Hoạt động của động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong thông thường hoạt động tuân theo chu trình Hút – Nén – Nổ – Xả. Do nguyên lý làm việc của động cơ đốt trong sinh ra dao động xoắn ở trục khuỷu. Quá trình đốt cháy tạo ra sự gia tăng cực kỳ nhanh chóng của áp suất bên trong xi lanh, trong suốt hành trình công suất này, dẫn đến đầu ra mô-men xoắn đạt cực đại. Áp suất được tạo ra trong xi lanh tác dụng lực lên đỉnh của piston, lực này được truyền qua thanh truyền và tác động làm cho trục khuỷu quay. Mô-men xoắn tạo ra bởi các xi lanh gây ra dao động ở trục khuỷu.
Trên động cơ piston chuyển động tịnh tiến, gradien áp suất trong xi lanh trong bốn chu kỳ tạo ra mômen xoắn không đều trên trục khuỷu. Mô-men xoắn tạo ra ở trục khuỷu làm cho tốc độ động cơ cũng phát ra xung động. Ví dụ, nếu chúng ta đo tốc độ không tải của động cơ, với thời gian lấy mẫu là 100 ms hoặc nhỏ hơn, chúng ta có thể thấy rằng tốc độ động cơ không phải là hằng số ở khoảng 975 vòng/phút nhưng dao động nhanh trong khoảng 925 đến 1050 vòng/phút.
Tất cả những rung động quay này được truyền sâu hơn vào hệ thống truyền lực và có thể ảnh hưởng đến độ bền của các bộ phận của nó. Những rung động này có thể tạo ra tiếng lạch cạch của bánh răng, tiếng ồn thân xe và các rung động từ đầu vào/ra trong hệ truyền động, tạo ra tiếng ồn đáng kể và làm mất đi sự thoải mái khi lái xe.
Bánh đà đơn giản
Trên mỗi chu kỳ công suất, sự đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu không khí sẽ làm tăng tốc độ trục khuỷu lên rất nhiều. Trong ba chu kỳ còn lại (xả, nạp, nén), trục khuỷu giảm tốc có thể giảm mạnh hoặc giảm ít, điều này gây ra sự biến đổi tốc độ trục khuỷu và các xung dao động. Để cho phép động cơ chạy trơn tru ở tốc độ thấp hơn, chúng ta sử dụng một khối ly tâm, bánh đà đơn giản, làm phẳng những bất thường về tốc độ quay này ở một mức độ nhất định.
Một động cơ đốt trong 4 xi lanh bốn chu kỳ có thời điểm đốt nhiên liệu cách nhau là 180°. Ví dụ, nếu động cơ 4 xi-lanh này chạy ở tốc độ 3000 vòng/phút, thì nó sẽ có 6000 lần đánh lửa mỗi phút, tương ứng với 100 lần đánh lửa mỗi giây. Do đó, sự bất thường về tốc độ quay của động cơ này là rất nhỏ.
Tốc độ động cơ càng thấp thì sự bất thường về tốc độ quay của động cơ càng xuất hiện rõ ràng dưới dạng dao động xoắn. Ở tốc độ 1200 vòng/phút, có khoảng 40 lần đánh lửa mỗi giây, có nghĩa là một chu kỳ công suất chỉ xảy ra sau mỗi 25 mili giây. Tốc độ quay của động cơ không đều và do đó dao động xoắn rất rõ rệt trong dải tốc độ động cơ này.
Nếu các dao động xoắn này được truyền tới hộp số mà không được giảm chấn, thì các dao động cộng hưởng sẽ phát sinh trong hộp số và trong hệ thống truyền lực. Do đó, những rung động cộng hưởng này gây ra sự bùng nổ tiếng ồn và tiếng vo ve hoặc tiếng kêu lách cách của bánh răng. Ngoài ra, rung động cộng hưởng cao hơn có thể làm hỏng các thành phần trong hộp số và hệ thống truyền lực về lâu dài. Điều này gây ra sự bất tiện, không thoải mái khi lái xe ở tốc độ thấp, và tăng tiêu hao nhiên liệu.
Việc giảm dao động quay của trục khuỷu có thể đạt được bằng cách sử dụng một bánh đà. Bánh đà là một thành phần cơ học được thiết kế để lưu trữ năng lượng quay (động năng). Bánh đà chống lại sự thay đổi tốc độ quay do mômen quán tính của chúng. Năng lượng tích trữ trong một bánh đà tỷ lệ với bình phương tốc độ quay và khối lượng của nó.
- E [J] – động năng tích trữ trong bánh đà
- J [kg · m2] – mômen quán tính của bánh đà
- ω [rad/s] – vận tốc góc của bánh đà
Quán tính hoặc vận tốc góc của bánh đà càng cao thì năng lượng tích trữ càng cao.
Trên động cơ đốt trong, bánh đà được gắn ở cuối trục khuỷu, đầu vào của hộp số. Bánh đà hoạt động theo nguyên tắc đơn giản:
- Trong suốt hành trình công suất (nổ) của động cơ, bánh đà dự trữ động năng.
- Trong quá trình hút, nén và xả, bánh đà giải phóng động năng để cân bằng và làm mượt chuyển động.
Với nguyên lý hoạt động đơn giản này, mômen xoắn bị giảm bớt trong suốt hành trình công suất và được phân bổ trong toàn bộ chu kỳ hoạt động của động cơ. Hiệu ứng này áp dụng cho tất cả các xi lanh của động cơ. Số lượng xi-lanh trong động cơ càng cao thì mô-men xoắn/công suất đầu ra của động cơ càng mượt mà, yêu cầu bánh đà càng nhỏ nhẹ hơn.
Loại động cơ (diesel,xăng), số lượng xi lanh, dung tích và công suất riêng [kW/L] của động cơ có ảnh hưởng đáng kể đến dao động quay của trục khuỷu. Ví dụ, động cơ dung tích cao, có mô-men xoắn thấp ở tốc độ thấp. Các bộ phận chuyển động của nó, bao gồm pít-tông, thanh truyền, trục khuỷu có khối lượng lớn hơn, có nghĩa là quán tính cao hơn do đó có thể quản lý được nhiều hơn trong tốc độ quay. Những yếu tố này kết hợp với nhau làm cho mô-men xoắn đầu ra gợn sóng (dao động) có thể kiểm soát được với một bánh đà tiêu chuẩn.
Giảm kích cỡ & Giảm tốc độ động cơ
Ngày nay, các phương tiện giao thông vận tải phải tuân thủ những quy định nghiêm ngặt như giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và mức khí thải CO2 ra môi trường. Một biện pháp hiệu quả để đạt được mục tiêu này là khai thác tốc độ động cơ thấp hơn để lái xe. Mô-men xoắn được tăng lên để đạt được điều này mà không bị mất công suất. Điều này cho phép động cơ chỉ chạy ở tốc độ trên tốc độ không tải một chút và do đó trong phạm vi tiêu thụ nhiên liệu cực kỳ hiệu quả. Một thách thức là đạt được sự cân bằng hệ thống truyền lực thích hợp ngay cả đối với những tốc độ động cơ thấp này và do đó cung cấp cho người lái mức độ thoải mái thông thường của họ.
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ xe cộ trong vài thập kỷ qua đã mang lại cho động cơ hiệu suất ngày càng cao song song với đó là nhu cầu về sự thoải mái của người lái ngày càng tăng. Các khái niệm xe trọng lượng nhẹ và thân xe tối ưu hóa đường hầm gió cho phép người lái xe có thể cảm nhận được các nguồn tiếng ồn khác. Ngoài ra, các khái niệm tinh gọn, động cơ tốc độ cực thấp và hộp số thế hệ mới sử dụng dầu nhẹ góp phần tạo nên điều này.
Để cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu và giảm lượng khí thải, các chiến lược phát triển động cơ gần đây bao gồm giảm kích thước và giảm tốc độ động cơ.
- Giảm kích thước động cơ nghĩa là giảm tổng dung tích động cơ bằng cách giảm số lượng xi lanh (ví dụ: từ 6 xi lanh xuống 4 xi lanh), nhưng vẫn duy trì mô men xoắn / công suất đầu ra (thường sử dụng công nghệ tăng áp, nâng van biến thiên, phun nhiên liệu trực tiếp, v.v. .)
- Giảm tốc độ động cơ có nghĩa là mô-men xoắn cực đại của động cơ thu được ở tốc độ động cơ thấp hơn (ví dụ: từ 2500 vòng/phút xuống 1500 vòng/phút), có thể đạt được bằng cách sử dụng tăng áp hai giai đoạn, máy nén khí điện, v.v.
Nói cách khác, giảm kích thước và giảm tốc độ là các quá trình mà điểm vận hành tốc độ/tải được chuyển sang vùng hiệu quả hơn thông qua việc giảm dung tích động cơ trong khi vẫn duy trì hiệu suất đầy tải thông qua tăng áp suất nạp.
Sự kết hợp giữa quán tính nhỏ hơn của các thành phần chuyển động với mô-men xoắn cao hơn ở tốc độ động cơ thấp tạo ra dao động quay cao hơn ở trục khuỷu. Ngoài ra, với mức phát thải CO2 và khí thải nghiêm ngặt hơn đang được áp dụng trên toàn thế giới, các chiến lược giảm kích thước động cơ và giảm tốc độ đang được các nhà sản xuất động cơ đốt trong áp dụng. Tác dụng phụ của chiến lược này là tạo ra nhiều rung động hơn ở trục khuỷu được truyền trong hệ truyền động.
Giải pháp lọc dao động quay của trục khuỷu
Có các công nghệ khác nhau có sẵn để lọc các dao động quay của trục khuỷu. Tất cả những công nghệ này có thể được phân thành ba loại chính:
- Giảm chấn chủ động: trong trường hợp này người ta sử dụng một bộ phận chủ động (giảm chấn), có thể tạo ra một lực ngược lại với lực rung trục khuỷu; Bằng cách này, các dao động bị loại bỏ dẫn đến trục khuỷu quay trơn tru; phương pháp này cho hiệu quả giảm rung tốt nhất nhưng đi kèm với giá thành cao; ngoài ra, thành phần hoạt động yêu cầu nguồn cung cấp năng lượng bên ngoài và không có độ tin cậy cần thiết cho các ứng dụng ô tô
- Giảm chấn bán chủ động: nó tương tự với công nghệ giảm chấn chủ động nhưng với yêu cầu về nguồn năng lượng bên ngoài ít hơn
- Giảm chấn thụ động: ngụ ý việc sử dụng một thành phần thụ động, không cần năng lượng bên ngoài nhưng có thể tiêu tán năng lượng; các ứng dụng phổ biến nhất thường bao gồm lò xo và giảm chấn; đây là giải pháp tiết kiệm chi phí nhất với đặc tính giảm rung tốt hợp lý.
Một giải pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí để giảm rung động quay (xoắn) là sử dụng Bánh đà khối lượng kép (Dual Mass Flywheel, viết tắt là DMF), DMFlà một bộ phận giảm chấn thụ động và chức năng chính của nó là cách ly hệ truyền động khỏi rung động do động cơ đốt trong tạo ra. Kỹ thuật này cũng sẽ cải thiện hành vi tiếng ồn tổng thể của xe và giảm tiêu thụ nhiên liệu.
