Những Động Cơ Kỳ Lạ Mắc Kẹt Bên Lề Tiến Bộ

Động cơ Wankel, động cơ Stirling và các loại tổ hợp tua-bin công suất khác nhau chưa bao giờ trở thành xu hướng chủ đạo trong ngành ô tô. Nhiều công ty nổi tiếng — từ Mazda đến GM, từ Mercedes đến Volvo — đã nghiên cứu chúng trong nhiều thập kỷ. Các công ty nhỏ và các nhà phát minh cá nhân cũng kiên trì theo đuổi. Tuy nhiên, hóa ra mỗi thiết kế thay thế lại ẩn chứa nhiều cạm bẫy hơn nhiều so với dự kiến ban đầu. Điều đó không có nghĩa là việc phát triển các bộ nguồn phi truyền thống là không thể. Những người đam mê vẫn tiếp tục thúc đẩy các ý tưởng khác nhau, và ở đây chúng ta khám phá một số khái niệm động cơ kỳ lạ nhất từng được chế tạo.

Động Cơ Chu Trình Tách: Hai Xi-lanh, Một Hành Trình Công

Một số nhà thiết kế động cơ kết luận rằng sự kết hợp cổ điển của xi-lanh, piston, thanh truyền và trục khuỷu đã tự chứng minh bản thân trong hơn một thế kỷ — và rằng việc cải thiện động cơ đốt trong chỉ cần điều chỉnh một số khía cạnh nhất định thay vì phát minh lại từ đầu. Ví dụ đầu tiên trong danh sách của chúng ta là động cơ được phát triển bởi công ty Mỹ Scuderi Group, vốn giữ lại các hành trình nạp, nén, công và xả cổ điển — nhưng phân chia chúng ra hai xi-lanh riêng biệt:

• Xi-lanh lạnh (máy nén) — xử lý quá trình nạp và nén
• Xi-lanh nóng (làm việc) — xử lý hành trình công và xả

Trong khi khí giãn nở trong xi-lanh làm việc, một hành trình nạp diễn ra trong xi-lanh lạnh, tức xi-lanh nén. Khi xi-lanh làm việc xả khí, xi-lanh nén thực hiện quá trình nén. Vào cuối hành trình nén, cả hai piston tiến gần điểm chết trên, hỗn hợp di chuyển qua kênh bypass từ xi-lanh lạnh sang xi-lanh nóng và được đốt cháy. Chu trình tách này — về bản chất là một chu trình Otto được sửa đổi — đã được cấp bằng sáng chế vào năm 2006, và vào năm 2009 Scuderi Group đã chế tạo nguyên mẫu thử nghiệm Scuderi Split Cycle Engine.

Các xi-lanh nén và xi-lanh làm việc có thể có đường kính và hành trình piston khác nhau, giúp điều chỉnh linh hoạt các thông số động cơ — hoạt động như một dạng tương tự của chu trình Miller với khả năng giãn nở khí bổ sung. Thêm một nhánh có van và bình áp suất cao vào kênh giữa các xi-lanh, động cơ có thể thu hồi năng lượng khi phanh và triển khai khi tăng tốc. Tuy nhiên, trong nhiều năm qua, các hoạt động của Scuderi Group chỉ giới hạn ở các nguyên mẫu và triển lãm thương mại. Những cải tiến hiệu suất trong thực tế vẫn chưa đủ để biện minh cho sự phức tạp đáng kể của thiết kế.

Công ty Croatia Paut Motor cũng hướng đến chu trình làm việc tách. Thiết kế phân tách của họ thu hút sự chú ý vì một số lý do:

• Ít bộ phận chuyển động hơn đáng kể so với động cơ thông thường
• Tổn thất ma sát thấp hơn
• Tiếng ồn vận hành giảm
• Kích thước nhỏ gọn: 500×440×440 mm với dung tích 7 lít
• Trọng lượng khoảng 135 kg — xấp xỉ một nửa so với động cơ truyền thống có cùng dung tích

Việc không có dầu trong hộp trục khuỷu đòi hỏi phải có bình bôi trơn bên ngoài, nhưng các nhà phát minh coi đây là sự đánh đổi có thể chấp nhận được. Một số nguyên mẫu đã được chế tạo, mặc dù công suất cuối cùng chưa bao giờ được xác định chính thức. Nguyên mẫu cuối cùng được lắp ráp vào năm 2011, và dự án đã bị đình trệ kể từ đó.

Động Cơ Hai Thì Bonner: Độ Phức Tạp Tối Đa, Mục Tiêu Đầy Tham Vọng

Động cơ hai thì Bonner (đặt theo tên nhà tài trợ, Bonner Motor) được phát minh năm 2006 tại Hoa Kỳ bởi Walter Schmid và đẩy độ phức tạp cơ học lên cao hơn nữa. Giống như Paut Motor, các xi-lanh của nó được sắp xếp theo cấu hình chữ X, và trục khuỷu thực hiện chuyển động hành tinh thông qua hệ thống bánh răng. Các tính năng chính bao gồm:

• Van ở đáy xi-lanh và van cuộn quay trong thân động cơ để phân phối khí
• Piston bên ngoài có thể dịch chuyển nhẹ dưới áp suất dầu để cung cấp tỷ số nén biến thiên
• Tỷ số công suất trên trọng lượng cao là mục tiêu thiết kế chính

Về mặt lý thuyết, động cơ Bonner trông rất hấp dẫn. Tuy nhiên, trong thực tế, không có tin tức đáng kể nào xuất hiện từ dự án trong nhiều năm — rõ ràng là nó đã không đáp ứng được kỳ vọng.

Động Cơ Hướng Trục: Xi-lanh Được Sắp Xếp Như Ổ Súng Lục

Các nhà phát minh khác giữ nguyên các chu trình làm việc của động cơ đốt trong nhưng tái thiết kế bố cục vật lý của các bộ phận. Động cơ hướng trục, vốn đã tồn tại hơn một thế kỷ, là một ví dụ điển hình. Chúng khác nhau về chi tiết nhưng có chung một nguyên tắc: các xi-lanh được sắp xếp như đạn trong trống súng lục ổ quay, đồng trục với trục đầu ra. Các cơ cấu khác nhau — như chốt nghiêng và vòng đệm côn — chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục.

Dự án Duke Engines từ New Zealand là một biến thể đáng chú ý: một động cơ hướng trục bốn thì năm xi-lanh với dung tích 3 lít. So với động cơ thông thường có cùng dung tích, động cơ Duke mang lại:

• Trọng lượng thấp hơn 19%
• Kích thước nhỏ gọn hơn 36%
• Tiềm năng ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực ô tô, hàng hải và hàng không

Những lời hứa đầy tham vọng đã được đưa ra về việc áp dụng rộng rãi — nhưng giấc mơ chinh phục thế giới vẫn chỉ là giấc mơ.

Động cơ RadMax của công ty Canada Reg Technologies đẩy khái niệm hướng trục lên xa hơn nữa. Thay vì các xi-lanh rời rạc, hàng chục ngăn được tạo thành bên trong một trống chung bằng các lưỡi mỏng. Các tấm được gắn trong rãnh rô-to di chuyển dọc theo chúng khi rô-to quay, và các bề mặt cong ở đầu trống xác định quỹ đạo lưỡi và kiểm soát trao đổi khí. Các đặc điểm đáng chú ý:

• Tương thích với nhiều loại nhiên liệu, mặc dù diesel là trọng tâm ban đầu
• Một nguyên mẫu năm 2003 chỉ có kích thước 152 mm cả về đường kính lẫn chiều dài nhưng sản xuất được 42 mã lực — nhiều hơn nhiều so với động cơ thông thường có kích thước tương đương
• Các nguyên mẫu sau này được báo cáo đạt tới 127 mã lực và 380 mã lực

Bất chấp những con số đầy hứa hẹn này, toàn bộ hoạt động của RadMax dường như vẫn ở giai đoạn thử nghiệm.

Động Cơ Xuyến: Khi Xi-lanh Trở Thành Bánh Vòng

Động cơ VGT (Variable Geometry Toroidal Engine) từ công ty Canada VGT Technologies nay đã giải thể là một nghiên cứu điển hình khác về lý thuyết vượt trội hơn thực tiễn. Được thử nghiệm lần đầu vào năm 2005, động cơ thay thế xi-lanh thông thường bằng một xuyến — một buồng hình bánh vòng — bên trong đó một rô-to với một cặp piston gắn kèm quay.

Một đĩa phân phối mỏng có rãnh cắt cho piston quay qua xuyến thông qua dẫn động đai, hạn chế hỗn hợp nhiên liệu-không khí trong quá trình nén và hành trình công. Vào năm 2009, các doanh nhân Mỹ Gary Kelley và Rick Ivas đã độc lập phát triển một động cơ xuyến phản ánh chặt chẽ thiết kế của Canada. Ước tính của họ cho thấy một xuyến có đường kính nửa mét sẽ mang lại:

• 230 mã lực
• Xấp xỉ 1.000 N·m mô-men xoắn
• Tất cả chỉ ở 1.050 vòng/phút

Công ty của họ, Garric Engines, hiện chỉ hiển thị một thông báo ngắn trên trang web: “Cảm ơn sự quan tâm của bạn. Trang có thể được cập nhật trong tương lai.”

Động Cơ Nutating: Đĩa Lắc Lư Thay Vì Piston

Số phận hứa hẹn hơn một chút có thể đang chờ đợi động cơ nutating được phát minh bởi người Mỹ Leonard Meyer vào năm 2006 — ít nhất một số bản sao hoạt động đã được chế tạo. Cái tên xuất phát từ tiếng Latinh nutatio (gật đầu hoặc lắc lư). Thiết kế của Meyer tạo thành bốn buồng làm việc có thể tích thay đổi giữa thân động cơ và một đĩa nutate (lắc lư) sang hai bên, hoạt động như piston. Đĩa được cắt đôi theo đường kính và xỏ vào trục đầu ra hình chữ Z, với các kênh và van trong thân quản lý trao đổi khí.

Các nguyên mẫu được chế tạo bởi Baker Engineering và công ty liên kết Kinetic BEI, với kết quả ấn tượng:

• Một đĩa 102 mm: 7 mã lực
• Hai đĩa 203 mm: 120 mã lực
• Kích thước động cơ hai đĩa: chiều dài 500 mm, đường kính 300 mm, dung tích 3,8 lít
• Tỷ số công suất trên trọng lượng: 2,5–3 mã lực/kg so với 1–2 mã lực/kg của động cơ hút khí tự nhiên sản xuất hàng loạt

Công suất riêng theo lít kém ấn tượng hơn, nhưng mật độ công suất đáng chú ý. Baker và Kinetic dường như đang tinh chỉnh thiết kế, mặc dù hoạt động trên trang web của họ vẫn còn hạn chế.

LiquidPiston: Động Cơ Wankel Được Lật Ngược Từ Trong Ra Ngoài

Các khái niệm động cơ quay tiếp tục thu hút các nhà đổi mới, như thể việc rời xa cách bố trí piston-xi-lanh quen thuộc vốn đã hứa hẹn hiệu suất tốt hơn. Nikolay Shkolnik, một cựu kỹ sư Liên Xô đã chuyển đến Hoa Kỳ, và con trai Alexander đã phát triển một động cơ giống như động cơ Wankel bị lật ngược từ trong ra ngoài. Một rô-to hình đậu phộng quay bên trong một buồng tam giác — cùng hình học cơ bản như động cơ Wankel — nhưng điều quan trọng là các gioăng được cố định vào thành buồng thay vì rô-to.

Gia đình Shkolnik đã thành lập LiquidPiston để phát triển khái niệm này, thu hút đồng tài trợ từ DARPA cho các ứng dụng tiềm năng trong:

• Máy bay hạng nhẹ và máy bay không người lái
• Máy phát điện di động
• Hệ thống truyền động xe hybrid

Một nguyên mẫu 23 cm³ đã đạt hiệu suất nhiệt 20% — ấn tượng cho lớp dung tích đó. Nhóm hiện đang nhắm đến nguyên mẫu diesel nặng khoảng 13 kg và sản xuất 40 mã lực, với hiệu suất nhiệt dự kiến tăng lên 45%.

Động Cơ Piston Xoay: Vuông Hóa Thiết Kế Truyền Thống

Động cơ cuối cùng trong bài đánh giá của chúng ta chứng minh rằng sức hấp dẫn của một bộ phận phẳng, nhỏ gọn là có thật — và rằng rô-to không phải là con đường duy nhất để đạt được điều đó. Động cơ piston xoay của Pivotal Engineering đơn giản chỉ vuông hóa piston truyền thống, làm cho xi-lanh có hình chữ nhật nhìn từ trên xuống. Thiết kế hai thì này đã tồn tại trong vài năm, trong thời gian đó một số nguyên mẫu đã cung cấp động lực cho cả xe máy và máy bay.

Công ty chủ yếu nhắm đến các ứng dụng hàng không, và thiết kế mang lại một số lợi thế thực sự:

• Tỷ số công suất trên trọng lượng và công suất trên kích thước cao
• Tiềm năng tăng áp cưỡng bức xuất sắc, được kích hoạt bởi kênh làm mát chất lỏng chạy qua trục cố định của piston — một thành tích khó thực hiện trong kiến trúc động cơ thông thường
• Hệ số hình dạng phẳng, vì rô-to vuông có thể được làm rất mỏng

Các Khái Niệm Động Cơ Kỳ Lạ Khác Đáng Biết

Có nhiều thiết kế động cơ kỳ lạ đáng chú ý ngoài những cái được đề cập ở đây. Một vài đề cử danh dự:

• Động cơ Wankel 12 rô-to — đẩy khái niệm quay của Mazda đến mức cực đoan
• Động cơ van ống tay áo Knight — một thiết kế trăm tuổi từng ngắn ngủi cạnh tranh với van nấm
• Động cơ piston đối nhau — hai piston dùng chung một xi-lanh, không có nắp xi-lanh
• Động cơ tỷ số nén biến thiên — cho phép điều chỉnh tỷ số nén theo thời gian thực để tối ưu hóa hiệu suất ở các điều kiện tải khác nhau
• Động cơ năm thì — thêm xi-lanh giãn nở chuyên dụng để trích xuất nhiều công hơn từ khí cháy
• Động cơ lưỡi quay — nơi các bộ phận rô-to di chuyển như các lưỡi kéo hội tụ và phân kỳ

Tại Sao Các Động Cơ Thay Thế Không Đến Được Sản Xuất Hàng Loạt?

Ngay cả một cuộc khảo sát ngắn về các thiết kế động cơ đốt trong phi truyền thống cũng tiết lộ một mô hình nổi bật: hàng chục ý tưởng thông minh, rất ít xe sản xuất thực tế. Các trở ngại tái diễn là nhất quán:

• Mài mòn gioăng — các thiết kế quay thường xuyên thất bại do sự xuống cấp của gioăng đỉnh theo thời gian
• Tải cơ học xen kẽ — các khái niệm lưỡi quay bị mỏi tại điểm kết nối lưỡi với trục
• Độ phức tạp sản xuất — các hình học kỳ lạ tốn kém và khó sản xuất ở quy mô lớn
• Độ tin cậy và tuổi thọ — các động cơ phi thông thường hiếm khi sánh được với kỷ lục bền vững của động cơ piston truyền thống đã được tinh chỉnh hơn 100 năm

Lý do thứ hai khiến các động cơ thay thế gặp khó khăn là vì công nghệ động cơ đốt trong thông thường không đứng yên. Các động cơ xăng mới nhất sử dụng chu trình Miller đạt hiệu suất nhiệt lên đến 40% ngay cả không có tăng áp — một con số đáng chú ý, khi mà hầu hết các động cơ xăng chỉ đạt 20–30%, và động cơ diesel 30–40% (với diesel hàng hải lớn đạt tới 50%).

Quan trọng nhất, giải pháp thay thế toàn cầu cho động cơ đốt trong đã xuất hiện: động cơ điện và bộ nguồn pin nhiên liệu. Nếu các nhà phát minh đứng sau những thứ kỳ lạ này không giải quyết các thách thức kỹ thuật của họ rất sớm, họ có thể nhận ra rằng không còn thị trường nào chờ đợi họ nữa — các xe điện sẽ đã chiếm lĩnh đường phố.

Đây là bản dịch. Bạn có thể đọc bản gốc tại đây: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html