Trong lịch sử ngành xe thế giới đã từng xuất hiện những loại động cơ vô cùng phức tạp, phần lớn trong số đó là thảm họa thiết kế, nhưng cũng có những loại đạt được thành tựu và được tôn vinh.
Kể từ khi động cơ đốt trong được hình thành, luôn có những rào cản về công nghệ cần phải vượt qua để tiếp tục phát triển. Các ý tưởng có xu hướng xuất hiện từ rất sớm trước khi đột phá thực sự diễn ra, chủ yếu vì những kỹ sư chỉ có thể làm việc với công nghệ, công cụ và tiền bạc mà họ có sẵn vào thời điểm đó.
Dưới đây, chúng ta sẽ thấy những ví dụ tiêu biểu, chẳng hạn như quá trình phát triển của động cơ 16 xy-lanh từ loại khổng lồ thời kỳ đầu, qua đến loại phức tạp nhưng nhiều lỗi vào những thập niên cuối thế kỷ 20, cho đến loại hoàn thiện đang có trong siêu xe hypercar nhanh nhất của Bugatti. Cùng với đó là sự tiến hóa của turbo tăng áp, từ một giải pháp chắp vá của Oldsmobile cho đến những loại nhỏ gọn và hiệu quả đang được dùng đại trà ngày nay.
Porsche Type 547
Mùa hè năm 1952, Porsche vẫn đang là nhà sản xuất xe hơi non trẻ nhưng đang nỗ lực ghi dấu ấn trong bộ môn đua xe thể thao. Porsche đã giành chiến thắng trong phân hạng của mình tại giải Le Mans vào năm trước đó bằng động cơ 1.1L, tuy nhiên họ vẫn muốn tranh tài ở các phân hạng cao hơn. Điều này đồng nghĩa với chỉ có 6 tháng để tạo ra một khối động cơ 4 xy-lanh phẳng, làm mát bằng không khí và đạt được ngưỡng vòng tua cao hơn so với loại đang có.
Ernst Fuhrmann đã ra tay và thiết kế được một động cơ đua 4 trục cam có van nạp và xả nghiêng, yêu cầu sự sắp xếp phức tạp của các bánh răng côn và trục để hoạt động bình thường. Động cơ hoàn thiện cần nhiều giờ và sự chăm sóc tỉ mỉ để chế tạo lại nhưng lại có độ tin cậy đáng kinh ngạc khi mở ga rộng trong thời gian dài đồng thời mang lại khả năng tăng tốc nhanh khi ra khỏi các góc cua. Những chiếc xe dùng động cơ này đã đem lại cho Porsche 5 chiến thắng chung cuộc tại Targa Florio và 16 chiến thắng đáng kinh ngạc tại giải Le Mans. Tổng cộng, nó đã giúp đội đua của hãng xe Đức giành được hơn 1.000 chiến thắng trong các cuộc đua chuyên nghiệp và hơn 2.000 chiến thắng ở các phân hạng khác nhau.
Oldsmobile Turbo Rocket
Động cơ có trang bị turbo tăng áp đầu tiên của Oldsmobile là một biến thể của máy V8 215 năm 1962, dùng loại tăng áp T5 Garrett cỡ nhỏ có tích hợp cửa xả. Tuy nhiên, tỷ số nén 10,25: 1 đã gây ra vấn đề với áp suất 5 psi khi người lái đạp ga hết cỡ. Oldsmobile đã giải quyết vấn đề đó bằng một hệ thống phun phức tạp để phun một lượng hỗn hợp dung môi methanol và nước cất theo tỷ lệ 50:50 vào ống nạp.
Để xe có thể vận hành ổn định, Oldsmobile đề nghị khách hàng mua thêm Turbo-Rocket Fluid, những chai đựng hỗn hợp dung dịch nêu trên và có thêm một ít chất chống rỉ sét. Dung dịch này sẽ cạn chỉ sau khoảng 400 km, nhiều chủ xe đã quên không nạp lại và thường xuyên phàn nàn về việc chiếc xe của họ tỏ ra “thiếu lực”.
Động cơ tỉ số nén biến thiên của Saab
Vào thập niên 90 của thế kỷ 20, Saab vẫn đang có động cơ trang bị turbo tăng áp hoạt động tương đối ổn, những hãng xe Thụy Điển vẫn muốn hoàn thiện thêm. Áp suất nạp cao cần có tỉ số nén thấp từ động cơ để tránh kích nổ. Do đó, đến đầu những năm 2000, Saab đã thử một cách tiếp cận sáng tạo để hoàn thiện ý tưởng về động cơ tỉ số nén biến thiên.
Hãng đã thiết kế động cơ 5 xy-lanh dung tích 1.6L có khả năng thay đổi tỉ số nén dao động từ mức thấp nhất 8:1 đến mức cao nhất 14:1 tùy thuộc vào các yêu cầu tức thời của người lái, giúp xe tiết kiệm nhiên liệu tiêu thụ đến 30% so với các động cơ dịch chuyển thông thường. Khối động cơ này dùng cả tăng áp và siêu nạp, trang bị một khối nghiêng để thay đổi dung tích của buồng đốt và do đó thay đổi tỉ số nén. Tuy nhiên do quá phức tạp nên không đủ kinh tế để Saab ứng dụng lên xe thương mại.
Lancia-Abarth Triflux
Nếu bạn muốn phát huy tối đa tiềm năng của một khối động cơ có dung tích chỉ 1.8L, hãy tìm đến các kỹ sư người Ý. Cuối thập niên 1990, chiếc Lancia ECV được tạo ra để thay thế Lancia Delta S4 tham dự giải World Rally Championship 1998. Động cơ 1.8L của nó có thể sản sinh công suất lên đến 600 mã lực nhờ trang bị 2 bộ tăng áp có hệ thống van chéo (van nạp và van xả ở mỗi bên) và 2 ống góp khí riêng biệt. Một ống khác chỉ có nhiệm vụ nạp khí từ bên ngoài, tạo nên cái tên Triflux (tri là “3” trong tiếng Ý).
Cadillac V-8-6-4
Ý tưởng ngắt xy-lanh nhằm cải thiện hiệu suất sử dụng nhiên liệu và tránh lãng phí đã có từ thưở sơ khai của ngành xe hơi. Tuy nhiên phải đến năm 1981, cơ chế này mới được hoàn thiện bởi Cadillac với sự trợ giúp từ tập đoàn Eaton. Một hệ thống máy tính có tên Computer Command Module đảm nhận vai trò điều hành và có thể ngắt bớt 2 hoặc 4 xy-lanh của động cơ V8 tùy theo thông tin nhận được từ các cảm biến.
Cảm biến liên tục theo dõi tình trạng vận hành của vòng tua động cơ, áp suất đường ống nạp, nhiệt độ nước làm mát, bơm không khí và lượng khí thải. Nếu bộ vi xử lý cảm nhận được xe đang lướt theo trớn, nó sẽ kích hoạt một tấm chắn để di chuyển cánh tay đòn để ngăn trục cam mở van.
Tuy thực sự hoạt động hiệu quả nhưng công nghệ điện toán của những năm cuối thập niên 1970 và đầu thập niên 1980 chưa đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu người lái. Vì lẽ đó, nhiều chủ xe Cadillac đã tắt luôn tính năng này cho… đỡ phiền. Dù vậy, nhiều hãng xe vẫn muốn đưa công nghệ này ra áp dụng đại trà và phải đến năm 2003 thì Chrysler mới thành công với hệ thống Multi Displacement System trên động cơ HEMI V8 5.7L.
Volkswagen W8
Volkswagen có nhiều kinh nghiệm tạo ra những thiết kế động cơ tuyệt vời, tiêu biểu nhất là động cơ W8 dùng cho một số xe Passat đời 2001 đến 2004. Nó là tiền thân của động cơ W12 trên chiếc Volkswagen Phaeton tuyệt đẹp nhưng bán ế.
Điểm đặc biệt của W8 đến từ 2 khối động cơ kiểu VR4 15 độ được gắn ở góc 72 độ với nhau và kết hợp với một trục khuỷu duy nhất. Điều đó có nghĩa toàn bộ khối động cơ này gần như là một hình vuông hoàn hảo và nằm vừa gọn trong không gian vốn dĩ chỉ dành cho những động cơ V6 ít xy-lanh hơn.
British Racing Motors H16
Đây là khối động cơ độc đáo và nhiều tham vọng, ra đời khi British Racing Motors (BRM) tự cảm thấy họ đã đạt đến giới hạn của kiểu động cơ V8 trong phạm vi cho phép của cuộc đua F1 1960. Họ tiến hành phát triển động cơ V12 với 48 van, sau đó nâng mục tiêu lên loại 16 xy-lanh. BRM tìm ra giải pháp khi lấy động cơ V8 16 van 1.5L và thay đổi cấu trúc thành 8 xy-lanh phẳng, sau đó ghép 2 cái lại với nhau để tạo thành khối động cơ hình chữ H.
Để cấu hình H16 hoạt động, mỗi phần nửa của động cơ cần có hệ thống phun nhiên liệu, bộ tản nhiệt và bơm nước riêng. Ngoài ra, khối lượng còn tăng thêm vì cụm trục khuỷu phức tạp và độ rung động cơ lớn ở mức độ khắc nghiệt ngay cả đối với việc dùng cho xe đua.
Công suất tối đa đạt được rất ấn tượng với hơn 400 mã lực tại 10.000 vòng/phút, tuy nhiên, dải công suất rất hẹp. Động cơ còn gặp phải những vấn đề khó khăn khác, chẳng hạn như trọng tâm cao và cần có 4 hệ thống ống xả riêng biệt. Về sau mới biết, hóa ra đối tác sản xuất động cơ cho BRM đã rút lui khỏi dự án V12, buộc họ phải tự mình làm động cơ H16 và không có được hiệu quả như mong đợi.
Cizeta V16
Khi kỹ sư ô tô Claudio Zampolli hợp tác cùng nhà soạn nhạc Giorgio Moroder quyết định tạo ra siêu phẩm nhằm đánh bại Lamborghini, họ chọn phương án làm ra động cơ với 16 xy-lanh, vì nếu ít hơn như 12 xy-lanh sẽ không đủ “gây sốc” trên mặt báo.
Zampolli đã lấy hai động cơ V8 phẳng 6.0L, loại có thông số kỹ thuật dựa trên nền tảng động cơ Lamborghini Urraco P300 và ghép chúng lại vào một khối nhôm duy nhất được đúc bởi một chuyên gia ở Modena, Ý để tạo nên động cơ quái dị này. Nó có công suất tối đa lên tới 540 mã lực.
Bugatti W16
Bugatti đã trở thành nhà sản xuất làm chủ được cách thiết kế động cơ W16. Mức giá của chiếc siêu xe hypercar Chiron đã nói lên sự phức tạp của động cơ này như thế nào để nó hoạt động ổn định và tạo ra mức công suất cực lớn lên đến tối đa 1.600 mã lực.
Động cơ có các xy-lanh bố trí theo hình chữ W. Hai dãy 8 xy-lanh được đặt lệch nhau một góc 90 độ và được tăng lực bởi tổng cộng 4 tăng áp, hệ thống phun nhiên liệu 64 van. Tuy rất phức tạp nhưng khối lượng chỉ khoảng 400 kg và không lớn hơn một động cơ V12 thông thường.
Điều thú vị nữa của động cơ W16 này là cơ chế trục cam đôi trên cao để vận hành mỗi dãy xy-lanh, khiến tổng trục cam lên con số 4. Để thấy được độ phức tạp của khối động cơ này, hãy nhìn vào thứ tự nổ: 1-14-9-4-7-12-15-6-13-8-3-16-11-2-5-10.
Động cơ điều khiển van thông minh của Camcon Automotive
Intelligent Valve Actuation – IVA là tên gọi của cơ chế kiểm soát thời điểm đóng mở van và thay đổi độ mở van nạp xả thông minh đến từ hãng Camcon Automotive, được phát triển với sự hợp tác cùng các kỹ sư Jaguar. Trục cam và van được điều khiển bằng điện thông qua ECU, dù vẫn tiến hành nâng hạ van bằng cơ cấu cơ khí nhưng có thể kiểm soát van chính xác tuyệt đối cho từng van riêng lẻ, bao gồm thời điểm đóng mở lẫn độ mở khác nhau.
Khi ở mức vòng tua thấp, van mở nhanh và ít, đưa khí nạp vào buồng đốt vừa đủ cho động cơ làm việc. Còn khi vòng tua cao, van mở lâu hơn và nhiều hơn, khí nạp vào nhiều hơn, tạo ra mức công suất lớn hơn cho động cơ. Quá trình nạp xả và đốt cháy nhiên liệu tùy theo điều kiện vận hành của động cơ được tối ưu nhất, giúp tiết kiệm nhiên liệu và ít gây ô nhiễm hơn.
Tổng hợp
