Mặc dù đây là một trong thủ phạm gây ra ô nhiễm môi trường và sự nóng lên của trái đất nhưng không thể phủ nhận được vai trò không thể thiếu được của động cơ đốt trong. Nó xuất hiện trên hầu hết các phương tiện vận tải hàng hóa như máy bay, tàu thủy, ô tô…Cho dù các nhà khoa học đã miệt mài nghiên cứu để đưa ra các giải pháp thay thế cho động cơ đốt trong như động cơ điện, động cơ sử dụng pin nhiên liệu nhằm đối phó với tình trạng cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự nóng lên của trái đất. Tuy nhiên cho đến tận thời điểm này động cơ đốt trong vẫn là không thể thay thế.

Thực ra những mô hình động cơ đầu tiên được phác thảo từ những năm 1600, tuy nhiên cho đến những năm đầu của thế kỷ 19 mới được đưa vào nghiên cứu và thử nghiệm một cách nghiêm túc. Mặc dù vậy, phải đến những năm 50 của thế kỷ 19 thì những động cơ đốt trong chạy bằng xăng mới được sản xuất thương mại và phát triển mạnh mẽ, trang bị phổ biến trên các phương tiện vào những năm cuối của thế kỷ 19. Với một bề dày lịch sử phát triển cho đến ngày nay, động cơ đốt trong đã có rất nhiều những thay đổi, cải tiến để ngày càng trở nên hoàn thiện hơn. Tuy nhiên có những động cơ mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng vẫn không thể phát triển do nhiều nguyên nhân khác nhau trong khi đó, có những động cơ mới chỉ được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Autonet xin giới thiệu những mẫu động cơ độc đáo mà có thể bạ chưa biết:    

1. Split-Cycle: Động cơ phân chia chu trình.

Trên động cơ đốt trong 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.

Ưu điểm của động cơ Split – Cycle so với động cơ truyền thống:

    - Có thể tăng khoảng 15-30% tính kinh tế nhiên liệu

   - Giảm khoảng 50-80% hàm lượng NOx trong khí thải.

   - Tốc độ trung bình của động cơ thấp hơn vì vậy giảm được mài mòn cho động cơ.

   - Có thể đạt được mômen xoắn lớn ở số vòng quay nhỏ, điều đó có nghĩa là động cơ có thể đạt được công suất lớn hơn ở tốc độ động cơ thấp hơn so với động cơ đốt trong truyền thống.

Đây là kết quả nghiên cứu của tập đoàn Scuderi Group, họ tin tưởng sẽ ứng dụng rộng rãi cho cả nhiên liệu Diesel và xăng nhờ giá thành không đắt và có thể kết hợp dễ dàng với các dây truyền công nghệ đang sử dụng nhiện nay. Tuy nhiên Scuderi Group vẫn chưa công bố về thời điểm sản xuất thương mại loại động cơ này.

2. HCCI: Động cơ xăng không cần Bugi

Mặc dù là động cơ xăng nhưng HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) không sử dụng bugi để đánh lửa mà nén hỗn hợp không khí và nhiên liệu đến áp suất cao để tự bốc cháy giống như động cơ Diesel mà không sợ hiện tượng kích nổ. Điểm khác biệt của động cơ HCCI so với các động cơ xăng có lẽ là nguyên lý hòa trộn và cháy đồng đều tại mọi điểm bên trong buồng đốt không giống như nguyên tắc lan truyền ngọn lửa trên các động cơ xăng thông thường. Điều này sẽ giúp tránh được hiện tượng kích nổ do tự hỗn hợp xăng và nhiên liệu tự bốc cháy và tạo ra sóng lan truyền từ bugi.

Tuy nhiên, để vận hành được động cơ HCCI thì nhiệt độ của buồng đốt đóng vai trò rất quan trọng. hỗn hợp xăng và nhiên liệu chỉ có thể tự bốc cháy khi buồng cháy được làm nóng nhất định, do đó động cơ sẽ sử dụng buji đánh lửa để khởi động động cơ, khi nhiệt độ bên trong xilanh đã được làm ấm lên thì mới vận hành được chế độ HCCI. Trong chế độ HCCI hỗn hợp hòa trộn nhiên liệu và không khí rất loãng do đó động cơ làm việc ở chế độ hỗn hợp nhiên liệu nghèo nhờ vậy động cơ có thể đạt được hiệu quả như động cơ Diesel và giảm được hàm lượng CO2 trong khí thải.

Có lẽ thử thách lớn nhất của động cơ này là điều khiển quá trình cháy của HCCI. Với động cơ sử dụng bugi có thể dễ dàng điều khiển thời điểm đánh lửa nhưng với sự cháy của HCCI cần phải thay đổi thành phần của hỗn hợp và nhiệt độ đồng thời kết hợp với thời điểm phun để có thể đạt được hiệu quả cao nhất và tránh được hiện tượng kích nổ. Công nghệ HCCI đang rất được các nhà sản xuất ô tô quan tâm vì đây là sự kết hợp những công nghệ ưu việt nhất của ngành động cơ đốt trong hiện nay như: sử dụng phun nhiên liệu trực tiếp, điều khiển cam bằng điện tử và điều khiển khoảng nâng của cam theo áp suất bên trong xilanh. Mặc dù vậy, những nghiên cứu mới chỉ cho phép động cơ tự bốc cháy ở chế độ tải trọng thấp, khi làm việc với công suất lớn thì chế độ HCCI sẽ không đáp ứng được và động cơ vẫn phải trở về chế độ đánh lửa bằng bugi như động cơ thông thường.

Trên hai mẫu xe hai xe 2007 Saturn Aura và Opel Vectra đều được trang bị động cơ 2.2L Ecotec với công suất 180 Hp (134Kw) và mômen xoắn cực đại lên tới 230 Nm, hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp đặt tại trung tâm, trục cam kép được điều khiển điện tử để điều khiển đóng mở xupap theo nhiều chế độ. Thiết bị quan trọng nhất là bộ điều khiển rất phức tạp có khả năng phân tích các dữ liệu từ cảm biến đo áp suất bên trong xilanh để vận hành quá trình cháy HCCI và chuyển đổi giữa chế độ cháy HCCI và chế độ cháy sử dụng buji đánh lửa.

Những thử ngiệm của GM trên 2 mẫu xe Saturn Aura và Opel Vectra vào năm 2007 đã cho thấy khi vận hành ở chế độ HCCI nó có thể đạt tốc độ tối đa lên tới 88 km/h, còn khi chiếc xe chạy ở tốc độ cao hơn thì động cơ sẽ chuyển sang chế độ sử dụng buji như trên các động cơ xăng thông thường. Và các nhà nghiên cứu vẫn tiếp tục nghiên cứu để nâng cao phạm vi sử dụng chế độ HCCI.

Những ưu điểm nổi bật của công nghệ HCCI:

- Hiệu quả động cơ giống như động cơ Diesel nhưng lại giảm được chi phí dành cho xử lý khí thải.

- Sử dụng công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp và cơ cấu phối khí thông minh (variabe valve).

- Sãn sàng lắp đặt HCCI cho động cơ xăng đang sử dụng.

- Ngoài động cơ xăng còn có thể sử dụng cho động cơ sử dụng nhiên liệu hỗn hợp E85.

- tiết kiệm nhiên liệu khoảng 15% so với động cơ xăng thông thường.

3. Động cơ xoay Wankel

Động cơ 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.

Động cơ rôto ngay từ khi ra đời không được chào đón nồng nhiệt cho lắm, do hình dạng kỳ dị” của xilanh và rôto, không tạo được niềm tin về công suất do kích thước nhỏ bé, hơn nữa các hãng xe hơi lúc này đã đi vào sản xuất với dây chuyền công nghệ ổn định. Do đó đến năm 1967, khi người Nhật sang đặt mua phát minh, người Đức lập tức bán luôn. Kết quả là những chiếc Mazda sport đã từng một thời làm mưa làm gió nhờ tính gọn nhẹ của động cơ và tốc độ cực cao của nó. Tuy nhiên tháng 6 năm 2012 Mazda đã tuyên bố tạm ngừng sản xuất động cơ này vì mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải là quá lớn đã làm lu mờ những ưu điểm như nhỏ gọn, êm dịu và ít mài mòn.

(Còn tiếp)