Sự tiến hóa của động cơ đốt trong

[Bùi Minh Nhật]

Điều bắt đầu như một vụ nổ có kiểm soát đơn giản đã thay đổi ngành công nghiệp ô tô.

Con người đã chế tạo ô tô trong hơn một thế kỷ nay, và dưới hầu hết mọi mui xe đều có một động cơ đốt trong. Trong 100 năm qua, nguyên lý của nó vẫn như vậy: không khí và nhiên liệu đi vào, một vụ nổ xảy ra trong các xi-lanh, và sức mạnh đẩy bạn về phía trước. Nhưng hàng năm, các kỹ sư đều cải tiến động cơ đốt trong để chạy nhanh hơn và xa hơn, phát triển nó để hiệu quả hơn trước, tạo ra loại sức mạnh mà bạn từng chỉ thấy trên siêu xe. Trạng thái của động cơ đốt trong không bao giờ có thể tiến xa như vậy nếu không có những bước nhảy vọt lớn này. Đây là cách chúng ta đến được thời điểm này.

1955​

Phun nhiên liệu​

Trước khi có phun nhiên liệu, việc phân phối xăng vào buồng đốt là một quá trình không chính xác và cầu kỳ. Bộ chế hòa khí thường xuyên cần được vệ sinh và lắp ráp lại, và chúng bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết, nhiệt độ và độ cao. Ngược lại, phun nhiên liệu rất đơn giản: nó giúp động cơ chạy mượt mà hơn, chạy không tải ổn định hơn, chạy hiệu quả hơn và loại bỏ công việc khó chịu là điều chỉnh bướm gió mỗi khi bạn khởi động máy. Có nguồn gốc từ máy bay thời chiến, lần đầu tiên nó được đưa vào ô tô vào năm 1955. Năm đó, Stirling Moss và Denis Jenkinson đã lái chiếc xe đua Mercedes-Benz 300SLR qua chặng đua Mille Miglia dài 992 dặm đầy thử thách ở Ý, giành chiến thắng với kỷ lục chưa từng bị phá vỡ: 10 giờ, 7 phút và 48 giây.

Tay đua xe người Anh Stirling Moss trên đường giành chiến thắng tại Giải đua Mille Miglia của Ý, lập kỷ lục mới.

iên bản xe thương mại của Benz không chỉ trở thành chiếc xe sản xuất đầu tiên có hệ thống phun nhiên liệu, do Bosch phát triển, mà còn là chiếc xe nhanh nhất thế giới. Hai năm sau, Chevrolet đã trang bị cho Corvette động cơ “Fuelie”, với hệ thống phun nhiên liệu Rochester Ramjet có thể tăng tốc nhanh hơn 300SL. Tuy nhiên, chính hệ thống điều khiển điện tử của Bosch đã đi vào hầu hết mọi nhà sản xuất ô tô ở châu Âu, và đến những năm tám mươi, hệ thống phun nhiên liệu đã thống trị thế giới.

1962​

Tăng áp​

Bộ tăng áp là một trong những viên ngọc quý của sự tiến bộ trong động cơ. Một tua bin hình con ốc nhồi nhiều không khí hơn vào một xi-lanh, nó từng cho phép máy bay chiến đấu 12 xi-lanh của Thế chiến II bay cao hơn, nhanh hơn và xa hơn. Đoán xem? Nó cũng làm như vậy trên đất liền. Khi chiếc xe tăng áp đầu tiên ra mắt vào năm 1962, nó không nằm bên dưới nắp ca-pô vỏ sò của một chiếc xe chạy nhẹ như lông vũ của châu Âu, BMW 2002 hoặc Saab 99 của bạn, mà là từ bộ não của General Motors, với tiền mặt dồi dào và sẵn sàng thử công nghệ mới.

Vào thời điểm đó, Oldsmobile Jetfire đòi hỏi—với hầu hết mọi bình xăng—việc bổ sung “Turbo Rocket Fluid”, một cái tên Jetsons tuyệt vời cho nước cất và methanol. GM đã từ bỏ khái niệm này vào giữa thập kỷ. Nhưng đến cuối những năm 1970, những hãng như BMW, Saab và Porsche đã tiếp quản, chứng minh giá trị của nó trong môn thể thao đua xe, và giờ đây mọi chiếc xe đều có bộ tăng áp. Gần như vậy.

Bộ tăng áp đã chuyển từ một mánh khóe tăng tốc bẩn thỉu trong chiếc 930 Turbo của bạn thành nhiệm vụ gia đình trong chiếc Mazda CX-9 của bạn , động cơ 2,5 lít của nó được trang bị hệ thống Turbo áp suất động đầu tiên thuộc loại này vào năm 2016. Đó là nguyên tắc "ngón tay cái trên vòi nước" đang hoạt động: luồng khí bị hạn chế đẩy nhanh khí thải vào tua-bin nhanh hơn, cải thiện khả năng phản ứng ở vòng tua thấp và giảm độ trễ của bộ tăng áp. Thêm vào đó, với các tiêu chuẩn về hiệu suất và khí thải nghiêm ngặt hơn, đây là một thành phần cần thiết để ép công suất động cơ lớn ra khỏi những động cơ nhỏ nhất và nhẹ nhất. Và mô-men xoắn! Bạn không còn cần phải bắn hạ bất kỳ chiếc Messerschmitt nào để có được cảm giác ngồi vào ghế lái nữa.

1964​

Động cơ quay​

Động cơ duy nhất thực sự phá vỡ khuôn mẫu—động cơ duy nhất được đưa vào sản xuất—là kỳ quan quay của kỹ sư Felix Wankel, một hình tam giác bên trong một hình bầu dục, quay như một con quỷ. Theo bản chất thiết kế của nó, động cơ quay nhẹ hơn, ít phức tạp hơn và có vòng tua cao hơn so với một hộp piston thông thường. Mazda và nhà sản xuất ô tô Đức đã ngừng hoạt động NSU là những hãng đầu tiên tham gia; vào năm 1964, NSU Spider đã trở thành chiếc xe sản xuất đầu tiên có động cơ Wankel.
Tuy nhiên, Mazda là công ty duy nhất thực sự sử dụng nó - chiếc Mazda đầu tiên có động cơ quay là Cosmo 1967 , tiền thân của một dòng xe thể thao, xe sedan và thậm chí là xe bán tải thỉnh thoảng xuất hiện, cho đến khi chiếc RX-8 cuối cùng xuất xưởng vào năm 2012. Mẫu xe ý tưởng RX-Vision 2016 - được ra mắt tại Triển lãm ô tô Tokyo 2015 - đã chứng minh cho một tin đồn tục tĩu: rằng một nhóm kỹ sư tận tụy không còn gì để mất vẫn đang phát triển động cơ quay tuyệt vời tiếp theo, ở đâu đó trong một xưởng chế tạo ở Hiroshima.

1981​

Vô hiệu hóa xi lanh​

Ý tưởng thì đơn giản. Càng ít xi-lanh nổ, bạn càng tiết kiệm nhiên liệu. Làm sao để biến động cơ V8 thành động cơ bốn xi-lanh? Nếu bạn là Cadillac vào khoảng năm 1981, bạn đã giới thiệu động cơ 8-6-4 có tên gọi rất phù hợp, sử dụng các solenoid điều khiển điện tử để đóng van trên hai hoặc bốn xi-lanh. Động cơ này được cho là sẽ tăng hiệu suất khi chạy trên đường cao tốc. Nhưng sự không đáng tin cậy và vụng về sau đó lại khét tiếng đến mức không ai dám thử lại trong hai mươi năm.

Hiện nay, ý tưởng này đã thành công với nhiều nhà sản xuất khác nhau và được áp dụng cho các động cơ nhỏ hơn.

2012​

Tỷ số nén​

Khoa học hoạt động như thế này: bên trong xi lanh của động cơ, bạn có thể nén không khí và nhiên liệu càng nhỏ thì công suất bạn nhận được khi nó nổ càng lớn. Thể tích mà piston có thể nén được chính là tỷ số nén. Nhưng các nhà sản xuất không thể tăng tỷ số nén quá cao, nếu không hỗn hợp sẽ tự bốc cháy; tiếng "gõ" tiếp theo sẽ xé toạc động cơ.

Vào thời kỳ tồi tệ nhất của những năm 1970, bị bóp nghẹt bởi các quy định về khói bụi và buộc phải cạnh tranh với xăng không chì, các nhà sản xuất đã chế tạo những động cơ V8 khổng lồ phát ra tiếng khò khè. Những động cơ lớn này bị kìm hãm bởi tỷ số nén thấp đến đau đớn—chì từng có trong xăng đã ngăn chặn tiếng gõ. Với hệ thống quản lý nhiên liệu điện tử và hiểu biết tốt hơn về kiểm soát khí thải, động cơ bắt đầu tạo ra nhiều công suất hơn trong khi giảm dung tích.

Động cơ Mazda SKYACTIV-G 2018 với chức năng ngắt xi-lanh tạo ra công suất 187 mã lực và mô-men xoắn 186 lb-ft.
Vào năm 2012, động cơ SKYACTIV-G của Mazda đã đi vào sản xuất với tỷ số nén cao nhất đối với một động cơ sản xuất hàng loạt, một con số đáng kinh ngạc là 14:1 (ở Mỹ là 13:1), cho phép nó trích xuất năng lượng từ hầu hết mọi giọt xăng mà không cần một loạt các thiết bị kiểm soát khí thải. Cải tiến tiếp theo của Mazda đã đưa tỷ số nén cao lên một tầm cao mới. SKYACTIV-X sử dụng Spark Controlled Compression Ignition (SPCCI) để đốt cháy hỗn hợp không khí/nhiên liệu với càng ít xăng càng tốt, kết hợp mô-men xoắn của động cơ diesel với bản chất vòng tua cao của động cơ xăng.

Ngay cả sau một thế kỷ, và ngay cả với các loại nhiên liệu thay thế và phương pháp đẩy, động cơ đốt trong vẫn là trò chơi lớn nhất trong thị trấn. Sau một thời gian dài, những điều cơ bản vẫn không thay đổi. Nhưng sẽ luôn có một công ty ô tô sẵn sàng giới thiệu một cái gì đó mới, và sự tinh chỉnh liên tục đó là chìa khóa để giữ cho động cơ đốt trong có liên quan trong những năm tới. (popularmechanics)