Động cơ xoay Wankel có gì khiến Mazda thành danh

 Động cơ xoay (Rotary-Engine) là một dạng động cơ đốt trong được phát minh bởi kỹ sư cơ khí người Đức Felix Heinrich Wankel (1902 – 1988) và do đó, người ta còn gọi đây là động cơ Wankel. Sau khi phát minh thành công mẫu động cơ độc đáo này, Wankel đã giới thiệu và hợp tác với nhiều hãng để tiếp tục phát triển. Nhưng cuối cùng, hãng xe hơi Nhật Bản Mazda đã mua lại công nghệ từ Wankel vào năm 1967 và họ cho ra đời nhiều mẫu xe thương mại lẫn xe đua có sử dụng động cơ này. Người đã đưa động cơ xoay Wankel toả sáng cùng Mazda chính là vị cố kỹ sư Yamamoto Kenichi mới vừa qua đời cách đây ít lâu.

Động cơ xoay Wankel.

Ông Yamamoto Kenichi và các đồng sự đã cho ra đời mẫu ô tô đầu tiên của họ có tên gọi Mazda R360 vào năm 1960.  Và trong năm 1961, ông bắt đầu hợp tác vễ kỹ thuật với nhà sản xuất ô tô Đức NSU, nhằm phát triển động cơ xoay cho ô tô. Ông Yamamoto được bổ nhiệm dẫn dắt đội phát triển động cơ xoay Mazda mà sau này được người ta biết đến với cái tên “47 Samurai”. Trong năm 1964, Mazda cho ra mắt sản phẩm thử nghiệm Cosmo Sport, một mẫu xe hai chỗ ngồi trang bị động cơ mô-tơ kép. Không hề cường điệu khi nói rằng đây là chiếc xe đã làm nên tên tuổi cũng như định hướng tương lai phát triển của Mazda. Có thể kể đến những đại diện của hãng Mazda sử dụng loại động cơ xoay Wankel này như Mazda 10A, 12A, 13A, … và nổi tiếng nhất có lẽ là chiếc Mazda 787B đã giành giải nhất tại cuộc đua Lemans 24h vào năm 1991.

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

Nổi tiếng là vậy, nhưng không có nhiều người hiểu được cấu tạo cũng như cơ chế hoạt động đặc biệt của mẫu động cơ xoay Wankel này. Và cũng ít người biết được mẫu động cơ thiết kế lạ mắt này lại có những ưu điểm mà các loại động cơ đốt trong khác không thể có được. Điển hình nhất có thể nói đến sự ổn định của động cơ khi hoạt động nhờ việc cấu tạo với ít chi tiết chuyển động hơn so với các động cơ 4 kỳ có cùng công suất. Ngoài ra, động cơ xoay Wankel còn được đánh giá là hoạt động êm hơn do chuyển động của toàn bộ các thành phần đều theo 1 hướng, không có cơ chế đổi chiều chuyển động của piston, lại có thêm cơ chế tự cân bằng nhờ đối trọng nên động cơ không bị rung nhiều khi vận hành

Toàn cảnh các chi tiết bên trong động cơ xoay Wankel.

Bên cạnh đó, nhờ ít chi tiết và được làm từ nhôm nên động cơ xoay có trọng lượng nhẹ hơn và kích thước nhỏ hơn khoảng 1/3 so với những động cơ đốt trong khác có cùng công suất. Và cuối cùng, chuyển động xoay của piston tạo ra mô men xoắn nên có thể sử dụng nhiên liệu có chỉ số octan thấp.

Để đạt được những ưu điểm này phải nói đến cấu tạo đặc biệt của động cơ xoay Wankel. Khối động cơ này gồm 3 thành phần chính bao gồm: Rotor, buồng đốt và trực khuỷu.

Trong đó, Rotor có dạng hình tam giác với 3 cạnh  cong ra phía ngoài. Mỗi cạnh của tam giác tương ứng với một pittông, trên mặt cạnh này có khoét lõm tạo thành buồng đốt. Mỗi đỉnh của tam giác có tác dụng khóa kín buồng đốt trong suốt quá trình động cơ hoạt động. Trung tâm của rotor có 1 bánh răng sẽ đượ khớp với một bánh răng bé hơn cố định trên trên vấu lệch tâm của trục khuỷu. Liên kết này sẽ quyết định quỹ đạo của rotor, kết hợp cùng với hình dạng đặc biệt của buồng đốt sẽ tạo ra sự thay đổi về thể tích của buồng đốt tương ứng với 4 chu kỳ  nạp-nén-nổ-xả.

Rotor bên trong động cơ xoay Wankel.

Ôm lấy khối Rotor là buồng đốt đặc biệt có hình dạng gần ô-van hay còn gọi là epitrochoid. Phần buồng đốt được thiết kế chính xác nhằm đảm bảo tiếp sự tiếp xúc giữa bề mặt buồng đốt và đỉnh của rotor. Điều này rất quan trọng vì nó giúp nhiên liệu và không khí không bị rò rỉ ra bên ngoài. Mỗi phần của buồng đốt tương ứng với 1 chu kỳ của động cơ :  nạp-nén-nổ-xả.

Phần buồng đốt được thiết kế đặc biệt để khối Rotor hoạt động bên trong.

Và cuối cùng là phần trục khuỷu được thiết kế với những vấu lệch tâm. Đây chính là vị trí để cố định Rotor lên trục quay, bao nhiêu vấu lệch tâm thì có thể gắn bấy nhiêu rotor. Các vấu lệch tâm này khi quay sẽ tạo nên quỹ đạo chuyển động lệch tâm của rotor để biến chuyển động quay của piston thành chuyển động trục khủy trước khi qua hệ thống truyền lực để đến bánh xe. Với cấu tạo này thì về mặt lý thuyết sẽ khá dễ dàng để có thể nâng giới hạn công suất của động cơ xoay khi các kỹ sư chỉ việc gắn thêm Rotor phụ và buồng đốt tương ứng (trên chiếc Madza RX-8, động cơ Wankel được sử dụng với 2 rotor, còn trên chiếc Madza 787 vô địch giải đua Le Mans ở Pháp năm 1991 thì số rotor được nâng lên 4).

Trục khuỷu bên trong động cơ xoay Wankel.

Với những ưu điểm như vậy nhưng thực tế số lượng mẫu xe Mazda được phát triển sử dụng động cơ xoay Wankel lại rất giới hạn và chỉ có mẫu xe Mazda RX-8 là được sản xuất đại trà để bán rộng rãi cho các khách hàng. Nguyên nhân cũng bởi một số nhược điểm cố hữu của dòng động cơ này như động cơ có thể bị bó cứng do độ giãn nở vì nhiệt của các vật liệu khác nhau nên toàn bộ khối động cơ sẽ có sự giãn nở không đều. Mặt khác, cả 2 mặt đều tiếp xúc với nhiên liệu, bên trong không thể bố trí hệ thống bôi trơn chuyên dụng nên không thể bôi trơn như động cơ 2 kỳ, do đó có thể làm phần tiếp xúc giữa đỉnh Rotor và thành buồng đốt bị hở sau một thời gian sử dụng.

Mô tả quy trình hoạt động của động cơ xoay Wankel với 4 thì hút-nén-nổ-xả.

Bên cạnh đó, quá trình đốt chậm vì sau khi đánh lửa, Rotor phải di chuyển trong hành trình dài, hẹp nên gây ra sự trễ và có thể không cháy sạch. Thêm vào đó là vị trí tiếp xúc giữa Rotor và buồng đốt dễ bị hở nên nhiên liệu có thể bị rò rỉ. Những điều này còn dẫn đến việc tiêu hao nhiên liệu ngoài ý muốn và nhiên liệu cháy không hết bị xả ra ngoài làm khí thải không thân thiện với môi trường. Và vấn đề quan trọng nhất khiến động cơ xoay Wankel khó có thể sản xuất đại trà là vì yêu cầu kỹ thuật chế tạo cao và giá thành không hề rẻ.

Với những nhược điểm cố hữu này của động cơ xoay Wankel mà ngày nay Mazda không còn bán xe dùng động cơ xoay ra thị trường nữa, nhưng công ty vẫn có một đội ngũ tâm huyết nghiên cứu loại động cơ này.