Những động cơ đốt trong “quái dị”

No comments

Cả hai van này được thiết kế để định thời điểm đòng mở tối ưu cho động cơ.
Bên cạnh những động cơ thông thường với piston, xupap…còn có những mô hình động cơ mà nếu không đọc qua thì ngay cả những người có hiểu biết về lĩnh vực này cũng không hình dung nổi nó làm việc như thế nào.
Quả thực động cơ đốt trong sử dụng nguyên lý chuyển động tịnh tiến lên xuống của piston với 4 kỳ nạp – nén – nổ – xả đã trở lên rất quen thuộc bởi đây là mô hình động cơ đốt trong đầu tiên được ứng dụng và đưa lên những chiếc xe o tô đầu tiên bán trên thị trường. Với những ưu điểm vượt trội về tính đơn giản và hiệu quả nên nó vẫn luôn tồn tại song hành cùng sự phát triển công nghệ và sự đổi mới của ngành công nghiệp ô tô. Tuy nhiên, bên cạnh dòng động cơ truyền thống chúng hãy cùng Autonet điểm qua những thiết kế của động cơ đốt trong sử dụng nguyên lý hoàn toàn khác so với động cơ truyền thống.
1. Split-Cycle: Động cơ 2 kỳ hay 4 kỳ?
Trên động cơ đốt trong thông thường đang sử dụng hiện nay, bốn hành trình của piston chỉ có một hành trình sinh công. Scuderi Group đã đưa ra một loại động cơ mới với tên gọi Split-cycle (phân chia chu trình), hoạt động gần giống như trên động cơ hai kỳ trước kia nhưng lại cho lượng khí thải và mức tiêu thụ nhiên liệu rất lý tưởng.
Trên các động cơ đốt trong truyền thống, mỗi xilanh sẽ thực hiện bốn hành trình nạp, nén, cháy sinh công và xả khí thải trong hai vòng quay trục khủy (đối với động cơ 4 kỳ) hoặc trong 1 vòng quay của trục khủy (động cơ 2 kỳ). Như vậy, mỗi xilanh đều phải thực hiện tất cả các nhiệm vụ trên trong 1 hoặc 2 vòng quay của trục khủy và chỉ có 1 hành trình cháy sinh ra công.

Trong khi đó, động cơ Split-Cycle hoạt động theo 1 nguyên lý hoàn toàn khác, theo đó động cơ Split-Cycle sẽ bố trí các xylanh theo từng cặp và liên quan chặt chẽ với nhau, trong đó một xilanh đóng vai trò nạp và nén trong khi xilanh còn lại chỉ đóng vai trò cháy sinh công và xả khí thải ra ngoài, khí nén được chuyển từ xilanh nén sang xilanh cháy nhờ một đường ống nối giữa hai xilanh này.
Nguyên lý làm việc: không khí được nạp vào trong thứ nhất, tại đây không kí được nén tới áp suất cao đưa qua đường ống để vào xilanh thứ 2. Ngay sau khi piston trong xilanh thứ 2 vượt qua điểm chết trên thì xupap của xilanh thứ 2 mở ra, khí nén sẽ được đưa vào trong buồng đốt và ngay sau đó bugi sẽ thực hiện đánh tia lửa điện để thực hiện quá trình cháy để sinh công. Tất cả 4 hành trình nạp, nén, cháy sinh công và xả được thực hiện trong hai xilanh nhưng chỉ trong một vòng quay của trục khủy. Mặc dù trong một cặp xilanh chỉ có một xilanh đóng vai trò sinh công, tuy nhiên nó được thực hiện trong một vòng quay của trục khủy chứ không phải 2 như các động cơ truyền thống. Vì vậy động cơ Split-cycle với 4 xilanh (2 cặp) sẽ cho công suất không hề kém so với động cơ 4 xilanh thẳng hàng đang sử dụng hiện nay.
Hơn nữa, trong động cơ này sử dụng một xilanh chỉ đóng vai trò nạp và nén nên nó cũng đóng vai trò như máy nén khí (turbocharger hay supercharger) đang phổ biến hiện nay. Về mặt nguyên lý động cơ này gần giống với động cơ hai kỳ trước kia, tuy nhiên về tính kinh tế nhiên liệu và thân thiện với môi trường thì động cơ này vượt trội không những so với động cơ 2 kỳ mà ngay cả động cơ 4 kỳ đang sử dụng hiện nay.
Trong động cơ này ống nối hai xilanh đóng vai trò “chuyển” khí nén từ xilanh nén sang xilanh nổ, trong đó việc điều khiển các vai trò gồm xupap giữ vai trò hết sức quan trọng. Trong đó van một chiều để ngăn không cho hỗn hợp khí nén quay trở lại xilanh nén và một van đảo chiều sẽ ngăn không cho hỗn hợp khí từ xilanh sinh công dội ngược vào trong ống dẫn. Cả hai van này được thiết kế để định thời điểm đòng mở tối ưu cho động cơ.
2. Động cơ hướng trục: Tỷ số nén nào là giới hạn?
Mới đây nhà sản xuất động cơ đến từ NewZealand, Công ty Duke Engines đã đưa ra một mô hình động cơ được gọi với tên “Axial Engine” – Động cơ hướng trục. Theo đó, động cơ sẽ được thiết kế với 5 xilanh sẽ được thiết kế song song với nhau cũng song songvới trục khủy. Các xilanh này sẽ được sắp xếptheo hình ngôi sao năm cánh, chuyển động của các piston bên trong xilanh này sẽ làm chuyển động một mặt đế chung – được nối với trục khủy để dẫn động đến hệ thống truyền lực trước khi tới các bánh xe.
Sự độc đáo và khác biệt của Axial Engine nằm ở chỗ: thay vì sử dụng từng bugi cho mỗi xilanh thì với động cơ 5 xilanh chỉ cần sử dụng 3 bugi. Khi nào quay tời vị trí của xilanh thì bugi sẽ thực hiện đánh lửa. Ngoài ra, các piston cũng không kết nối trực tiếp với trục khủy mà cả 5 piston khi chuyển động sinh công sẽ làm quay theo mặt nghiêng một đế chung, đế chung này sẽ được nối với trục thẳng và truyền công suất ra ngoài. Như vậy động cơ này không cần các trục khủy như thông thường.
Với mô hình động cơ này các xilanh làm việc sẽ mát hơn do đó có khả năng tránh được hiện tượng kích nổ. Đây là tiền đề để nha sản xuất có thể nâng tỷ số nén của động cơ lên cao nhằm tăng công suất động cơ. Theo những thử nghiệm được tiến hành, động cơ này có thể làm việc với tỷ số nén lên tới 14:1 (động cơ xăng thông thường tỷ số nén cao nhất chỉ dừng lại ở 11:1) mà vẫn hoạt động bình thường. Ngoài việc nâng cao công suất thì điều này cũng sẽ giúp động cơ có thể dễ dàng hơn trong việc sử dụng các nhiên liệu thay thế cho xăng mà không ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ. Một ưu điểm không thể không kể đến của mô hình này là giúp thu gọn đáng kể kích thước của động cơ do các xilanh được thiết kế trong một khối tròn. Điều này sẽ rất có ích với những chiếc xe có kích thước nhỏ hoặc trên các xe hybrid.
3. Động cơ không piston: Kích thước nào là tối ưu?
Nếu nói về động cơ không piston thì những người quan tâm đến lĩnh vực này đều dễ dàng nhận ra mô hình động cơ xoay Wankel – được đặt theo tên của người phát minh ra loại động cơ này, ông Felix Wankel. Động cơ Wankel không sử dụng các pison dạng hình trụ và chuyển động tịnh tiến mà thay vào đó là một piston dạng hình tam giác và chuyển động tròn xoay. Mỗi cạnh của tam giác tương ứng với một pít tông, trên mặt cạnh này có khoét lõm tạo thành buồng đốt. Khi piston quay được một vòng và thực hiện đủ 4 hành trình nạp-nén-nổ-xả thì trục khủyu quay được 3 vòng. Do luôn luôn chỉ quay theo một chiều nên động cơ chạy rất êm, tuy nhiên vấn đề thiết kế hình dạng của vỏ buồng đốt để có thể kết hợp với piston tam giác tạo ra đủ 4 kỳ là trở ngại lớn nhất của loại động cơ này.
Động cơ Wankel có cấu tạo rất nhỏ gọn và không cần cơ cấu dẫn động xupap. Nguyên tắc của động cơ này tương ứng với động cơ Otto, cũng có 4 thì nạp – nén – nổ – xả. Tất cả 4 kỳ thay vì được tạo ra bởi các chuyển động lên xuống của piston trụ thì nó được thực hiện trong một lần quay của piston tam giác. Trên thânh xilanh có các cửa nạp và cửa thải, dùng để nạp hoà khí và thải khí xả, việc đóng mở các cửa nạp và cửa thải này không phải bằng các supáp mà bằng chính thân roto .
Ở các vị trí khác nhau, piston tam giác sẽ cùng với thân xy-lanh để tạo ra thành các khoang buồng đốt vì vậy biên dạng của vỏ cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả của động cơ (đặc biệt ở kỳ nén). Việc đánh lửa được giải quyết bằng một cặp bugi ở ngay trên khoang tạo ra hành trình nén. Piston tam giác sẽ được nối với trục khủy nhờ một vấu lệch tâm để biến chuyển động quay của piston thành chuyển động trục khủy trước khi qua hệ thống truyền lực để đến bánh xe.

Lời kết
Ngoài những loại động cơ đốt trong kể trên thì trong suốt lịch sử phát triển của mình bên cạnh động cơ đốt trong truyền thống thì các nhà nghiên cứu, các nhà sản xuất ô tô cũng đã giới thiệu nhiều loại động cơ khác như: Động cơ không cần bugi HCCI, động cơ đặt ngang Boxer, động cơ chữ H…Tuy nhiên mỗi loại động cơ đều có những ưu và nhược điểm riêng nên cho có những mô hình vẫn chỉ nằm trong phòng thí nghiệm và những mô hình đã chạy trên đường. Hy vọng rằng trong thời gian tới sẽ có nhiều những mô hình động cơ hoạt động tối ưu hơn được đưa vào sản xuất thương mại để thêm lựa chọn cho khách hàng.