Động cơ xoay Wankel, cái tên không còn xa lạ gì với những người đam mê ô tô. Được biết đến với nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với động cơ phổ thông ngày nay như tỉ số công suất, trọng lượng vượt trội, hoạt động trơn tru và bền bỉ, chi phí sản xuất rẻ hơn…

Nhưng vì sao động cơ xoay đang dần đi vào quên lãng?

Mazda 787B – nhà vô địch giải đua Leman 24h năm 1991

Hẳn giới hâm mộ xe hơi khó thể nào quên được những chiếc Mazda RX-7 FD ra đời từ hơn 2 thập kỷ trước – dòng xe đã đưa động cơ xoay Wankel cùng những ưu điểm tuyệt vời của nó lên tầm biểu tượng, không chỉ cho Mazda mà còn cho cả một thế hệ sản sinh ra những mẫu xe thể thao huyền thoại Nhật Bản.

Thực tế Mazda luôn là hãng đi đầu trong việc trang bị động cơ xoay Wankel trên những mẫu xe thể thao RX và đã đạt được vô số thành công về mặt thương mại. Tuy nhiên, đó là chuyện của quá khứ. Ở thời điểm này, dường như khách hàng đã không còn mấy mặn mà với động cơ xoay nữa. Việc chậm cải tiến công nghệ khiến động cơ xoay còn tồn tại khá nhiều khuyết điểm. Trước hết, chúng ta hãy điểm qua nguyên lý hoạt động và những mặt lợi thế của dòng động cơ này.

“Cha đẻ” của động cơ xoay Wankel

Hãy cùng quay trở lại nước Đức vào năm 1902, một cậu bé tên là Felix Wankel được sinh ra. Cha của cậu bé ấy đã hy sinh trong thế chiến thứ I và nghịch cảnh đã đưa mẹ con Felix vào gia cảnh nghèo khổ.

Felix Wankel (1902 – 1988)

Hãy cùng quay trở lại nước Đức vào năm 1902, một cậu bé tên là Felix Wankel được sinh ra. Cha của cậu bé ấy đã hy sinh trong thế chiến thứ I và nghịch cảnh đã đưa mẹ con Felix vào gia cảnh nghèo khổ.

Điều này đã ảnh hưởng lớn đến cậu trai trẻ Felix khi mà cậu buộc phải nghỉ học mà không nhận được bằng cấp nào vào năm 19 tuổi. Cái mà cậu có được là sự hoài bão về giấc mơ thiết kế một loại động cơ chưa từng xuất hiện trên thế giới.

Felix mặc dù không được học đến nơi đến chốn nhưng cậu đã tự trang bị cho mình những kiến thức về cơ học và thiết kế thông qua việc rèn sách. Sau sự qua đời của cha mình, Felix đã thay cha làm chủ cửa hàng cơ khí và theo đuổi giấc mơ bấy lâu của ông. Đến năm 1929, Felix nhận được bằng sáng chế cho động cơ xoay Wankel.

Chiếc xe được trang bị động cơ xoay Wankel đầu tiên

Năm 1951, Felix hợp tác cùng với hãng xe của Đức là NSU (NSU Motorenwerke AG, thành lập năm 1873) để nghiên cứu và đưa động cơ xoay Wankel đi vào thực tế.

Động cơ đầu tiên có tên là DKM có thể đạt đến 21 mã lực (15.6 kW) và đạt được tốc độ động cơ cao (lên đến 17.000 vòng/phút). Bước chạy đà đầu tiên của động cơ này bắt đầu vào năm 1957.

Động cơ DKM 54 (Drehkolbenmotor) đầu tiên do Felix Wankel thiết kế

Thế nhưng vì một số thay đổi, cả dự án cần phải bị khai trừ. Nhưng đó chắc chắn không phải là sự lựa chọn khả thi. Thay vào đó, họ đã phát triển một dự án kế tiếp, đó là động cơ KKM, có thiết kế đơn giản hơn nhưng đem lại hiệu suất cao hơn.

Công nghệ ô tô không ngừng phát triển. Năm 1960, các hãng xe hơi đều không muốn mình bị bỏ rơi lại trên thị trường cạnh tranh ngày một mở rộng. Lần lượt các hãng lớn như Alfa Romeo, Ford, Porsche, Rolls Royce, Mazda, Citroen,… ký các hợp đồng hợp tác với NSU để có thể đưa động cơ Wankel về cho hãng của mình.

Rudolf Uhlenhaut cùng động cơ Wankel M950F, Mercedes-Benz C111, 1969

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, công suất 50 mã lực.

NSU Spider
NSU Ro 80

NSU không phải là một cái tên quen thuộc của ngành công nghiệp ôtô trên thế giới hiện nay, đơn giản là nó đã bị tập đoàn Volkswagen mua lại vào cuối thập kỷ 60. Quá trình hợp tác NSU-Wankel chấm dứt ngay vào lúc đó.

Ngoài ra còn có thể kể đến một vài cái tên đình đám thời bấy giờ như Citroen M35, GS Birotor, Mercedes C111.

Citroen M35
Mercedes C111

Động cơ xoay Wankel thực sự đã mang lại cơn sốt thời bấy giờ bởi khối động cơ mượt mà, có tốc độ động cơ cao, công suất động cơ lớn, làm cho biết bao nhiêu người đam mê tốc độ mong muốn sở hữu.

Tuy nhiên, không lâu sau khi tạo được tiếng vang trên thị trường ô tô toàn cầu, các điểm yếu của động cơ Wankel bắt đầu lộ ra và điều này tác động đến tâm lý của khách hàng, làm mức doanh thu sụt giảm nghiêm trọng.

Sự nỗ lực của Mazda trong việc đưa động cơ Wankel trở lại

Trước những khó khăn đó, vẫn có một công ty đứng ra đương đầu với thử thách mang tên động cơ xoay Wankel để mang nó trở lại. Công ty đó chính là Mazda, lúc bấy giờ được điều hành bởi ông Kenichi Yamamoto.

Ông cùng các đội ngũ kĩ thuật trong bộ phận nghiên cứu đã “ăn nằm” cùng với chiếc động cơ xoay Wankel này để tìm ra phương pháp bao kín hiệu quả nhất. Và dường như những sự nỗ lực này cũng gặt hái được một số thành công nhất định.

Kenichi Yamamoto cùng động cơ xoay Mazda (dựa trên thiết kế gốc của Felix Wankel)

Năm 1967, Mazda cho ra mắt chiếc Mazda Cosmo và chính thức được tiêu thụ tại Nhật Bản. Từ đó đến nay, Mazda vẫn không ngừng tiến hành đổi mới và nâng cấp động cơ pít-tông xoay (cho đến khi dừng hẳn).

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…

Dòng xe RX ra đời – tạo đà thương hiệu cho Mazda

Vào những năm 70 của thế kỉ XX, Mazda cho ra mắt dòng xe RX được trang bị động cơ xoay thế hệ tiếp theo.

  • Mazda RX3 là mẫu xe thứ hai sử dụng động cơ xoay của Mazda (sau Cosmo).
  • Tấn công thị trường năm 1971 với động cơ rotary 10A.
  • Đến năm 1972, động cơ 12A được phát triển và giúp cho mẫu xe giành chiến thắng trong các cuộc đua xe Nhật Bản, thậm chí có lần đánh bại cả Nissan Skyline GT-R.
  • Kế tiếp đó là những mẫu RX4, RX5, những chiếc wagon của Mazda đã khiến động cơ Wankel trở nên được chú ý trong những năm 70.
  • Sau đó, năm 1978, chiếc RX-7 xuất hiện và để lại dấu ấn khó phai trong lịch sử phát triển ôtô.

Tham khảo thêm: Ba thế hệ Mazda RX-7 sử dụng động cơ xoay Wankel nổi tiếng

Nguyên lý động cơ xoay Wankel 

Động cơ Wankel hoạt động dựa trên áp lực được tạo ra khi hỗn hợp giữa nhiên liệu và không khí bị đốt cháy. Trong động Wankel, 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 rotor hình tam giác.

+Quá trình hút (Intake):

Rotor 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

+Quá trình nén (Compression):

Hòa khí bị nén bằng việc chuyển động xoay rotor làm giảm thể tích khiến cho nhiệt độ và áp suất của buồng đốt tăng cao. 

+Quá trình cháy – giãn nở (Power):

Bugi bên dưới đánh lửa trước để đốt cháy phần lớn hòa khí tạo lực quay chủ yếu cho rotor, sau khi rotor quay thêm một góc khoảng từ 10 đến 15 độ bugi phía trên đánh lửa để đốt phần lớn hòa khí còn lại.

Như vậy do buồng đốt có dạng dẹp và dài, hệ thống 2 bugi (dual ignition) có thời điểm đánh lửa khác nhau sẽ giúp cho hòa khí được đốt cháy trọn vẹn hơn.

Hai bugi này sẽ có khe hở đánh lửa khác nhau, bên dưới khe hở lớn hơn nên không thể lắp lẫn lộn chúng.

+Quá trình thải (Exhaust):

Rotor mở lỗ thoát ở vách xy – lanh để khí cháy thoát ra bên ngoài.

Do 3 cạnh của rotor làm việc cùng lúc lên sẽ có 3 thì nổ dãn trong một vòng quay, tương ứng với 3 vòng quay của cốt máy.

Trong một chu kỳ, khi kỳ nạp đang diễn ra tại một phần trong buồng bầu dục thì kì nổ cũng đang xảy ra tại một phần khác. Chính bởi vậy lực đẩy đầu ra luôn mượt mà, ổn định cũng như tạo ra công suất lớn chỉ với kích thước động cơ khiêm tốn.

Ưu điểm của động cơ xoay Wankel 

Nhờ cấu tạo đặc biệt mà động cơ xoay Wankel có khá nhiều ưu điểm đắt giá:

– Tỉ lệ công suất : Trọng lượng vượt trội. Một động cơ piston truyền thống cùng công suất nặng hơn động cơ xoay xấp xỉ 3 lần.

– Cấu tạo đơn giản giảm thiểu chuyển động ma sát cũng như giảm thiểu chi phí sản xuất.

– Động cơ xoay 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 xoay 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 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. 

Tại sao động cơ Walkel lại dần trôi vào quên lãng?

Có 3 lí do chính dẫn đến điều này:

  1. Hiệu quả nhiệt thấp và hao phí nhiên liệu: Do buồng đốt ở động cơ xoay Wankel được thiết kế hình bầu dục thuôn dài, hiệu suất nhiệt bị giảm đi tương đối rõ rệt so với động cơ dùng cơ chế piston – cylinder. Điều này cũng thường dẫn đến việc nhiên liệu chưa cháy hết đã bị thải khỏi ống xả (và khi lượng nhiên liệu này cháy sẽ tạo ra lửa đuôi xe – backfire – nhìn rất ‘ngầu’ nhưng đồng thời cũng rất hao phí nhiên liệu).
  2. Thời gian cho một chu kì cháy hoàn thành là khá dài: Do buồng đốt được thiết kế dài, mỏng và luôn chuyển động nên mất khá nhiều thời gian để bánh rotor hoàn thành một chu kì. Hơn nữa, sự chênh lệch nhiệt độ quá lớn giữa các phần của rotor dẫn đến sự dãn nở nhiệt khác nhau. Hiệu suất và tuổi thọ rotor cũng vì thế mà bị ảnh hưởng. Trong thực tế một động cơ xoay có tuổi thọ chỉ bằng khoảng 2/3 động cơ piston thông thường.
  3. Quan trọng nhất là vấn đề khí thải: Trong tình hình môi trường diễn biến phức tạp như hiện nay, việc một mẫu xe với động cơ xoay Wankel không thể vượt qua một thử nghiệm khí thải nghiêm ngặt như tại châu Âu là điều dễ hiểu (chiếc Mazda RX-8 bị cấm bán tại châu Âu từ năm 2010 cũng là bởi vậy, doanh số bán xe vì thế mà sụt giảm đáng kể). Việc dầu máy bị rò rỉ trong quá trình vận hành (do cấu tạo quá đơn giản của động cơ xoay) cũng như nhiên liệu chưa cháy hết thoát ra ống xả khiến chiếc xe có chỉ số khí thải khá lớn và không thân thiện với môi trường.
Dù không còn sử dụng cho động cơ ô tô, động cơ Xoay Wankel vẫn được ứng dụng trong các ngành khác (máy bay, máy nén,…)

Hiện nay, vấn đề môi trường rất căng thẳng. Việc giảm lượng phát thải ô nhiễm từ động cơ đốt trong tiếp tục là vấn đề được quan tâm hàng đầu của các hãng xe. Chính vì những lí do đó, cùng với sự phát triển nhanh chóng của động cơ đốt trong 4 kỳ sử dụng piston tịnh tiến hiện nay, không quá khi nói rằng động cơ xoay Wankel rất khó để có chỗ đứng.

Nhưng biết đâu sẽ có một ngày, một kỹ sư tài năng nào đó có thể khắc phục những gì mà động cơ Wankel còn thiếu. Tất cả vẫn chỉ là những dấu hỏi chấm cho một tương lai đang đến.

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here