Động cơ Wankel – Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ưu nhược điểm

Động cơ Wankel, hay còn gọi là động cơ quay, là một thiết kế độc đáo với cấu trúc nhỏ gọn và chuyển động quay liên tục thay vì tịnh tiến. Dù không phổ biến, nhưng công nghệ này vẫn là điểm nhấn kỹ thuật đặc biệt trong ngành công nghiệp ô tô.

Động cơ Wankel là gì?

Động cơ Wankel, hay còn gọi là động cơ quay (rotary engine), là một loại động cơ đốt trong sử dụng piston quay thay vì piston chuyển động tịnh tiến như động cơ truyền thống. 

Phát minh bởi kỹ sư người Đức Felix Wankel vào những năm 1950, động cơ này nổi bật với kích thước nhỏ gọn, ít bộ phận chuyển động và khả năng vận hành êm ái. Mặc dù không phổ biến như động cơ piston thông thường, động cơ Wankel đã tạo dấu ấn riêng trong ngành công nghiệp ô tô, đặc biệt là với thương hiệu Mazda.

Bạn là người đam mê kỹ thuật và đang tìm hiểu hoặc cần tư vấn về các loại phụ tùng chất lượng tốt cho động cơ ô tô, đặc biệt là các dòng xe sử dụng công nghệ độc đáo như Wankel hoặc các dòng xe Đức như Mercedes hay BMW, đừng ngần ngại liên hệ với Phụ Tùng Đức Anh qua Zalo/Hotline: 0979722210.

Cấu tạo của động cơ Wankel trên ô tô

Cấu tạo của động cơ Wankel khá khác biệt so với động cơ piston truyền thống. Các bộ phận chính bao gồm:

• Rotor (piston quay): Có hình dạng tam giác cong (tam giác Reuleaux) với ba đỉnh và ba cạnh. Rotor quay quanh một trục lệch tâm bên trong buồng đốt. Mỗi đỉnh của rotor được trang bị một phớt làm kín để đảm bảo buồng đốt kín khí.
• Stator (buồng đốt): Là một buồng hình bầu dục bao quanh rotor. Bề mặt bên trong của stator được thiết kế đặc biệt để tạo ra ba khoang riêng biệt khi rotor quay.
• Trục lệch tâm (eccentric shaft): Tương tự như trục khuỷu trong động cơ piston, trục lệch tâm là nơi truyền lực từ rotor ra bên ngoài để dẫn động các bộ phận khác. Rotor quay quanh trục này.
• Cửa nạp và cửa xả: Thay vì các van như động cơ piston, động cơ Wankel sử dụng các cửa được bố trí trên vỏ động cơ để điều khiển quá trình nạp nhiên liệu và xả khí thải.
• Hệ thống đánh lửa: Thường sử dụng hai bugi cho mỗi buồng đốt để đảm bảo quá trình đốt cháy hiệu quả hơn do hình dạng buồng đốt dài và hẹp.

Nguyên lý hoạt động của động cơ Wankel trên ô tô

Nguyên lý hoạt động của động cơ Wankel diễn ra theo bốn kỳ cơ bản, tương tự động cơ bốn kỳ, nhưng được thực hiện bằng chuyển động quay liên tục:

1. Kỳ nạp: Khi rotor quay, một trong ba khoang giữa rotor và stator mở ra cửa nạp, tạo ra áp suất thấp hút hỗn hợp nhiên liệu-không khí vào buồng đốt.
2. Kỳ nén: Rotor tiếp tục quay, làm thể tích của khoang chứa hỗn hợp nhiên liệu-không khí giảm dần, nén hỗn hợp này lại.
3. Kỳ nổ: Khi hỗn hợp đạt đến áp suất và nhiệt độ nhất định, bugi sẽ đánh lửa đốt cháy hỗn hợp. Áp suất cao sinh ra từ quá trình đốt cháy đẩy rotor quay.
4. Kỳ xả: Khi rotor tiếp tục quay, khoang chứa khí thải mở ra cửa xả, đẩy khí thải ra ngoài.

Quá trình này diễn ra liên tục và đồng thời trong ba khoang khác nhau của động cơ, tạo ra chuyển động quay mượt mà và liên tục cho trục lệch tâm. Mỗi vòng quay của rotor tạo ra ba chu kỳ đốt cháy, mang lại hiệu suất cao hơn so với động cơ piston truyền thống (một vòng quay trục khuỷu tạo ra một chu kỳ đốt cháy cho mỗi xi lanh).

Ưu điểm và nhược điểm của động cơ Wankel trên ô tô

Ưu điểm:

• Kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ: Do ít bộ phận chuyển động và không có trục khuỷu, thanh truyền, động cơ Wankel có thể được thiết kế nhỏ hơn và nhẹ hơn đáng kể so với động cơ piston cùng công suất.
• Hoạt động êm ái và ít rung động: Chuyển động quay liên tục của rotor giúp giảm thiểu các dao động và rung chấn, mang lại trải nghiệm lái mượt mà hơn.
• Ít bộ phận chuyển động: Giúp đơn giản hóa cấu tạo và có tiềm năng giảm chi phí sản xuất (mặc dù thực tế phức tạp hơn do yêu cầu vật liệu và độ chính xác cao).
• Tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao: Với kích thước nhỏ gọn, động cơ Wankel có thể tạo ra công suất ấn tượng.
• Tốc độ vòng tua cao: Động cơ Wankel có thể đạt vòng tua rất cao mà không gặp vấn đề về quán tính của các bộ phận tịnh tiến.

Nhược điểm:

• Tiêu thụ nhiên liệu cao: Do hình dạng buồng đốt dài và hẹp, quá trình đốt cháy không hoàn toàn tối ưu, dẫn đến hiệu suất nhiệt thấp và tiêu thụ nhiên liệu cao hơn.
• Lượng khí thải lớn: Quá trình đốt cháy không hoàn toàn cũng góp phần tạo ra lượng khí thải hydrocarbon và CO cao hơn so với động cơ piston hiện đại.
• Khó khăn trong việc làm kín: Việc duy trì độ kín khít giữa các đỉnh rotor và thành buồng đốt là một thách thức lớn. Các phớt làm kín dễ bị mài mòn, đòi hỏi bảo dưỡng thường xuyên.
• Tiêu thụ dầu bôi trơn: Động cơ Wankel thường phải đốt một lượng nhỏ dầu bôi trơn để làm kín và bôi trơn các phớt rotor, dẫn đến việc phải châm thêm dầu định kỳ.
• Độ bền và độ tin cậy: Vấn đề về phớt làm kín và buồng đốt thường xuyên phải chịu nhiệt độ và áp suất cao có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ của động cơ.
• Mô-men xoắn thấp ở vòng tua thấp: Động cơ Wankel thường cần vòng tua cao để tạo ra mô-men xoắn đáng kể.

Tại sao động cơ Wankel không được dùng phổ biến trên ô tô?

Mặc dù có những điểm mạnh đáng chú ý, động cơ Wankel vẫn chưa được các nhà sản xuất ô tô lớn, bao gồm cả những tên tuổi danh tiếng như Mercedes-Benz hay BMW, lựa chọn rộng rãi để trang bị cho các dòng xe hiện đại. Có một số lý do cốt lõi giải thích cho điều này:

• Hiệu quả nhiệt không tối ưu: Buồng đốt hình bầu dục dài của động cơ Wankel khiến quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu-không khí không đạt hiệu quả cao nhất. Điều này dẫn đến việc một phần nhiên liệu bị thải ra ngoài mà chưa cháy hết, gây hao phí nhiên liệu đáng kể.
• Tuổi thọ và độ bền: Do hình dạng buồng đốt đặc thù và chuyển động liên tục của rotor, quá trình đốt cháy diễn ra trong một khoảng thời gian tương đối dài. Sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa các phần của rotor cũng gây ra hiện tượng giãn nở nhiệt không đồng đều, ảnh hưởng đến hiệu suất và đặc biệt là tuổi thọ của các phớt làm kín.
• Thách thức về khí thải: Động cơ Wankel gặp khó khăn trong việc đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt, đặc biệt là tại châu Âu. Việc một lượng nhỏ dầu bôi trơn bị đốt cháy trong quá trình vận hành cùng với nhiên liệu chưa cháy hết bị thải ra ngoài, khiến lượng khí thải độc hại của động cơ này cao hơn so với các công nghệ hiện đại.

Ngành công nghiệp ô tô đã và đang đầu tư mạnh mẽ vào việc cải tiến động cơ piston. Sự kết hợp giữa piston, thanh truyền và xi lanh đã được tối ưu hóa qua nhiều thập kỷ, mang lại khả năng hoạt động hiệu quả, đáng tin cậy và đáp ứng tốt các yêu cầu về hiệu suất, khí thải và độ bền cho các phương tiện đốt trong. Chỉ có Mazda là hãng xe duy nhất kiên trì theo đuổi và đưa động cơ Wankel vào sản xuất thương mại quy mô lớn (điển hình là dòng xe RX-7 và RX-8).

Dù không được ứng dụng rộng rãi, động cơ Wankel vẫn là biểu tượng sáng tạo cơ khí. Nếu bạn cần tư vấn về các loại phụ tùng động cơ đặc biệt hoặc phụ tùng cho xe Đức như Mercedes-Benz hay BMW, hãy liên hệ Phụ Tùng Đức Anh qua Zalo/Hotline: 0979722210 để được hỗ trợ.