Wankel engine – Động cơ quay Wankel

Động cơ Wankel là một loại động cơ đốt trong sử dụng thiết kế quay lệch tâm để chuyển đổi áp suất thành chuyển động quay. Nó được phát minh bởi kỹ sư người Đức Felix Wankel và được thiết kế bởi kỹ sư người Đức Hanns-Dieter Paschke. Rotor của động cơ Wankel, bộ phận tạo ra chuyển động quay, có hình dạng tương tự như tam giác Reuleaux, với các cạnh ít cong hơn. Rôto quay bên trong vỏ hình bầu dục, xung quanh một trục đầu ra trung tâm. Rôto quay theo kiểu hula-hoop xung quanh trục đầu ra trung tâm, quay trục này thông qua bánh răng có răng.

Do nhiệt động lực học kém vốn có, động cơ Wankel có hiệu suất nhiệt kém hơn đáng kể và hành vi xả khí tồi tệ hơn khi so sánh với động cơ Otto hoặc động cơ Diesel, đó là lý do tại sao động cơ Wankel đã bị hạn chế sử dụng kể từ khi được giới thiệu vào những năm 1960. Tuy nhiên, lợi thế về thiết kế nhỏ gọn, êm ái, trọng lượng thấp hơn và ít bộ phận hơn so với động cơ đốt trong pít-tông chuyển động tịnh tiến làm cho động cơ Wankel phù hợp với các ứng dụng như máy cưa, bộ phận năng lượng phụ trợ, máy bay, xe trượt tuyết… Trước đây, động cơ Wankel cũng đã được sử dụng trên các phương tiện giao thông đường bộ như xe máy và ô tô đua.

Động cơ Wankel là gì?

Động cơ Wankel là một loại động cơ IC sử dụng chuyển động quay của rôto hình tam giác được gắn trong buồng hình elip để biến năng lượng nhiệt của nhiên liệu thành chuyển động quay. Động cơ Wankel còn được gọi là động cơ quay vì nó có tất cả các bộ phận quay.

Loại động cơ này không chứa bất kỳ bộ phận chuyển động tịnh tiến nào. Động cơ quay Wankel có trọng lượng thấp và thiết kế nhỏ gọn hơn so với động cơ piston. Động cơ Wankel chứa một cánh quạt hình tam giác thay vì động cơ pít-tông. Cánh quạt này quay bên trong vỏ. Vỏ này có thiết kế hình bầu dục. Rôto có ba mặt, mỗi mặt hoạt động như một pít-tông khi nó quay quanh vỏ.

Khi rôto quay, vỏ tạo ra nhiều thể tích không gian khác nhau, gây ra sự nén và giãn nở của hỗn hợp nhiên liệu không khí. Động cơ quay Wankel tạo ra ít rung động hơn và mô-men xoắn đều hơn so với động cơ pít-tông.

Lịch sử của động cơ Wankel

• Năm 1924, Felix Heinrich Wankel thành lập một phòng thí nghiệm nhỏ và bắt đầu phát triển, nghiên cứu động cơ mơ ước của mình có thể quay, hút, nén, đốt và xả.
• Vào năm 1951, Wankel hợp tác với NSU Motorenwerke AG và bắt đầu phát triển động cơ Wankel.
• Năm 1957, kỹ sư Felix Heinrich Wankel đã thiết kế động cơ quay Wankel đầu tiên để thay thế cho động cơ pittông thông thường.
• Kỹ sư Hanns Dieter Paschke đã phát triển động cơ KKM thứ hai bằng cách tuân theo một số thay đổi công nghệ và cải tiến công nghệ của động cơ Wankel.
• Động cơ quay Wankel lần đầu tiên được giới thiệu với các chuyên gia và báo chí tại hội nghị Liên đoàn Kỹ thuật Đức năm 1960 ở Munich.
• Vào những năm 1960, do tính đơn giản, tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng tuyệt vời, khả năng vận hành trơn tru và hiệu suất làm việc rất cao của động cơ quay, chúng đã được mọi người trong ngành công nghiệp ô tô và xe máy ưa chuộng.
• Vào tháng 8 năm 1967, NSU Motorenwerke AG đã thu hút được sự chú ý đáng kể đối với chiếc NSU Ro 80 rất mới, có động cơ Wankel 115 PS với hai rô to. Đây là chiếc xe đầu tiên của Đức vào năm 1968 được chọn là “Xe của năm”.
• Do các tính năng tuyệt vời của động cơ Wankel, nhiều nhà sản xuất ô tô lớn (Ford, Toyota, Mercedes-Benz, Porsche, Rolls-Royce và Mazda) đã ký thỏa thuận cấp phép sản xuất động cơ quay Wankel trong thập kỷ sau đó.

Concept

Động cơ Wankel là một loại động cơ pít-tông quay và tồn tại ở hai dạng cơ bản, động cơ Drehkolbenmotor (DKM, “động cơ pít-tông quay”), được thiết kế bởi Felix Wankel và động cơ Kreiskolbenmotor (KKM, “động cơ pít-tông tuần hoàn” ), được thiết kế bởi Hanns-Dieter Paschke, trong đó chỉ có KKM đã rời khỏi giai đoạn nguyên mẫu. Do đó, tất cả các động cơ Wankel sản xuất đều thuộc loại KKM.

• Trong động cơ DKM, có hai rôto: rôto bên trong, hình trochoid và rôto bên ngoài, có hình tròn bên ngoài, và bên trong hình số tám. Trục trung tâm đứng yên và mô-men xoắn được lấy ra khỏi rôto bên ngoài, được truyền cho rôto bên trong.

• Trong động cơ KKM, rôto bên ngoài trở thành một phần của vỏ cố định (và do đó không phải là bộ phận chuyển động). Trục bên trong là bộ phận chuyển động và có thùy lệch tâm để rôto bên trong quay xung quanh. Rôto quay quanh tâm của chính nó và quanh trục của trục lệch tâm theo kiểu hula hoop, dẫn đến rôto thực hiện một vòng quay hoàn chỉnh cho mỗi ba vòng quay của trục lệch tâm. Trong động cơ KKM, mô-men xoắn được loại lấy ra từ trục lệch tâm, khiến nó trở thành một thiết kế đơn giản hơn nhiều để áp dụng cho các hệ thống truyền động thông thường.

Vận hành và thiết kế

Động cơ Wankel có một trục truyền công suất lệch tâm quay tròn, với một pít-tông quay chạy trên các trục lệch tâm theo kiểu hula-hoop. Động cơ Wankel là loại động cơ quay 2:3, nghĩa là hai phần ba tổng thể tích hình học lý tưởng của nó có thể được quy cho sự dịch chuyển. Do đó, mặt trong của vỏ của nó giống như một epitrochoid giống hình bầu dục, trong khi pít-tông quay của nó có hình trochoid (hình tam giác) (tương tự như hình tam giác Reuleaux) và rôto của động cơ Wankel luôn tạo thành ba buồng làm việc chuyển động. Hình dạng cơ bản của động cơ Wankel được mô tả trong hình dưới. Các vòng đệm ở các đỉnh của vòng đệm rôto áp vào ngoại vi của vỏ. Rô-to di chuyển trong chuyển động quay của nó được dẫn hướng bởi các bánh răng và trục đầu ra lệch tâm, không được dẫn hướng bởi khoang bên ngoài. Rôto không tiếp xúc với vỏ ngoài của động cơ. Lực của áp suất khí mở rộng tác dụng lên rôto tạo áp suất lên tâm của phần lệch tâm của trục đầu ra.

Tất cả các động cơ Wankel thực tế đều là động cơ bốn chu kỳ (tức là bốn thì). Về lý thuyết, động cơ hai chu kỳ là có thể, nhưng chúng không thực tế vì khí nạp và khí thải không thể được tách biệt một cách hợp lý. Nguyên tắc hoạt động tương tự như nguyên tắc hoạt động của Otto; không thể sử dụng nguyên tắc vận hành của động cơ Diesel với quá trình đánh lửa do nén của nó trong động cơ Wankel thực tế. Do đó, động cơ Wankel thường có hệ thống đánh lửa bằng tia lửa điện áp cao.

Trong động cơ Wankel, một mặt của rôto hình tam giác hoàn thành chu trình Otto gồm bốn giai đoạn nạp, nén, đánh lửa và xả sau mỗi vòng quay của rôto (xem hình dưới). Hình dạng của rôto giữa các đỉnh cố định nhằm giảm thiểu thể tích của buồng đốt hình học và tối đa hóa tỷ số nén tương ứng. Vì rôto có ba mặt nên điều này tạo ra ba xung công suất trên mỗi vòng quay của rôto. Cả ba mặt của rôto Wankel hoạt động đồng thời trong một vòng quay. Vì trục đầu ra sử dụng bánh răng có răng để quay nhanh gấp ba lần so với rôto, nên một xung công suất được tạo ra ở mỗi vòng quay của trục. Để so sánh, động cơ pít-tông bốn thì hoàn thành chu trình Otto trong hai vòng quay của trục đầu ra (trục khuỷu). Do đó, Wankel tạo ra gấp đôi số xung công suất trên mỗi vòng quay trục đầu ra.

Hoạt động của động cơ Wankel

Theo thiết kế, động cơ Wankel đơn luôn có 3 buồng đốt, được tạo thành bởi rotor và stator.

Kỳ hút

• Khi đầu của rôto đi qua cổng nạp, không khí bắt đầu đi vào buồng đốt đầu tiên, như thể hiện trong sơ đồ trên.
• Buồng đốt thứ nhất tiếp tục hút không khí trong lành cho đến khi đầu thứ 2 của rôto chạm tới cổng nạp và đóng nó lại.
• Sau quá trình này, cổng nạp đóng lại và hỗn hợp không khí-nhiên liệu mới được giữ lại trong buồng đốt đầu tiên để nén và đốt cháy.

Kỳ nén

• Sau khi hoàn thành hành trình nạp, hành trình nén của hỗn hợp không khí-nhiên liệu được giữ lại bắt đầu.
• Khi rôto tiếp tục quay, khoảng cách giữa góc 1 và góc 2 của buồng đốt đầu tiên (như thể hiện trong sơ đồ trên) giảm do thể tích của hỗn hợp giảm và quá trình nén hỗn hợp xảy ra.
• Khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu được nén theo yêu cầu, nó sẽ được đưa vào quá trình đốt cháy.

Kỳ đốt cháy/sinh công

• Khi hỗn hợp của buồng đốt thứ nhất (giữa 1 đến 2 góc) được nén theo yêu cầu, bugi sẽ tạo tia lửa điện bên trong buồng đốt, đốt cháy hỗn hợp không khí-nhiên liệu.
• Do quá trình đánh lửa, hỗn hợp được chuyển thành khí có nhiệt độ và áp suất cao. Năng lượng của hỗn hợp được đốt cháy làm cho rôto chuyển động về phía trước. Quá trình này tiếp tục cho đến khi góc đầu tiên đi qua cổng xả.

Kỳ xả

• Khi góc 1 chạm vào cổng xả, khí đốt áp suất cao sẽ được thải ra khỏi động cơ.
• Sau khi xả khí thải, cổng xả đóng lại và lặp lại toàn bộ chu trình.

Lưu ý là chu trình hoạt động của động cơ là liên tục, khi buồng thứ nhất đi vào hành trình nén thì buồng thứ 2 đi vào hành trình hút;s khi buồng thứ nhất đánh lửa, buồng thứ 2 sẽ nén và buồng thứ 3 sẽ hút,.. một chu trình liên tục, tuần hoàn giữa các buồng đốt của động cơ. do đó, động cơ Wankel chạy rất êm, mượt.

Động cơ Wankel có mức độ không đều thấp hơn nhiều so với động cơ pít-tông chuyển động tịnh tiến, giúp động cơ Wankel chạy mượt mà hơn rất nhiều. Điều này là do động cơ Wankel có mômen quán tính thấp hơn và phạm vi mômen xoắn dư thừa ít hơn do khả năng phân phối mômen xoắn đồng đều hơn. Ví dụ, động cơ Wankel hai rô-to chạy trơn tru hơn gấp đôi so với động cơ pít-tông bốn xi-lanh. Trục đầu ra lệch tâm của động cơ Wankel cũng không có các đường viền liên quan đến ứng suất của trục khuỷu của động cơ pít-tông chuyển động tịnh tiến. Do đó, số vòng quay tối đa của động cơ Wankel chủ yếu bị giới hạn bởi tải trọng của răng trên các bánh răng đồng bộ. Các bánh răng bằng thép cứng được sử dụng cho hoạt động mở rộng trên 7.000 hoặc 8.000 vòng/phút. Trong thực tế, động cơ Wankel ô tô không được vận hành ở tốc độ trục đầu ra cao hơn nhiều so với động cơ piston chuyển động tịnh tiến có công suất đầu ra tương tự. Động cơ Wankel trong đua xe ô tô được vận hành ở tốc độ lên tới 10.000 vòng/phút, nhưng động cơ pít-tông chuyển động tịnh tiến bốn thì với dung tích tương đối nhỏ trên mỗi xi-lanh cũng vậy. Trong máy bay, chúng được sử dụng một cách thận trọng, lên đến 6500 hoặc 7500 vòng/phút.