Tại sao động cơ cần nhiều xi lanh
Một động cơ tốt khi hoạt động phải êm ái, ít rung và ít gây ồn. Những đặc tính này
cũng giúp động cơ hoạt động ổn định hơn ở số vòng quay lớn, gia tăng tốc độ
vòng quay tối đa của động cơ, qua đó nâng cao công suất của động cơ.
Tính êm dịu của động cơ phụ thuộc nhiều vào hình dạng, kết cấu cơ bản của động
cơ, số xy-lanh, cách bố trí xy-lanh (thẳng hàng, chữ V hoặc đối xứng ngang) và
góc bố trí (đối với động cơ chữ V). Nếu một kết cấu ít ưu điểm (về mặt êm dịu)
được lựa chọn sử dụng, thông thường là vì tính nhỏ gọn hoặc vì lý do kinh tế, đối
trọng hoặc trục cân bằng có thể được sử dụng để khử dao động, nhưng mặc hạn
chế của nó là làm tiêu hao mất một phần công suất động cơ.
Việc gia cố thân máy, trục khuỷu, v.v..có thể khử một phần nào đó sự rung động
và tiếng ồn của động cơ. Sau cùng, sử dụng các chi tiết chịu ma sát tốt có thể nâng
cao hơn nữa khả năng vận hành trơn tru và êm ái của động cơ.
Phân bổ lực
Đối với động cơ 4 kỳ, một xy-lanh cần 720 độ góc quay của trục khuỷu (2 vòng)
để thực hiện một chu trình. Nói cách khác, khi trục khuỷu quay 2 vòng thì chu
trình cháy diễn ra một lần. Chỉ có 1 kỳ sinh công (kỳ nổ) tạo ra công có ích, trong
khi đó, kỳ nạp, kỳ thải, kỳ nén lại tiêu tốn công, đặc biệt là kỳ nén. Do đó, động cơ
một xy-lanh sinh ra công ở dạng xung tuần hoàn.
Muốn phân bổ lực kéo đồng đều, động cơ phải sử dụng một bánh đà nặng nhằm
tận dụng quán tính để giữ cho động cơ quay đều ở tốc độ không đổi. Và dĩ nhiên,
bánh đà càng nặng thì lực được phân bổ càng đều, nhưng nó cũng làm cho động cơ
kém nhạy hơn, khó điều khiển hơn. Vì vậy sự rung động của động cơ không thể
được loại trừ hoàn toàn bằng một bánh đà lớn.
Đó cũng là lý do mà chúng ta cần các loại động cơ nhiều xy-lanh. Trong khi động
cơ một xy-lanh, mỗi một kỳ nổ ứng với hai vòng quay trục khuỷu; với động cơ 2
xy-lanh, một kỳ nổ chỉ ứng với một vòng quay trục khuỷu; động cơ 3 xy-lanh một
kỳ nổ chỉ ứng với 720độ/3 = 240 độ góc quay của trục khuỷu; động cơ 4 xy-lanh
cứ 180 độ góc quay trục khuỷu (1/4 chu kỳ) sẽ có một kỳ nổ…Và chỉ với mỗi 60
độ góc quay của trục khuỷu, động cơ 12 xy-lanh đã có một kỳ nổ. Rõ ràng, động
cơ có số xy-lanh càng nhiều thì công suất sinh ra càng đều.
Điều này giải thích tại sao chúng ta vẫn ưu chuộng động cơ V12 hơn động cơ 6
xy-lanh bố trí thẳng hàng, mặt dù cả hai loại này đều đạt đến độ cân bằng gần như
hoàn hảo.
Nguyên nhân gây ra dao động
Trên thực tế, dao động không chỉ xảy ra theo phương thẳng đứng. Vì thanh truyền
không chỉ chuyển động lên xuống mà nó còn chuyển động sang trái và sang phải,
nên dao động còn có thể xảy ra theo phương ngang. Tuy nhiên, nếu đem so sánh
với piston, khối lượng của thanh truyền nhẹ hơn nhiều, vì vậy 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 xy-lanh, còn động cơ nhiều xy-lanh thì còn rắc rối hơn
nhiều so với những gì mà chúng ta tưởng tượng.
Động cơ 2 xy-lanh thẳng hàng
Vì động cơ nổ một lần ứng với mỗi vòng quay (720/2 = 360 độ góc quay trục
khuỷu), 2 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,...vv. 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 cấu hình 2
xy-lanh, nhưng thực tế động cơ này vẫn có thiết kế 3 xy-lanh hoặc thậm chí 4 xy-
lanh để tránh vấn đề dao động của loại 2 xy-lanh.
Động cơ 3 xy-lanh 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 3 xy-lanh cần có trục cân bằng?
Trên thực tế, tính toán như vậy là sai vì các lực tác động lên ba điểm khác nhau
trên trục khuỷu, thay vì triệt tiêu lẫn nhau, chúng làm cho trục khuỷu dao động ở
hai đầu, đầu nọ đến đầu kia.
Động cơ 4 xy-lanh thẳng hàng
Như đã biết, một động cơ 4 xy-lanh thẳng hàng cần phải có hai trục cân bằng quay
ở vận tốc gấp đôi vận tốc của trục khuỷu để giảm dao động. Khác rất nhiều so với
động cơ 3 xy-lanh, động cơ 3 xy-lanh chỉ cần một trục cân bằng quay cùng vận tốc
với trục khuỷu. Và dĩ nhiên, dao động do động cơ 4 xy-lanh thẳng hàng sinh ra
cũng không giống với động cơ 3 xy-lanh.
Động cơ đối xứng ngang (Boxer)
Như đã thấy, bất kể trục khuỷu quay như thế nào, động cơ 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 đối xứng ngang sẽ là sự lựa
chọn tối ưu nhất). Ngược lại, với động cơ 4 xy-lanh thẳng hàng, khi trục khuỷu
quay một góc nào đó, piston ở gần điểm chết trên đi được một quãng đường lớn
hơn so với quãng đường mà piston gần điểm chết dưới đi được. 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 thấy hai quãng đường là khác nhau nên động lực cũng khác nhau, do đó dao
động bị triệt tiêu hoàn toàn là điều không thể.
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. Có điều, các nhà sản xuất vẫn ưa thích động cơ 4 xy-
lanh thẳng hàng vì ưu điểm về giá thành cũng như kích thước gọn nhẹ của nó. Từ
những năm 80, các kỹ sư ô tô đã nhận thấy rằng các động cơ 4 xy-lanh thẳng hàng
có dung tích trên 2 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. Sau đó 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.
Để khử dao động cần có 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 4 xy-
lanh 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.
