Giải pháp trục cân bằng đơn

 Đối trọng tại mỗi đầu chuyển động theo hướng lại với hướng chuyển động của piston ở đầu đó. Khi piston đi lên, đối trọng sẽ đi xuống. Khi piston đi xuống, đối trọng lại đi lên. Do đó dao động tuần tự ở hai đầu của động cơ có thể bị khử bởi trục cân bằng (dẫn động bằng trục khuỷu và quay cùng tốc độ với trục khuỷu).

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.

Lý Quốc Vũ