Felix Wankel và NSU đã tạo ra một động cơ đốt trong nhỏ hơn, ít phức tạp hơn – động cơ quay. Nhưng đây là lý do tại sao nó không thành công.
Đã từng có một thời gian, động cơ quay Wankel dường như là tương lai. Năm 1963, nhà sản xuất ô tô Đức NSU — sau đó được sáp nhập vào Audi — ra mắt Wankel Spider, chiếc xe sản xuất động cơ đốt trong đầu tiên không chạy bằng pít-tông chuyển động tịnh tiến; Năm 1967 chứng kiến NSU phát hành Ro80 Twin-rotor và Mazda phát hành Cosmo Sport. Mercedes đã nghiên cứu nghiêm túc về động cơ và GM thậm chí còn tin rằng động cơ quay sẽ thay thế động cơ pít-tông trong mọi thứ từ Vega đến Corvette. Có vẻ như động cơ quay Wankel đại diện cho một con đường tốt hơn về phía trước, nhưng với nhận thức muộn màng, chúng ta biết rằng điều đó không đúng lắm.
Kenichi Yamamoto, người đứng đầu nhóm phát triển động cơ quay của Mazda và sau đó là chủ tịch của nhà sản xuất ô tô, đã viết trong cuốn sách Rotary Engine năm 1981 của mình rằng động cơ hơi nước quay có từ những năm 1700. Ngay từ năm 1908, một số kỹ sư đã chế tạo động cơ đốt trong quay, nhưng thiết kế cơ bản của Felix Wankel người Đức mới trở thành hiện thực. “Thứ nhất, nguyên tắc của nó là ưu việt,” Yamamoto viết. “Thứ hai, những nỗ lực to lớn và không mệt mỏi đã được thực hiện để nó hoạt động.”
Mặc dù ngày nay chúng ta đã chấp nhận tốt và thực sự tính đúng đắn cơ bản của động cơ pít-tông bốn thì, nhưng John B. Hege trong The Wankel Rotary Engine: A History đã chỉ ra rằng trong những ngày đầu của ô tô, điều này không nhất thiết phải như vậy. Động cơ pít-tông rất phức tạp, có nhiều bộ phận chuyển động; một động cơ quay đơn giản hơn nhiều, thường có hai rotor hình tam giác được gắn vào một trục lệch tâm và không có hệ thống van nào. Chuyển động của rotor mở và đóng các cổng nạp và xả. Các nhà sản xuất ô tô tìm cách giảm độ phức tạp và do đó giảm chi phí bất cứ khi nào có thể, và do đó, động cơ quay Wankel đã thu hút được nhiều sự chú ý. Hơn nữa, các pít-tông di chuyển lên xuống trong một động cơ thông thường tạo ra lực lắc rất lớn, điều này được giải quyết tốt nhất bằng cách tăng số lượng xi-lanh. Động cơ quay không có khối lượng tịnh tiến nào, chỉ có khối lượng quay, vì vậy ngay cả động cơ một rôto cũng hoàn toàn trơn tru. Động cơ quay cũng nhỏ hơn nhiều so với các động cơ pít-tông, cho phép đóng gói gọn gàng. Tất cả những điều đó đã dẫn đến “những nỗ lực to lớn và không mệt mỏi” không chỉ của Mazda và NSU, mà cả Citroën, Mercedes-Benz, American Motors và thậm chí cả GM, cùng nhiều hãng khác.
Vào những năm 30, Wankel đã nghiên cứu cả động cơ pít-tông có van hình đĩa quay và động cơ quay thực sự. Ông cũng là một chiến binh Đức Quốc xã và xung đột với lãnh đạo đảng, bị bỏ tù năm 1933. Năng lực kỹ thuật của ông đã thu hút sự quan tâm của Daimler-Benz, kỹ sư trưởng của công ty này đã thuyết phục một trong những cố vấn của Hitler, Wilhelm Keppler, trả tự do cho Wankel. Rõ ràng Wankel hơi cứng đầu vì ông ấy làm việc cho Mercedes chưa đầy một năm trước khi chuyển sang làm việc cho BMW. Năm 1936, chính phủ Đức Quốc xã đã trao cho ông xưởng riêng của mình để phát triển thêm động cơ pít-tông van đĩa, loại động cơ này cuối cùng được sử dụng trong máy bay chiến đấu và ngư lôi của Không quân Đức (Luftwaffe). Wankel bị bỏ tù sau chiến tranh và được trả tự do vào năm 1946, và Keppler sau đó đã giúp ông ấy tham gia NSU.
Thiết kế quay ban đầu của Wankel có cả rôto hình tam giác giống như loại mà chúng ta biết ngày nay, nhưng cũng có buồng đốt quay. Năm 1954, NSU ra mắt bộ siêu nạp cho xe máy sử dụng thiết kế này. Tuy nhiên, chính Hanns Dieter Paschke của NSU (mà Wankel không hề hay biết) là người đã tạo ra thiết kế mà chúng ta biết ngày nay, với một rôto quay trên một trục lệch tâm trong một vỏ cố định. (Nó vẫn được gọi là Wankel vì Felix sở hữu bằng sáng chế về loại động cơ này.)
Một nguyên mẫu cho động cơ quay chạy trên đường đã xuất hiện vào năm 1957 và NSU đã sớm chào hàng nó như là động cơ của tương lai. Bài viết Tháng 6 năm 1960 của Road & Track về Wankel và các loại động cơ quay khác mang một giọng điệu hoài nghi. Nó kết luận, “hàng trăm loại van quay đã được thử và chính sự thất bại thường xuyên và đồng đều của chúng có xu hướng khiến kỹ sư tinh vi hơn cảm thấy hơi kém lạc quan đối với bất kỳ dạng động cơ quay nào. Nếu một van quay có đường kính nhỏ không hoạt động thì làm sao một thiết bị lớn hơn có thể hoạt động như một động cơ? Cơ hội rất mong manh và trong khi chờ đợi, chúng ta chỉ có thể chờ đợi (và hy vọng) xem liệu động cơ NSU có chứng tỏ là một bước đột phá sâu sắc và quan trọng hay không, hay một động cơ khác sẽ tan thành mây khói.”
Các nhà sản xuất ô tô rõ ràng đã lạc quan hơn, hoặc ít nhất là đặt cược phòng ngừa rủi ro, với nhiều người đăng ký cấp phép công nghệ ngay cả trước khi ra mắt Wankel Spider. Mazda là một trong những hãng đầu tiên nhận được giấy phép vào năm 1961, chỉ một năm sau khi bắt đầu sản xuất chiếc ô tô đầu tiên. Nó đã chứng tỏ là một động thái quan trọng. Giống như hầu hết các quốc gia bị tàn phá bởi Chiến tranh, Nhật Bản áp dụng cách tiếp cận “xuất khẩu hay là chết” đối với ngành công nghiệp ô tô của mình. Bộ Thương mại và Công nghiệp Quốc tế Nhật Bản đã thúc đẩy các nhà sản xuất ô tô khác nhau của đất nước hợp nhất để đạt được những mục tiêu này và Mazda có thể sẽ được hợp nhất với Toyota, Nissan hoặc Isuzu. Nghiên cứu của nó về động cơ quay là điều đã thuyết phục chính phủ cho phép Mazda tự mình thực hiện nó.
Yamamoto đã lãnh đạo một nhóm phát triển động cơ quay. Theo một bài báo về lịch sử của Mazda, ông ấy nói với họ “từ giờ trở đi, động cơ quay phải luôn ở trong tâm trí bạn, cho dù bạn đang ngủ hay thức.” Năm 1963, một trong những kỹ sư này đã đưa ra giải pháp cho một trong những vấn đề lớn nhất của động cơ. Ba đầu/đỉnh của rôto luôn tiếp xúc với các thành bên ngoài của buồng đốt và điều này gây ra sự mài mòn nhanh chóng. Người kỹ sư đã phát triển một phớt chặn đỉnh có hình dạng độc đáo và được làm từ hợp kim nhôm-cacbon cho phép động cơ có thể sử dụng được trên thị trường. Năm 1964, Mazda trình làng nguyên mẫu đầu tiên của twin-rotor Cosmo Sport, và trong ba năm tiếp theo, họ đã xử lý một cách có hệ thống các nút thắt để làm cho động cơ quay sẵn sàng ra mắt công chúng. Năm 1968, một năm sau khi Cosmo Sport ra mắt, Mazda đã đưa twin-rotor của mình vào một chiếc xe dành cho thị trường đại chúng, Familia Coupe, và nhiều mẫu xe khác theo sau.
Động cơ quay Wankel lưu ý rằng NSU đã cấp 15 giấy phép cho công nghệ của mình vào năm 1966, một liên doanh sinh lợi theo đúng nghĩa của nó. Sự nhỏ gọn của động cơ quay là một lợi ích to lớn. Cuốn sách của Yamamoto có một hình minh họa tuyệt vời cho thấy động cơ twin-rotor có chiều cao và chiều dài ngắn hơn nhiều so với cả động cơ bốn xi-lanh thẳng hàng và sáu xi-lanh. Một hình ảnh khác cho thấy không gian chứa đựng các bộ phận chính của một rôto đôi và sáu cam thẳng hàng, và trục quay có khối lượng chưa đến một phần ba, trừ đi các chốt. Một động cơ quay cũng dễ dàng được mô-đun hóa — bạn có thể tiếp tục thêm các động cơ quay vào không gian bố trí động cơ của mình. Mặc dù động cơ bốn rô-to là tương đối dài.
Ngoài NSU và Mazda, nhà sản xuất ô tô duy nhất khác đưa động cơ quay vào sản xuất là Citroën. Đó là một thảm họa. Nhà sản xuất ô tô Pháp là một cường quốc về kỹ thuật, nhưng lại tụt hậu về động cơ. Động cơ quay không chỉ phù hợp với sở thích kỹ thuật kỳ quặc của Citroen mà còn là sở thích của hãng đối với cách bố trí động cơ dẫn động cầu trước theo chiều dọc với động cơ đặt phía trước bánh trước.
Citroën và NSU thành lập công ty Comotor để phát triển động cơ quay cho nhà sản xuất ô tô Pháp. Đầu tiên là một single-rotor được sử dụng trong M35 thử nghiệm, được cho các khách hàng trung thành của Citroën thuê để thử nghiệm beta công khai. M35 dẫn đến một Rotor kép cho GS, chiếc xe gia đình cấp trung của Citroën nằm giữa 2CV cơ bản và các dẫn xuất của nó và DS lớn, sang trọng. Trong khi các phiên bản tiêu chuẩn của GS sử dụng động cơ bốn xi-lanh phẳng làm mát bằng không khí từ Ami, thì GS Birotor đứng đầu dòng sản phẩm với động cơ twin-rotor 2.0 lít tạo ra công suất hơn 100 mã lực – gần gấp đôi mẫu tiêu chuẩn.
Trong một thời điểm khủng khiếp, GS Birotor đã ra mắt vào tháng 9 năm 1973, một tháng trước khi cuộc khủng hoảng dầu mỏ làm rung chuyển thế giới. Động cơ quay của Comotor có thể nhỏ và mạnh mẽ, nhưng GS Birotor kém tiết kiệm nhiên liệu hơn so với DS lớn hơn nhiều. Vì Lane Motor Museum – nơi sở hữu thứ mà họ tin là GS Birotor đang chạy duy nhất ở Hoa Kỳ – cho biết Birotor cũng đắt hơn 70% so với mẫu tiêu chuẩn, vượt xa mức giá của DS cơ sở. Trên hết, nó không đáng tin cậy, thường phải thay thế động cơ sau 20.000 dặm do các phớt chặn đầu bị hỏng. Citroen động cơ quay cung cấp năng lượng cho CX thay thế DS, nhưng hãng đã sớm phải hủy bỏ toàn bộ chương trình động cơ quay sau khi chỉ bán được 847 chiếc GS Birotor. Đó là một trong những yếu tố chính dẫn đến sự phá sản của Citroën vào năm 1975 và sau đó được bán cho Peugeot.
Các vấn đề về mức tiêu thụ nhiên liệu kém và phớt chặn đầu không tốt không phải chỉ có ở Citroën. NSU chỉ từng chế tạo Ro80 và nó cũng gặp phải những vấn đề tương tự. Cả Ro80 và thương hiệu NSU đều chết vào năm 1977. Mazda đã phát triển động cơ quay xa hơn nhiều so với NSU từng thực hiện, nhưng doanh số bán hàng của hãng bị ảnh hưởng nặng nề do cuộc khủng hoảng nhiên liệu, giảm 50% từ năm 1973 đến năm 1974. Trước cuộc khủng hoảng dầu mỏ, Mazda đang hướng tới một dòng sản phẩm hoàn toàn chạy bằng động cơ quay; sau đó, họ phải tập trung lại vào động cơ pít-tông, chuyển trục quay sang các ứng dụng chuyên dụng như dòng xe thể thao RX. Doanh số bán động cơ Wankel không bao giờ đạt gần mức cao của năm 1973 nữa. Cuốn sách của Hege cũng lưu ý rằng động cơ quay của Mazda được coi là loại động cơ cần bảo dưỡng rất cao, ngoài vấn đề tiết kiệm nhiên liệu và các vấn đề về mài mòn phớt ở đầu, chúng còn tiêu thụ dầu rất nhiều.
Nhiều người trên khắp thế giới có thể cáo buộc người Mỹ tin tưởng sai lầm rằng thế giới xoay quanh họ, nhưng ít nhất là khi thế giới ô tô được quan tâm vào những năm 70, thì điều đó đã đúng. Hoa Kỳ là thị trường lớn nhất của nhiều nhà sản xuất ô tô và Mỹ đã nỗ lực rất nhiều để đáp ứng các tiêu chuẩn ngày càng nghiêm ngặt của mình. Mazda đã có một khoảng thời gian khó khăn khi cố gắng đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải do Đạo luật Không khí Sạch năm 1970 đưa ra, trong khi những hãng khác đã từ bỏ nỗ lực đó. Thậm chí bao gồm cả Mercedes-Benz hùng mạnh.
Mercedes đã nhìn thấy tiềm năng trong động cơ quay như một giải pháp thay thế hiệu suất cao cho động cơ piston. Theo một bài báo của Hemmings Sports and Exotic từ nhà sử học Karl Ludvigsen, nhà sản xuất ô tô đã xác định rằng xu hướng hướng tới sức mạnh cao cấp hơn là mô-men xoắn tầm thấp và tầm trung của Wankel khiến nó không phù hợp với những chiếc xe hạng sang ngày càng nặng hơn của mình. Ludvigsen dẫn lời kỹ sư Hans Leibold cho biết: “Ở vòng tua máy thấp, nó không mang lại nhiều sức mạnh như vậy. Sau đó, ý tưởng của [kỹ sư trưởng Rudi] Uhlenhaut của Mercedes là tạo ra một chiếc xe thể thao nhỏ”. “Nó phù hợp với động cơ hơn. Chúng tôi bắt đầu với rotor ở xe du lịch bình thường, sau đó là ba rotor ở xe thể thao.”
Chiếc xe thể thao là khái niệm C111, một chiếc xe nghiên cứu lăn. Trong vỏ bọc Mk2, C111 nổi bật với động cơ bốn rô-to ngoạn mục tạo ra 345 mã lực — ngang với động cơ V-12 4,4 lít của Ferrari Daytona đương thời. Công suất không phải là một vấn đề và theo các kỹ sư của Mercedes, các vấn đề về độ tin cậy và tiêu thụ dầu cũng không phải là vấn đề cản trở các động cơ quay khác. Tuy nhiên, hiệu suất và lượng khí thải của nó vẫn còn là vấn đề, và Mercedes kết luận rằng động cơ Wankel là một khái niệm thiếu sót cơ bản.
Một động cơ quay có thể tiết kiệm không gian và các bộ phận, nhưng hiệu suất nhiệt của nó—bao nhiêu năng lượng mà nó tạo ra so với năng lượng nhiệt lãng phí—còn rất nhiều điều đáng mong đợi. Trong một bài báo hồi tưởng về Mercedes, Kurt Obläneder, một trong những kỹ sư trưởng của Wankel, nhà sản xuất ô tô đã nói thẳng: “Buồng đốt là tính năng trung tâm của động cơ đốt trong. Ưu tiên hàng đầu là tạo ra một thiết kế tối ưu để đạt được hiệu quả cao nhất”. hiệu suất nhiệt động thuận lợi, tức là đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu càng tốt. Thực tế là điều này đã không xảy ra với động cơ Wankel, thực sự là nó không thể xảy ra, ban đầu thể hiện ở mức tiêu thụ nhiên liệu cao và sau đó, thậm chí còn được công khai hơn và được xác nhận chính thức, trong những khó khăn trong việc đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải vẫn còn khá khiêm tốn đối với xe du lịch do tỷ lệ hydrocacbon không cháy cao. Chính khuyết điểm bẩm sinh này trong động cơ Wankel, việc nó không cung cấp buồng đốt tối ưu, là nguyên nhân dẫn đến sự cố nhanh chóng của nó chứ không phải những gợi ý liên tục lặp đi lặp lại về các vấn đề cơ học.”
Do hình dạng của buồng đốt, quá trình đốt cháy diễn ra chậm trong động cơ quay. Điều này có nghĩa là rất nhiều nhiên liệu không được đốt cháy. Mercedes cuối cùng đã từ bỏ Wankel, cũng như tất cả mọi người, ngoại trừ Mazda. Công ty ở Hiroshima đã chi rất nhiều tiền cho công nghệ này, đến nỗi có vẻ như họ không muốn giết chết nó ngay lập tức, và trong suốt những năm 70 và những năm 80, Yamamoto đã thăng tiến vượt bậc, vô địch Wankel trong suốt chặng đường.
Không phải là không có một vài khoảnh khắc huy hoàng sau khi cơn sốt động cơ quay qua đi. Mazda RX-7 đã mang đến cho động cơ quay ngôi nhà tốt nhất của mình và đạt được thành công ngoài mong đợi về doanh số bán hàng. Nền kinh tế bong bóng của Nhật Bản khiến các nhà sản xuất ô tô rủng rỉnh tiền mặt từ giữa đến cuối những năm 80, và Mazda thậm chí còn đổ nhiều tiền hơn vào Wankel, mang lại cho nó một sự phục hưng. Có động cơ tăng áp kép mạnh mẽ của RX-7 thế hệ thứ ba, động cơ ba rô-to độc đáo của chiếc xe Eunos Cosmo GT, và tất nhiên, lớn nhất trong số đó, bốn rô-to của chiếc 787B từng giành giải Le Mans . Cho đến ngày nay, 787B vẫn là chiếc xe không pít-tông duy nhất giành chiến thắng trong cuộc đua vĩ đại, và nó có thể sẽ tiếp tục như vậy.
Mazda đã tạo ra một động cơ quay mới, Renesis, cho chiếc xe thể thao RX-8 vào năm 2003, mặc dù với tất cả những nhận thức muộn màng từ hàng thập kỷ phát triển của Wankel, nó vẫn bị cản trở bởi sự không đáng tin cậy, tiêu thụ dầu và kém hiệu quả của những người tiền nhiệm. RX-8 đã bị hủy bỏ vào năm 2012, mặc dù Mazda vẫn giữ một nhóm làm việc để phát triển Wankel và đầu năm nay, công ty đã tung ra phiên bản MX-30 EV với bộ mở rộng phạm vi động cơ quay 0,8 lít. Mazda là công ty duy nhất có kiến thức về thể chế để chế tạo một động cơ quay, nhưng giống như tất cả các nhà sản xuất ô tô khác, hãng phải tập trung nguồn lực của mình vào động cơ đốt trong dành cho thị trường đại chúng và hệ thống truyền động thuần điện.
