Động cơ piston tam giác xoay tròn là một dạng động cơ đốt trong được phát minh bởi kỹ sư cơ khí người Đức Felix Heinrich Wankel (1902 - 1988) và do đó, người ta còn gọi đây là động cơ Wankel. Sau khi phát minh thành công mẫu động cơ độc đáo này, Wankel đã giới thiệu và hợp tác với nhiều hãng để tiếp tục phát triển. Nhưng cuối cùng, hãng xe hơi Nhật Bản Mazda đã mua lại công nghệ từ Wankel vào năm 1967 và họ cho ra đời nhiều mẫu xe thương mại lẫn xe đua có sử dụng động cơ này.
Mẫu xe Mazda 787 sử dụng động cơ Wankel từng về nhất trong cuộc đua Lemans 24h vào năm 1991
Có thể kể đến những đại diện của hãng Mazda sử dụng loại động cơ này như Mazda 10A, 12A, 13A, … và nổi tiếng nhất có lẽ là chiếc Mazda 787 đã giành giải nhất tại cuộc đua Lemans 24h vào năm 1991. Ngoài ra, nó còn được sử dụng trên một số mẫu xe 2 bánh (điển hình như Norton Classic) và cả máy bay, UAV. Do nhiều nhược điểm cố hữu, nên có thời Mazda đã ngừng sản xuất loại động cơ này nhưng tới năm 2003, họ bất ngờ mang nó lên dòng xe thể thao RX-8 và một mẫu RX-8 sử dụng nhiên liệu hydrogen cũng được phát triển. Với các ưu điểm động cơ kích thước nhỏ, nhẹ, hiệu suất cao,… mẫu RX-8 Hydrogen đã được cấp phép lưu hành vào năm 2005 và tới năm 2007, những chiếc xe đầu tiên đã được giao tới tay người dùng.
Trong đoạn video bên dưới, chúng ta sẽ hiểu được một cách trực quan các bộ phận và nguyên lý làm việc của động cơ piston tam giác xoay tròn.
Cấu tạo
Về mặt kỹ thuật, động cơ piston tam giác xoay tròn có thiết kế khá đơn giản. Một piston hình tam giác quay tròn đặt trong xylanh có dạng hình đậu phộng hoặc số 8 (thuật ngữ là epitrochoid). Lồng xylanh được lắp ghép từ nhiều mảnh khác nhau, chúng ta hình dung nó như một miếng bánh hamburger rỗng ruột. Đoạn video mô tả động cơ có 2 piston, đầu tiên là vách ngăn ở trung tâm, tiếp theo là 2 rotor housing tạo thành lồng xylanh và cuối cùng là thêm 2 nắp đậy ở 2 bên ngoài (outside housing plate). Trên vách xylanh là các lỗ cắm bugi đánh lửa và trên vách ngăn, nắp đậy là các cổng nạp, xả nhiên liệu.
Ở chính giữa của cấu trúc động cơ là trục khuỷu và các cam tròn lệch tâm (eccentric shaft và rotor journals). Tiếp theo chúng ta có 2 piston dạng tam giác, trung tâm có vòng răng piston (rotor gear), trên mỗi 3 cạnh là buồng đốt (combustion cavity) và tại mỗi đỉnh của piston là nơi sẽ liên tục tiếp xúc với thành xy lanh (apex seals). Cuối cùng là nắp đậy bên ngoài với bánh răng định vị ở trung tâm (stationary gear). Bên trong toàn bộ "lớp vỏ" còn có các mạch dung dịch giải nhiệt (coolant jackets) nhằm tản nhiệt cho động cơ trong quá trình vận hành.
Hoạt động
Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ Wankel với 4 kỳ nạp, nén, nổ và xả
Về nguyên lý hoạt động, nhờ toàn bộ cơ cấu cam tròn lệch tâm nằm trên trục khuỷu, vòng răng piston và bánh răng định vị mà 3 đỉnh của piston sẽ luôn tiếp xúc với thành xylanh, chia không gian bên trong thành 3 khu vực với thể tích luân phiên thay đổi theo chuyển động xoay. Tương tự như một số động cơ đốt trong khác, động cơ piston tam giác xoay cũng có 4 kỳ nạp, nén, nổ và xả lần lượt theo chuyển động xoay của piston. Đầu tiên trong kỳ nạp, piston xoay mở rộng phần không gian gần lỗ nạp để hút nhiên liệu vào trong xy lanh, sau đó nhiên liệu được đẩy, đồng thời nén lại tới vị trí 2 bugi, tại đây, bugi sẽ đánh lửa làm đốt cháy nhiên liệu, sinh ra công đẩy piston xoay tiếp, sau đó cạnh piston sẽ cuống chất thải qua khu vực có lỗ xả và xả ra bên ngoài. 1 chu trình kết thúc tại đây.
Ưu và nhược điểm
Quảng cáo
Những thành phần của một khối động cơ Wankel
Động cơ piston tam giác xoay có những ưu và nhược điểm rất riêng so với các loại động cơ đốt trong khác.
Về ưu điểm
- Ổn định: Có ít các chi tiết chuyển động hơn so với các động cơ 4 kỳ có sức mạnh tương đương. Một động cơ tam giác xoay 2 piston có 3 bộ phận chuyển động: 2 rotor và 1 trục khuỷu. Trong khi đối với động cơ 4 kỳ đơn giản nhất thì có ít nhất là 40 chi tiết chuyển động. Việc tối thiểu hóa chi tiết chuyển động giúp động cơ piston xoay vận hành ổn định, đáng tin cậy hơn và thậm chí, một số hãng máy bay còn muốn sử dụng dạng động cơ này.
- Nhỏ - Nhẹ, tỷ lệ cống suất/trọng lượng cao: Do có ít chi tiết, cộng với chủ yếu được làm bằng nhôm nên động cơ piston xoay có trọng lượng nhẹ hơn khoảng 1/3 và kích thước chỉ xấp xỉ 1/3 so với các động cơ khác có cùng công suất.
- Hoạt động êm: Do chuyển động của toàn bộ các thành phần đều theo 1 hướng, không có cơ chế đổi chiều chuyển động của piston, lại có thêm cơ chế tự cân bằng nhờ đối trọng nên động cơ có thể hoạt động với rất ít rung động,
- Chuyển động xoay của piston tạo ra mô men xoắn nên có thể sử dụng nhiên liệu có chỉ số octan thấp.
- Piston có thể bị bó cứng: Xuất phát từ sự khác nhau về độ giãn nở do nhiệt của các loại vật liệu khác nhau nên toàn bộ khối động cơ sẽ có sự giãn nở không đều trong quá trình vận hành, dẫn tới piston bị bó cứng vào trong thành xylanh.
- Mặt khác, cả 2 mặt đều tiếp xúc với nhiên liệu, bên trong không thể bố trí hệ thống bôi trơn chuyên dụng nên không thể bôi trơn như động cơ 2 kỳ. Do đó, có thê phần tiếp xúc giữa đỉnh piston và thành xylanh có thể bị hở sau quá trình sử dụng.
- Quá trình đốt chậm do sau khi đánh lửa, "buồng đốt" phải di chuyển trong hành trình dài, hẹp nên gây ra sự trễ và có thể không cháy sạch.
- Tiêu hao nhiên liệu: do vị trí tiếp xúc giữa piston và thành xy lanh dễ bị hở nên nhiên liệu có thể bị rò rỉ, buồng cháy không kín nên không đốt sạch nhiên liệu. Tương tự, chất thải có thể bị lẫn vào trong nhiên liệu.
- Nhiên liệu cháy không hết còn bị xả ra bên ngoài nên kém thân thiện với môi trường.
- Quá trình sản xuất đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao, giá thành không rẻ.
