Nhìn lại lịch sử thăng trầm của động cơ hai kỳ trong ngành ô tô

Trong quá khứ, động cơ hai kỳ từng có thời điểm được coi là một lựa chọn phổ biến cho các mẫu ô tô nhỏ gọn

Trong suốt lịch sử ngành ô tô, các kỹ sư đã thử nghiệm vô số cấu hình động cơ, và trong đó có loại thực tế, có loại chỉ mang tính thử nghiệm, thậm chí có loại khá táo bạo. Ví dụ, Honda từng nghiên cứu thay đổi hình dạng piston để nâng cao hiệu suất. Chrysler từng thử nghiệm công nghệ tuabin. Ford thậm chí đã cân nhắc ý tưởng ô tô chạy bằng năng lượng hạt nhân. Giữa nhiều hướng đi ấy, động cơ hai kỳ từng được coi là một công nghệ mang tính cách mạng cho ngành ô tô nhưng cuối cùng lại không đạt được kỳ vọng như mong đợi. Sau đây, chúng ta sẽ cùng nhìn lại lịch sử thăng trầm của loại động cơ mà ngày chủ yếu chỉ dùng cho xe máy và những dạng máy móc nhỏ gọn.

Nguồn gốc của động cơ hai kỳ

Khái niệm chu trình đốt hai kỳ đã có lịch sử hơn 200 năm. Năm 1879, nhà phát minh người Đức Carl Benz, sau này được biết đến như cha đẻ của ngành ô tô, đã chế tạo một động cơ xăng hai kỳ một xi lanh đặt tĩnh. Động cơ này được vận hành lần đầu tiên vào đêm giao thừa năm đó, và đặt nền móng cho những phát minh tiếp theo. Benz tiếp tục phát triển ý tưởng chế tạo một phương tiện gọn nhẹ với khung gầm và động cơ tích hợp, và đến năm 1886 ông đã nộp bằng sáng chế cho chiếc ô tô ba bánh chạy xăng đầu tiên.

Cùng thời gian này, kỹ sư người Scotland Dugald Clerk đã đăng ký sáng chế động cơ hai kỳ với cơ chế nén xi lanh vào năm 1881. So với động cơ bốn kỳ, thiết kế này đơn giản hơn, nhẹ hơn và có tỷ lệ công suất trên trọng lượng tốt hơn. Đây chính là những ưu điểm khiến động cơ hai kỳ đặc biệt phù hợp cho các phương tiện nhỏ gọn.

Ứng dụng sớm trên ô tô

Một trong những ví dụ đầu tiên về ô tô dùng động cơ hai kỳ là mẫu Aero Type 30 tại Tiệp Khắc trước Thế Chiến II. Xe được trang bị động cơ hai xi lanh hai kỳ dẫn động bánh trước, có thể đạt tốc độ tối đa 105 km/h. Hơn 8.000 chiếc đã được sản xuất trước khi ngừng vào năm 1947.

Tại Anh, hãng Berkeley Cars cũng sớm ứng dụng công nghệ này. Nổi tiếng với các mẫu xe siêu nhỏ, Berkeley thường sử dụng động cơ xe máy. Năm 1956, họ ra mắt mẫu Sports SA322 với động cơ hai xi lanh đặt ngang, công suất chỉ 15 mã lực. Tuy khiêm tốn, nhưng nhờ trọng lượng siêu nhẹ chỉ khoảng 274 kg, chiếc xe vẫn vận hành khá linh hoạt. Các phiên bản sau đó đã được cải tiến, nâng công suất lên 30 mã lực, gấp đôi so với bản gốc.

Tại Đức, Auto Union GmbH cũng đưa động cơ hai kỳ vào xe du lịch. Năm 1958, họ giới thiệu mẫu Auto Union 1000, một chiếc xe nhỏ gọn hạng sang sử dụng động cơ ba xi lanh hai kỳ, dung tích 981 cc, cho công suất 43 mã lực. Đáng chú ý, mẫu xe này còn đạt nhiều thành tích trong thể thao tốc độ, trong đó có chức vô địch National Rally Championship Nam Phi năm 1961.

Cách hoạt động của động cơ hai kỳ

Để hiểu rõ ưu điểm của động cơ hai kỳ, chúng ta cần so sánh với động cơ bốn kỳ truyền thống. Ở động cơ bốn kỳ, piston phải trải qua bốn giai đoạn nạp, nén, nổ và xả trong hai vòng quay trục khuỷu. Bugi đánh lửa mỗi hai vòng quay, nghĩa là một kỳ sinh công chỉ diễn ra sau bốn hành trình piston.

Trong khi đó, động cơ hai kỳ rút gọn toàn bộ chu trình chỉ còn hai hành trình piston. Khi piston đi lên, hỗn hợp khí và nhiên liệu được nén trong xi lanh đồng thời một lượng hỗn hợp mới được hút vào buồng trục khuỷu. Đến điểm chết trên, hỗn hợp bốc cháy, đẩy piston đi xuống tạo ra công suất. Khi piston hạ xuống, cửa xả mở ra để đẩy khí thải ra ngoài, đồng thời cửa quét cho phép hỗn hợp mới từ trục khuỷu đi vào xi lanh. Chu trình này lặp lại, tạo ra một kỳ sinh công cho mỗi vòng quay trục khuỷu.

Thiết kế này mang lại nhiều lợi thế như số chi tiết ít hơn, gọn nhẹ hơn, chi phí sản xuất thấp hơn. Tỷ lệ công suất trên trọng lượng vượt trội giúp xe nhẹ và mạnh mẽ so với dung tích tương đương của động cơ bốn kỳ. Trên lý thuyết, động cơ hai kỳ có thể cho công suất gần gấp đôi so với động cơ bốn kỳ cùng kích cỡ.

Tuy nhiên, hạn chế cũng rất rõ rệt bao gồm hiệu suất nhiên liệu kém, tiêu thụ dầu bôi trơn cao do dầu phải pha vào nhiên liệu, khí thải nhiều và nhiệt độ vận hành cao. Chính những điểm yếu này đã kìm hãm động cơ hai kỳ trong quá trình phát triển.

Sự phổ biến trong thập niên 1960–1970

Cho dù có nhược điểm, nhưng thập niên 1960 vẫn chứng kiến nhiều nhà sản xuất xe lớn thử nghiệm động cơ hai kỳ. Năm 1966, Daihatsu đã giới thiệu mẫu Fellow, một chiếc sedan nhỏ gọn với động cơ hai xi lanh làm mát bằng nước, dung tích 356 cc, công suất 23 mã lực. Xe nặng chỉ 515 kg và có cả phiên bản bán tải, xe van.

Tại Brazil, chiếc Malzoni GT cho thấy tiềm năng thể thao của động cơ hai kỳ. Dựa trên khung gầm rút ngắn của DKW Sonderklasse, xe sử dụng động cơ ba xi lanh hai kỳ và từng đạt nhiều thành công trên đường đua. Mazda cũng tham gia xu hướng này với mẫu xe kei Chantez đầu thập niên 1970, trang bị động cơ hai xi lanh 359 cc cho 35 mã lực, đủ để chiếc xe 490 kg đạt tốc độ tối đa 115 km/h.

Trong năm 1969, Subaru đã tham gia cuộc đua với mẫu R-2, một chiếc xe kei tí hon sử dụng chung động cơ hai kỳ 356 cc với mẫu xe tải Sambar. Phiên bản R-2 SS thể thao thậm chí còn được trang bị ống xả kép, tỉ số nén cao hơn và công suất mạnh mẽ hơn. Ở một thời điểm, ngay đến hãng Ford cũng từng thử nghiên cứu động cơ hai kỳ, nhưng cuối cùng chưa bao giờ đưa vào sản xuất thương mại.

Sự thoái trào

Động cơ hai kỳ quả thực có triển vọng, nhưng rốt cuộc nó không thể cạnh tranh bền vững với động cơ bốn kỳ. Các vấn đề về hiệu suất nhiên liệu và đặc biệt là khí thải đã trở thành rào cản lớn trong bối cảnh quy định môi trường ngày càng khắt khe từ thập niên 1970. Trong khi đó, động cơ bốn kỳ liên tục được cải tiến về độ bền, công suất và khả năng tiết kiệm nhiên liệu, khiến động cơ hai kỳ nhanh chóng bị loại bỏ khỏi lĩnh vực ô tô du lịch.

Kể từ đó, động cơ hai kỳ chủ yếu chỉ còn xuất hiện ở xe máy, mô tô địa hình, động cơ thuyền bè hoặc các loại máy chuyên dụng. Đến cuối thế kỷ 20, vai trò của nó trong ngành ô tô gần như đã chấm dứt hoàn toàn.

Di sản còn lại

Tuy thất bại trong việc trở thành loại động cơ chủ lực cho ô tô, nhưng động cơ hai kỳ vẫn để lại dấu ấn quan trọng trong lịch sử ngành công nghiệp vận tải thế giới. Nó chứng minh rằng sự đơn giản và nhỏ gọn có thể mang lại hiệu suất cao đáng kinh ngạc. Những bài học từ động cơ hai kỳ tiếp tục ảnh hưởng đến cách các kỹ sư tư duy về cân bằng giữa sức mạnh, trọng lượng và hiệu quả.

Ngày nay, ngành ô tô vẫn không ngừng khám phá những cấu hình mới. Ví dụ, Porsche đang nghiên cứu động cơ sáu kỳ, với sáu hành trình piston trong bảy chu trình, minh chứng rằng sáng tạo trong công nghệ động cơ vẫn chưa dừng lại.

Nói một cách khác, động cơ hai kỳ, một phát minh từng được kỳ vọng như một cuộc cách mạng, nay được nhớ đến như một ý tưởng táo bạo nhưng chưa hoàn thiện, một chương ngắn ngủi nhưng thú vị trong lịch sử ngành ô tô.

Duy Thành