Cấu Hình Động Cơ: Động Cơ Thẳng Hàng, Chữ V và Động Cơ Phẳng

Vào buổi bình minh của thế kỷ 20, khi kỹ thuật ô tô đang phát triển với tốc độ chóng mặt, một động cơ 10 lít có thể là loại đơn xi-lanh hoặc chẳng hạn như động cơ thẳng hàng 8 xi-lanh. Hồi đó, chẳng ai bận tâm đến động cơ thẳng hàng 6 xi-lanh dung tích 23 lít hay động cơ máy bay hướng kính 7 xi-lanh được lắp vào xe hơi.

Khi sản xuất hàng loạt mở rộng quy mô và áp lực chi phí ngày càng tăng, mọi thứ dần đi vào khuôn khổ. Động cơ đơn xi-lanh trở thành dĩ vãng. Ngày nay, dung tích xi-lanh trung bình trong một động cơ ô tô thông thường nằm trong khoảng 300 đến 600 cm khối, với công suất riêng dao động từ khoảng 35 mã lực/lít ở động cơ diesel hút khí tự nhiên đến 100 mã lực/lít ở động cơ xăng hiệu suất cao. Đây là những thông số tối ưu cho sản xuất đại trà — vượt ra ngoài phạm vi này đơn giản là không kinh tế.

Vậy bức tranh động cơ hiện đại trông như thế nào? Nói chung:

• Động cơ 100 mã lực thường có bốn xi-lanh
• Động cơ 200 mã lực thường có bốn, năm hoặc sáu xi-lanh
• Động cơ 300 mã lực thường dùng tám xi-lanh

Nhưng các xi-lanh đó thực sự có thể được bố trí như thế nào? Các kỹ sư có những lựa chọn bố cục nào khi thiết kế động cơ nhiều xi-lanh? Hãy cùng phân tích.

Động Cơ Thẳng Hàng: Đơn Giản Nhưng Ngày Càng Kém Thực Dụng

Câu hỏi hàng đầu trong tâm trí của bất kỳ nhà thiết kế động cơ nào là làm thế nào để đơn giản hóa thiết kế — giữ chi phí sản xuất thấp và việc bảo dưỡng dễ dàng. Về mặt này, động cơ thẳng hàng (inline) chiếm ưu thế tuyệt đối. Các xi-lanh được bố trí thành một hàng duy nhất, và việc tăng dung tích đơn giản như việc thêm xi-lanh.

Dưới đây là cách các biến thể động cơ thẳng hàng phân chia trong thực tế:

• Động cơ 2 và 3 xi-lanh tương đối hiếm trên ô tô, dù loại 2 xi-lanh đang trở lại nhờ hệ thống phun nhiên liệu tiên tiến và tăng áp — điển hình là động cơ 2 xi-lanh tăng áp 85 mã lực trên chiếc Fiat 500.
• Động cơ 4 xi-lanh thẳng hàng là trụ cột của thế giới xe du lịch, bao trùm dung tích từ 1,0 đến 2,4 lít.
• Động cơ 5 xi-lanh thẳng hàng là phát triển tương đối gần đây hơn. Mercedes-Benz tiên phong với động cơ diesel 5 xi-lanh vào năm 1974 (model 300D trên nền tảng W123), tiếp theo là động cơ xăng 5 xi-lanh 2 lít của Audi ra đời hai năm sau, rồi Volvo và Fiat gia nhập vào cuối thập niên 1980.
• Động cơ 6 xi-lanh thẳng hàng, từ lâu là lựa chọn yêu thích của châu Âu nhờ độ êm ái, ngày càng trở nên hiếm hơn. Người anh em dài hơn của nó, động cơ thẳng hàng 8 xi-lanh, thực chất đã bị từ bỏ từ những năm 1930.

Lý do của xu hướng này rất đơn giản: càng thêm xi-lanh, động cơ càng dài — và điều đó tạo ra những vấn đề nghiêm trọng về bố trí không gian. Chẳng hạn, việc đặt ngang một động cơ 6 xi-lanh thẳng hàng vào khoang động cơ dẫn động cầu trước chỉ thực hiện được trong một số ít trường hợp: chiếc Austin Maxi 2200 (đòi hỏi hộp số phải được nhét gọn bên dưới động cơ) và chiếc Volvo S80 với hộp số siêu nhỏ gọn.

Động Cơ Chữ V và Động Cơ Phẳng: Nhỏ Gọn Nhưng Phức Tạp

Vậy làm thế nào để rút ngắn một động cơ thẳng hàng? Giải pháp thanh lịch: chia đôi, đặt hai nửa cạnh nhau, và dùng cả hai để dẫn động một trục khuỷu duy nhất. Đó chính là bản chất của động cơ chữ V.

Các cấu hình động cơ chữ V phổ biến nhất sử dụng góc 60° hoặc 90° giữa hai dãy xi-lanh. Nếu mở rộng góc đó đến 180° — các xi-lanh chỉ thẳng ra hai phía đối diện nhau — ta có động cơ phẳng, còn được gọi là động cơ boxer (từ đó có các ký hiệu B2, B4, B6).

Những đánh đổi so với động cơ thẳng hàng là đáng kể:

• Hai nắp xi-lanh — mỗi cái có gioăng và ống dẫn riêng
• Nhiều trục cam hơn và bố trí dẫn động xupáp phức tạp hơn
• Chiều rộng lớn hơn (đặc biệt với động cơ phẳng), hạn chế vị trí lắp đặt
• Chi phí sản xuất cao hơn và việc bảo dưỡng phức tạp hơn

Vì những nhược điểm này, động cơ phẳng chỉ được sử dụng bởi một số ít nhà sản xuất — nổi bật nhất hiện nay là Porsche và Subaru.

Còn việc làm cho động cơ chữ V nhỏ gọn hơn bằng cách thu hẹp góc xuống dưới 60° thì sao? Điều đó đã được thực hiện — chiếc Lancia Fulvia thập niên 1970 sử dụng động cơ V4 với góc chỉ 23°. Nhưng có một vấn đề: góc càng hẹp, động cơ càng khó cân bằng. Điều này dẫn chúng ta đến một trong những thách thức quan trọng nhất trong thiết kế động cơ.

Rung Động Cơ: Lực, Mô-men Xoắn và Cách Kiểm Soát Chúng

Không có động cơ đốt trong piston nào hoàn toàn không có rung động — đó là đặc tính vốn có của thiết kế. Nhưng kiểm soát rung động là điều cốt lõi, không chỉ vì sự thoải mái của hành khách. Rung động mất cân bằng nghiêm trọng có thể phá hủy vật lý các bộ phận động cơ, với tất cả những hậu quả thảm khốc khi các bộ phận văng ra ở tốc độ cao.

Rung động cơ đến từ đâu? Có ba nguồn chính:

• Khoảng cách đánh lửa không đều — trong một số cấu hình động cơ, các kỳ nổ không kích hoạt ở các khoảng cách hoàn toàn đều nhau, tạo ra gợn mô-men xoắn. Bánh đà nặng hơn có thể giúp làm mịn điều này.
• Lực quán tính piston — khi piston tăng tốc lên và giảm tốc ở điểm chết trên (và ngược lại ở điểm chết dưới), chúng tạo ra lực quán tính tương tự cảm giác khi xe phanh hoặc tăng tốc.
• Hình học thanh truyền — thanh truyền không di chuyển theo đường thẳng và chuyển động của piston không phải là hình sin hoàn hảo, điều này tạo ra các thành phần lực bổ sung ở bội số của tốc độ trục khuỷu.

Các lực quán tính bậc cao này thường không đáng kể — ngoại trừ lực bậc hai, hoạt động ở tần số gấp đôi trục khuỷu và phải luôn được tính đến. Khi các lực quán tính ở các xi-lanh liền kề tác động theo hướng ngược nhau ở một khoảng cách cố định, chúng cũng tạo ra mô-men xoắn đôi, làm tăng thêm một lớp phức tạp.

Các kỹ sư có hai công cụ chính để chống lại các lực này:

• Chọn cấu hình cân bằng vốn có — bố trí các xi-lanh và chốt khuỷu sao cho các lực và mô-men xoắn tự triệt tiêu nhau.
• Thêm trục cân bằng — các trục phụ có đối trọng quay ngược chiều với trục khuỷu, tạo ra các lực bằng nhau và ngược chiều. Điều này làm tăng chi phí và độ phức tạp cơ học nhưng có thể triệt tiêu hoàn toàn các chế độ rung động có vấn đề.

Trong tất cả các bố cục động cơ phổ biến, chỉ có hai loại về lý thuyết hoàn toàn cân bằng: động cơ 6 xi-lanh thẳng hàng và động cơ phẳng 6 xi-lanh. Đây chính xác là lý do tại sao BMW và Porsche bám chặt vào những cấu hình này — và tại sao những hãng khác miễn cưỡng từ bỏ chúng dù gặp phải những thách thức về không gian bố trí.

Cân Bằng Động Cơ Theo Cấu Hình: Hướng Dẫn Thực Tế

Hãy xem xét cách mỗi cấu hình động cơ chính hoạt động trong thực tế về mặt rung động và cân bằng.

Động cơ thẳng hàng 2 xi-lanh (các chốt khuỷu cùng chiều) hoạt động tương tự như động cơ đơn xi-lanh về mặt cân bằng — cả hai piston lên xuống cùng pha. Chiếc Oka của Nga sử dụng hai trục cân bằng quay ngược chiều để xử lý lực quán tính bậc nhất, nhưng lực bậc hai không được kiểm soát. Thêm hai trục cân bằng nữa sẽ hoàn toàn không thực tế trên một chiếc xe nhỏ, giá rẻ như vậy. Nhiều động cơ 2 xi-lanh — như chiếc Fiat 500 nguyên bản năm 1957 và chiếc Tata Nano của Ấn Độ — đơn giản là chạy không có trục cân bằng, dựa vào chân máy đàn hồi để hấp thụ rung động. Rẻ, đơn giản và chấp nhận được cho các ứng dụng bình dân.

Động cơ 2 xi-lanh với chốt khuỷu 180° (piston chuyển động ngược pha) cho cân bằng sơ cấp tốt hơn nhưng chỉ có thể đạt được khoảng cách đánh lửa đều trong dạng 2 kỳ — như được sử dụng trên các xe DKW trước chiến tranh và hậu duệ của chúng, chiếc Trabant của Đông Đức.

Động cơ V-twin ngày nay tồn tại hầu như chỉ trên xe máy — Harley-Davidson và các hãng Nhật Bản bắt chước là những ví dụ điển hình. NAMI-1 là thực tế chiếc ô tô duy nhất từng sử dụng bố cục này. Đối trọng trên trục khuỷu có thể đưa nó gần đến cân bằng hoàn toàn, nhưng khoảng cách đánh lửa đều vẫn không thể đạt được.

Động cơ 3 xi-lanh có cân bằng kém hơn động cơ 4 xi-lanh thẳng hàng. Các nhà sản xuất như Subaru và Daihatsu trang bị trục cân bằng như tiêu chuẩn; quyết định của Opel bỏ qua trục này trên động cơ Ecotec 3 xi-lanh cho thế hệ thứ hai của Corsa đã tiết kiệm chi phí nhưng khiến xe có tiếng xấu về độ rung sau khi ra mắt năm 1996 — báo chí ô tô Đức mô tả nó là “hoàn toàn không thể lái trong điều kiện thành phố ở các chế độ thay đổi.”

Động cơ 4 xi-lanh thẳng hàng — bố cục phổ biến nhất thế giới — có lực quán tính bậc hai tự do chỉ có thể được triệt tiêu bằng trục cân bằng chạy ở tốc độ gấp đôi trục khuỷu. Để triệt tiêu mô-men xoắn kết quả, cần thêm một trục thứ hai quay ngược chiều. Tốn kém, đúng — nhưng Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat và các thương hiệu thuộc Tập đoàn Volkswagen đều đã sử dụng thiết lập này khi yêu cầu độ tinh tế cao.

Động cơ phẳng 4 xi-lanh làm tốt hơn một chút so với các đối tác thẳng hàng — chỉ còn lại mô-men xoắn đôi bậc hai, có xu hướng làm động cơ lắc quanh trục thẳng đứng. Dù vậy, cả động cơ làm mát bằng không khí của Beetle và các động cơ boxer của Subaru đều hoạt động không cần trục cân bằng trong nhiều thập kỷ.

Động cơ 5 xi-lanh thẳng hàng có các lực quán tính sơ cấp được bù trừ nhưng chịu mô-men uốn lăn liên tục di chuyển qua thân máy — đòi hỏi kết cấu cứng vững đặc biệt. Mercedes-Benz, Audi và Volvo giải quyết điều này thông qua chân máy được tinh chỉnh và đối trọng (chẳng hạn như động cơ 2.5 TFSI tăng áp trên Audi TT RS), trong khi các kỹ sư Fiat tiến xa hơn và sử dụng trục cân bằng hoàn chỉnh.

Một điều thú vị đáng chú ý: hầu hết tất cả động cơ 5 xi-lanh về bản chất là động cơ 4 xi-lanh với thêm một xi-lanh gắn vào. Cách tiếp cận mô-đun này cho phép dùng chung piston, thanh truyền và các bộ phận hệ thống xupáp — chỉ cần thay đổi thân máy, nắp máy và trục khuỷu (với các chốt cách nhau 72°).

Động cơ V6 thay thế cho các động cơ 6 xi-lanh thẳng hàng có cùng đặc tính cân bằng như động cơ 3 xi-lanh — tức là không lý tưởng. Chiếc Mercedes-Benz V6 đầu tiên (M112, ba xupáp mỗi xi-lanh) giải quyết điều này bằng trục cân bằng đặt trong thung lũng giữa hai dãy xi-lanh. Động cơ 6 xi-lanh 3 lít của Tập đoàn PSA đặt một cái trong nắp xi-lanh. Các nhà sản xuất khác chọn giải pháp dịch chuyển cẩn thận vị trí chốt khuỷu — như trên V6 của Audi — để giảm thiểu rung động mà không cần thêm độ phức tạp. Động cơ V6 với góc 90° gây thêm vấn đề: khoảng cách đánh lửa không đều vốn có mà bánh đà nặng hơn chỉ có thể làm mịn một phần.

Động cơ V8 với góc dãy xi-lanh 90° và các chốt khuỷu trên hai mặt phẳng vuông góc nhau được cân bằng rất tốt. Có thể đạt được khoảng cách đánh lửa đều, và chỉ còn lại hai mô-men xoắn đôi dư — dễ dàng xử lý bằng đối trọng trên các cổ trục đầu trục khuỷu. Đây là lý do chính tại sao các kỹ sư Mỹ nhiệt tình đón nhận V8: họ đơn giản là không chịu được rung động.

Động cơ V4 từng hiếm và nay hầu như tuyệt chủng trên ô tô. Ford V4 châu Âu (dùng trên Taunus, Capri và Saab 96) và V4 kỳ lạ của Zaporozhets đều cần trục cân bằng cho mô-men xoắn đôi bậc nhất. Tính nhỏ gọn và chi phí là yếu tố chủ đạo — cân bằng là thứ yếu.

Động cơ V10 có cùng đặc tính cân bằng như động cơ 5 xi-lanh thẳng hàng. Điều đó không ngăn được các nhà thiết kế động cơ Công thức 1, Dodge Viper hay Dodge RAM sử dụng chúng — khi bạn cần công suất, bạn tìm cách kiểm soát rung động.

Còn các bố cục kỳ lạ hơn: động cơ phẳng 8 xi-lanh (như dùng trên xe đua Porsche 917) thực chất là hai động cơ phẳng 4 xi-lanh trên một trục khuỷu chung, trong khi động cơ V12 và phẳng 12 xi-lanh quy về hai động cơ 6 xi-lanh thẳng hàng — giải thích sự êm ái đặc biệt của chúng.

VR6, VR5 và Động Cơ W: Bước Đột Phá Về Không Gian Của Volkswagen

Chúng ta đã đề cập đến động cơ chữ V góc hẹp như Lancia Fulvia trước đó. Trong nhiều thập kỷ, những loại này bị tránh né — khó cân bằng hơn bố cục 60° hoặc 90°, với lợi ích về không gian không đủ bù đắp rắc rối. Rồi các ưu tiên thay đổi.

Hai phát triển đã thay đổi cuộc chơi:

• Chân máy thủy lực trở nên phổ biến rộng rãi, giảm đáng kể sự truyền rung động bất kể cân bằng lý thuyết của động cơ.
• Không gian khoang động cơ ngày càng khan hiếm, khiến tính nhỏ gọn trở thành đặc tính cao cấp. Ai có thể tưởng tượng một chiếc hatchback bình thường ẩn giấu động cơ 6 xi-lanh 2,8 lít? Volkswagen đã làm được điều đó.

Volkswagen VR6 — “VR” viết tắt của V-Reihen (V thẳng hàng) — đưa khái niệm góc hẹp xa hơn Lancia từng làm, chỉ sử dụng góc 15° giữa hai dãy xi-lanh. Kết quả nhỏ gọn đến mức nó hoạt động hiệu quả như một động cơ thẳng hàng lệch pha, và đáng chú ý là nó chỉ dùng một nắp xi-lanh cho cả hai dãy. Một động cơ 6 xi-lanh 2,8 lít vừa vặn vào không gian mà một động cơ V6 thông thường không thể lắp được — ra mắt trên Volkswagen Golf thế hệ thứ ba.

Từ đó, các kỹ sư Volkswagen mở rộng khái niệm này:

• VR5 ra đời như phiên bản VR6 bỏ đi một xi-lanh.
• W8 kết hợp hai đơn vị VR rút gọn (bốn xi-lanh mỗi bên) trên một trục khuỷu duy nhất — được trang bị cho chiếc Passat sedan hàng đầu.
• W12 ra mắt năm 1998 trên mẫu concept W12 Roadster: hai động cơ VR6 ghép ở góc 72° trên một trục khuỷu.
• W16 — với bốn bộ tăng áp — cung cấp sức mạnh cho Bugatti Veyron đạt tốc độ 431 km/h, là ứng dụng sản xuất cực đoan nhất của kiến trúc này.

Tại sao những bố cục này không tồn tại trước đây? Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính hiện đại đã làm cho chúng trở nên khả thi. Việc tối ưu hóa góc, vị trí chốt khuỷu, thứ tự đánh lửa và đặc tính cân bằng trên các hình học phức tạp như vậy sẽ gần như không thể thực hiện được nếu thiếu sức mạnh tính toán có được từ những năm 1990 trở đi. Chỉ riêng trục khuỷu của W12 đã là cơn ác mộng của người thợ máy — loại bộ phận chỉ có ý nghĩa khi máy tính đã xác minh mọi dung sai.

Điều Thực Sự Quan Trọng Trong Thiết Kế Động Cơ Thực Tế

Nếu có một bài học rút ra từ tất cả những điều này, đó là cân bằng lý thuyết hiếm khi là yếu tố quyết định khi kỹ sư chọn bố cục động cơ. Các ưu tiên thực sự là:

• Không gian bố trí — nó có vừa vào khoang động cơ không?
• Mật độ trọng lượng và công suất — tỷ lệ tốt nhất cho ứng dụng là bao nhiêu?
• Chi phí sản xuất — nó có thể dùng chung bộ phận trên nhiều mẫu xe không?
• Tính mô-đun — ngày càng nhiều nhà sản xuất xây dựng toàn bộ gia đình động cơ từ kiến trúc piston và lỗ xi-lanh chung, từ các đơn vị 3 xi-lanh tiết kiệm nhiên liệu cho đến các mẫu hàng đầu 12 xi-lanh

Dải sản phẩm động cơ hiện tại của Mercedes-Benz là ví dụ điển hình về cách tiếp cận mô-đun: một kiến trúc chung làm nền tảng cho các động cơ với công suất và số xi-lanh rất khác nhau.

Và về rung động — đáng nhớ rằng cân bằng lý thuyết và thực tế là hai điều hoàn toàn khác nhau. Ngay cả một động cơ 6 xi-lanh thẳng hàng được cân bằng hoàn hảo cũng sẽ rung nếu cụm trục khuỷu không được cân bằng đúng cách hoặc nếu các piston và thanh truyền có trọng lượng chênh lệch đáng kể. Dung sai sản xuất thực tế và biến dạng bộ phận dưới tải có nghĩa là không có động cơ nào trong thực tế êm ái như các phương trình gợi ý. Đó là lý do tại sao thiết kế chân máy — cách thức cách ly khối động lực với phần còn lại của xe — quan trọng không kém bố cục động cơ. Đôi khi còn quan trọng hơn.

Đây là bản dịch. Bạn có thể đọc bản gốc tại đây: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html