(News.oto-hui.com) – Trong động cơ V8 có hai dạng trục khuỷu (Crankshaft): Đó là trục khuỷu Cross-Plane và Flat-Plane. Vậy những dạng trục khuỷu này là gì? Trục khuỷu có các chốt khuỷu nằm lệch nhau 90 độ và 180 độ có công dụng và lợi ích như thế nào đối với động cơ trên?
Có hai loại thiết kế trục khuỷu phổ biện đối với loại động cơ V8 đó là Cross-Plane và Flat-Plane. Tuy nhiên định nghĩa tên gọi chuẩn xác của 2 dạng này hiện tại chưa đúng ở Tiếng Việt. Một số gọi Cross-Plane: là dạng chéo, dạng chữ thập,… hay Flat-plane: là dạng phẳng, dạng hình dọc,… Do đó, trong bài viết này sẽ giữ tên gọi gốc là tiếng Anh.
Hiện nay, trục khuỷu Cross-Plane vẫn chiếm ưu thế, đặc biệt là trong động cơ V8 của Mỹ, trong khi trục khuỷu Flat-Plane lại thường xuất hiện trong các mẫu xe đua cao cấp (xe F1). Trục khuỷu Cross-Plane khi hoạt động sẽ làm cho động cơ vang to hơn, xuất hình nhiều tiếng ‘ầm ầm’ đặc trưng, trong khi đó trục khuỷu Flat-Plane lại kêu êm dịu hơn.
1. Trục khuỷu Flat-Plane:
Các trục khuỷu Flat-Plane xuất hiện trong động cơ V8 và V12 trước đây khá hiếm và chúng thường chỉ được tìm thấy trên những chiếc siêu xe vô cùng đắt tiền hoặc những chiếc xe đua F1. Đó là lý do tại sao một chiếc Ferrari thường dễ dàng tăng tốc đạt tối đa nhanh chóng trên đường đua.
Giống như tên gọi của nó (Flat: thẳng 1 đường), trục khuỷu Flat-Plane có tất cả các chốt khuỷu trên cùng một mặt phẳng. Chúng ta có thể thấy nó giống như trục khuỷu của động cơ 4 xilanh nằm thẳng hàng, nhưng nó dài hơn và có nhiều cổ khuỷu, chốt khuỷu hơn.
Ở trục khuỷu Flat-Plane: góc lệch cổ biên sẽ tạo với nhau một góc 180 độ. Hai thanh truyền cho hai xy-lanh đối diện được lắp cùng trên một cổ trục khuỷu. Và cặp piston di chuyển ngược hành trình, thời điểm đánh lửa cách nhau 1 kỳ.
Đối với trục khuỷu Flat-Plane, cho dù thứ tự nổ có thế nào đi chăng nữa thì nó cũng sẽ luôn luân phiên nhau đưa piston lên đỉnh từ đầu trục khuỷu đến đuôi trục khuỷu (lần lượt theo dạng chữ V). Nhờ điều này nên có thể tối ưu lượng khí thải thải ra và cơ chế hoạt động của nó cũng không quá phức tạp. Thêm một điều nữa, nếu ta liên tưởng đến bộ tăng áp trong quá trình giãn nở khí thải hoạt động ra sao và trục khuỷu Flat-Plane có xung khí thải bằng nhau (do cơ chế ở trên), thì hiệu suất của bộ tăng áp sẽ tăng lên.
Với thiết kế như vậy, trục khuỷu Flat-Plane không cần đối trọng quá lớn, nhờ đó lực quán tính giảm làm tăng tốc độ quay của trục khuỷu, nhưng đối trọng giảm đồng nghĩa với việc làm tăng độ rung của động cơ.
Do thiết kế có tính bền nhẹ nên trục khuỷu dạng phẳng có khả năng cân bằng tuyệt vời, vì vậy chúng không cần đối trọng quá lớn. Đối trọng nhỏ thì quán tính giảm, tốc độ quay vòng của trục khuỷu nhanh hơn, và kích thước trục khuỷu cũng nhỏ hơn.
Ưu điểm của trục khuỷu Flat-Plane:
- Đối trọng nhỏ, không cần quá lớn, cân bằng tốt => Lực quán tính giảm, tốc độ quay vòng của trục khuỷu nhanh hơn, kích thước trục khuỷu nhỏ hơn, vòng tua tối đa cao => Phản hồi tốt.
- Động cơ nhẹ, thân động cơ nhỏ.
- Đánh lửa xen kẽ ở mỗi dãy xilanh => Dòng khí thải đều, xen kẽ ở 2 bên => âm thanh ở ống xả sẽ đều, nối tiếp nhau.
- Ngoài ra còn làm cho việc quét khí thải diễn ra tốt hơn.
Nhược điểm của trục khuỷu Flat-Plane:
- Đối trọng nhỏ => Động cơ rung lắc nhiều.
- Quay nhanh => Lượng momen tạo ra sẽ nhỏ hơn.
2. Trục khuỷu Cross-Plane (dạng chữ thập):
Đây là loại trục khuỷu phổ biến nhất mà chúng ta dễ dàng bắt gặp trong các loại xe đã được cải tiến để tăng công suất: Trục khuỷu Cross-Plane (còn gọi là trục khuỷu hình chữ thập). Loại trục khuỷu này có tên như vậy là do bốn chốt khuỷu được bố trí ở đầu và đuôi sẽ lệch nhau 90 độ. Còn hai chốt khuỷu nằm ở giữa sẽ lệch nhau 180 độ.
Khi nhìn trên mặt phẳng cạnh của trục khuỷu sẽ thấy trục khuỷu có dạng hình dấu +. Thứ tự nổ điển hình thường là 1-8-4-3-6-5-7-2 (thứ tự của xy lanh được xác định theo thứ tự bên chẵn bên lẻ). Thiết kế này yêu cầu kích thước đối trọng phải lớn để cân bằng động cơ.
Ưu điểm của trục khuỷu Cross-Plane:
- Đối trọng lớn => Làm việc êm, không rung lắc.
- Đánh lửa không xen kẽ => Khí thải không đều 2 bên dãy xilanh => Âm thanh đặc trưng ở ống xả (ồn, như xe cơ bắp).
- Quay chậm => Lượng momen tạo ra lớn.
Nhược điểm của trục khuỷu Cross-Plane:
- Đối trọng lớn => Quay chậm => Phản hồi chậm, vòng tua tối đa thấp.
- Động cơ nặng, thân động cơ lớn.
- Đánh lửa không xen kẽ => Việc quét khí thải (Exhaust Scavenging) diễn ra kém hiệu quả.
Có thể bạn sẽ thích: Sự khác biệt giữa hệ thống phun xăng GDI và EFI
3. Trục khuỷu Flat-Plane xuất hiện trên những dòng xe nào?
Trên các loại xe hiện nay sử dụng nhiều là động cơ 4 xilanh thẳng hàng, nhưng ở bài viết này, ta lại quan tâm đến những động cơ V8 cỡ lớn.
Trong những năm gần đây, ta sẽ thường xuyên bắt gặp trục khuỷu Flat-Plane trong những dòng xe Châu Âu như McLaren P1, Porsche 918, Lotus Esprit, Ferrari F430, …, hay những dòng xe có vòng tua cao.
Trên chiếc Mustang GT350 của Ford cũng sử dụng trục khuỷu Flat-Plane, nhưng trục khuỷu Flat-plane trên Mustang GT350 lại có điểm đặc biệt hơn những xe khác.
Đối với những chiếc xe sử dụng trục khuỷu Flat-Plane thông thường thì thiết kế chốt khuỷu sẽ là lên – xuống – xuống – lên.
- Tuy nhiên, trên Mustang GT350 thì thiết kế của nó lại là lên – xuống – lên – xuống. Đối với kiểu thiết kế này thì các đối trọng đối nhau, và kích thước đối trọng ở hai đầu trục khuỷu lại lớn hơn nhiều so với các đối trọng khác.
Mục đích của thiết kế này có khả năng vì lý do cân bằng của trục khuỷu. Có thể người ta chọn cách bố trí này để trục khuỷu có thể dễ dàng được chế tạo trên những máy móc hiện có, hoặc vì một lý do nào đó liên quan tới yếu tố công nghệ sản xuất, bởi vì cách bố trí này hoàn toàn phủ nhận những lợi ích về khối lượng hay quán tính mà trục khuỷu Flat-Plane mang lại.
4. Khả năng cân bằng của trục khuỷu Cross-Plane và Flat-Plane:
Thật ra nếu so với trục khuỷu Flat-Plane thì trục khuỷu Cross-Plane có khả năng cân bằng thứ cấp (cân bằng lực quán tính chuyển động cấp II) dễ hơn. Không đi quá sâu vào vấn đề kỹ thuật (bỏ qua lực ma sát và trọng lực vì có trị số nhỏ), có 1 loại lực cần quan tâm nhất khi cân bằng trục đó là lực quán tính (văng thẳng) của khối lượng chuyển động tịnh tiến, không đề cập đến lực khí thể trong bài gốc. Ngoài ra, khi lực Pj càng tăng sẽ càng ảnh hưởng xấu đến công suất động cơ.
Trong đó lực primary force: Là lực quán tính chuyển động cấp I; và lực secondary force: Là lực quán tính chuyển động cấp II. Tại sao không có lực ly tâm? Vì lực ly tâm không chịu ảnh hưởng của thành phần cos. Lực ly tâm là lực tác dụng lên đường tâm của má khuỷu, chiều ly tâm và có giá trị không đổi khi vận tốc góc w là hằng số.
Lực quán tính primary force có chu kỳ ứng với 1 vòng quay trục khuỷu và lực secondary force có chu kỳ ứng với 1/2 vòng quay trục khuỷu.
- Lực quán tính chuyển động cấp I và II được đề cập đến trong sách kỹ thuật động cơ đốt trong của ThS. Nguyễn Lê Châu Thành.
Chuyển động lên xuống của piston sẽ gây ra các dao động tịnh tiến cấp I. Trong động cơ sử dụng trục khuỷu Flat-Plane thì rung động này bị loại bỏ nên đây là một ưu điểm. Nhưng dao động tịnh tiến cấp 2 liên quan đến lực ly tâm được gây ra bởi sự mất cân bằng khi góc quay trục khuỷu ở 90 độ và 270 độ .
Do cấu tạo của trục khuỷu Cross-Plane khác hẳn với trục khuỷu Flat-Plane nên nó đã khắc phục dao động thứ cấp nhờ việc sử dụng đối trọng lớn hơn so với trục khuỷu Flat-Plane. Nhưng đồng nghĩa với việc tăng thêm trọng lượng và lực quán tính.
Vậy nên trục khuỷu Cross-Plane sẽ quay không nhanh bằng và sẽ có kích thước lớn hơn (so với trục khuỷu Flat-Plane), cũng như chiếm nhiều khoảng không gian trong động cơ hơn.
5. Tính chất của trục khuỷu Cross-Plane và Flat-Plane:
Ở Trục khuỷu Flat-Plane:
- Độ rung của các chi tiết khi chuyển động tịnh tiến thấp.
- Trọng lượng nhỏ hơn trục khuỷu Cross-Plane nên ít quán tính hơn (do đối trọng nhỏ).
- Dao động tịnh tiến cấp II cao hơn so với trục khuỷu Cross-Plane.
- Vòng quay nhanh hơn và cao hơn so với trục khuỷu Cross-Plane.
- Ảnh hưởng đến hiệu suất lọc khí thải tốt hơn so với động cơ sử dụng trục khuỷu Cross-Plane (đã giải thích ở phần 1. Trục khuỷu Flat-Plane phía trên).
- Mất đi âm thanh đặc trưng của dòng xe cơ bắp Mỹ có động cơ V8.
Bài viết liên quan:
- Diesel Deltic Engine (Động cơ ba trục khuỷu) là gì?
- Cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền – piston
- Khám phá động cơ LT6 V8 hút khí tự nhiên mạnh mẽ nhất thế giới của Chevrolet Corvette Z06
