Đang tải...

Cơ bản Động cơ Quay Tròn Walken

Thảo luận trong 'Động cơ' bắt đầu bởi TaeYeon, 3/5/13.

Thành viên đang xem bài viết (Users: 0, Guests: 0)

  1. TaeYeon
    Offline

    Tài xế O-H
    Expand Collapse

    Tham gia ngày:
    3/3/13
    Số km:
    22
    Được đổ xăng:
    0
    Mã lực:
    1
    Xăng dự trữ:
    305 lít xăng
    BÀI TIỂU LUẦN VỀ ĐỘNG CƠ WANKEL
    ( ĐỘNG CƠ KHÔNG CÓ ĐIỂM CHẾT)


    I.Tổng quan

    1.Lịch sử về động cơ Wankel:

    Không thông dụng như động cơ sử dụng piston, hiện nay động cơ xoay (rotary engine) hầu như chỉ còn được sử dụng trên các mẫu xe của Mazda. Người sáng chế ra kiểu động cơ này là tiến sĩ Felix Wankel (1902-1988)

    Nhà sáng chế người Đức Felix Wankel bắt đầu phác thảo các bản vẽ từ đầu những năm 20. Ông được cấp bằng sáng chế đầu tiên cho việc chế tạo động cơ xoay vào năm 1936. Nhưng cho tới thập kỷ 50, khi Wankel cộng tác với nhà sản xuất ôtô và xe máy Đức là NSU, động cơ xoay Wankel mới thực sự được đưa vào sử dụng.

    Những chiếc xe đầu tiên trang bị động cơ Wankel là xe sedan NSU thử nghiệm, chế tạo vào cuối thập kỷ 50 và đầu thập kỷ 60. Chiếc xe đầu tiên gắn động cơ Wankel là NSU Spider, chế tạo từ năm 1964 đến năm 1967. Đó là một chiếc xe nhỏ hai chỗ với một động cơ 500 cc, một con xoay (single rotor), công suất 50 mã lực. Phiên bản kế tiếp là NSU R080 năm 1968, một chiếc sedan 4 cửa với động cơ hai rotor (twin rotor). NSU không phải là một cái tên quen thuộc của ngành công nghiệp ôtô thế giới hiện nay, đơn giản là nó đã bị tập đoàn Volkwagen mua lại vào cuối thập kỷ 60. Quá trình hợp tác NSU-Wankel chấm dứt vào lúc đó.

    Vào cuối những năm 50 và đầu 60, động cơ Wankel được ca tụng như là “sức mạnh của tương lai”. Nhiều nhà sản xuất ôtô đã mua lại bản quyền chế tạo từ NSU. General Motors cho chế tạo một vài động cơ đặt giữa (mid-engined) với 2 và 4 rotor vào đầu thập kỷ 70. Nhưng những quy định về nồng độ khí thải, chính sách của hãng xe cùng cuộc khủng hoảng dầu lửa đầu tiên biến chiếc xe Corvette mang động cơ Wankel đặt giữa trở thành một huyền thoại chết yểu. Mercedes-Benz cũng từng sản xuất một số xe concept những năm 60 và 70. Một số lượng nhỏ xe C111 vào thời đó, trang bị cả động cơ 3 và 4 rotor, có khả năng tăng tốc 0-100 km/h chỉ sau chừng 5 giây. Nhưng cũng như xe Corvette mang động cơ xoay, Mercedes C111 là nạn nhân của cuộc khủng hoảng dầu lửa thập kỷ 70 và chính sách phát triển của công ty. Chiếc Mazda đầu tiên lắp động cơ rotary là chiếc Cosmo 110S năm 1967, chiếc xe thể thao hai chỗ với kiểu dáng Italy. Cộng cả những phiên bản sedan, Mazda đã cho ra đời hơn 100.000 động cơ rotary cho tới năm 1970. Sự ra đời liên tiếp của xe RX-2, 3, 4, 5 những chiếc wagon của Mazda đã khiến động cơ Wankel trở nên được chú ý trong những năm 70.

    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…
    Thậm chí người ta còn chế tạo cả xe pickup trang bị động cơ xoay. Sau đó, năm 1978, chiếc RX-7 xuất hiện và để lại dấu ấn khó phai trong lịch sử phát triển ô tô
    Hiện nay, việc giảm lượng khí thải ô nhiễm từ động cơ sử dụng nhiên liệu xăng tiếp tục là vấn đề quan tâm hàng đầu của các hãng xe.

    Nói về những cột mốc trong lịch sử, đỉnh cao của động cơ rotary là năm 1973, khi đó Mazda sản xuất tới 239.871 động cơ này để trang bị cho các mẫu xe của mình. Không may mắn là sau đó lệnh cấm vận với dầu mỏ của các nước Ả Rập khiến cho động cơ rotary bắt đầu thoái trào. Năm 1991, chiếc Mazda 787B trang bị động cơ rotary trở thành chiếc xe sử dụng động cơ pít-tông quay đầu tiên trong lịch sử chiến thắng tại giải đua hành xác Le Mans 24h. Sau thành công trên động cơ rotary tiếp tục thoái trào và chỉ còn Mazda RX-8 được trang bị loại động cơ này.

    2.Kết cấu của động cơ

    Động cơ Wankel có piston hình tam giác chuyển động hành tinh chạy quanh bánh răng trung tâm, mỗi mặt cạnh của roto ứng với 1 piston của động cơ!






    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.

    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.



    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.



    Cơ cấu cốt máy, piston và xy lanh.



    Động cơ tháo rời.



    3.Nguyên Lý Hoạt Động:

    Cũng tương tự như động cơ piston, động cơ Walken hoạt động dựa trên áp lực được tạo ra khi hỗn hợp giữa nhiên liệu và không khí bị đốt cháy. Trong động cơ piston, áp lực đó được nén trong xilanh và làm piston chuyển động lên xuống. Các cơ cấu thanh truyền và tay quay sẽ biến chuyển động lên xuống của piston thành chuyển động xoay (momen xoắn) để chiếc xe hoạt động.

    Trong động Walken, áp lực từ buồng đốt được nén lại trong một khoang chứa, khoang này chính là một phần của buồng đốt và tiếp giáp với một bề mặt của roto hình tam giác.


    +Quá trình hút (Intake):

    Piston mở lỗ nạp ở nắp xy lanh, thể tích ở đây lớn dần, áp suất giảm tạo nên sức hút hỗn hợp xăng và hòa khí vào xy lanh.
    Hỗn hợp xăng và hòa khí được hút thẳng vào trong buồng nạp qua ống nạp mà không cần xupap mở như trong động cơ piston










    +Quá trình nén (Compression):




    Hòa khí bị nén nhỏ dần khiến cho nhiệt độ và áp suất của buồng đốt tăng cao.


























    +Quá trình cháy – giãn nở (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.



















    +Quá trình thải (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.



















    II. Đặc điểm của động cơ

    1.Ưu nhược điểm của động cơ Wankel

    -Ưu Điểm:

    +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.
    +Do quá trình hút và xả thực hiện thông qua các cổng trong lòng vỏ bọc nên không cần có trục cam cũng như các van. Không phải chịu những tác động và tổn hao cơ khí của chuyển động tịnh tiến (của piston và tay biên trong một động cơ piston-trục khuỷu thông thường), nên động cơ Wankel có rất ít sự rung lắc.
    +Những động cơ ban đầu của Wankel xuất phát từ thiết kế có tên “drehkolbenmaschine” (DKM), gồm một rotor chuyển động xung quanh một trục trung tâm cố định, bên trong lòng động cơ (housing) cũng quay tròn. Nó vận hành rất êm ái và có thể chạy với tốc độ khó tưởng tượng – hơn 20.000 vòng/phút. Tuy vậy, mỗi khi cần thay bugi cần phải tháo rời động cơ và đó là một bất lợi nếu đưa vào sử dụng rộng rãi. Do đó, Wankel chuyển sang phát triển thiết kế “kreiskolbenmotor” (KKM). Động cơ này, con xoay (rotor) và trục truyền động (output shaft) quay bên trong một vỏ bọc cố định. Theo đó, rất tiện trong việc tháo lắp các bugi. Cổ hút và xả sát thành trong vỏ bọc, tương tự về nguyên tắc với một động cơ hai kỳ. Tất cả các động cơ Wankel ngày nay đều chế tạo theo thiết kế KKM.

    -Nhược điểm:
    +Động cơ pít-tông quay cũng có một vài nhược điểm. So với động cơ truyền thống, hình dạng khoang đốt của động cơ pít-tông quay đòi hỏi quá trình đánh lửa và cháy tương đối dài, khiến tăng lượng tiêu hao nhiên liệu tăng và chỉ phù hợp với động cơ nhiên liệu xăng, không thể dùng phương pháp tạo áp lực tự đốt cháy, do vậy chưa được sử dụng nhiên liệu Diesel. Mặt khác, yêu cầu công nghệ gia công chế tạo động cơ pít-tông quay rất nghiêm ngặt khiến cho giá thành của động cơ này vẫn còn cao.

    +Do hình dạng của buồng đốt vừa dài vừa hẹp, động cơ Wankel kém hiệu quả hơn một động cơ 4 kỳ thông thường. Lượng nhiên liệu tiêu thụ lớn hơn, đặt biệt là những động cơ thời kỳ đầu. Có thể trên những chiếc xe thể thao như RX-8, tính kinh tế không được coi trọng như sức mạnh động cơ, nhưng động cơ xoay vẫn tồn tại những nhược điểm khác. Khí thải từ xe sử dụng động cơ xoay chứa ít nitrogen oxide thấp hơn động cơ piston, nhưng lượng carbon monoxide và lượng khí hydrocarbon không cháy hết lại cao hơn.

    2.So sánh động cơ Wankel vs động cơ 4 kì, 2 kì:


    Động cơ wankel Động cơ 4 kì Động cơ piston 2 kì
    Thực hiện 4 kì trong 1 lần quay của piston, trục khuỷu quay 3 vòng Thực hiện 4 kì trong 4 lần chuyển động lên xuống của piston ứng với 2 vòng quay của trục khuỷu Thực hiện 4 kì trong 2 lần chuyển động lên xuống của piston ứng với 1 vòng quay của trục khuỷu
    Mỗi cạnh của tam giác tương ứng với 1 piston, trên mặt cạnh có khoét lõm tạo thành buồng đốt nên khi piston quay được 1 vòng sẽ sinh công 3 lần Chỉ sinh công 1 lần trong 4 lần chuyển động lên xuống của piston Sinh công 1 lần trong 2 lần chuyển động lên xuống của piston
    Kết cấu nhỏ gọn nhưng chế tạo phức tạp, do chỉ quay theo 1 chiều nên động cơ chạy rất êm Kết cấu tương đối phức tạp, cồng kềnh, piston chuyển động lên xuống nhiều lần nên động cơ chạy gây nhiều tiếng ồn Kết cấu đơn giản rẻ tiền
    Tiêu hao và thất thoát nhiên liệu lớn do hòa khí không được đốt cháy hoàn toàn Tiết kiệm nhiên liệu và thất thoát ít Tốn nhiên liệu và lượng khí thải xấu lớn do 1 phần khí mới và thải bị trộn với nhau
     

Chia sẻ trang này