Tweet
Felix Heinrich Wankel (1902 – 1988) là kỹ sư cơ khí người Đức đã sáng chế ra động cơ có piston tam giác quay tròn (rotary) hay còn đuợc gọi theo tên ông là động cơ Wankel.
Động cơ Wankel 2 xy lanh
Kết cấu:
Xy lanh
Xy lanh có dạng như thùng đàn guitar (trochoid hay epitrochoid), trong đó có một piston tam giác quay tròn. Nhờ cơ cấu ‘cam’ tròn lệch tâm (offset lobe) trên cốt máy (crankshaft), bánh răng định vị (fixed gear) trên nắp xy lanh (end piece) và vòng răng của piston (rotor gear) nên khi quay ba đỉnh của piston luôn tiếp xúc với lòng xy lanh. Để gia tăng độ bền cho động cơ, lòng xy lanh được mạ một lớp mỏng hợp kim chống ma sát.
Cơ cấu nắp xy lanh và bánh răng định vị
Cơ cấu vòng răng và bánh răng định vị
Cốt máy của động cơ 2 xy lanh
Số cam tròn lệch tâm ăn khớp với piston có trên cốt máy tương ứng với số xy lanh của động cơ. Độ lệch tâm (eccentricity) hay khoảng cách giữa tâm của cốt máy và tâm của cam tròn lệch tâm chính là cánh tay đòn tạo nên moment cho cốt máy trong thì nổ dãn. Trị số của độ lệch tâm và chuyển động tương đối giữa piston và cam lệch tâm khiến cho cốt máy quay 3 vòng trong khi piston chỉ quay 1 vòng.
Phương trình cơ bản của đường cong epitrochoid:
x = e cos 3 α + R cos α
y = e sin 3 α + R sin α
Trong đó;
e (eccentricity): Bán kính của cam tròn lệch tâm (rotor journal).
R: Khoảng cách từ tâm đến đỉnh piston.
Khi thay thế e và R bằng những trị số, hệ thống phương trình trên đây cho chúng ta tọa độ (coordinates) của những điểm nằm trên đường cong epitrochoid tương ứng với góc các quay α biến đổi từ 0 đến 360 độ.
Phương trình vòng tròn có bán kính R với góc quay t :
x = R cos t
y = R sin t
Phương trình đường cong epitrochoid là tổng hợp của hai phương trình vòng tròn có các góc quay tương ứng của bán kính e là 3 α và R là α, do cốt máy quay 3 vòng trong khi piston chỉ quay một vòng.
x = e cos 3 α + R cos α
y = e sin 3 α + R sin α
Một cách tổng quát, vị trí của các đỉnh piston khi cốt máy quay một góc 3 α sẽ là:
x = e cos 3 α + R cos (α + 2nπ / 3)
y = e sin 3 α + R sin (α + 2nπ / 3)
Trong đó: n = 0, 1, 2, …
[i]Ở vị trí y = 0 với góc quay tương ứng α = 0 và 3 α = 0:
x = R + e do cos 0 = 1
Kích thước trục chính (major diameter) của đường cong epitrochoid sẽ là 2 x hay 2 (R+ e) do tính chất đối xứng.
Ở vị trí x = 0 với các góc quay tương ứng α = 90 và 3 α = 270 độ:
y = R - e do sin 90 = 1 và sin 270 = - 1
Kích thước trục phụ (minor diameter) của đường cong epitrochoid sẽ là 2 y hay 2 (R - e) do tính chất đối xứng.
Phương trình đường epitrochoid cho thấy tọa độ của mọi điểm trên đường cong này với các góc quay α tương ứng.
Động học: http://www.youtube.com/watch?v=lBzmtXxlLEw
Cơ cấu xy lanh và cốt máy
Xy lanh có những mạch chứa nước làm mát động cơ (coolant passageway) và cốt máy có những mạch nhớt ngầm làm trơn các ổ đỡ cốt máy và các vị trí tiếp xúc giữa cốt máy và piston, giữa piston và xy lanh.
Piston (rotor)
Cạnh của piston (face hay flank) có những khoảng lõm (combustion chamber recess) nhằm tạo ra một hành lang thông thương giữa hai phần buồng đốt trong thì nén để nhiên liệu có thể được đốt cháy trọn vẹn.
Cơ cấu piston, bánh răng định vị và xy lanh
Các đỉnh của piston (apex) có các miếng đệm (seal) ngắn và hai mặt bên của piston có những vòng đệm có nhiệm vụ giống như xét măng (piston ring) của động cơ thường, dùng làm kín các vị trí tiếp xúc của piston và xy lanh. Các mạch nhớt ngầm bên trong cốt máy cũng sẽ đưa nhớt làm trơn đến các miếng đệm này. Ngoài ra để làm giảm độ mài mòn, vật liệu dùng chế tạo các đệm kín thường là carbon composite.
Piston và các đệm kín ở đỉnh và hai mặt bên
Làm kín cho các đỉnh và hai mặt bên piston cũng như chống mài mòn lòng xy lanh của động cơ Wankel là vấn đề đã khiến cho các nhà thiết kế ‘nhức đầu’. Trong suốt quá trình phát triển họ đã thử sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau và đã khá thành công với phương án dùng hợp kim nhôm có thành phần silicon cao (high-silicon aluminum alloy) cho vỏ xy lanh, đệm kín có 2 mảnh rời bằng gang (cast-iron) đốt nóng bằng laser rối làm nguội bằng nitrogen lỏng cho các đỉnh piston và hỗn hợp nickel-silicon carbide cho lòng xy lanh.
Kết cấu đệm kín dùng cho các đỉnh piston
Với các động cơ cỡ lớn, đệm kín của piston làm bằng hợp chất carbon-aluminum đã được thay bằng kim loại gốm gốc silicon-nitride do hãng Francisco Iannetti chế tạo để có được hiệu quả tốt hơn dù giá thành khá cao, đến khoảng $US 200 một miếng.
Cơ cấu cốt máy, piston và xy lanh
Động cơ tháo rời
Kết cấu: http://www.youtube.com/watch?v=6BCgl...eature=related
Nguyên lý làm việc:
Thì hút (Intake):
Piston mở lỗ nạp ở nắp xy lanh, thể tích ở đây lớn dần tạo nên sức hút hỗn hợp xăng và gió (hòa khí) vào xy lanh.
Thì nén (Compression):
Hòa khí bị nén nhỏ dần khiến cho nhiệt độ và áp suất của buồng đốt tăng cao.
Thì nổ dãn (Power):
Bougie bên dưới (leading) nẹt lửa trước để đốt cháy phần lớn hòa khí tạo lực quay chủ yếu cho piston, sau khi piston quay thêm một góc khoảng từ 10 đến 15 độ bougie phía trên (trailing) nẹt lửa để đốt phần hòa khí còn lại. Do buồng đốt có dạng dẹp và dài, hệ thống 2 bougie (dual ignition) có thời điểm đánh lửa khác nhau sẽ giúp cho hòa khí được đốt cháy trọn vẹn hơn.
Bougie bên dưới nẹt lửa để đốt phần lớn hòa khí và bougie phía trên đốt phần hòa khí còn sót lại, vì thế khe hở chấu (plug gap) và đặc điểm của hai bougie này khác nhau và khi lắp ráp không thể để lẫn lộn vị trí.
Thì thoát (Exhaust):
Piston mở lỗ thoát ở vách xy lanh để khí cháy thoát ra bên ngoài.
Do 3 cạnh của piston làm việc cùng lúc lên sẽ có 3 thì nổ dãn trong một vòng quay của piston, tương ứng với 3 vòng quay của cốt máy.
Để có thể thấy được một cách cụ thể nguyên lý làm việc của loại động cơ này, các bạn có thể xem thêm ở những trang web sau:
So sánh với động cơ thông thường, động cơ Wankel có các đặc điểm sau.
Ưu điểm:
- Nhẹ do có nhiều bộ phận chính làm bằng hợp kim nhôm.
- Chạy êm do có ít chi tiết chuyển động (không dùng cơ cấu cốt cam, xú páp và thanh truyền) và piston không phải đổi chiều chuyển động trong suốt quá trình làm việc.
- Buồng đốt tạo ra xoáy lốc khi piston quay tròn nên có thể sử dụng nhiên liệu rẻ tiền, có chỉ số octane thấp.
- Thoát nhiệt tốt.
Nhược điểm:
- Chi phí sản xuất cao.
- Suất tiêu hao nhiên liệu lớn.
- Các đệm kín giữa piston và xy lanh bị mòn nhanh do hiệu quả bôi trơn kém.
- Công suất máy thấp so với các động cơ cùng cỡ.
Mazda RX - 8
Mazda là chiếc xe hơi đầu tiên trang bị động cơ Wankel được sản xuất năm 1967, sau khi cho xuất xưởng nhiều kiểu xe với ký hiệu RX (Rotary Experimental) như R100, R - 2, R - 3, …. Hãng này vừa bắt buộc phải tuyên bố ngừng dây chuyền của kiểu mới nhất là RX - 8 vào tháng 6, 2012 vì doanh số đang giảm mạnh.
Những trở ngại kỹ thuật còn tồn tại:
1. Hiệu suất nhiệt thấp vì động cơ có dạng buồng đốt dài và phức tạp.
2. Không thể tuyệt đối làm kín các tiếp điểm của piston (rotor) và xy lanh vì việc đốt cháy nhiên liệu chỉ xảy ra ở một vị trí cố định khiến cho xy lanh dãn nở không đều.
3. Mức tiêu hao nhớt làm trơn tăng vì được dùng để phun vào xy lanh nhằm tăng cường cho việc làm kín các tiếp điểm của piston và xy lanh.
4. Mức tiêu hao nhiên liệu cao khiến gia tăng khả năng gây ô nhiễm môi trường.
Hùng Nguyễn (72 CKO)
Comment