Động cơ xoay Wankel – Biểu tượng một thời giờ chỉ còn là dĩ vãng

​

Hẳn giới hâm mộ xe hơi khó thể nào quên được những chiếc Mazda RX-7 FD ra đời từ hơn 2 thập kỷ trước - dòng xe đã đưa động cơ xoay Wankel cùng những ưu điểm tuyệt vời của nó lên tầm biểu tượng, không chỉ cho Mazda mà còn cho cả một thế hệ sản sinh ra những mẫu xe thể thao huyền thoại Nhật Bản. Thực tế Mazda luôn là hãng đi đầu trong việc trang bị động cơ xoay Wankel trên những mẫu xe thể thao RX và đã đạt được vô số thành công về mặt thương mại. Tuy nhiên, đó là chuyện của quá khứ. Ở thời điểm này, dường như khách hàng đã không còn mấy mặn mà với động cơ xoay nữa. Việc chậm cải tiến công nghệ khiến động cơ xoay còn tồn tại khá nhiều khuyết điểm. Trước hết, chúng ta hãy điểm qua nguyên lý hoạt động và những mặt lợi thế của dòng động cơ này.

Nguyên lý động cơ xoay Wankel

Động cơ Wankel hoạt động dựa trên áp lực được tạo ra khi hỗn hợp giữa nhiên liệu và không khí bị đốt cháy. Trong động Wankel, áp lực từ buồng đốt được nén lại trong một khoang chứa, khoang này chính là một phần của buồng đốt và tiếp giáp với một bề mặt của rotor hình tam giác.

+Quá trình hút (Intake):

Rotor mở lỗ nạp ở nắp xy-lanh, thể tích ở đây lớn dần, áp suất giảm tạo nên sức hút hỗn hợp xăng và hòa khí vào xy-lanh. Hỗn hợp xăng và hòa khí được hút thẳng vào trong buồng nạp qua ống nạp mà không cần xupap mở

+Quá trình nén (Compression):

Hòa khí bị nén bằng việc chuyển động xoay rotor làm giảm thể tích khiến cho nhiệt độ và áp suất của buồng đốt tăng cao.

+Quá trình cháy - giãn nở (Power):

Bugi bên dưới đánh lửa trước để đốt cháy phần lớn hòa khí tạo lực quay chủ yếu cho rotor, sau khi rotor quay thêm một góc khoảng từ 10 đến 15 độ bugi phía trên đánh lửa để đốt phần lớn hòa khí còn lại.

Hai bugi này sẽ có khe hở đánh lửa khác nhau, bên dưới khe hở lớn hơn nên không thể lắp lẫn lộn chúng.

+Quá trình thải (Exhaust):

Rotor mở lỗ thoát ở vách xy - lanh để khí cháy thoát ra bên ngoài.

Do 3 cạnh của rotor làm việc cùng lúc lên sẽ có 3 thì nổ dãn trong một vòng quay, tương ứng với 3 vòng quay của cốt máy.

Trong một chu kỳ, khi kỳ nạp đang diễn ra tại một phần trong buồng bầu dục thì kì nổ cũng đang xảy ra tại một phần khác. Chính bởi vậy lực đẩy đầu ra luôn mượt mà, ổn định cũng như tạo ra công suất lớn chỉ với kích thước động cơ khiêm tốn.

Ưu điểm của động cơ xoay Wankel

Nhờ cấu tạo đặc biệt mà động cơ xoay Wankel có khá nhiều ưu điểm đắt giá:

- Tỉ lệ công suất : Trọng lượng vượt trội. Một động cơ piston truyền thống cùng công suất nặng hơn động cơ xoay xấp xỉ 3 lần.

- Cấu tạo đơn giản giảm thiểu chuyển động ma sát cũng như giảm thiểu chi phí sản xuất.

- Động cơ xoay có ít các bộ phận chuyển động thẳng ở tốc độ cao (như tay biên và pít-tông), nên cho phép nâng cao tốc độ quay của trục truyền động, đảm bảo khả năng bền vững của kết cấu khi làm việc ở vùng công suất cao. Trong điều kiện công suất vận hành là như nhau, cấu tạo của động cơ xoay đơn giản hơn rất nhiều, trọng lượng luôn chỉ bằng 2/3 so với động cơ truyền thống.

- Do quá trình hút và xả thực hiện thông qua các cổng trong lòng vỏ bọc nên không cần có trục cam cũng như các van. Không phải chịu những tác động và tổn hao cơ khí của chuyển động tịnh tiến (của piston và tay biên trong một động cơ piston-trục khuỷu thông thường), nên động cơ Wankel có rất ít sự rung lắc.

- Những động cơ ban đầu của Wankel xuất phát từ thiết kế có tên “drehkolbenmaschine” (DKM), gồm một rotor chuyển động xung quanh một trục trung tâm cố định, bên trong lòng động cơ cũng quay tròn. Nó vận hành rất êm ái và có thể chạy với tốc độ khó tưởng tượng - hơn 20.000 vòng/phút. Tuy vậy, mỗi khi cần thay bugi cần phải tháo rời động cơ và đó là một bất lợi nếu đưa vào sử dụng rộng rãi. Do đó, Wankel chuyển sang phát triển thiết kế “kreiskolbenmotor” (KKM). Động cơ này, con xoay (rotor) và trục truyền động (output shaft) quay bên trong một vỏ bọc cố định. Theo đó, rất tiện trong việc tháo lắp các bugi. Cổ hút và xả sát thành trong vỏ bọc, tương tự về nguyên tắc với một động cơ hai kỳ. Tất cả các động cơ Wankel ngày nay đều chế tạo theo thiết kế KKM.

Tại sao động cơ Walkel lại dần trôi vào quên lãng?

Có 3 lí do chính dẫn đến điều này:

1. Hiệu quả nhiệt thấp và hao phí nhiên liệu: Do buồng đốt ở động cơ xoay Wankel được thiết kế hình bầu dục thuôn dài, hiệu suất nhiệt bị giảm đi tương đối rõ rệt so với động cơ dùng cơ chế piston - cylinder. Điều này cũng thường dẫn đến việc nhiên liệu chưa cháy hết đã bị thải khỏi ống xả (và khi lượng nhiên liệu này cháy sẽ tạo ra lửa đuôi xe - backfire - nhìn rất ‘ngầu’ nhưng đồng thời cũng rất hao phí nhiên liệu).

2. Thời gian cho một chu kì cháy hoàn thành là khá dài: Do buồng đốt được thiết kế dài, mỏng và luôn chuyển động nên mất khá nhiều thời gian để bánh rotor hoàn thành một chu kì. Hơn nữa, sự chênh lệch nhiệt độ quá lớn giữa các phần của rotor dẫn đến sự dãn nở nhiệt khác nhau. Hiệu suất và tuổi thọ rotor cũng vì thế mà bị ảnh hưởng. Trong thực tế một động cơ xoay có tuổi thọ chỉ bằng khoảng 2/3 động cơ piston thông thường.

3. Quan trọng nhất là vấn đề khí thải: Trong tình hình môi trường diễn biến phức tạp như hiện nay, việc một mẫu xe với động cơ xoay Wankel không thể vượt qua một thử nghiệm khí thải nghiêm ngặt như tại châu Âu là điều dễ hiểu (chiếc Mazda RX-8 bị cấm bán tại châu Âu từ năm 2010 cũng là bởi vậy, doanh số bán xe vì thế mà sụt giảm đáng kể). Việc dầu máy bị rò rỉ trong quá trình vận hành (do cấu tạo quá đơn giản của động cơ xoay) cũng như nhiên liệu chưa cháy hết thoát ra ống xả khiến chiếc xe có chỉ số khí thải khá lớn và không thân thiện với môi trường.

Có thể thấy, những ưu điểm mà động cơ xoay Wankel mang lại là điều không phải bàn cãi. Hy vọng làng xe thể thao thế giới sẽ được chứng kiến sự trở lại ngoạn mục của động cơ xoay Wankel đầy triển vọng này.