Sự ảnh hưởng của độ dài thanh truyền đến hiệu suất của động cơ

Có thể tất cả trong chúng ta đều đã từng đọc qua câu nói “There’s no replacement for displacement”, tức là không có một phương pháp nào thay thế hoàn hảo được dung tích xi lanh. Khi một động cơ được nạp một lượng không khí lớn hơn, nó sẽ đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn, đồng nghĩa với việc tăng công suất.

Đây là lý do tại sao động cơ tăng áp và động cơ Dinitơ oxit đã trở nên rất phổ biến. Cả hai đều làm tăng lượng oxy nạp vào trong buồng đốt, cho phép đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn. Dung tích xi lanh cũng tương tự như vậy.

Có thể tăng dung tích của động cơ bằng cách tăng số lượng xi lanh, tăng kích thước lòng xi lanh hoặc tăng hành trình làm việc của nó. Để tăng số lượng xi lanh thì bắt buộc phải thay thế bằng một động cơ khác; do đó, kích thước lòng xi lanh và hành trình là những lựa chọn dễ dàng có sẵn.

Nhưng chiều dài thanh truyền thì sao? Nó có làm thay đổi dung tích xi lanh động cơ? Làm thế nào mà chiều dài thanh truyền có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ? Và tỷ số nén có nghĩa là gì?

1. Vậy chiều dài thanh truyền là gì?

Chiều dài của thanh truyền là phép đo từ lỗ cổ trục chính trục khuỷu đến lỗ chốt piston. Nó có thể được đo bằng inch hoặc milimet.

Thay đổi chiều dài thanh truyền sẽ ảnh hưởng đến tỉ số thanh truyền (rod ratio) nhưng sẽ không bao giờ ảnh hưởng đến dung tích xi lanh.

Có một quan niệm sai lầm phổ biến là chiều dài thanh truyền ảnh hưởng đến dung tích xi lanh, điều này là không đúng. Dung tích của động cơ được xác định bởi đường kính lòng xi lanh và hành trình làm việc trục khuỷu, chứ không phải bởi bất kỳ yếu tố nào khác.

2. Tỉ số thanh truyền là gì?

Tỉ số thanh truyền là khoảng cách mà thanh truyền di chuyển lệch khỏi một đường thẳng tưởng tượng kéo dài từ tâm của trục khuỷu đến tâm của piston.

Tỉ số thanh truyền còn được tính bằng tỉ lệ giữa thanh truyền và hành trình làm việc của piston (rod-to-stroke). Nếu bạn muốn biết tỉ số thanh truyền trên hành trình của piston, bạn có thể chia chiều dài thanh truyền cho hành trình làm việc (là khoảng cách mà piston di chuyển trong lòng xi lanh).

Ví dụ, động cơ 4 xi lanh thẳng hàng Honda B18C1 có thanh truyền 138 mm và hành trình làm việc là 87,2 mm cho ra tỉ số thanh truyền là 1,58:1.

3. Ảnh hưởng của tỉ số thanh truyền

Nhiều nhà chế tạo động cơ nhắm đến tỉ số thanh truyền từ 1,5: 1 đến 1,8: 1 khi tạo ra một chiếc xe đường trường, trong đó 1,75: 1 được coi là tỷ lệ tối ưu trong mọi trường hợp. Đối với động cơ bốn thì tiên tiến nhất trên thế giới, chẳng hạn như động cơ xe F1 và xe máy, tỉ số thanh truyền thường lớn hơn 2:1.

Tỉ số thanh truyền cũng ảnh hưởng đến một số đặc tính của động cơ, bao gồm tốc độ và gia tốc của piston, thời gian dừng ở điểm chết trên và điểm chết dưới, tải trọng bên trên piston, tải trọng xi lanh và tải trọng ổ trục. Việc hút, đốt cháy và mài mòn của động cơ đều bị ảnh hưởng bởi các yếu tố được đề cập trên.

4. Chiều dài thanh truyền và hiệu suất động cơ

4.1. Ưu điểm của chiều dài thanh truyền ngắn

Vì piston có thanh truyền ngắn di chuyển nhanh hơn từ điểm chết trên ở tốc độ thấp, nó tạo ra nhiều chân không hơn và do đó làm tăng tốc độ nạp khí. Điều này dẫn đến quá trình cháy tốt hơn và momen cao hơn (ở tốc độ thấp).

Thanh truyền ngắn hơn cũng có nghĩa là sẽ có một động cơ nhỏ gọn hơn về tổng thể.

4.2. Nhược điểm của thanh truyền ngắn

Tỉ số thanh truyền thấp hơn thường có nghĩa là góc thanh truyền (rod angle) lớn hơn, làm tăng nguy cơ mài mòn nhanh hơn trên thành xi lanh, vòng piston và khả năng nhiệt độ cao hơn trong hệ thống làm mát do ma sát tăng lên.

Tỉ số thanh truyền thấp có thể làm rung động cơ trầm trọng hơn. Hơn nữa, do góc thanh truyền quá lớn có thể khiến piston đập vào thành xi lanh khi xe chạy ở số thấp.

4.3. Ưu điểm của thanh truyền dài

Các thanh truyền dài hơn thường được sử dụng để cung cấp momen cao hơn ở vòng tua cao với cùng một lực piston và vì góc nhỏ hơn các thanh ngắn nên chúng giảm thiểu tải trọng và ma sát của piston với thành xi lanh, giúp làm tăng sức mạnh động cơ.

Có nhiều khoảng thời gian “ngừng” hơn cho các piston khi chúng ở điểm chết trên và dưới do các thanh dài hơn. Vì piston di chuyển chậm hơn giữa hành trình lên và hành trình xuống, lưu lượng khí nạp và khí thải được cải thiện.

Nhiều thời gian dừng hơn tức là sẽ có nhiều thời gian hơn để nạp đầy xi lanh trong kỳ nạp, cũng nhiều thời gian hơn để xả khí tại thời điểm xuất hiện góc trùng điểm. Bởi vì piston duy trì ở hoặc gần điểm chết trên trong một khoảng thời gian dài hơn, nên kỳ nổ có thể giải phóng năng lượng hoàn toàn hơn.

Với một hành trình ngắn và một thanh truyền dài, piston tăng tốc chậm hơn từ điểm chết trên. Điều này có nghĩa là toàn bộ phần dưới cùng chịu ít áp lực cơ học hơn.

4.4. Nhược điểm của thanh truyền dài

Phải mất nhiều thời gian hơn để nạp đầy và làm trống xi lanh. Việc hút không khí chậm này sẽ làm giảm momen ở tốc độ vòng tua thấp.

5. Tổng kết

Mặc dù hầu hết các nhà chế tạo động cơ cảm thấy rằng các thanh truyền dài hơn sẽ tốt hơn, nhưng một bộ phận người dùng vẫn thích mức momen thấp ở vòng tua máy mà các thanh truyền ngắn hơn mang lại.

Do góc của thanh truyền tạo thêm ứng suất có hại cho thành xi lanh, các chủ xe được khuyên nên sử dụng các ống lót phụ tùng thay thế để giảm ứng suất không mong muốn này.