Động cơ quay Omega One – ‘cứu tinh’ của động cơ đốt trong?

Vào năm 1963, khi 50 nguyên mẫu của chiếc Chrysler Turbine lăn bánh trên đường phố, người ta đã từng rất kỳ vọng vào phát kiến xe tuabin. Số lượng chi tiết thấp, không yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên và độ êm ái tuyệt đối là những điểm “ăn khách” của động cơ tuabin. Thế nhưng đến năm 1979, các vấn đề về hiệu suất và khí thải đã gây ra ảnh hưởng không nhỏ đến loại động cơ này.

Giờ đây, các thiết bị mở rộng phạm vi tuabin vi mô (micro-turbine range extender) như trên chiếc Jaguar C-X75 và các nguyên mẫu MI-Tech của Mitsubishi đang bắt đầu được ra mắt. Thậm chí, một ý tưởng động cơ quay hoàn toàn mới có tên Omega One cũng đang chờ được cấp bằng sáng chế. Động cơ này hứa hẹn sẽ kết hợp được các ưu điểm của động cơ tuabin và động cơ piston để đạt hiệu suất cao hơn với lượng khí thải thấp hơn.

1. Sự ra đời của động cơ quay Omega One

Động cơ quay Omega One mới của Astron Aerospace có quá trình đốt cháy hòa khí giống như trên động cơ piston. Điều này giúp cải thiện momen xoắn và đơn giản hóa quá trình phát thải, trong khi vẫn giữ được các ưu điểm của động cơ tuabin (như làm mát bằng không khí, số chi tiết thấp, kích thước nhỏ gọn và vận hành êm ái). Động cơ Omega chủ yếu được dùng cho cho ngành hàng không, nhưng một phiên bản ứng dụng cho xe điện cũng đang được phát triển song song.

Omega One là sự kết hợp của nhiều ý tưởng công nghệ thành công, bao gồm khái niệm chu kỳ phân tách (split-cycle) từ tháng 6/2006 về việc nén và đốt hòa khí trong hai không gian riêng biệt, hay công nghệ nén cháy hỗn hợp đồng nhất (Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI).

2. Cơ chế hoạt động của Omega One

Để hiểu về cách mà Omega One hoạt động, bạn hãy tưởng tượng một bánh răng trơn (có duy nhất một răng) quay khớp với một bánh răng trơn khác (có một rãnh ăn khớp với răng của bánh răng đầu tiên). Chúng quay trong một lớp vỏ được gia công vừa khít, với khe hở chỉ từ 0.001 - 0.005 inch. Răng của bánh thứ nhất vận hành mà không cần miếng đệm kín (seal), nhờ đó giảm đáng kể ma sát.

Có hai cặp bánh răng như thế được trang bị trên động cơ Omega One. Ở một cặp, răng có nhiệm vụ phân tách thể tích nạp và nén, trong khi ở cặp còn lại, răng phân tách thể tích cháy và xả. Với kích thước lớn hơn khoảng một phần ba, cặp bánh răng nén (màu xanh) cho phép nó “siêu nạp” buồng đốt thông qua một bình chứa không khí nhỏ nằm giữa hai cặp bánh răng. Các van xả (blow-off valve) được sử dụng để điều chỉnh áp suất nạp trong khoảng từ 180 - 320 psi

Không khí được nạp vào buồng đốt khi một cổng (port) trong buồng nén (compression tank) thẳng hàng với một lỗ trên tấm rôto (rotor side plate). Lỗ này được đặt ở vị trí mà răng bắt đầu tách ra khỏi rãnh để bắt đầu một vòng quay mới. Khi không khí nén đi vào cổng này, nhiên liệu được phun ở cổng nạp hoặc phun trực tiếp, từ đó cung cấp hỗn hợp hòa khí phân tầng (stratified charge, tức hòa khí giàu hơn ở gần bugi) ở vòng tua máy thấp, hoặc cung cấp hòa khí đồng nhất (homogeneous charge) ở vòng tua máy cao. Nên nhớ rằng, công nghệ HCCI có thể hỗ trợ vòng tua máy lên đến 10,000 rpm.

Sau khi bị đốt cháy, khí giãn nở sẽ đẩy mặt sau của răng quét gần hết hành trình (đường tròn) của nó, từ đó cho phép động cơ sinh công trong khoảng thời gian tương đối dài. Sau đó, khí thải được mặt trước của răng đẩy thoát ra qua một cổng mở (open port), đặt gần vị trí răng ăn khớp lại với rãnh. Cổng thải này có thể tiếp tục dẫn đến một bộ tăng áp hoặc bộ xúc tác khí thải.

3. Hiệu suất của động cơ quay Omega One

Trong mô phỏng máy tính, động cơ Omega One với kích thước 35 x 38 x 58 cm này tạo ra công suất cực đại 600 hp tại 15,000 rpm và momen xoắn cực đại 1,355 Nm, đạt hiệu suất nhiệt lên tới 80%!

Động cơ được làm mát bằng không khí. Luồng khí mát này được thổi qua các trục rỗng (hollow shaft) lớn là bệ đỡ cho các cặp bánh răng. Chỉ có các ổ trục (bearing) của các trục này mới được bôi trơn, do đó buồng đốt không bao giờ tiếp xúc với chất bôi trơn. Đồng thời, quá trình đốt cháy hòa khí cực nhanh từ HCCI cộng với diện tích bề mặt buồng đốt thấp sẽ làm giảm lượng khí NOx thải ra của động cơ. Với lượng NOx tạo ra tương đối thấp, hệ thống của Omega One có thể loại bỏ bộ xúc tác ba chiều (three-way catalyst).

Chúng ta biết rằng bộ xúc tác này không có tác dụng với khí thải có dư không khí (excess air). Lý do mà động cơ sẽ có không khí dư thừa là bởi vì trong điều kiện tải thấp và ở chế độ “bỏ lửa” (skip-fire), Omega One không đốt hòa khí cứ cách mỗi vòng quay.

4. Tính khả thi của động cơ quay Omega One

Về mặt cơ chế hoạt động, Omega One là một động cơ vừa rất thú vị, lại cực kỳ hiệu quả. Tuy nhiên, chi phí bỏ ra để nghiên cứu thành công và thương mại hóa ý tưởng động cơ này là không hề nhỏ, đặc biệt khi nó sử dụng một số loại vật liệu “hiếm có khó tìm”.

Đối với ngành hàng không đắt tiền, tiềm năng của Omega One là có. Nhưng với ngành công nghiệp xe hơi, đây có lẽ vẫn sẽ là một câu hỏi lớn, đặc biệt khi ứng dụng khả thi nhất hiện nay của nó là gia tăng phạm vi cho xe điện.

Dù sao thì với những người yêu kỹ thuật xe hơi nói chung và động cơ quay nói riêng, Omega One vẫn đem lại một niềm hy vọng to lớn cho tương lai của động cơ đốt trong.