Đa số các động cơ trên xe ô tô hiện nay đều sử dụng nhiều xilanh và số xilanh thường là số chẵn. Vậy yếu tố nào để các nhà sản xuất xe hơi lại lựa chọn như thế? Một trong các yếu tố chính đó là sự dao động trong động cơ (yếu tố quyết định đến việc tại sao số xilanh thường là số chẵn). Hãy cùng tìm hiểu nguyên nhân gây ra dao động trong động cơ ở bài viết dưới đây.
Trên thực tế, dao động không chỉ xảy ra theo phương thẳng đứng. Vì thanh truyền không chỉ chuyển động với phương lên xuống mà nó còn chuyển động sang trái và sang phải.
- Do đó, dao động còn có thể xảy ra theo phương ngang.
Tuy nhiên, nếu so sánh với piston, khối lượng của thanh truyền lại nhẹ hơn rất nhiều. Chính vì thế, dao động theo phương ngang gây ra do sự di chuyển qua lại của thanh truyền là nhỏ hơn nhiều so với dao động theo phương đứng gây ra bởi piston.
- Đó là đối với động cơ một xilanh, còn động cơ nhiều xilanh thì rắc rối hơn nhiều so với những gì mà chúng ta tưởng tượng.
1. Động cơ hai xilanh thẳng hàng:
Vì động cơ nổ một lần ứng với mỗi vòng quay (720/2 = 360 độ góc quay trục khuỷu), nên hai piston chuyển động hoàn toàn giống nhau về chiều lẫn vị trí.
- Điều này có nghĩa là dao động tổng cộng có độ lớn gấp đôi dao động do một xy-lanh sinh ra.
- Phương của dao động chủ yếu là phương chuyển động lên xuống của piston.
Đây là loại động cơ có cấu hình kém ổn định nhất, do đó chỉ có những loại xe mini rẻ nhất trước đây mới sử dụng (ví dụ như Fiat 128, Fiat Cinquecento và Honda, Today,…).
- Ngày nay, có lẽ không còn mẫu xe sản xuất với số lượng lớn nào sử dụng loại động cơ này, ngay cả loại xe nhỏ nhất của Nhật là K-cars.
Mặc dù dung tích xy-lanh của K-cars chỉ có 660cc và trên lý thuyết là thích hợp với việc sử dụng động cơ hai xilanh.
- Thực tế động cơ này vẫn có thiết kế ba xilanh hoặc thậm chí bốn xilanh để tránh vấn đề dao động của loại động cơ hai xilanh.
2. Động cơ ba xilanh thẳng hàng:
Động cơ đốt cháy một lần ứng với mỗi 240 (độ) góc quay của trục khuỷu (720/3 = 240). Có vẻ như bất kể trục khuỷu quay như thế nào, trọng tâm kết hợp của cả ba piston và thanh truyền sẽ giữ nguyên ở một vị trí, do đó không sinh ra dao động.
Sử dụng các phép tích toán học, chúng ta cũng có thể nhận thấy không có lực sinh ra theo phương đứng cũng như theo phương ngang. Vậy tại sao chúng ta vẫn nghe rằng động cơ ba xilanh cần có trục cân bằng?
- Trên thực tế, tính toán như vậy là chưa hợp lí bởi vì do các lực tác động lên ba điểm khác nhau trên trục khuỷu, thay vì triệt tiêu lẫn nhau thì chúng làm cho trục khuỷu dao động ở hai đầu, đầu nọ đến đầu kia.
3. Động cơ bốn xilanh thẳng hàng:
Như đã biết, một động cơ bốn xilanh thẳng hàng cần phải có hai trục cân bằng quay ở vận tốc gấp đôi với vận tốc của trục khuỷu để giảm dao động. Khác rất nhiều so với động cơ ba xilanh, bởi vì động cơ ba xilanh chỉ cần một trục cân bằng quay cùng vận tốc với trục khuỷu.
- Dĩ nhiên, dao động do động cơ bốn xilanh thẳng hàng sinh ra cũng không giống với động cơ ba xilanh thẳng hàng.
4. Động cơ đối xứng ngang (Boxer):
Bất kể trục khuỷu quay như thế nào, động cơ Boxer đối xứng ngang luôn có các cặp piston ở các vị trí đối xứng, chuyển động cùng vận tốc và ngược hướng nhau. Do đó, tất cả các lực sinh ra đều được triệt tiêu lẫn nhau.
- Nếu không vì vấn đề giá thành và đòi hỏi về tính nhỏ gọn thì động cơ Boxer đối xứng ngang sẽ là sự lựa chọn tối ưu nhất.
Ngược lại với động cơ bốn xilanh thẳng hàng, khi trục khuỷu quay một góc nào đó, piston ở gần điểm chết trên sẽ đi được một quãng đường lớn hơn so với quãng đường mà piston đến gần điểm chết dưới.
- Vì động lực theo phương phương thẳng đứng được tính bằng quãng đường đi được của piston nhân cho khối lượng piston và chia cho thời gian thực hiện quãng đường.
Chúng ta có thể nhận thấy hai quãng đường là khác nhau nên động lực đòi hỏi cũng phải khác nhau, do đó dao động bị triệt tiêu hoàn toàn là điều không thể.
5. Giải pháp hai trục cân bằng:
Hành trình piston càng dài, piston và thanh truyền càng nặng thì dao động sinh ra bởi lực quán tính càng lớn. Tuy nhiên, các nhà sản xuất vẫn ưa thích động cơ bốn xilanh thẳng hàng vì ưu điểm về giá thành cũng như kích thước gọn nhẹ của nó.
a. Đôi nét về động cơ sử dụng trục cân bằng:
Từ những năm 80, các kỹ sư ô tô đã nhận thấy rằng các động cơ bốn xilanh thẳng hàng có dung tích trên hai lít sẽ hoạt động tốt hơn khi lắp thêm hai trục cân bằng để triệt tiêu dao động. Mặc dù, việc gia cố thân máy, sử dụng giá thủy lực và piston có khối lượng nhẹ có thể khắc phục được nhược điểm trên, nhưng phát triển theo hướng tiếp tục cải tiến đã cho ra đời nhiều kiểu động cơ có dung tích trên 2 lít sử dụng trục cân bằng.
Trục cân bằng do một chuyên gia ô tô người Anh, ông Frederick Lanchester, phát minh vào đầu thế kỷ 20. Mitsubishi đã sở hữu được bằng sáng chế và đưa vào sản xuất hàng loạt trong năm 1976 với chiếc Colt Celeste 2000.
- Fiat cũng sử dụng nó cho sê-ri động cơ Lamda, bao gồm cả Delta HF 1.6L và Croma, Lancia.
- Trong thời gian đó, Saab 9000 và Porsche 994 cũng đã áp dụng phát minh này.
Tất cả các động cơ sử dụng trục cân bằng này đều do Mitsubishi nhượng quyền sản xuất.
b. Khử dao động bằng trục cân bằng:
Để khử dao động cần sử dụng một cặp trục cân bằng được dẫn động từ động cơ, quay ngược chiều nhau và với vận tốc gấp đôi vận tốc của trục khuỷu. Đối trọng trên trục cân bằng sẽ khử lực cấp II, từ đó động cơ quay êm hơn.
- Việc sử dụng hai trục cân bằng thay vì chỉ một trục lớn là do dao động của động cơ hầu hết theo phương đứng.
- Hai trục quay ngược nhau có thể khử các lực ngang của nhau, do vậy lực theo phương đứng còn lại sẽ có tác dụng khử dao động.
Nếu không có hai trục cân bằng, Porsche sẽ không thể chế tạo các động cơ bốn xilanh thẳng hàng dung tích 3L trang bị cho mẫu xe 944 S2 và 968 (Đây là loại động cơ 4 xy-lanh thẳng hàng lớn nhất trong số các loại xe tân tiến hiện nay).
