Opposed-piston engine – Động cơ Piston Đối đỉnh

Động cơ pít-tông đối đỉnh là động cơ pít-tông trong đó mỗi xi-lanh có hai pít-tông ở hai đầu và không có đầu xi-lanh. Động cơ pít-tông đối đỉnh xăng và dầu diesel đã được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng quy mô lớn như tàu, xe tăng quân sự và nhà máy. Các nhà sản xuất động cơ pít-tông đối đỉnh hiện nay bao gồm Fairbanks-Morse, Cummins và Achates Power.

Ưu điểm của động cơ piston đối đỉnh

Hiệu quả tốt hơn

• Loại bỏ đầu xi-lanh và hệ thống van, giúp giảm trọng lượng, độ phức tạp, chi phí, tổn thất nhiệt và giảm ma sát của động cơ.

• Tạo ra sự chuyển động của khí được xả khí đơn dòng qua buồng đốt, điều này tránh được những nhược điểm liên quan đến các thiết kế dòng chảy chéo hiện đại (tuy nhiên những tiến bộ sau này đã cung cấp các phương pháp để đạt được đơn dòng trong các thiết kế động cơ pít-tông thông thường).

• Nó có hiệu suất nhiệt tốt hơn thông qua tỷ lệ buồng đốt được chiếm bởi đầu pít-tông cao hơn. Việc loại bỏ đầu xi-lanh đồng nghĩa với việc lãng phí ít nhiệt hơn và nhiều năng lượng hơn được truyền tới pít-tông.
• Ma sát tác dụng lên các xéc-măng piston được hạ thấp.
• Ít ma sát hơn được tạo ra ở tốc độ cao hơn vì tốc độ vận hành tối đa của động cơ không cần phải cao như vậy.
• Các pít-tông lãng phí ít năng lượng hơn khi phải bơm không khí vào và thải khí ra ngoài vì các cổng được bố trí xung quanh xi-lanh thay vào đó làm việc này, với lợi ích bổ sung là tăng hiệu suất của bộ tăng áp và bộ siêu nạp.
• Áp suất trong xi-lanh ít hơn có nghĩa là động cơ không cần phải mạnh chịu những lực tác dụng lớn, nghĩa là chúng có thể được chế tạo với trọng lượng nhẹ hơn.

Giảm khí thải

• Thông qua áp suất và nhiệt độ thấp hơn trong quá trình đốt cháy, lượng chất gây ô nhiễm được tạo ra sẽ giảm đi. Ngoài ra, chiều dài hành trình kết hợp giữa hai xi-lanh dài hơn giúp nhiên liệu được đốt cháy hoàn toàn hơn, dẫn đến giảm hơn nữa lượng chất thải sinh ra.
• Bằng cách phun nhiên liệu theo chiều ngang vào buồng xi-lanh chứ không phải xuống đầu pít-tông nóng, quá trình dập tắt tạo thành các hạt được giảm đáng kể.

Giá thành rẻ hơn

• Giảm các bộ phận phức tạp và đắt tiền cần thiết dẫn đến một động cơ đơn giản hơn. Trục khuỷu và bánh răng bổ sung được bù đắp nhiều hơn bởi điều này. Một đường cong mô-men xoắn rộng hơn làm giảm số lượng bộ phận hơn nữa bằng cách giảm số lượng bánh răng cần thiết.
• Cần ít khả năng làm mát hơn vì động cơ tạo ra ít nhiệt hơn và hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn.
• Lượng khí thải thấp hơn có nghĩa là các hệ thống quản lý chất thải không cần phải mở rộng, dẫn đến việc giảm kích thước của các bộ chuyển đổi xúc tác đắt tiền.

Hạn chế chính là lực từ hai pít-tông đối diện phải được truyền cùng nhau. Điều này làm tăng thêm trọng lượng và độ phức tạp khi so sánh với động cơ pít-tông thông thường, loại động cơ sử dụng một trục khuỷu duy nhất làm công suất đầu ra.

Thiết kế

Cách bố trí phổ biến nhất là hai trục khuỷu, với các trục khuỷu được truyền động cùng nhau (cùng hướng hoặc ngược chiều). Động cơ Koreyvo, Jumo và Napier Deltic sử dụng một pít-tông để lộ cổng nạp và pít-tông kia để lộ cổng xả trên mỗi xi-lanh. Mỗi pít-tông được gọi là pít-tông nạp hoặc pít-tông xả, tùy thuộc vào chức năng của nó về mặt này. Cách bố trí này mang lại khả năng xả khí vượt trội, vì dòng khí đi qua xi lanh là hướng trục chứ không phải hướng tâm và đơn giản hóa thiết kế của đỉnh pít-tông. Trong Jumo 205 và các biến thể của nó, trục khuỷu phía trên phục vụ các pít-tông xả và trục khuỷu phía dưới phục vụ các pít-tông nạp. Trong các thiết kế sử dụng nhiều dãy xi lanh, mỗi ổ trục đầu lớn phục vụ một pít-tông nạp và một pít-tông xả, sử dụng thanh truyền rẽ nhánh cho pít-tông xả.

Lịch sử động cơ pistong đối đỉnh

Từ 1880 đến 1930

Một trong những động cơ pít-tông đối đỉnh đầu tiên là động cơ vi sai Atkinson năm 1882, có hành trình công suất trên mỗi vòng quay của trục khuỷu (so với mỗi vòng quay thứ hai của động cơ chu trình Otto đương thời), nhưng nó không phải là một thành công về mặt thương mại.

Năm 1898, một động cơ pít-tông đối đỉnh hai thì của Oechelhäuser sản sinh công suất 600 mã lực (447 kW) đã được lắp đặt tại xưởng luyện gang Hoerde. Thiết kế động cơ này cũng được sản xuất theo giấy phép của các nhà sản xuất bao gồm Deutsche Kraftgas Gesellschaft ở Đức và William Beardmore & Sons ở Vương quốc Anh.

Năm 1901, Động cơ xăng và khí cân bằng Kansas City Lightning Balanced là động cơ xăng sản xuất 4–25 mã lực (3–19 kW).

Chiếc ô tô sử dụng động cơ pít-tông đối đỉnh đời đầu được sản xuất bởi công ty Pháp Gobron-Brillié vào khoảng năm 1900. Vào tháng 4 năm 1904, ô tô Gobron-Brillié chạy bằng động cơ pít-tông đối đỉnh là chiếc ô tô đầu tiên vượt quá vận tốc 150 km/h với giải thưởng “World’s Record Speed” là 152,5 km/h (95 dặm/giờ). Vào ngày 17 tháng 7 năm 1904, chiếc ô tô Gobron-Brillié trở thành chiếc ô tô đầu tiên vượt quá 100 dặm/giờ (161 km/giờ). Động cơ sử dụng một trục khuỷu duy nhất ở một đầu của các xi-lanh và một thanh trượt cho pít-tông đối diện.

Một động cơ pít-tông đối lập đầu tiên khác là trên xe hơi Arrol-Johnston của Scotland, dường như đã được cài đặt lần đầu tiên trong chiếc xe thùng buckboardc1900 10 mã lực. Động cơ đã được mô tả và minh họa một số chi tiết về chiếc ô tô 12-15 mã lực của họ được trưng bày tại Triển lãm ô tô Olympia năm 1905. Động cơ là loại 4 thì với hai xi-lanh (mỗi xi-lanh có các pít-tông đối diện nhau) với trục khuỷu bên dưới và các pít-tông được nối bằng tay đòn với trục khuỷu hai má khuỷu.

Động cơ diesel đầu tiên với các pít-tông đối đỉnh là một nguyên mẫu được chế tạo tại Kolomna Locomotive Works ở Nga. Nhà thiết kế, Raymond A. Koreyvo, đã được cấp bằng sáng chế cho động cơ ở Pháp vào ngày 6 tháng 11 năm 1907 và trưng bày động cơ này tại các cuộc triển lãm quốc tế, nhưng nó không được đưa vào sản xuất. Thiết kế của Kolomna sử dụng cách bố trí điển hình gồm hai trục khuỷu được kết nối bằng bánh răng.

Năm 1914, động cơ xe máy hai thì cân bằng Simpson là một động cơ pít-tông đối đỉnh khác sử dụng một trục khuỷu duy nhất bên dưới tâm xi-lanh với cả hai pít-tông được nối với nhau bằng đòn bẩy. Động cơ này là một thiết kế nén trục khuỷu, với một pít-tông được sử dụng để mở cổng nạp và pít-tông kia để mở cổng xả. Ưu điểm của thiết kế này là tránh được các núm làm lệch hướng cho các pít-tông được sử dụng bởi hầu hết các động cơ hai thì vào thời điểm đó.

Doxford Engine Works ở Vương quốc Anh đã chế tạo các động cơ pít-tông đối diện lớn để sử dụng hàng hải, với động cơ Doxford đầu tiên được lắp đặt trên tàu vào năm 1921. Động cơ diesel này sử dụng một trục khuỷu duy nhất ở một đầu của các xi-lanh và một thanh trượt cho pít-tông đối diện. . Sau Chiến tranh thế giới thứ nhất, những động cơ này được sản xuất theo một số kiểu, chẳng hạn như dòng P và J, với công suất đầu ra cao tới 20.000 mã lực (14.914 kW). Việc sản xuất động cơ Doxford ở Anh đã ngừng vào năm 1980.

Các động cơ diesel pít-tông đối lập sau này bao gồm động cơ máy bay Junkers Jumo 205 năm 1932 được chế tạo ở Đức, có hai trục khuỷu, không sử dụng thiết kế tương tự như động cơ Gobron-Brillié 1900–1922.

Những năm 1940 đến nay

Động cơ diesel Fairbanks Morse 38 8-1/8, ban đầu được thiết kế ở Đức vào những năm 1930, được sử dụng trên các tàu ngầm của Hoa Kỳ vào những năm 1940 và 1950, và trên các tàu thuyền từ những năm 1930 đến nay. Nó cũng được sử dụng trong đầu máy xe lửa từ năm 1944.

Phiên bản mới nhất (tháng 11 năm 2021) của Fairbanks-Morse 38 8-1/8 được gọi là FM 38D 8-1/8 Điêzen và Nhiên liệu kép. Động cơ hai kỳ pít-tông đối lập này vẫn giữ nguyên thiết kế siêu nặng và có tuổi thọ sử dụng được đánh giá là hơn 40 năm, nhưng giờ đây có thêm khả năng tùy chọn đốt nhiên liệu kép (nhiên liệu khí và lỏng, với khả năng tự động chuyển sang động cơ diesel hoàn toàn nếu hết nguồn cung cấp khí đốt) có sẵn.

Động cơ xe tải diesel ba xi-lanh Commer TS3, ra mắt năm 1954, có một trục khuỷu duy nhất bên dưới tâm xi-lanh với cả hai pít-tông được nối với nhau bằng đòn bẩy.

Cũng được phát hành vào năm 1954 là động cơ Napier Deltic dành cho tàu quân sự. Nó sử dụng ba trục khuỷu, mỗi trục ở một góc, để tạo thành ba dãy xi lanh hai đầu được sắp xếp theo hình tam giác đều. Động cơ Deltic được sử dụng trong các đầu máy xe lửa British Rail Class 55 và British Rail Class 23 và cung cấp năng lượng cho các tàu tuần tra nhanh và tàu quét mìn của Hải quân Hoàng gia. Bắt đầu từ năm 1962, Gibbs đã mời Mack Trucks tham gia thiết kế siêu máy bơm của FDNY và gói thầu đồng hành của nó. DeLaval Turbine được giao nhiệm vụ thiết kế một máy bơm ly tâm nhiều tầng với động cơ diesel Napier-Deltic T18-37C để cung cấp năng lượng cho các máy bơm.

Năm 1959, động cơ diesel sáu xi-lanh Leyland L60 19 L (1.159 cu in) được giới thiệu. L60 được sản xuất tại Vương quốc Anh để sử dụng cho xe tăng Chieftain. Xe tăng T-64 của Liên Xô, được sản xuất từ năm 1963-1987, cũng sử dụng động cơ diesel 5TDF piston đối đỉnh.

Vào năm 2014, Achates Power đã xuất bản một bài báo kỹ thuật trích dẫn việc cải thiện 30% khả năng tiết kiệm nhiên liệu khi động cơ của nó được so sánh với động cơ diesel thế hệ tiếp theo được trang bị các công nghệ tiên tiến.

Diesel Air Dair 100 là động cơ máy bay diesel 100 mã lực (75 kW) hai xi-lanh, được thiết kế và sản xuất bởi Diesel Air Ltd ở Olney, Buckinghamshire để sử dụng trong khí cầu, máy bay lắp ráp trong nhà và máy bay hạng nhẹ.

Vào tháng 7 năm 2021, Cummins đã được Quân đội Hoa Kỳ trao một hợp đồng trị giá 87 triệu đô la để hoàn thành quá trình phát triển Động cơ Chiến đấu Tiên tiến (ACE), một giải pháp động cơ diesel mô-đun và có thể mở rộng quy mô sử dụng công nghệ pít-tông đối đỉnh.

Động cơ piston tự do – Free-piston engine

Một biến thể của thiết kế pít-tông đối lập là động cơ pít-tông tự do, lần đầu tiên được cấp bằng sáng chế vào năm 1934. Động cơ pít-tông tự do không có trục khuỷu và các pít-tông quay trở lại sau mỗi hành trình bắn bằng cách nén và giãn nở không khí trong một xi-lanh riêng biệt. Các ứng dụng ban đầu được sử dụng làm máy nén khí hoặc máy tạo khí cho tuabin khí.