Lịch sử hình thành và phát triển
Trong số báo Autonet 09, chúng tôi đã từng nhắc đến các dạng động cơ như động cơ thẳng hàng, dạng V, dạng W, dạng đối xứng Boxer. Tuy nhiên, 4 dạng động cơ kể trên đều thuộc động cơ pít-tông tịnh tiến. Động cơ được trình bày ở đây thuộc động cơ dạng pít-tông tam giác xoay tròn.
Động cơ pít-tông quay (tên tiếng Anh: Rotary Engine) là một dạng động cơ lợi dụng cách tuần hoàn cưỡng chế, sử dụng pít-tông tam giác xoay tròn tạo ra mô-men quay. Động cơ này do kỹ sư người Đức - Felix Wankel - phát minh. Năm 1951, ông đã cùng công ty NSU của Đức ký một bản hợp đồng hợp tác nghiên cứu phát triển động cơ pít-tông quay.
Mười năm sau, Mazda đã quyết định mua lại công nghệ này của Wankel. Đến ngày 30/5/1967, Mazda Cosmo Sport - chiếc xe thương mại trang bị động cơ pít-tông quay 10A đầu tiên trên thế giới đã chính thức được tiệu thụ tại Nhật Bản. Từ đó đến nay, Mazda vẫn không ngừng tiến hành đổi mới và nâng cấp động cơ pít-tông quay, đầu tiên là các mẫu động cơ 10A, 12A, 13A, 13B, 13B Turbo, 13B-REW…được trang bị trên các dòng xe như RX, Cosmo 929L…
Không chỉ gói gọn trong những chiếc xe sản xuất thương mại, loại động cơ còn thành công trên xe thể thao. Trong giải đua LeMans24h 1991, chiếc Mazda 787B đã giành ngôi vị quán quân và trở thành chiếc xe đua sử dụng động cơ pít-tông quay đầu tiên trong lịch sử giành chức vô địch.
Tháng 4/2003, Mazda công bố mẫu xe thế hệ mới RX-8 trang bị động cơ pít-tông quay Renesis hoàn toàn mới với thể tích nhỏ gọn, công suất mạnh mẽ và bảo vệ môi trường hơn. Bên cạnh đó, Mazda vẫn tiếp tục phát triển mẫu RX-8 Hydrogen Concept sử dụng động cơ pít-tông quay đốt cháy nhiên liệu Hydro với hi vọng sẽ đưa công nghệ này lên một tầm cao mới.
Động cơ pít-tông quay hoạt động như thế nào?
Mở khối xi-lanh của động cơ, bạn có thể thấy trong khối xi-lanh hình số “8” có một pít-tông quay dạng tam giác. Pít-tông quay nằm trong khối xi-lanh và chia không gian bên trong ra thành 3 phần. Diện tích của 3 phần đó được thay đổi tùy theo chuyển động liên tục của pít-tông quay. Ở mỗi vị trí khác nhau trong khối xi-lanh sẽ là một quá trình làm việc khác nhau của 4 công đoạn: nạp khí, nén khí, sinh công, thoát khí.
Nhìn vào hình vẽ, sau khi đỉnh A pít-tông quay của động cơ chuyển động đưa khí vào cửa nạp để hoàn thành quá trình nạp khí, bên phải đỉnh A hình thành một khoảng không gian đóng kín. Theo chuyển động của pít-tông quay, khoảng không gian đóng kín dần được thu hẹp để hoàn thành quá trình khí nén.
Pít-tông quay tiếp tục chuyển động, khoảng không gian đóng kín chuyển qua vị trí đánh lửa, hệ thống đánh lửa kích hoạt, hỗn hợp nhiên liệu khí – xăng được đốt cháy và giãn nở thúc đẩy pít-tông quay sinh công. Khí thải sau khi sinh công sẽ theo chuyển động của pít-tông quay đưa tới vị trí cửa thoát khí và được đẩy ra ngoài qua đường ống xả. Như vậy là hoàn thành quá trình làm việc thoát khí.
Ở đây xin trình bày rõ quá trình làm việc của khoảng không gian đóng kín. Trên thực tế, khi đỉnh A hoàn thành đồng thời 4 quá trình: nạp khí, nén khí, sinh công và thoát khí thì các đỉnh B, C cũng hoàn thành 4 quá trình tương tự như trên, nhưng lệch pha theo vòng quay của trục.
Sự kết hợp của pít-tông quay và trục truyền động cũng rất linh hoạt. Trung tâm của pít-tông quay có một bánh răng đường kính lớn ăn khớp trong với bánh răng trục truyền động. Cặp bánh răng này khi làm việc tạo nên một hình thái giao hợp chặt chẽ ở bên trong. Như vậy, sau khi pít-tông quay thông qua xi-lanh sinh công sẽ kéo theo bánh răng truyền động chuyển động, từ đó tạo ra mô-men kéo.
Ưu và nhược điểm của động cơ pít-tông quay
Số răng của bánh răng lớn (pít-tông quay trong khối xi-lanh của động cơ) có 51 chiếc, và số răng của bánh răng trục truyền động chỉ là 34. Như vậy, khi pít-tông quay chuyển động 2 vòng thì trục truyền động phải thực hiện 3 vòng (34/51 = 2/3). Với một cặp xi-lanh pít-tông của động cơ pít-tông quay, khi trục truyền động quay 3 vòng, pít-tông quay 2 vòng và có 3 khoang làm việc, 3 lần sinh công, tương đương với 3 xi-lanh pít-tông của động cơ pít-tông tịnh tiến.
Trong khi đó, ở một xi-lanh pít-tông của động cơ truyền thống để hoàn thành 4 quá trình kể trên, pít-tông kéo theo trục khuỷu quay 2 vòng và chỉ một lần sinh công. Cũng có thể nói, khi trục truyền động có số vòng quay tương đương thì động cơ pit-tông quay phải mất nhiều thời gian hơn, do vậy dao động của mô-men xoắn nhỏ hơn, giúp động cơ luôn được ổn định và êm ái. Ví dụ như khi tốc độ vòng quay của động cơ pít-tông quay là 9.000v/ph thì tốc độ của pít-tông quay chỉ bằng 2/3 (6000v/ph).
Ngoài ra, động cơ pít-tông quay 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 pít-tông quay đơn giản hơn rất nhiều, trọng lượng luôn chỉ bằng 2/3 so với động cơ truyền thống.
Đây chính là ưu điểm có sức hấp dẫn nhất đối với các nhà thiết kế xe hơi. Bên cạnh đó, chuyển động của pít-tông tịnh tiến, hoạt động của cơ cấu phối khí ở động cơ truyền thống là nguyên nhân gây nên rung động, sản sinh ra tiếng ồn. Còn ở động cơ pít-tông quay, khi làm việc rung động nhỏ, không cần cơ cấu phối khí, do vậy động cơ làm việc ổn định và độ ồn gây ra là rất thấp.
