tiếp tục cải tiến nữa và đã bị động cơ bốn kỳ đẩy lùi do tốn nhiên liệu hơn và vì có khí thải xấu hơn.
Ứng dụng
Động cơ hai kỳ được sử dụng phần lớn ở các ứng dụng mà giá thành động cơ và mật độ năng lượng được ưu tiên hơn tiêu thụ nhiên liệu và bảo vệ môi trường. Trước tiên là cho những động cơ có dung tích nhỏ như ở các loại xe gắn máy nhỏ, máy cưa cầm tay, máy cắt cỏ, bơm nước loại nhỏ,[71] mô hình có động cơ, trong thể thao đua mô tô và các động cơ cho tàu thuỷ.
