Chắc hẳn bất kỳ ai cũng đều nghe và biết tới động cơ Diesel, chúng là một trong số những loại động cơ thông dụng nhất hiện nay. Chúng được ứng dụng cho cả ngành nông nghiệp, công nghiệp tàu thủy, tàu hóa, ô tô hay máy bay…
Tuy nhiên, còn một loại động cơ Diesel đặc biệt mà chưa chắc nhiều người biết tới. Đó chính là động cơ ba trục khủy Diesel Deltic, động cơ dành cho tàu lửa và tàu thủy.
Vậy loại động cơ ba trục khuỷu này được hình thành từ bao giờ? Có cấu tạo như thế nào? Chúng hoạt động ra sao? Hãy cùng Trường VATC chúng tôi tìm hiểu qua bài viết sau đây!
-
Lịnh sử hình thành và phát triển động cơ ba trục khuỷu Deltic
Deltic là thuật ngữ nói về động cơ diesel tốc độ cao, với lối thiết kế là các pittong hoạt động ở phía đối nghịch. Vào năm 1943, Bộ Hải quân Anh thành lập một ủy ban nhằm phát triển một động cơ diesel nhẹ, công suất cao cho các tàu phóng ngư lôi.
- Chúng được đẩy mạnh phát triển trong thế chiến thứ II, để hạn chế lại sức mạnh lấn lướt của quân phát xít Đức tren biển, khi tấn công vào bở biển nước Anh.
- Năm 1944, động cơ Diesel Deltic lần đầu được phác thảo dưới dạng dự án, thuộc Bộ Hải quân Anh.
Tại thời điểm đó, Tàu Torpedo của Hải quân Hoàng Gia Anh sử dụng động cơ xăng. Những loại động cơ này cực kỳ dễ bị hỏa hoạn và nổ. Trong khi đó, tàu E-Boát của Đức sử dụng động cơ diesel, giúp quân đội Đức có được lợi thế lớn so với tàu của hải quân Hoàng gia Anh Quốc.
Napier hợp tác với quân đội nước Anh để sản xuất ra loại động cơ ba trục khuỷu này. Trước cuộc chiến tranh thế giới thứ 2, Napier đã bắt tay vào nghiên cứu thiết kế loại động cơ diesel sử dụng cho máy bay là Culverin, sau khi cấp giấy phép các phiên bản khác của Junkers Jumo 204. Động cơ Deltic được thiết kế dựa trên loại động cơ hai thì là Culverin Engine.
# Động cơ Culverin:
- Là kiểu động cơ hai thì với các pittong đối lập.
- Thiết kế dựa trên phiên bản trước đó là Jumo. Phiên bản này sử dụng một xylanh thuôn dài, chứa hai piston chuyển động ngược chiều với nhau về phía tâm.
- Do hai pittong đôi lập nhau, nên không cần phải thiết kế pittong có một đầu xylanh trọng lượng nặng hơn.
- Trục khuỷu riêng biệt trên mỗi đầu của động cơ phải được ghép nối thông qua các bánh răng hoặc trục.
Tuy loại động cơ Deltic không kịp hoàn thành trong cuộc chiến tranh thế giới lần 2, nhưng những nỗ lực mà Napier phát triển đã tạo nên một loại động cơ diesel mới mạnh mẽ hơn vào năm 1947. Đây là dấu ấn đánh dấu một kỷ nguyên mẫu đầu tiên của loại động cơ Deltic.
-
Thiết kế và cấu tạo của động cơ Diesel Deltic Engine
Động cơ ba trục khuỷu Diesel Deltic Engine là loại động cơ tăng áp, được thiết kế gồm 3 xylanh, sau pittong và làm việc trong ba trục khuỷu. Chúng như ba động cơ hình chữ “V” gắn liền với nhau tại các trục khuỷu của từng máy, và mỗi khối xylanh sẽ được kết hợp với một xylanh khác ở giữa buồng đốt.
Do động cơ phản ứng với pittong, nên là động cơ sẽ không có van nạp hoặc van xả. Do đó, không có cách nào xác định được thời điểm hút và xả. Bên trong mỗi xylanh, một pittong đầu vào được sử dụng với mục đích mở cổng hút và đóng cổng xả, và pittong xả trong xylanh kế bên đã mở và đóng kín.
# Những thay đổi về mặt thiết kế để tối ưu
Thiết kế ban đầu của động cơ ba trục khuỷu cho mỗi phiên hành trình của pittong đều nằm ở mức 60 độ. Sau này, hệ thống được thiết kế lại nhằm tiết kiệm thời gian cho mỗi xylanh dẫn pittong vào vị trí của nó, bằng 20 độ vị trí của trục khuỷu.
- Sự thay đổi trên cho phép mở cổng xả trước cổng vào, và cổng vào phải luôn đóng sau cổng xả.
- Điều này cũng giúp hỗn hợp nhiên liệu được đốt cháy hết, khí thảiít đi và hiệu quả thể tích cũng được cải thiện đáng kể.
Nhờ sự thay đổi này mà phiên hành trình của các xylanh lân cận bây giờ đã cách nhau 40 độ. Đối với trường hợp của động cơ Deltic 18 xylanh, chu kỳ nổ được thiết kế sao cho có thể xen kẽ trên cả sau ngăn máy của động cơ.
- Lúc này, động cơ ba trục khuỷu đã sản xuất ra lượng khí thải ít hơn nhiều. Mỗi động cơ đánh lửa mỗi 20 độ của cuộc cánh mạng trục khủy, và triệt tiêu được rung động xoắn.
- Điều này vô cùng lý tưởng cho việc áp dụng nó trên các tàu hải quân cỡ nhỏ. Một trong số đó là chiếc PTF Boat được sử dụng tại chiến tranh Việt Nam.
-
Nguyên lý hoạt động của động cơ Diesel có ba trục khuỷu
Sau khi đốt cháy, các pittong mở các cửa xả trước. Vậy nên, khí thải áp suất cao trong xylanh lao ra khỏi cửa xả. Từ đó pittong (trong khi đang di chuyển) sẽ mở ra các cửa nạp và hỗn hợp nhiên liệu/ không khí mới được đẩy vào xylanh.
Tại thời điểm này, khí thải vẫn chưa hoàn toàn thoát ra khỏi xylanh, và hỗn hợp nhiên liệu tươi “vớt” các khí thải còn lại ra khỏi cổng xă bằng cách đẩy khí thải ra ngoài.
Thông thường thì sẽ có một phần nhỏ hỗn hợp nhiên liệu và không khí mới nạp vào, sẽ bị đẩy ra ngoài ống xả để bảo đảm rằng tất cả các khí thải sẽ được loại bỏ ra khỏi xylanh.
Ống xả có thể được điều chỉnh tới một vòng tua máy nhất định nào đó, để khi động cơ đang chạy ở RPM mà ống bị thay đổi, sẽ có một làn sóng áp suất sinh ra trong pittong để đẩy một ít hỗn hợp nhiên liệu và không khí ra khỏi cổng xả quay về xylanh nơi có thể được đốt cháy.
-
Những thử thách trong việc thiết kế động cơ ba trục khuỷu
Thử thách lớn nhất là thiết kế làm sao cho động cơ ba trục khuỷu diesel Deltic có thể nhận được pittong di chuyển theo đúng trình tự.
Sau nhiều năm nghiên cứu, cuối cùng thì Herbert Penwarden đã tìm ra giải pháp tốt nhất nhằm đạt được điều này, là phải có một trong số ba trục khuỷu xoay ngược chiều với kim đồng hồ, để gia tăng hiệu năng tốt nhất.
- Động cơ Diesel Deltic cũng từng được áp dụng trên các đầu máy xe lửa của Anh.
- Từ năm 1960, những chiếc Deltics D18-25 Series II loại V (18 xylanh) cung cấp các đầu máy loại 55 và những chiếc Deltics T9-29 (9 xylanh) đã được tìm thấy cùng với các đầu máy loại 23.
- Đối với mẫu động cơ Deltic đầu tiên là D18-11B, động cơ có thể sản sinh công suất 2.500 mã lực (1.900kW) tại vòng quay 2.000 vòng/phút. Động cơ này bắt buộc cần được sửa chữa hoặc đại tu sau 1.000 vận hành.
- Đến ngày nay, loại động cơ này vẫn được tiếp tục phát triển và được sử dụng cho các tàu hải quân Anh (tàu quét mìn).
Xem thêm: So sánh các loại động cơ ô tô
Tại Mỹ, Động cơ ba trục khuỷu Napier Deltic được ứng dụng trong việc cứu hỏa khi dùng để cung cấp năng lượng cho “Hệ thống siêu máy bơm”.
Theo: oto-hui.com