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). ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tại sao động cơ cần nhiều xi lanh Tại sao động cơ cần nhiều xi lanhMột động cơ tốt khi hoạt động phải êm ái, ít rung và ít gây ồn. Những đặc tính nàycũng giúp động cơ hoạt động ổn định hơn ở số vòng quay lớn, gia tăng tốc độvòng 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 độngcơ, số xy-lanh, cách bố trí xy-lanh (thẳng hàng, chữ V hoặc đối xứng ngang) vàgóc 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, đốitrọng hoặc trục cân bằng có thể được sử dụng để khử dao động, nhưng mặc hạnchế 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 n ào đó sự rung độngvà tiếng ồn của động cơ. Sau cùng, sử dụng các chi tiết chịu ma sát tốt có thể nângcao hơn nữa khả năng vận hành trơn tru và êm ái của động cơ.Phân bổ lựcĐối 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 chutrình cháy diễn ra một lần. Chỉ có 1 kỳ sinh công (kỳ nổ) tạo ra công có í ch, trongkhi đó, kỳ nạp, kỳ thải, kỳ nén lại tiêu tốn công, đặc biệt là kỳ nén. Do đó, động cơmột 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 nhằmtận 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 cơkém nhạy hơn, khó điều khiển hơn. Vì vậy sự rung động của động cơ không thểđược 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 độngcơ một xy-lanh, mỗi một kỳ nổ ứng với hai vòng quay trục khuỷu; với động cơ 2xy-lanh, một kỳ nổ chỉ ứng với một vòng quay trục khuỷu; động cơ 3 xy-lanh mộtkỳ nổ chỉ ứng với 720độ/3 = 240 độ góc quay của trục khuỷu; động cơ 4 xy-lanhcứ 180 độ góc quay trục khuỷu (1/4 chu kỳ) sẽ có một kỳ nổ…V à chỉ với mỗi 60độ góc quay của trục khuỷu, động cơ 12 xy-lanh đã có một kỳ nổ. Rõ ràng, độngcơ 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 6xy-lanh bố trí thẳng hàng, mặt dù cả hai loại này đều đạt đến độ cân bằng gần nhưhoàn hảo.Nguyên nhân gây ra dao độngTrên thực tế, dao động không chỉ xảy ra theo phương thẳng đứng. Vì thanh truyềnkhông 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 sánhvới piston, khối lượng của thanh truyền nhẹ hơn nhiều, vì vậy dao động theophương ngang gây ra do sự di chuyển qua lại của thanh truyền là nhỏ hơn nhiều sovới 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 hơnnhiều so với những gì mà chúng ta tưởng tượng.Động cơ 2 xy-lanh thẳng hàngVì động cơ nổ một lần ứng với mỗi vòng quay (720/2 = 360 độ góc quay trụckhuỷu), 2 piston chuyển động hoàn toàn giống nhau về chiều lẫn vị trí. Điều nàycó nghĩa là dao động tổng cộng có độ lớn gấp đôi dao động do một xy-lanh sinhra. 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 minirẻ nhất trước đây mới sử dụng, ví dụ như Fiat 128, Fiat Cinquecento và HondaToday,...vv. Ngày nay, có lẽ không còn mẫu xe sản xuất với số lượng lớn nào sửdụng loại động cơ này, ngay cả loại xe nhỏ nhất của Nhật là K-cars. Mặc dù dungtích xy-lanh của K-cars chỉ có 660cc và trên lý thuyết là thích hợp với cấu hình 2xy-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 hàngĐộng 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 bapiston 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 sinhra theo phương đứng cũng như theo phương ngang. Vậy tại sao chúng ta vẫn ngherằng 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 nhautrên trục khuỷu, thay vì triệt tiêu lẫn nhau, chúng làm cho trục khuỷu dao động ởhai đầu, đầu nọ đến đầu kia.Động cơ 4 xy-lanh thẳng hàngNhư đã biết, một động cơ 4 xy-lanh thẳng hàng cần phải có hai trục cân bằng quayở vận tốc gấp đôi vận tốc của trục khuỷu để giảm dao động. Khác rất nhiều so vớiđộng cơ 3 xy-lanh, động cơ 3 xy-lanh chỉ cần một trục cân bằng quay cùng vận tốcvới trục khuỷu. Và dĩ nhiên, dao động do động cơ 4 xy-lanh thẳng hàng sinh racũng 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 cócác cặp piston ở các vị trí đối xứng, chuyển động cùng vận tốc và ngược hướngnhau, do đó tất cả các lực sinh ra đều được triệt tiêu lẫn nhau. (Nếu không vì vấnđề giá thành và đòi hỏi về tính nhỏ gọn, thì động cơ đối xứng ngang sẽ là sự lựachọn tối ưu nhất). Ngược lại, với động cơ 4 xy-lanh thẳng hàng, khi trục khuỷuquay một góc nào đó, piston ở gần điểm chết trên đi được một quãng đường lớnhơn so với quãng đường mà piston gần điểm chết dưới đi được. Vì động lực theophương phương thẳng đứng được tính bằng quãng đường đi được của piston nhâncho khối lượng piston và chia cho thời gian thực hiện quãng đường, chúng ta cóthể thấy hai quãng đường là khác nhau nên động lực cũng khác nhau, do đó daođộng bị triệt tiêu hoàn toàn là điều không thể.Giải pháp hai trục cân bằngHành trình piston càng dài, piston và thanh truyền càng nặng thì dao động sinh rabởi lực quán tính càng lớn. Có đ ...