Từ Benz đến Otto: Một thế kỷ đầy định mệnh của động cơ đốt trong

Hành trình hơn trăm năm kỹ thuật của động cơ đốt trong, từ động cơ bốn thì của Nikolaus Otto đến chiếc Benz Patent-Motorwagen.
Hành trình hơn trăm năm kỹ thuật của động cơ đốt trong, từ động cơ bốn thì của Nikolaus Otto đến chiếc Benz Patent-Motorwagen.

Chia sẻ trang này

Lịch sử động cơ đốt trong thực chất bắt đầu từ năm 1876 với động cơ bốn thì nén của Nikolaus Otto; năm 1886, Karl Benz với chiếc Patent-Motorwagen đã biến nó thành ô tô, và trăm năm sau đó là một cuộc đua kỹ thuật kéo dài qua kiến trúc xy-lanh, các cuộc khủng hoảng hiệu suất và những nhánh rẽ như turbo và diesel. Bài viết này theo dõi trăm năm ấy bằng một dòng thời gian dựa trên tư liệu lưu trữ.

Những điểm nổi bật

  • Bằng sáng chế cho chu trình bốn thì đã thuộc về Alphonse Beau de Rochas vào năm 1862; động cơ thực dụng đầu tiên do Otto chế tạo vào năm 1876.
  • Bằng sáng chế ô tô đầu tiên: ngày 29 tháng 1 năm 1886, Benz Patent-Motorwagen, số bằng sáng chế 37435.
  • Sau khi bằng sáng chế của Otto bị hủy bỏ, đến năm 1889 đã có hơn 50 công ty sản xuất cùng một thiết kế.
  • Thị phần của diesel tại châu Âu vào năm 2015 là 52%, nhưng đến năm 2023 đã giảm xuống còn 18%.
  • BMW 2002 Turbo trở thành chiếc ô tô turbo sản xuất hàng loạt đầu tiên của châu Âu, trước Porsche 911 Turbo hai năm.

Từ Lenoir đến Otto: Vì sao động cơ bốn thì là một cuộc cách mạng?

Điểm khởi đầu của câu chuyện thực ra không phải Otto, mà là giải pháp tốt nhất trước ông. Năm 1860, Étienne Lenoir đã chế tạo một động cơ đốt trong hai chiều hoạt động bằng khí thắp sáng; nhưng cỗ máy này vừa cồng kềnh vừa kém hiệu quả: từ thể tích 18 lít chỉ thu được 2 mã lực (khoảng 1,5 kW), và ba phần tư nhiên liệu bị lãng phí. Nikolaus Otto, khi đó là một người bán hàng rong, biết đến động cơ này qua một quảng cáo báo chí và năm 1861 đã thử nghiệm một bản sao. Điều mà cuộc thử nghiệm dạy cho ông rất đơn giản nhưng mang tính quyết định: việc nén hỗn hợp nhiên liệu trước khi đốt chính là chìa khóa của hiệu suất. Lần thử nén đầu tiên vào năm 1862 thất bại vì động cơ bị phá hủy chỉ sau vài phút; nhưng ý tưởng là đúng.

Vụ bằng sáng chế trớ trêu nhất trong lịch sử ô tô cũng xảy ra ngay tại đây. Bằng sáng chế cho chu trình bốn thì - hút, nén, sinh công và xả; bốn hành trình piston trong hai vòng quay động cơ - đã thuộc về kỹ sư người Pháp Alphonse Beau de Rochas vào năm 1862, nhưng ông chưa bao giờ chế tạo cỗ máy ấy. Vì Otto là người đầu tiên chế tạo động cơ theo chu trình này, nên ngày nay nó mang tên ông. Otto từng bước mở đường thông qua công ty động cơ đốt trong đầu tiên thế giới mà ông cùng con trai và Eugen Langen sáng lập vào năm 1864, NA Otto & Cie: tại Hội chợ Thế giới Paris 1867, động cơ khí quyển của ông giành huy chương vàng; cỗ máy này tiêu tốn ít hơn một nửa khí so với các động cơ khí đối thủ, cho hiệu suất 12% và công suất 0,5 mã lực. Công ty chuyển đến Deutz năm 1869 và mang tên Gasmotoren-Fabrik Deutz - Deutz AG ngày nay là nhà sản xuất động cơ lâu đời nhất thế giới.

Bước nhảy vọt thực sự đến sau 14 năm nghiên cứu và phát triển: vào ngày 9 tháng 5 năm 1876, Otto đã tạo ra động cơ bốn thì hoạt động theo nguyên lý nén tải. Với phương pháp mà ông gọi là tải phân tầng, giúp quá trình đốt diễn ra có kiểm soát, thiết kế này đến mùa thu cùng năm đã đạt độ chín thương mại dưới tên động cơ Rings-Schumm, trở thành cỗ máy thương mại đầu tiên thành công sử dụng nén trong xy-lanh. Nhờ độ tin cậy, hiệu suất và hoạt động tương đối êm ái, trong 10 năm tiếp theo đã có hơn 30.000 động cơ chu trình Otto được sản xuất. Con số này cho thấy bước nhảy vọt về kỹ thuật rõ ràng: việc chuyển sang nén đã nâng hiệu suất từ 5% lên 15% trong giai đoạn 1880-1890; gấp ba lần so với các động cơ của thời đại hơi nước với hiệu suất dưới 5%. Chu trình bốn thì đánh lửa bằng tia lửa ngày nay vẫn vận hành trong phần lớn ô tô trên đường.

Kết thúc pháp lý của câu chuyện cũng rất đáng học hỏi. Năm 1886, bằng sáng chế của Otto bị hủy bỏ khi bằng sáng chế có ngày sớm hơn của Beau de Rochas được phát hiện; Deutz không thể chứng minh trước tòa rằng hệ thống tải phân tầng của mình khác biệt với bằng sáng chế của Pháp. Kết quả mang tính giải phóng về mặt kỹ thuật: Đến năm 1889, đã có hơn 50 công ty sản xuất động cơ theo thiết kế Otto. Cuộc xung đột kinh điển giữa phát minh thực tiễn và ưu tiên bằng sáng chế này đã mở cánh cửa cho toàn bộ ngành công nghiệp của thời đại. Một phía của cuộc tranh luận vẫn còn sống động đến ngày nay: Ở Pháp, chu trình đôi khi được gọi là "chu trình Beau de Rochas", trong khi một số người lại chỉ đến phần công lao của Reithmann - đóng góp của ba nhà phát minh không phải là sự thay thế mà là sự bổ sung cho nhau.

Con đường dẫn đến ô tô: Daimler, Maybach và chiếc Patent-Motorwagen của Benz

Otto muốn những động cơ lớn và cố định; trong khi giám đốc kỹ thuật tại Deutz là Gottlieb Daimler và nhà thiết kế trưởng Wilhelm Maybach hướng đến việc cơ động hóa động cơ, tức là thu nhỏ nó đủ để gắn lên các phương tiện. Sự khác biệt về triết lý sản xuất này đã dẫn đến việc bộ đôi rời công ty vào năm 1882. Quả ngọt của sự ra đi đến rất nhanh: Năm 1883 là động cơ nhỏ và hiệu quả công suất 0,5 hp, và năm 1885 là động cơ xăng vòng tua cao đầu tiên với biệt danh "Grandfather Clock". Chiếc Daimler Reitwagen được xây dựng xung quanh động cơ này là phương tiện cơ giới đầu tiên sử dụng động cơ đốt trong.

Giấy khai sinh của chiếc ô tô lại không được cấp ở Köln mà ở Mannheim. Karl Benz đã đi vào lịch sử với bằng sáng chế số 37435 được nộp cho "phương tiện chạy bằng động cơ gas" vào ngày 29 tháng 1 năm 1886. Chiếc Benz Patent-Motorwagen hoàn thành năm 1885; là phương tiện ba bánh, kết cấu nhẹ, vận hành bằng động cơ xăng một xi-lanh, và mang cùng lúc hai danh hiệu: chiếc ô tô thực sự đầu tiên chạy bằng động cơ đốt trong xăng và chiếc ô tô đầu tiên được sản xuất hàng loạt. Tất nhiên trước Benz trang giấy không phải là trắng tinh - các thử nghiệm phương tiện cơ giới đã kéo dài gần một thế kỷ, kể cả chiếc xe hơi nước của Nicolas-Joseph Cugnot vào năm 1769; nhưng dòng phát triển từ máy của Lenoir với hiệu suất 4% đến chu trình nén của Otto chỉ thực sự lên đường trên đường bộ cùng với xăng và khung gầm nhẹ của Benz.

Cũng cần ghi nhận đóng góp của Deutz trong chuỗi phát triển này: Bộ chế hòa khí và hệ thống đánh lửa điện áp thấp đáng tin cậy được phát triển vào năm 1884 đã cho phép sử dụng nhiên liệu dầu mỏ lỏng lần đầu tiên trong động cơ. Nhiên liệu của ô tô ra đời như một sản phẩm phụ kỹ thuật. Dòng phát triển của Daimler và Maybach được vinh quang chót bằng chiếc ô tô phát triển cho Emil Jellinek vào cuối thập niên 1890: Động cơ 35 mã lực giúp chiếc xe đạt tốc độ khoảng 90 km/h, mang tên Mercedes - con gái của Jellinek. Đánh giá của thời kỳ đó thật vô tình - chiếc xe đầu tiên của Benz trong thập niên 1880 còn là một phương án thay thế tệ hơn con ngựa; nhưng sự tiến bộ mà ông khởi xướng đã liên tục sâu sắc suốt một thế kỷ.

Kiến trúc xy-lanh: Bố trí Inline, V và Flat nói lên điều gì?

Khi chu trình Otto giữ nguyên, cuộc cạnh tranh của một thế kỷ phần lớn xoay quanh cách sắp xếp các xy-lanh. Có ba bố trí cơ bản, mỗi loại đáp ứng một ưu tiên kỹ thuật khác nhau:

  • Inline (thẳng hàng): Các xy-lanh nằm trên một hàng. Đơn giản và cân bằng; cái giá phải trả là chiều dài - với cùng số xy-lanh, chiếm không gian khối động cơ dài hơn rõ rệt so với bố trí V.
  • V: Các xy-lanh được bố trí chéo thành hai dế nghiêng; V8 thường được bố trí ở góc 60°–90°, với hai dế bốn xy-lanh mỗi bên. Giảm chiều dài, mang lại khoang động cơ gọn gàng.
  • Flat (đối lập ngang): Góc giữa hai dế là 180°. Với trọng tâm thấp và độ cân bằng rung động, mang lại một cấu hình cân bằng-hiệu năng khác biệt trong các ứng dụng hướng đến hiệu suất.

Đối ứng lịch sử của tam giác này cũng trở nên rõ ràng: trước và sau chiến tranh, dung tích động cơ và số xy-lanh tăng lên; đến thập niên 1970, động cơ mặc định của thị trường Mỹ gần như hoàn toàn là V8. Các cuộc khủng hoảng dầu mỏ mà ta sẽ thấy dưới đây đã tạo ra áp lực đảo ngược những lựa chọn kiến trúc này chỉ sau một đêm.

Thời đại ô tô nhỏ sau chiến tranh: Beetle, Fiat 500 và Mini

Sau hai cuộc thế chiến, câu chuyện của động cơ được viết bằng chữ nhỏ chứ không phải chữ khổng lồ. Chiếc ô tô gia đình của châu Âu sau chiến tranh Volkswagen Beetle - tên chính thức là Type 1 - được sản xuất liên tục trong khoảng 1938–2003, với bố trí làm mát bằng gió và động cơ đặt phía sau đã định nghĩa khuôn mẫu ô tô nhỏ của thời kỳ đó. Bố trí này có ảnh hưởng trực tiếp: chiếc Fiat 500 nguyên bản khởi đầu từ cảm hứng từ kiến trúc của Beetle 1938 và trở thành huyền thoại khi bán được 3,4 triệu chiếc trong giai đoạn 1957–1975. Mini tham gia vào năm 1959. Điểm chung của ba chiếc xe không phải là giá rẻ, mà là độ tin cậy và sự đơn giản; những chiếc ô tô nhỏ châu Âu thời kỳ cổ điển từng được xem là đỉnh cao của sự đơn giản và chi phí vận hành thấp. Trong ngôn ngữ kỹ thuật, đây là tên gọi của thời kỳ khi việc giảm số xy-lanh và dung tích để tăng độ tin cậy trở nên dễ bán hơn là tăng công suất.

Cuộc khủng hoảng dầu mỏ 1973 đã thay đổi thiết kế động cơ như thế nào? Downsizing và cuộc cách mạng Turbo

1973 petrol krizinin ardından turboşarj devrimini başlatan BMW 2002 Turbo, Avrupa'nın ilk seri üretim turboşarjlı yol otomobili olarak tarihe geçti.

Năm 1973, vụ cấm vận của OPEC đã làm giá mỗi thùng dầu tăng gấp đôi rồi gấp bốn lần, và phơi bày trần trụi mức độ mong manh của đội xe Mỹ khát nhiên liệu. Thuật ngữ của thiết kế động cơ ra đời từ cú sốc này: khái niệm Malaise era định nghĩa thời kỳ bắt đầu từ đột tăng chi phí xăng; các nhà sản xuất khép lại thời đại của thân xe và động cơ cỡ lớn để quay lại với hiệu suất nhiên liệu. Ở Mỹ, dung tích của các động cơ V8 mặc định bị giảm gần một nửa; gốc rễ của ý tưởng mà ngày nay chúng ta gọi là "downsizing" dẫn về đây, chính xác là cuộc khủng hoảng OPEC. Lịch sử doanh nghiệp của Toyota cũng xác nhận cơn đau đớn tương tự: sự sụt giảm nguồn cung xăng dầu và giá cả tăng cao đã càng làm trầm trọng thêm tình trạng khan hiếm vật liệu và sản phẩm của thời kỳ đó.

Câu trả lời phía hiệu suất cho áp lực hiệu suất chính là việc thu hồi năng lượng từ khí thải: turbo tăng áp. Ba cái tên được xem là người tiên phong của cuộc cách mạng này, theo trình tự thời gian như sau:

  1. BMW 2002 Turbo - được giới thiệu tại Frankfurt Motor Show 1973 sau ba năm phát triển; sản xuất với động cơ M10 SOHC 4 xy-lanh thẳng hàng turbo tăng áp KKK 2,0 lít (1990 cc) và phun xăng Kugelfischer, trở thành chiếc ô tô đường bộ sản xuất hàng loạt có turbo đầu tiên của châu Âu, trước giải pháp tương tự của Porsche hai năm.
  2. Porsche 911 Carrera Turbo (930) - đã đặt turbo tăng áp vào trung tâm bản sắc hiệu suất của hãng.
  3. Saab 99 Turbo - vào năm 1978 đã đưa turbo lên một chiếc sedan gia đình bình thường, tạo ra một cộng đồng người yêu thích kéo dài hàng thập kỷ; Volvo 240 Turbo cũng đi theo con đường thực dụng này.

Cách đọc cân bằng như sau: nếu 2002 Turbo và 911 Turbo biến turbo tăng áp thành biểu tượng hiệu suất, thì 99 Turbo và 240 Turbo đã biến nó thành tiện nghi của việc sử dụng hàng ngày. Tác động tổng thể của bộ ba tiên phong là đưa turbo tăng áp từ một công nghệ đua xe nhỏ hẹp trở thành công cụ hiệu suất đại chúng - câu trả lời thanh lịch cho sự bắt buộc mà cuộc khủng hoảng dầu mỏ áp đặt lên ngành kỹ thuật.

Sự trỗi dậy của diesel và sự sụp đổ cùng Dieselgate

Vào cuối thế kỷ hai mươi, diesel là một trong những người hành khách của hiệu suất; nhưng trong phần tư đầu thế kỷ hai mươi mốt, nó đã biến thành một cuộc khủng hoảng độ tin cậy. Bước ngoặt là tháng Chín năm 2015: trong bê bối Dieselgate, Volkswagen đã cài đặt phần mềm gian lận gọi là "defeat device" lên hàng triệu xe diesel để đánh lừa các bài kiểm tra khí thải trên khắp thế giới. Theo phát hiện của EPA Hoa Kỳ, công ty đã vi phạm Đạo luật Không khí Sạch với khoảng 590.000 xe diesel thuộc các năm model từ 2009–2016. Giới khoa học xác nhận rằng phần mềm gian lận đã tạo ra kết quả phát thải NOx giả mạo một cách bất hợp pháp. Bê bối này cũng không chỉ là hồ sơ của một công ty; việc nhiều nhà sản xuất nới lỏng giá trị CO₂ kiểm tra và mức tiêu hao nhiên liệu được coi là thông tin phổ biến trong ngành. Sau bê bối, VW đã tạm ngừng bán các dòng diesel hiện hành cho đến khi có công nghệ đáp ứng các tiêu chuẩn mới.

Kết quả là có thể đo lường được và khắc nghiệt. Thị phần của ô tô diesel tại châu Âụ giảm từ mức 52% vào năm 2015 khi bê bối bùng phát xuống còn 18% vào năm 2023; trong cùng khoảng thời gian, thị phần xe điện tăng nhanh. Nói diesel đã "chết" là hơi quá, nhưng không thể phủ nhận rằng đây là sự khép lại của một kỷ nguyên trên các con đường châu Âu - và sự khép lại này đã tạo ra khoảng trống chính mở đường cho sự trỗi dậy của điện.

Nhánh đường: Động cơ Wankel và sự ngoan cố 45 năm của Mazda

Sự lệch hướng được yêu thích nhất nằm ngoài trục chính là động cơ quay (rotary) của kỹ sư người Đức Felix Wankel; có nguồn gốc 1929 và được hoàn thiện vào những năm 1950. Ý tưởng thanh lịch này - thiết lập chu trình làm việc bằng một rotor quay thay vì piston và xi-lanh - đã tìm được người ủng hộ trung thành nhất ở Nhật Bản: Mazda, vào 1959 đã ký hợp đồng phát triển với NSU, đưa ra cam kết sớm và bền vững. Hành trình rotary bắt đầu vào 1967 với Cosmo Sport (Mazda 110S); được tiếp nối đến cuối thập niên 1960 với các mẫu xe như R100, và trong 45 năm tiếp theo, động cơ được hoàn thiện dần bằng cách tăng thể tích và bổ sung turbo. Mặc dù nằm ngoài dòng chủ lưu, Wankel vẫn sống trong ký ức kỹ thuật với tư cách là nhánh thử nghiệm bền bỉ nhất, chứng minh rằng chu trình Otto không phải là lựa chọn duy nhất.

Bùng nổ Nhật Bản: Khủng hoảng Dầu mỏ đã Thay đổi Chủ nhân của Thời đại như thế nào?

Cuộc bứt phá lớn cuối cùng của thế kỷ diễn ra trên bản đồ sản xuất. Trong khi những chiếc ô tô Nhật trong thập niên 1970 vẫn còn bị xem là điều cấm kỵ ở các thế hệ trước, thì câu hỏi liệu cuộc khủng hoảng dầu mỏ 1973 có kích hoạt cuộc bùng nổ này hay không vẫn còn được tranh luận cho đến ngày nay. Hai cực của cuộc tranh luận rất rõ ràng: một bên cho rằng cuộc khủng hoảng đã biến những chiếc xe tiết kiệm nhiên liệu, động cơ nhỏ trở thành sản phẩm được săn đón nhất thế giới chỉ trong một khoảnh khắc; bên kia cho rằng sự trỗi dậy của các nhà sản xuất Nhật Bản không thể quy giản chỉ là một cú sốc dầu mỏ được định giá. Toyota ghi lại phản hồi của mình trước cuộc khủng hoảng dầu mỏ đầu tiên như một chương riêng trong lịch sử công ty - nghĩa là khẳng định đây không phải là cơn gió ngẫu nhiên của khủng hoảng, mà là một bước ngoặt được đáp ứng một cách có hệ thống trong chiến lược của công ty. Xét dưới góc độ kỹ sư, phương trình này là nhất quán: hiệu quả giờ đây là đầu vào của thiết kế, và từ 1973 trở đi, nền văn hóa quản lý đầu vào này tốt nhất đã tiếp quản thị trường của thời đại. Việc một phần những người tiên phong turbo cũng là các nhà sản xuất châu Âu hướng đến hiệu quả như Saab và Volvo chính là khía cạnh châu Âu của cùng một logic.

Kết luận: Ngày nay của Chu trình 150 Năm

Con đường từ máy móc năm 1876 của Otto đến khoang động cơ bị bỏ trống sau Dieselgate được đọc bằng một logic duy nhất: ràng buộc của mỗi thời đại đã viết nên ưu tiên thiết kế của thời đại tiếp theo. Hiệu suất 4% của Lenoir ép buộc việc nén; việc nén sinh ra ô tô; sự thiếu thốn hậu chiến tạo ra kích thước nhỏ gọn; khủng hoảng dầu mỏ áp đặt hiệu quả và turbo; các quy định về khí thải trước hết tôn vinh rồi hạ bệ động cơ diesel. Chu trình bốn thì đánh lửa bằng tia lửa vẫn đang vận hành trên đường - nhưng việc ghi thêm rằng vạch đích của cuộc đua 150 năm này nay đã được vẽ bằng điện, đó là việc của người đọc lịch sử.

Nguồn tham khảo