Lịch sử về động cơ Wankel
Không thông dụng như động cơ sử dụng piston, hiện nay động cơ xoay (rotary engine) hầu như chỉ còn được sử dụng trên các mẫu xe của Mazda. Người thai nghén và sáng chế ra kiểu động cơ này là tiến sĩ Felix Wankel (1902-1988)
Nhà sáng chế người Đức Felix Wankel bắt đầu phác thảo các bản vẽ từ đầu những năm 20. Ông được cấp bằng sáng chế đầu tiên cho việc chế tạo động cơ xoay vào năm 1936. Nhưng cho tới thập kỷ 50, khi Wankel cộng tác với nhà sản xuất ôtô và xe máy Đức là NSU, động cơ xoay Wankel mới thực sự được đưa vào sử dụng.
Động cơ Wankel của mẫu xe Mazda RX-8
Thiết kế mà ngày nay Mazda đang sử dụng trên dòng xe thể thao RX của hãng có bao gồm một rotot hình tam giác, quay bên trong lòng vỏ bọc (housing). Thành tam giác này và lòng vỏ bọc tạo nên 3 ô riêng biệt. Động cơ Wankel cũng là một động cơ đốt trong, cùng vận hành theo 4 chu kỳ hút, nén, nổ và xả như các động cơ piston thông thường. Nhưng không như động cơ piston, mỗi kỳ diễn ra tại một ô của động cơ. Trục truyền động (output shaft) quay nhanh hơn rotor 3 lần, và mỗi lần quay của trục truyền động trùng với một kỳ nổ. Để có được một thiết kế ưng ý, Wankel đã phải thử nghiệm hơn 800 hình dạng khác nhau của rotor (con xoay) và vỏ bọc (chứa rotor). Từ đó ông lại lọc ra 150 sự kết hợp khả dĩ nhất. Đó là một công việc vô cùng kiên nhẫn, nhất là vào thời mà người ta chưa thể thực hiện các mô phỏng trên máy tính. Tuy nhiên, bạn có thể băn khoăn tại sao công việc này lại đòi hỏi nhiều thời gian đến như vậy.
Ưu và nhược điểm của động cơ xoay
Vỏ bọc (housing) & Rotor
Vỏ bọc (housing) là thành động cơ được chế tạo với hình oval. Điều này giúp cho thành trong buồng đốt và 3 đỉnh của rotor luôn tiếp xúc với nhau, tạo ra 3 ô cách biệt. Trong 3 ô này, liên tục các kỳ hút, nén, nổ và xả diễn ra mỗi vòng quay của rotor. 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 (housing) 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. Lợi điểm chính của một động cơ Wankel là kích thước nhỏ hơn hẳn động cơ piston có cùng dung tích xi-lanh, cơ cấu đơn giản và vận hành êm ái hơn. Trong những động cơ một con xoay (single rotor), chỉ có hai phần chuyển động (moving part), đó là rotor và trục quay. Nếu gắn thêm rotor như phần lớn các động cơ xoay Mazda hiện nay, vẫn chỉ có 3 phần chuyển động. Và 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 lên xuống (của piston và tay đòn trong một động cơ piston thông thường), nên động cơ Wankel có rất ít sự rung lắc. Và tỷ lệ 3:1 của trục truyền động (output shaft) với so với piston cho thấy nếu động cơ của xe RX-8 quay được 9.000 vòng/phút, thì piston của động cơ thông thường chỉ chuyển động được 3.000 vòng.
Hình ảnh
Mazda RX-8 sử dụng động cơ Wankel
Tuy có nhiều lợi thế nhưng động cơ Wankel cũng kèm theo không ít bất tiện. Do hình dạng của buồng đốt vừa dài vừa hẹp, động cơ Wankel kém hiệu quả hơn một động cơ 4 kỳ thông thường. Lượng nhiên liệu tiêu thụ lớn hơn, đặt biệt là những động cơ thời kỳ đầu. Có thể trên những chiếc xe thể thao như RX-8, tính kinh tế không được coi trọng như sức mạnh động cơ, nhưng động cơ xoay vẫn tồn tại những nhược điểm khác. Khí thải từ xe sử dụng động cơ xoay chứa ít nitrogen oxide thấp hơn động cơ piston, nhưng lượng carbon monoxide và lượng khí hydrocarbon không cháy hết lại cao hơn. Hầu hết động cơ Wankel khó đáp ứng được các tiêu chuẩn khí thải khắt khe ngày nay, nhưng sự kiên trì đã giúp các kỹ sư của Mazda đáp ứng được yêu cầu cao nhất, chủ yếu nhờ thiết kế lại vị trí để các cổng hút và xả nằm trên lòng của buồng động cơ RX-8 thay vì trên thành trong như trước đây. Thiết kế mới giúp giảm lượng khí thải, tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Tuy vậy, cũng đừng giật mình khi nhìn kim đồng hồ nhiên liệu chạy ngược về sau khi bạn đạp hết ga chiếc Mazda RX-8. Có điều, hãy nhớ đây là một chiếc xe thể thao và chi phí nhiên liệu là một cái giá trả cho niềm đam mê tốc độ.
Lịch sử phát triển
Thật ngạc nhiên, những chiếc xe đầu tiên trang bị động cơ Wankel là xe sedan NSU thử nghiệm, chế tạo vào cuối thập kỷ 50 và đầu thập kỷ 60. 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, một con xoay (single rotor), công suất 50 mã lực. Phiên bản kế tiếp là NSU R080 năm 1968, một chiếc sedan 4 cửa với động cơ hai rotor (twin rotor). NSU không phải là một cái tên quen thuộc của ngành công nghiệp ôtô thế giới hiện nay, đơn giản là nó đã bị tập đoàn Volkwagen mua lại vào cuối thập kỷ 60. Quá trình hợp tác NSU-Wankel chấm dứt vào lúc đó.
Mazda Cosmo Sport 1967
Vào cuối những năm 50 và đầu 60, động cơ Wankel được ca tụng như là “sức mạnh của tương lai”. Nhiều nhà sản xuất ôtô đã mua lại bản quyền chế tạo từ NSU. General Motors cho chế tạo một vài động cơ đặt giữa (mid-engined) với 2 và 4 rotor vào đầu thập kỷ 70. Nhưng những quy định về nồng độ khí thải, chính sách của hãng xe cùng cuộc khủng hoảng dầu lửa đầu tiên biến chiếc xe Corvette mang động cơ Wankel đặt giữa trở thành một huyền thoại chết yểu. Mercedes-Benz cũng từng sản xuất một số xe concept những năm 60 và 70. Một số lượng nhỏ xe C111 vào thời đó, trang bị cả động cơ 3 và 4 rotor, có khả năng tăng tốc 0-100 km/h chỉ sau chừng 5 giây. Nhưng cũng như xe Corvette mang động cơ xoay, Mercedes C111 là nạn nhân của cuộc khủng hoảng dầu lửa thập kỷ 70 và chính sách phát triển của công ty. Chiếc Mazda đầu tiên lắp động cơ rotary là chiếc Cosmo 110S năm 1967, chiếc xe thể thao hai chỗ với kiểu dáng Italy. Cộng cả những phiên bản sedan, Mazda đã cho ra đời hơn 100.000 động cơ rotary cho tới năm 1970. Sự ra đời liên tiếp của xe RX-2, 3, 4, 5 những chiếc wagon của Mazda đã khiến động cơ Wankel trở nên được chú ý trong những năm 70. Thậm chí người ta còn chế tạo cả xe pickup trang bị động cơ xoay. Sau đó, năm 1978, chiếc RX-7 xuất hiện và để lại dấu ấn khó phai trong lịch sử phát triển ôtô. Hiện nay, việc giảm lượng khí thải ô nhiễm từ động cơ sử dụng nhiên liệu xăng tiếp tục là vấn đề quan tâm hàng đầu của các hãng xe. Trong khi đó, Mazda đã bắt đầu thử nghiệm những chiếc xe trang bị động cơ xoay chạy bằng khí hydro. Và do vậy, sẽ là hồ đồ nếu sớm cho rằng động cơ Wankel sẽ không có chỗ trong tương lai.
