Động cơ Wankel: Khám phá công nghệ xoay độc đáo

Trang Chủ / Tin tức / Động cơ Wankel: Khám phá công nghệ xoay độc đáo

Thế giới động cơ luôn ẩn chứa vô vàn điều thú vị, và trong số đó, Động cơ Wankel nổi bật lên như một thiết kế độc đáo, khác biệt hoàn toàn so với các loại động cơ piston truyền thống. Phát minh này không chỉ là một kỳ công kỹ thuật mà còn mở ra một chương mới trong lịch sử phát triển phương tiện, đặc biệt là xe máy và ô tô, mang đến hiệu suất đáng kinh ngạc trong một cấu trúc nhỏ gọn.

Động cơ Wankel là gì và lịch sử phát triển?

Nội Dung Bài Viết

Động cơ Wankel, hay còn gọi là động cơ xoay, là một loại động cơ đốt trong sử dụng một hoặc nhiều rotor hình tam giác thay vì piston tịnh tiến để chuyển đổi áp suất khí cháy thành động năng quay. Khái niệm về động cơ xoay này được phát triển bởi kỹ sư người Đức Felix Wankel, người đã nhận được bằng sáng chế đầu tiên cho ý tưởng này vào năm 1929.

Nguồn gốc và những cải tiến ban đầu

Mặc dù ý tưởng đã có từ trước, phải đến năm 1951, nhà sản xuất ô tô NSU Motorenwerke AG của Đức mới bắt đầu hợp tác với Felix Wankel để hiện thực hóa thiết kế này. Trong quá trình phát triển, hai mẫu động cơ chính đã được chế tạo: động cơ DKM do chính Felix Wankel phát triển, và động cơ KKM do Hans Dieter Paschke cải tiến. Chính thiết kế KKM của Paschke với rotor quay trong một buồng đốt cố định đã trở thành nền tảng cho động cơ Wankel hiện đại mà chúng ta biết đến ngày nay. Sự thay đổi này đã đơn giản hóa đáng kể cấu trúc và quy trình sản xuất, giúp động cơ xoay trở nên khả thi hơn về mặt thương mại.

Sự quan tâm của các hãng xe lớn

Trong những thập kỷ tiếp theo, sức hấp dẫn của động cơ Wankel đã thu hút sự chú ý của nhiều “ông lớn” trong ngành công nghiệp ô tô và xe máy. Hàng loạt các nhà sản xuất danh tiếng như Alfa Romeo, American Motors, Citroën, Ford, General Motors, Mazda, Mercedes-Benz, Nissan, Porsche, Rolls-Royce, Suzuki và Toyota đều đã ký kết thỏa thuận cấp phép để nghiên cứu và phát triển loại động cơ xoay này. Điều này minh chứng cho tiềm năng và những ưu điểm vượt trội mà động cơ Wankel mang lại so với các công nghệ truyền thống thời bấy giờ. Mặc dù không phải tất cả đều đưa động cơ Wankel vào sản xuất đại trà, nhưng những nỗ lực này đã góp phần đáng kể vào sự tiến bộ của kỹ thuật động cơ.

Động cơ Wankel với rotor hình tam giác độc đáo

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Động cơ Wankel

Động cơ Wankel sở hữu cấu trúc tinh giản nhưng vô cùng hiệu quả, biến đổi áp suất từ quá trình đốt cháy thành chuyển động quay một cách trực tiếp. Khác với piston tịnh tiến, động cơ xoay này tạo ra mô-men xoắn liên tục, góp phần vào hoạt động êm ái và mượt mà.

<>Xem Thêm Bài Viết:<>

Các bộ phận chính của động cơ quay Wankel

Cấu tạo của động cơ Wankel bao gồm năm bộ phận cơ bản, phối hợp nhịp nhàng để tạo ra năng lượng:

Rotor hình tam giác (Đĩa quay lệch tâm): Đây là trái tim của động cơ xoay, có hình dáng tam giác Reuleaux với ba mặt lồi. Ba đỉnh của rotor được bịt kín bằng các phớt kín, tạo thành ba buồng đốt riêng biệt bên trong hộp động cơ. Bánh răng trung tâm của rotor ăn khớp với bánh răng cố định trên vỏ động cơ, giúp nó quay quanh một trục lệch tâm.
Hộp động cơ (Vỏ động cơ): Có hình dạng oval đặc trưng, được thiết kế để bao bọc rotor. Hình dạng này cho phép rotor chuyển động mượt mà, tạo ra các thể tích buồng đốt thay đổi liên tục theo từng giai đoạn của chu trình đốt trong.
Cổng nạp và cổng xả: Những cổng này được bố trí hợp lý trên hộp động cơ. Cổng nạp cho phép hòa khí (hỗn hợp không khí và nhiên liệu) đi vào buồng đốt, trong khi cổng xả giúp khí thải thoát ra ngoài sau khi quá trình đốt cháy hoàn tất. Vị trí và kích thước của các cổng này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nạp và xả của động cơ Wankel.
Bugi đánh lửa: Tương tự như động cơ piston, động cơ xoay cũng cần bugi để khởi động quá trình đốt cháy. Thông thường, động cơ Wankel sử dụng một hoặc hai bugi cho mỗi buồng đốt để đảm bảo quá trình đốt cháy diễn ra hiệu quả và đồng đều, đặc biệt trong buồng đốt dài của nó.
Trục đầu ra (Trục lệch tâm): Nằm ở trung tâm cấu trúc động cơ, trục đầu ra có các thùy tròn được gắn lệch khỏi đường tâm. Mỗi rotor sẽ tác động lực lên một thùy, tạo ra mô-men xoắn làm cho trục đầu ra quay. Đây là trục truyền động chính, kết nối với hệ thống truyền lực của xe.

Nguyên lý hoạt động theo chu trình bốn kỳ

Mặc dù có cấu tạo khác biệt, động cơ Wankel vẫn hoạt động dựa trên chu trình đốt cháy bốn kỳ cơ bản (nạp, nén, đốt, xả), nhưng được thực hiện theo một cơ chế xoay liên tục thay vì tịnh tiến:

Kỳ nạp nhiên liệu: Khi rotor quay, một trong ba đỉnh của nó đi qua cổng nạp, tạo ra một không gian mở rộng. Hiện tượng giảm áp suất trong buồng đốt lúc này sẽ hút hòa khí (không khí và nhiên liệu) tràn vào buồng đốt từ cổng nạp. Quá trình này diễn ra liên tục khi rotor dịch chuyển.
Kỳ nén nhiên liệu: Sau khi hòa khí được nạp đầy, rotor tiếp tục quay, làm cho thể tích của buồng đốt bắt đầu thu hẹp lại. Hòa khí bị nén chặt lại do cấu tạo lệch tâm của trục và hình dạng oval của hộp động cơ. Khi rotor quay đến vị trí nén tối đa, hòa khí sẽ đạt áp suất và nhiệt độ cao nhất, sẵn sàng cho quá trình đánh lửa.
Kỳ đốt nhiên liệu (Nổ): Ngay sau khi hòa khí đạt độ nén tối đa, bugi đánh lửa sẽ phóng tia lửa điện. Tia lửa này đốt cháy hỗn hợp không khí và xăng. Sự giãn nở đột ngột của khí cháy tạo ra một áp lực lớn, đẩy rotor quay. Lực này được truyền tới trục lệch tâm thông qua rotor, tạo ra mô-men xoắn mạnh mẽ làm quay trục đầu ra. Đây là giai đoạn sinh công chính của động cơ xoay.
Kỳ xả khí thải: Khi rotor tiếp tục chuyển động quay dưới tác động của lực giãn nở, khí cháy sẽ được đẩy về phía cổng xả. Khi một đỉnh của rotor đi qua cổng xả, khí thải sẽ thoát ra ngoài qua ống xả. Quá trình này giúp làm sạch buồng đốt, chuẩn bị cho chu kỳ nạp mới.
Toàn bộ chu trình này diễn ra liên tục và mượt mà, với mỗi vòng quay của rotor, ba chu kỳ đốt cháy hoàn chỉnh được thực hiện, mang lại công suất liên tục.

Sơ đồ nguyên lý hoạt động 4 kỳ của động cơ xoay Wankel

Ưu điểm và nhược điểm của động cơ Wankel

Động cơ Wankel đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ ô tô, xe máy, xe đua, xe trượt tuyết cho đến máy cưa, máy phát điện, máy bay và tàu thủy nhỏ. Tuy nhiên, bất kỳ công nghệ nào cũng có những mặt mạnh và mặt yếu riêng.

Những ưu điểm nổi bật

Động cơ xoay Wankel sở hữu nhiều đặc tính vượt trội so với động cơ piston truyền thống:

Thiết kế nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ: Đây là một trong những lợi thế lớn nhất. Với ít bộ phận chuyển động hơn và không cần cơ cấu tay biên, trục khuỷu phức tạp như động cơ piston, động cơ Wankel có kích thước nhỏ hơn đáng kể và nhẹ hơn rất nhiều so với động cơ piston cùng công suất. Điều này đặc biệt có lợi cho các ứng dụng yêu cầu không gian hạn chế và tối ưu hóa trọng lượng, ví dụ như trên xe mô tô hiệu năng cao hoặc máy bay không người lái.
Chi phí sản xuất và bảo trì đơn giản: Cấu tạo của động cơ Wankel ít bộ phận hơn (chỉ có 3 bộ phận chuyển động chính so với hàng trăm bộ phận của động cơ piston) giúp giảm tải chi phí sản xuất và lắp ráp. Việc sửa chữa và bảo dưỡng cũng có thể đơn giản hơn ở một số khía cạnh do ít bộ phận bị mài mòn.
Hoạt động êm ái, ít rung động: Nhờ chuyển động quay liên tục của rotor thay vì chuyển động tịnh tiến dừng-đổi chiều của piston, động cơ xoay Wankel tạo ra rất ít rung động và tiếng ồn. Điều này mang lại trải nghiệm lái xe mượt mà và thoải mái hơn, một yếu tố quan trọng đối với xe thể thao và xe sang.
Tỷ lệ công suất/trọng lượng cao: Với cùng một dung tích động cơ, động cơ Wankel có thể tạo ra công suất lớn hơn đáng kể so với động cơ piston do mỗi vòng quay của rotor thực hiện ba chu kỳ đốt cháy. Điều này dẫn đến tỷ lệ công suất trên trọng lượng rất ấn tượng, lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao.
Linh hoạt với nhiên liệu: Động cơ xoay có khả năng sử dụng nhiên liệu có chỉ số octan rộng, thậm chí có thể được tối ưu hóa để sử dụng nhiên liệu hydro. Cấu trúc buồng đốt của động cơ Wankel giúp khí hydro tăng khả năng đốt cháy đồng đều, từ đó cải thiện hiệu suất vận hành và tiềm năng giảm phát thải.

Những hạn chế cần khắc phục

Bên cạnh những ưu điểm, động cơ Wankel cũng tồn tại một số nhược điểm đáng kể khiến nó không được ứng dụng rộng rãi:

Phân bố nhiệt độ không đồng đều: Hình dạng đặc trưng của buồng đốt và chuyển động của rotor khiến nhiệt độ phân bố trên rotor và hộp động cơ không đồng đều. Vùng đánh lửa và đốt cháy thường rất nóng, trong khi các vùng khác lại mát hơn. Sự chênh lệch nhiệt độ này dễ làm cho các vật liệu bị giãn nở khác nhau, dẫn đến vấn đề về độ kín khít của buồng đốt và mài mòn phớt đỉnh rotor.
Hiệu quả nhiên liệu thấp: Do hình dạng buồng đốt dài và hẹp, một phần nhiên liệu có thể bị đẩy ra ngoài qua cổng xả mà chưa được đốt cháy hoàn toàn. Điều này làm giảm khả năng tiết kiệm nhiên liệu của động cơ xoay và tăng lượng khí thải hydrocarbons chưa cháy. Mặc dù đã có nhiều cải tiến, vấn đề này vẫn là một thách thức lớn.
Độ bền phớt đỉnh rotor: Phớt đỉnh rotor (apex seals) là bộ phận quan trọng để duy trì độ kín của buồng đốt. Do phải chịu ma sát, nhiệt độ và áp suất cao liên tục, các phớt này có xu hướng mòn nhanh hơn so với xéc măng của động cơ piston, ảnh hưởng đến tuổi thọ tổng thể của động cơ Wankel và yêu cầu bảo dưỡng định kỳ.

Động cơ xoay Wankel có cấu tạo đơn giản với ít bộ phận chuyển động

Tại sao Động cơ Wankel không phổ biến trên ô tô và xe máy?

Mặc dù sở hữu những ưu điểm vượt trội về kích thước, trọng lượng và độ êm ái, động cơ Wankel vẫn không được nhiều nhà sản xuất ô tô và xe máy lựa chọn để trang bị cho các dòng xe sản xuất hàng loạt. Có nhiều lý do sâu xa cho điều này, chủ yếu liên quan đến hiệu suất, độ bền và vấn đề môi trường.

Thách thức về hiệu quả nhiệt và tuổi thọ

Một trong những lý do chính khiến động cơ Wankel ít phổ biến là hiệu quả nhiệt thấp. Buồng đốt của động cơ xoay Wankel được thiết kế hình bầu dục dài, dẫn đến tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn. Điều này làm tăng lượng nhiệt thất thoát ra ngoài qua thành buồng đốt, khiến hiệu suất nhiệt bị giảm đi đáng kể. Hệ quả là một phần nhiên liệu chưa cháy hết đã bị thải ra ngoài qua ống xả, gây hao tốn nhiên liệu nhiều hơn so với động cơ piston.

Hơn nữa, thời gian cho một chu kỳ cháy hoàn thành trong động cơ Wankel khá dài do buồng đốt dài và chuyển động liên tục của rotor. Sự chênh lệch nhiệt độ quá lớn giữa các phần của rotor và vỏ động cơ dẫn đến hiện tượng giãn nở nhiệt không đồng đều, ảnh hưởng đến độ kín khít của phớt đỉnh rotor và làm giảm hiệu suất làm việc. Theo đó, tuổi thọ của động cơ xoay thường thấp hơn đáng kể so với động cơ sử dụng piston tịnh tiến thông thường, đặc biệt là các vấn đề liên quan đến độ bền của phớt.

Vấn đề khí thải và tiêu chuẩn môi trường

Động cơ Wankel từng đối mặt với những thách thức lớn trong việc đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt, đặc biệt là tại châu Âu và Mỹ. Việc dầu máy bị rò rỉ vào buồng đốt trong quá trình vận hành (do cấu tạo buồng đốt và cơ chế bôi trơn) cũng như nhiên liệu thoát ra khỏi ống xả khi chưa cháy hết đã khiến động cơ xoay mang chỉ số khí thải hydrocarbon và NOx khá lớn. Điều này gây khó khăn trong việc vượt qua các thử nghiệm khí thải, đặc biệt khi các quy định môi trường ngày càng trở nên chặt chẽ hơn. Đây là một rào cản lớn khiến nhiều nhà sản xuất phải từ bỏ ý định phát triển động cơ Wankel cho các dòng xe thương mại.

Ứng dụng nổi bật và tiềm năng trong tương lai

Mặc dù không trở thành động cơ chủ đạo, Động cơ Wankel vẫn có những ứng dụng độc đáo và đang đứng trước những cơ hội mới trong tương lai của ngành công nghiệp xe cộ.

Những dấu ấn của động cơ Wankel

Trong lịch sử, Mazda là nhà sản xuất ô tô nổi tiếng nhất đã kiên trì theo đuổi và ứng dụng động cơ Wankel một cách rộng rãi trên các dòng xe thể thao của mình, tiêu biểu là dòng RX (RX-7, RX-8). Nhờ động cơ xoay, những chiếc xe này có thể đạt được vòng tua máy rất cao, âm thanh đặc trưng và trải nghiệm lái mượt mà, khác biệt. Ngoài ra, động cơ Wankel cũng tìm thấy vị trí trong các ứng dụng đặc biệt như máy bay không người lái (UAV), xe trượt tuyết, máy phát điện cầm tay, và thậm chí là các loại xe đua chuyên dụng, nơi mà lợi thế về công suất/trọng lượng và độ nhỏ gọn được ưu tiên hàng đầu.

Tiềm năng phát triển trong kỷ nguyên mới

Trong bối cảnh ngành công nghiệp ô tô đang chuyển mình mạnh mẽ sang xe điện, động cơ Wankel bất ngờ tìm thấy một vai trò mới tiềm năng: động cơ mở rộng phạm vi (range extender) cho xe điện (EV). Với kích thước nhỏ gọn và khả năng hoạt động êm ái, một động cơ Wankel nhỏ có thể được dùng để sạc pin cho xe điện khi cần thiết, mà không làm tăng đáng kể trọng lượng hay không gian của xe. Điều này giúp giải quyết bài toán về “lo lắng phạm vi” (range anxiety) của người dùng xe điện mà vẫn duy trì được hiệu quả và tính linh hoạt. Mazda đã bắt đầu tái giới thiệu động cơ xoay này trong mẫu xe điện MX-30 R-EV của họ, minh chứng cho sự trở lại đầy hứa hẹn của công nghệ độc đáo này. Khả năng đốt cháy nhiên liệu hydro cũng mở ra một hướng đi mới cho động cơ Wankel trong bối cảnh tìm kiếm các giải pháp năng lượng sạch hơn.

Câu hỏi thường gặp (FAQs)

1. Động cơ Wankel khác gì so với động cơ piston truyền thống?

Động cơ Wankel sử dụng rotor hình tam giác quay trong một buồng đốt hình oval để tạo ra năng lượng, trong khi động cơ piston sử dụng piston di chuyển tịnh tiến lên xuống trong xi lanh. Điều này giúp động cơ xoay nhỏ gọn hơn, nhẹ hơn, ít rung động hơn nhưng có thể đối mặt với thách thức về hiệu suất nhiên liệu và độ bền phớt.

2. Ưu điểm chính của động cơ Wankel là gì?

Các ưu điểm chính bao gồm kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, hoạt động cực kỳ êm ái do không có chuyển động tịnh tiến dừng đột ngột, tỷ lệ công suất trên dung tích cao và cấu trúc đơn giản hơn về số lượng bộ phận chuyển động.

3. Tại sao động cơ Wankel không phổ biến như động cơ piston?

Nguyên nhân chính là hiệu quả nhiên liệu thấp hơn, vấn đề về độ bền của phớt đỉnh rotor (apex seals) do mài mòn và khó khăn trong việc đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt.

4. Hãng xe nào nổi tiếng nhất với việc sử dụng động cơ Wankel?

Mazda là hãng xe nổi tiếng nhất đã kiên trì theo đuổi và ứng dụng động cơ Wankel rộng rãi trên các dòng xe thể thao như Mazda RX-7 và RX-8.

5. Động cơ Wankel có thể sử dụng loại nhiên liệu nào?

Động cơ Wankel có khả năng sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau, bao gồm xăng có chỉ số octan rộng và cả nhiên liệu hydro, cho thấy tính linh hoạt của nó.

6. “Rotor” trong động cơ Wankel là gì?

Rotor là bộ phận hình tam giác có ba mặt lồi, quay lệch tâm bên trong hộp động cơ hình oval. Nó đóng vai trò tương tự như piston và tay biên trong việc tạo ra các chu kỳ nạp, nén, đốt và xả.

7. Tương lai của động cơ Wankel sẽ ra sao?

Động cơ Wankel có tiềm năng lớn để trở thành động cơ mở rộng phạm vi (range extender) cho các mẫu xe điện, giúp tăng quãng đường di chuyển mà vẫn giữ được sự nhỏ gọn và êm ái.

Động cơ Wankel là minh chứng cho sự sáng tạo không ngừng trong ngành kỹ thuật cơ khí. Mặc dù không trở thành xu hướng chủ đạo, những đặc tính độc đáo và tiềm năng mới trong vai trò động cơ mở rộng phạm vi đã giúp động cơ xoay này tiếp tục tồn tại và phát triển. Với Brixton Việt Nam, việc tìm hiểu sâu về các công nghệ động cơ tiên tiến như Động cơ Wankel không chỉ mở rộng kiến thức mà còn giúp định hình những cái nhìn mới về tương lai của xe máy và phương tiện di chuyển.