Những thăng trầm làm nên tên tuổi của động cơ xoay

Trong 130 năm qua, hầu hết mọi động cơ đốt trong của xe hơi đều được trang bị từ 1 đến 16 piston. Tuy nhiên, đó không phải là lựa chọn duy nhất.

Một số nhà sản xuất từng sử dụng hoặc ít nhất là thử nghiệm với động cơ xoay, thoạt nhìn thiết kế có vẻ thông minh hơn. Dù vậy, trên thực tế, loại động cơ này không trở nên phổ biến dù đã ra mắt gần 60 năm, cho thấy thiết kế này cũng có những nhược điểm riêng.

1. Nhà phát minh

Nhiều loại động cơ có thể được gọi là động cơ xoay, bài viết tập trung vào Wankel, loại động cơ được đặt theo tên của kỹ sư người Đức Felix Wankel (1902-1988).

Những động cơ xoay được trang bị trên xe hơi không giống hoàn toàn ý tưởng ban đầu của ông, nhưng được đặt tên như vậy vì ông đã sáng tạo ra khái niệm trong đó một hoặc nhiều rotor bao quanh và dẫn động một trục khuỷu trung tâm, từ đó năng lượng được truyền qua bộ truyền động và đưa tới bánh dẫn động.

2. Thiết kế

Với khái niệm động cơ Wankel ngày nay, cỗ máy bao gồm một hoặc nhiều rotor tam giác quay lệch tâm trong một buồng với hình dạng tương đối giống số tám. Với mỗi vòng quay của rotor, quá trình nạp hỗn hợp nhiên liệu/không khí, nén, đốt cháy và xả khí thải diễn ra ba lần. Trục khuỷu quay ba lần trong quá trình này bởi được kết nối với rotor tỷ lệ 3:1.

Động cơ xoay nổi tiếng với số vòng tua máy cao, tuy nhiên định nghĩa này dễ gây hiểu lầm. Khi động cơ quay với tốc độ 9.000rpm, trục khuỷu quay với tốc độ đó và số chu trình đốt cháy tương đương với động cơ piston hoạt động ở tốc độ đó. Dù vậy, bản thân các rotor chỉ quay với tốc độ 3.000rpm.

3. Ưu điểm

Động cơ Wankel hoạt động êm ái, một phần vì mỗi kỳ đốt cháy có quy mô tương đối nhỏ, một phần khác vì các rotor luôn chuyển động.

Không có hiện tượng tương đương với quá trình piston bắt đầu từ trạng thái đứng yên tại điểm chết trên, tăng tốc rồi giảm tốc trong quá trình đi xuống và lặp lại. Vấn đề này cần được quan tâm nhiều hơn ở động cơ piston, nhưng đối với động cơ xoay thì không.

Động cơ xoay cũng ngắn hơn rất nhiều so với động cơ piston. Vì vậy, nếu được gắn ở phía trước, khối lượng sẽ tập trung gần tâm của xe hơn. Yếu tố này đem tới lợi thế phân bổ trọng lượng và là lý do các mẫu xe trang bị động cơ xoay thường sở hữu cảm giác lái tốt.

4. Nhược điểm

Vì bản chất của động cơ xoay là quá trình nạp nhiên liệu và xả khí gần như liên tục, thiết kế này thường không đem lại hiệu quả về mức độ tiêu hao nhiên liệu và lượng khí thải. Đây là một trong những lý do chính khiến loại động cơ này không thực sự trở nên phổ biến, bất chấp những ưu điểm.

Động cơ xoay cũng không nổi tiếng với mức momen lớn, bởi năng lượng đến từ chuyển động quay của rotor không thể so với lực đẩy mà quá trình cháy tác dụng lên piston, dẫn tới chuyển động thẳng dọc theo xy lanh.

Nếu động cơ xoay tạo ra công suất lớn, đó là do tốc độ vòng tua cao thay vì momen lớn. Tuy nhiên, một vấn đề khác đã khiến một số nhà sản xuất từ bỏ động cơ xoay trước khi đưa vào sản xuất chính thức là việc phần đỉnh của rotor (rotor tip) phải kín hoàn toàn với buồng đốt bên trong mà không làm hỏng nó. Sai lệch dù là nhỏ nhất cũng có thể đem tới hậu quả lớn, thậm chí phải bỏ toàn bộ khối động cơ.

5. Những mẫu xe nổi bật từng trang bị động cơ xoay

5.1. NSU Spider

NSU, giờ đây thuộc tập đoàn Volkswagen, là nhà sản xuất đầu tiên thực sự trang bị động cơ Wankel trên xe. Một nguyên mẫu từng chạy thử vào năm 1957, và bảy năm sau đó mẫu xe này được phát triển thành phiên bản sản xuất chính thức.

Spider là một mẫu xe nhỏ, được phát triển từ mẫu sedan Prinz. Xe sở hữu động cơ đặt sau trang bị một rotor và trở nên thành công trên thị trường. Khi được trang bị ống xả kiểu megaphone (phù hợp với động cơ quay), mẫu xe này tạo ra âm thanh đáng kinh ngạc.

5.2. Skoda 1.000MB

Mẫu Skoda đầu tiên trang bị động cơ đặt sau được giới thiệu vào năm 1964, cùng năm với NSU Spider, nhưng chiếc xe này chiếm một vị trí rất khác trong lịch sử động cơ xoay. Lý do là bởi những chiếc xe sản xuất chính thức không được trang bị cỗ máy này. Một số nguyên mẫu từng được chế tạo, tuy nhiên Skoda quyết định gắn bó với động cơ piston truyền thống khi sản xuất chính thức.

Đây dường như là lần đầu tiên một nhà sản xuất hủy bỏ dự án động cơ xoay trước khi bắt đầu sản xuất, và trong vòng một thập kỷ tiếp theo, quyết định tương tự được thực hiện bởi các hãng xe khác.

5.3. Ford Mustang

Năm 1965, Curtiss-Wright – thương hiệu trước đó nổi tiếng trong lĩnh vực hàng không - đã mua một chiếc Mustang thế hệ đầu tiên mới ra mắt, thay thế khối động cơ Windsor V8 4,7L bằng khối động cơ xoay hai rotor RC2-60 của họ. Curtiss-Wright hy vọng rằng dự án sẽ đưa hãng trở thành nhà cung cấp động cơ xoay cho ngành công nghiệp xe Hoa Kỳ.

Chiếc Mustang đã thu hút nhiều sự quan tâm, tuy vậy các nhà sản xuất đều từ chối lời đề nghị này. Dù kỳ vọng của Curtiss-Wright không trở thành hiện thực, nguyên mẫu này hiện đang được trưng bày tại Bảo tàng Ô tô & Xe tải Quốc gia ở Auburn, Indiana và được cho là chiếc Mustang sử dụng động cơ xoay duy nhất từng được chế tạo.

5.4. Mercedes C111

C 111 là một dòng xe thể thao thử nghiệm của thương hiệu Đức, xuất hiện lần đầu vào năm 1969, chủ yếu trang bị động cơ xoay, ban đầu là phiên bản ba rotor với công suất 280hp và sau này tăng lên bốn rotor với sức mạnh 350hp. Mercedes sau đó đã chuyển sang sử dụng động cơ piston thông thường và cho biết quyết định trên được đưa ra vì những vấn đề liên quan đến độ bền và tính ổn định.

Tuy nhiên, ông Wolfgang Kalbhenn, kỹ sư từng làm việc tại Daimler hơn 30 năm, đã chia sẻ rằng quá trình phát triển động cơ xoay vẫn tiếp tục tới năm 1975, với ý định trang bị trên một số dòng xe sedan. Dù vậy, mong muốn này đã không thành hiện thực và C 111 vẫn là chiếc Mercedes với động cơ xoay duy nhất từng được công bố.

5.5. Mazda RX-500

Cùng với Nissan 126x và Toyota EX-7, RX-500 là một trong ba mẫu xe concept đặc biệt táo bạo của Nhật Bản ra mắt vào năm 1970.

Mặc dù mang thiết kế nhọn thời trang, cửa cánh bướm và cửa nắp capo kiểu cánh chim, mẫu xe này chủ yếu được quảng bá là một thử nghiệm an toàn, trang bị đèn hậu có khả năng báo cho người lái xe phía sau sau biết xe đang tăng tốc, giảm tốc hay duy trì tốc độ không đổi (chức năng giống với Nissan).

Khó có thể tưởng tượng rằng Nissan hoặc Toyota sẽ trang bị động cơ quay cho các mẫu concept (và trên thực tế, hai hãng sử dụng lần lượt động cơ V6 3,0L và V8 5,0L). Tương tự, việc Mazda sử dụng loại động cơ xoay cũng có thể dự đoán trước. Cỗ máy với hai rotor gắn ngay phía trước của trục trước trên RX-500 sở hữu mức công suất khoảng 250hp.

5.6. Alfa Romeo Spider và Alfa Romeo 1750

Alfa Romeo từng có một chương trình phát triển động cơ xoay và đã tiến xa khi đưa các động cơ thử nghiệm này lên mẫu xe thể thao Spider và mẫu sedan 1750.

Trong khi các nhà sản xuất khác vẫn quyết tâm phát triển công nghệ này sau 1973, vào thời điểm đó, Alfa Romeo đã quyết định rằng loại động cơ này không đáng để phát triển vì lý do độ tin cậy cũng mức tiêu thụ nhiên liệu cao.

Hiện tại, tất cả những gì còn lại từ dự án đó là một khối động cơ xoay, được lưu giữ trong bảo tàng Alfa Romeo tại Arese.

5.7. Mazda MX-5

Trên thế giới, từng có rất nhiều thử nghiệm lắp động cơ xoay cho MX-5, nhưng chính Mazda chưa bao giờ làm như vậy - ít nhất là đối với một phiên bản ra mắt công chúng. Tuy nhiên, vào năm 1993, hãng đã phát triển một phiên bản sử dụng nhiên liệu hydro thay vì xăng.

Bởi hầu hết khí thải từ xe hydro chỉ bao gồm nước, vấn đề trên động cơ xoay sử dụng nhiên liệu xăng không còn đáng lo ngại. Nhiệm vụ khó khăn giờ đây là lưu trữ hydro trong một mẫu xe kích thước nhỏ.

Vấn đề này đã không được giải quyết, vì vậy mẫu MX-5 sử dụng động cơ xoay chạy bằng hydro vẫn là một thử nghiệm thú vị nhưng không thực tế. Dẫu sao, đây cũng chính là ý tưởng ban đầu của hãng xe Nhật.

5.8. Mazda MX-30

Sau nhiều nỗ lực phát triển nguồn năng lượng phụ trợ (range extender) động cơ xoay nhằm đưa vào sản xuất, Mazda cuối cùng đã thực hiện thành công trên mẫu crossover MX-30. Như dự tính, cỗ máy một rotor cho phép xe tăng đáng kể tầm hoạt động giữa những lần sạc pin.

Kế hoạch này hoàn toàn có thể thành công tại Hoa Kỳ, nơi MX-30 phiên bản thông thường (hiện chỉ bán tại California) sở hữu tầm hoạt động nhỏ nhất trên thị trường đối với một chiếc xe điện sản xuất thương mại, dựa theo Cục Bảo vệ Môi sinh Hoa Kỳ.