Tương lai nào cho động cơ quay?

Động cơ "quay" Wankel là một loại động cơ có hiệu suất rất cao với kích thước nhỏ gọn, nhưng chỉ được ứng dụng rất hạn chế. Vậy lí do nào cho sự hạn chế này và tương lai của loại động cơ này sẽ ra sao?
Động cơ rotor Wankel - Động cơ quay (Rotary Engine)

Động cơ Wankel là một loại động cơ piston tròn được gọi theo tên của nhà phát minh Felix Wankel, hay với cách gọi đơn giản là động cơ "quay" do chuyển động quay đặc trưng của nó. Trong một động cơ Wankel, piston có dạng hình tam giác, có góc tròn quay trong một hộp máy hình bầu dục. Mỗi một cạnh của tam giác tương ứng với một piston, trên mặt cạnh này có khoét lõm tạo thành buồng đốt. Khi piston quay được một vòng thì trục khủyu quay được 3 vòng. Do luôn luôn chỉ quay theo một chiều nên động cơ này hoạt động rất êm.

Động cơ piston tam giác có cấu tạo nhỏ gọn và không cần sử dụng bộ phận điều khiển van. Nguyên tắc của động cơ này tương ứng với động cơ Otto, cũng có 4 thì nạp - nén - nổ - xả. Tuy nhiên, tất cả 4 thì này thay vì hoạt động trong một lần chuyển động lên và xuống của piston (ở động cơ khác thông thường) thì lại xảy ra trong một lần “quay” của piston. Piston tam giác quay sẽ truyền lực cho một hệ thống lệch tâm đặc biệt để đưa ra trục khủyu.

Lịch sử và cấu tạo

Mặt cắt dọc của khối động cơ rotor Wankel
Felix Wankel là một kĩ sư người Đức, bị ám ảnh bởi ý tưởng chế tạo một khối động cơ đốt trong, mà lại nhỏ gọn như động cơ điện, nhất là loại bỏ được hệ thống biến “chuyển động tịnh tiến” của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu.
 

Năm 1957, sau gần 30 năm tìm tòi nghiên cứu, Wankel cuối cùng đã thành công trong việc chế tạo loại động cơ này. Khối động cơ đó có vỏ nhôm, dung tích công tác khoảng 125cm3, nặng 11kg, công suất đạt 45 mã lực, với trục quay đạt tới vận tốc góc 17.000 v/p.

Từ việc giải được một bài toán “quỹ tích” phức tạp, Wankel đã chế tạo được một xilanh có hình cong dạng số 8 khác thường, trên thân xilanh có tạo các cửa nạp (hòa khí) và cửa thải (khí xả). Việc đóng mở các cửa nạp và cửa thải này do chính thân rôto đảm nhiệm thay vì bằng hệ thống van (xú páp). Việc đánh lửa được Wankel giải quyết bằng hai chiếc "nến" đánh lửa.

Chu trình 4 kì: nạp, nén, nổ, xả (từ trái sáng) của động cơ rotor Wankel (hay rotary engine)
Như ở sơ đồ trên chúng ta thấy động cơ rotor Wankel hoạt động theo chu trình 4 kỳ. Đặc điểm dễ nhận thấy nhất là việc truyền động lực từ rotor ra ngoài trục cơ do hệ thống bánh răng bên trong rôto và bên ngoài trục cơ đảm nhiệm. Như vậy chuyển động của rôto sẽ là chuyển động hành tinh (có hình bầu dục). Tỷ số truyền phụ thuộc vào tỷ số răng của rôto so với trục cơ. 

Từ khi động cơ đốt trong ra đời, những nhà phát triển luôn đau đầu vì bài toán thu gọn thể tích động cơ. Dù bằng nhiều thiết kế khác nhau như xi-lanh hình chữ V, X, I, đến nay, động cơ rotor của Wankel vẫn là lời giải hoàn hảo nhất cho bài toán này.

Động cơ quay là lời giải tối ưu nhất hiện nay cho bài toán thu gọn thể tích động cơ của các kỹ sư động cơ đốt trong

Tuy nhiên, từ khi ra đời, động cơ quay không được chào đón nồng nhiệt cho lắm, một phần do hình dạng kỳ dị của xilanh và rôto, phần khác bởi các hãng xe hơi lúc này đã đi vào sản xuất với dây chuyền công nghệ ổn định, và việc phát triển một công nghệ mới phức tạp và chi phí cao này đặt ra nhiều bài toán mà không phải ai cũng lý giải và thực hiện được.

Do đó đến năm 1967, khi người Nhật ngỏ ý mua lại phát minh này, người Đức lập tức đồng ý. Kết quả là những chiếc Mazda Sport đang làm mưa làm gió hiện nay nhờ đặc tính gọn nhẹ của động cơ và tốc độ cực cao của nó. Hiện nay Mazda vẫn đang đi đầu trong công nghệ chế tạo động cơ rotor Wankel sử dụng trên xe của mình.

Sau động cơ rôto ba cạnh, nhiều kỹ sư đưa ra thiết kế chế tạo động cơ rotor với hình sao năm cánh, bảy cánh,… tuy nhiên, thiết kế của Wankel vẫn là tối ưu nhất cho loại động cơ này.

Ứng dụng thực tế

Mazda là hãng xe đã mua được thiết kế động cơ quay của người Đức, và nắm cờ tiên phong trong việc phát triển loại động cơ này và ứng dụng trên những mẫu xe của hãng

Động cơ Wankel có ưu điểm là vận hành rất êm, và hệ thống cân bằng máy không phức tạp vì không phải tính toán cân bằng lực quán tính của piston.

Xét về định tính thì cùng một số vòng quay của trục cơ thì Wankel có công suất gấp 2 vì trong 1 chu kỳ có 3 lần sinh công còn động cơ piston phải quay 2 vòng mới sinh công 1 lần (4 thì).

Tuy nhiên do động cơ này có tiếp xúc giữa piston và thành xi-lanh là tiếp xúc mài 1 chiều nên hệ số mài mòn cao hơn loại piston tịnh tiến truyền thống rất nhiều. Hơn nữa việc thiết kế bôi trơn lại phức tạp hơn, vì tính chất đặc biệt của kết cấu buồng đốt mà dầu bôi trơn luôn bị lẫn vào trong buồng đốt.

Với ưu điểm công suất lớn cùng sự nhỏ gọn, động cơ quay ngày càng được trang bị nhiều công nghệ để khắc phục những nhược điểm cố hữu như "ngốn" nhiên liệu hay hệ thống bôi trơn kém
Chưa kể động cơ luôn hoạt động với vòng tua trung bình lên trên 2.000 v/p dẫn đến hiện tượng rung và mức độ “ngốn” xăng vô cùng lớn. Đó là những khuyết điểm lớn khiến động cơ Wankel chiếm tỉ lệ rất nhỏ so với động cơ piston tịnh tiến hiện nay, nhất là với xu hướng tiết kiệm nhiên liệu trên toàn cầu.

Dù không được phổ biến như động cơ piston truyền thống, nhưng nhờ vào kích thước nhỏ gọn, tạo ra công suất lớn và vòng quay mạnh, với hiệu suất cao hơn 20% so với động cơ truyền thống, động cơ rotor vẫn được 1 vài hãng xe áp dụng vào sản xuất và thiết kế. 
Mẫu concept RX-Vision mà sản phẩm ứng dụng động cơ quay với những công nghệ tiên tiến nhất hiện này do hãng Mazda phát triển, hứa hẹn tương lai khả quan cho loại động cơ này

Điển hình nhất chính là Mazda, hãng xe đã có những sản phẩm nổi tiếng thế giới như RX-7, RX-8, MX5 miata và gần dây nhất là concept RX-Vision tại triển lãm Tokyo vừa qua. Đi kèm với nó là hàng loạt công nghệ tiết kiệm nhiên liệu, bôi trơn tốt, tản nhiệt nhanh nhằm nâng cao hiệu suất, tối ưu hóa vật liệu chế tạo hay các hệ thống tăng khí nạp cưỡng bức (turbo, supercharger, free valve,..)

Tên tuổi của Mazda cùng khối động cơ quay đến từ giải đua Red Bull Drift Shifter khi cỗ máy này có màn trình diễn công suất tuyệt đỉnh

Tuy nhiên, phải nói rằng, động cơ Wankel được tái sinh là nhờ giải đua Red Bull Drift Shifter, khi khối động cơ này có màn trình diễn công suất tuyệt đỉnh, đã tạo cảm hứng cho các nhà nghiên cứu chế tạo của Mazda tiếp tục duy trì và phát triển đến tận ngày nay.

Kết

Tương lai đang mở rộng đầy tích cực với động cơ rotor Wankel
Trong tương lai, động cơ Wankel sẽ còn được trang bị nhiều công nghệ hiện đại hơn, mạnh hơn và tiết kiệm hơn, và những người yêu thích khối động cơ này sẽ không còn phải lo lắng về khả năng một ngày nó phải bị khai tử như trước đây.


Lê Anh
(Theo Nghe nhìn Việt Nam)
Ý kiến của bạn sẽ được biên tập trước khi đăng. Xin vui lòng gõ tiếng Việt có dấu
Nhập mã bảo mật (*)     Refresh
Tin khác