Trong hơn 100 năm phát triển của ô tô, động cơ piston luôn giữ vị trí thống trị. Dù trải qua nhiều thế hệ công nghệ, từ chế hòa khí đến phun xăng trực tiếp, từ hút khí tự nhiên đến tăng áp hay hybrid, nguyên lý cơ bản vẫn không thay đổi: piston chuyển động lên xuống trong xi-lanh để tạo công.

Tuy nhiên, đã từng có thời điểm ngành công nghiệp ô tô tin rằng cấu trúc này sẽ sớm bị thay thế.

Cuối thập niên 1950, kỹ sư người Đức Felix Wankel giới thiệu một loại động cơ hoàn toàn khác. Thay vì sử dụng piston, thanh truyền và trục khuỷu, động cơ Wankel chỉ dùng một rotor có dạng tam giác quay bên trong buồng đốt. Khi rotor quay, thể tích giữa các mặt rotor và thành buồng đốt liên tục thay đổi, lần lượt thực hiện bốn kỳ nạp, nén, cháy và xả.




Ý tưởng này ngay lập tức thu hút sự quan tâm của giới kỹ thuật. So với động cơ piston, Wankel có ít chi tiết chuyển động hơn, kết cấu gọn hơn và hầu như không xuất hiện dao động do chuyển động tịnh tiến. Nhờ đó, động cơ vận hành rất êm, dễ đạt vòng tua cao và có tỷ lệ công suất trên khối lượng ấn tượng.

Trong những năm 1960, nhiều hãng xe lớn đã mua bản quyền để phát triển công nghệ này. Mercedes-Benz, General Motors, Citroën và đặc biệt là Mazda đều đầu tư vào động cơ Wankel. Khi đó, không ít chuyên gia dự đoán đây sẽ là thế hệ động cơ kế tiếp của ô tô.

Nhưng quá trình thương mại hóa đã cho thấy khoảng cách giữa một ý tưởng kỹ thuật và một sản phẩm có thể sản xuất hàng triệu chiếc là rất lớn.

Điểm yếu lớn nhất của động cơ Wankel nằm ở khả năng làm kín. Ba đỉnh của rotor sử dụng các chi tiết gọi là apex seal để duy trì áp suất trong buồng đốt. Khác với xéc-măng của động cơ piston chỉ chuyển động trong xi-lanh hình tròn, apex seal phải trượt liên tục trên bề mặt có hình dạng phức tạp, đồng thời chịu nhiệt độ và áp suất rất cao. Chỉ cần độ kín giảm, áp suất nén sẽ suy giảm, kéo theo công suất và hiệu suất động cơ giảm đáng kể.

Buồng đốt của Wankel cũng tạo ra một thách thức khác. Hình dạng dài và dẹt khiến ngọn lửa phải lan truyền trên quãng đường lớn hơn, quá trình cháy khó diễn ra đồng đều như trong xi-lanh của động cơ piston. Kết quả là mức tiêu hao nhiên liệu cao hơn, lượng hydrocarbon chưa cháy hết cũng lớn hơn. Để đảm bảo tuổi thọ của apex seal, động cơ còn phải đưa một lượng dầu bôi trơn trực tiếp vào buồng đốt, làm tăng tiêu hao dầu và gây bất lợi khi các quy định về khí thải ngày càng nghiêm ngặt.

Những hạn chế này trở nên rõ ràng hơn sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1973. Khi giá nhiên liệu tăng mạnh, tiêu chí tiết kiệm nhiên liệu trở thành ưu tiên hàng đầu. Đây cũng là giai đoạn động cơ piston được cải tiến nhanh với phun nhiên liệu điện tử, điều khiển đánh lửa điện tử và sau đó là công nghệ điều khiển van biến thiên. Khoảng cách về hiệu suất giữa hai loại động cơ ngày càng được nới rộng.

Phần lớn các hãng xe lần lượt dừng chương trình phát triển Wankel. Chỉ còn Mazda tiếp tục theo đuổi công nghệ này. Hãng đã cải tiến vật liệu, tối ưu hệ thống bôi trơn và nâng cao độ bền của rotor để đưa động cơ Wankel lên các mẫu RX-7 và RX-8.




Đỉnh cao của Wankel đến vào năm 1991, khi chiếc Mazda 787B giành chiến thắng tại cuộc đua 24 giờ ở Circuit de la Sarthe. Đến nay, đây vẫn là chiếc xe duy nhất sử dụng động cơ quay vô địch giải đua sức bền danh giá này.

Dù vậy, thành công trên đường đua không thể thay đổi thực tế của thị trường. Động cơ ô tô không chỉ cần công suất lớn mà còn phải đáp ứng đồng thời nhiều yêu cầu về độ bền, tiêu hao nhiên liệu, phát thải, chi phí sản xuất và bảo dưỡng. Chính ở những tiêu chí đó, động cơ piston tiếp tục được hoàn thiện qua từng thế hệ và giữ được lợi thế.

Động cơ Wankel không thất bại vì ý tưởng kém thuyết phục. Ngược lại, đây vẫn là một trong những thiết kế cơ khí sáng tạo nhất từng được ứng dụng trên ô tô. Nhưng lịch sử của nó cũng cho thấy, trong kỹ thuật ô tô, một giải pháp tiên tiến chưa chắc đã trở thành tiêu chuẩn nếu không đạt được sự cân bằng giữa hiệu năng, độ tin cậy và tính kinh tế.