10 phát minh thay đổi ngành công nghiệp ô tô thế giới

Động cơ đốt trong

Ban đầu được lên ý tưởng bởi Nicolaus Otto vào năm 1876 trước khi được Gottleib Daimer chỉnh sửa và tối ưu hóa vào năm 1885, động cơ đốt trong đã khai sinh ra khái niệm về ô tô hiện đại khi chứng tỏ được sự vượt trội so với động cơ hơi nước cả về hiệu suất và sức mạnh.

Năm 1891, Karl Benz đã đăng ký động cơ này vào bằng sáng chế Benz-Motorwagen, chiếc xe đầu tiên kết hợp động cơ đốt trong với khung gầm.

Động cơ đốt trong chính là trái tim của ô tô. Do đó, lịch sử hình thành và phát triển ô tô gắn liền với lịch sử của động cơ đốt trong. Cũng vì thế, thiết kế động cơ và thiết kế ô tô là những hoạt động không thể tách rời.

Trong quá trình phát triển của nhiều thập kỷ sau đó, động cơ hình bán cầu (được đặt biệt danh là "Hemi") đã ra đời. Những động cơ siêu mạnh này góp phần tạo nên tốc độ đáng kinh ngạc của những chiếc xe cơ bắp thời kỳ đầu. Cung cấp sức mạnh cho những chiếc xe mang tính biểu tượng như Plymouth Barracuda và Dodge Daytona. Động cơ bán cầu đã ghi dấu ấn cho quá trình phát triển của xe hơi. Bằng cách làm đỉnh xy-lanh hình bán cầu tăng diện tích bề mặt, các kỹ sư đã tăng khả năng hấp thụ nhiệt và làm cho động cơ hoạt động tốt hơn với ít nhiên liệu hơn. Tuy nhiên, do các vấn đề về tốc độ nén và lưu lượng không khí, động cơ bán cầu đã được thay thế bằng động cơ Pent-mui, có mặt trên hầu hết mẫu xe ngày nay.

Cấu trúc Unibody

Dù thường bị xác định nhầm là "monocoque" (nguyên khối), Unibody hoặc Unit-Body Chassis (cấu trúc Unibody) hoạt động bằng cách phân phối lực đỡ của xe giữa lớp vỏ bên ngoài và khung sườn của máy. Sự phân bổ này đã làm giảm áp lực lên khung cũng như cho phép tối ưu hóa hiệu suất.

Ý tưởng về cấu trúc Unibody xuất hiện lần đầu vào năm 1922. Tuy nhiên, khung gầm Unibody đã không được sử dụng cho đến năm 1934 khi Citroën - công ty đến từ Pháp - chế tạo mẫu xe đầu tiên sử dụng thiết kế này. Đến nay, hầu hết xe hơi đều sử dụng một số loại khung gầm Unibody, trừ một số xe tải và xe công nghiệp vẫn sử dụng thiết kế "body-on-frame" truyền thống.

Hệ thống tăng áp

Bằng sáng chế năm 1905 của kỹ sư người Thụy Sĩ có tên Alfred Büchi làm việc ở hãng công nghệ Sulzer vẫn được coi là đã khai sinh ra bộ tăng áp của động cơ ôtô turbocharger. Sau đó, một số thiết kế nguyên mẫu và bằng sáng chế khác nhau cũng xuất hiện.

Đến năm 1925, Alfred Büchi đã trở thành người đầu tiên thương mại hóa bộ tăng áp cho các động cơ dầu 10 xy-lanh, giúp tăng công suất từ 1.300 mã lực lên 2.500 mã lực. Động cơ này dã được sử dụng cho hai tàu thủy chở khách cỡ lớn trước khi thiết kế được cấp phép cho nhiều nhà sản xuất để lắp trên các sản phẩm trong lĩnh vực hàng hải và đường sắt.

Ứng dụng thực tiễn đầu tiên cho xe tải được hãng sản xuất xe tải Thụy Sĩ Saurer hiện thực hóa vào những năm 1930. Sau đó, các hãng sản xuất ôtô bắt đầu nghiên cứu động cơ tăng áp trong những năm 1950. Tiếc là độ trễ turbo và kích thước quá khổ của bộ tăng áp không được giải quyết vào thời kỳ đó. Những mẫu xe đầu tiên sử dụng bộ tăng áp trong thời gian ngắn như Chevrolet Corvair Monza và Oldsmobile Jetfire đều ra mắt năm 1962.

Dù vậy, phải hai thập kỷ sau, việc ứng dụng hệ thống tăng áp trên ôtô con mới thực sự bắt đầu theo cách làm tăng hiệu suất trên những dòng động cơ cỡ nhỏ. Đây là sáng chế cho phép ô tô đạt được tốc độ và mô-men xoắn cao hơn trong khi sử dụng ít nhiên liệu hơn. Với mức độ phổ biến ngày càng cao cùng những tiến bộ không ngừng về hiệu suất và tối ưu hóa của các kỹ sư, hệ thống tăng áp đã sớm trở nên không thể thay thế ngay cả cho đến hiện tại.

Phun nhiên liệu

Dù được thiết kế lần đầu vào cuối những năm 1800, nhưng các kim phun nhiên liệu đã không được sử dụng đúng cách trong tự động hóa cho đến giữa những năm 1980.

Nhu cầu này nảy sinh từ vô số lỗi liên quan đến bộ chế hòa khí. Chịu trách nhiệm chính điều tiết sử dụng nhiên liệu, bộ chế hòa khí phức tạp một cách không cần thiết và sử dụng quá nhiều năng lượng. Trong khi đó, các hệ thống phun nhiên liệu sẽ cung cấp trực tiếp lượng xăng phù hợp khi cần thiết bằng cách phun vào động cơ từng đợt ngắn và có kiểm soát. Nhờ phát minh mang tính cách mạng về hệ thống phun nhiên liệu hiện đại, bộ chế hòa khí đã trở nên lỗi thời.

Cân bằng điện tử

Vào một ngày giông bão của năm 1989, kỹ sư Frank Werner-Mohn đến từ Mercedes-Benz đang lái thử mẫu xe mới trên tuyết ở Thụy Điển thì chiếc E-class bất ngờ mất lái và lao xuống mương. Sau vụ tai nạn này, Frank Werner-Mohn tự hứa với bản thân sẽ khắc phục sự cố khiến chiếc xe mất kiểm soát.

Khi đó, Frank Werner-Mohn thắc mắc tại sao không dùng các cảm biến điều khiển lực phanh ABS để can thiệp vào tốc độ bánh xe và phanh chủ động có chọn lọc, giúp xe tránh khỏi hiện tượng mất kiểm soát. Thế là sau hai năm nghiên cứu, kỹ sư Frank Werner-Mohn và nhóm của ông đã phát triển thành công hệ thống giúp ổn định các phương tiện bị trượt bánh bằng cách tự động điều khiển ngắt quãng trên các bánh xe riêng lẻ.

Lãnh đạo hãng xe Mercedes-Benz nhận thấy ý tưởng tốt của vị kỹ sư này, nên quyết định đầu tư phát triển. Một thuật toán ra đời cho phép tính toán chính xác mỗi bánh cần lực phanh bao nhiêu hoặc bao nhiêu bánh cần phanh để chiếc xe ổn định khi di chuyển. Về sau, Frank Werner-Mohn và các cộng sự sử dụng nhiều hơn các cảm biến phanh ABS, thêm các công cụ hỗ trợ khác. 

Mercedes đã tức thì triển khai hệ thống kiểm soát ổn định điện tử vào chiếc limousine S-Class 1995. Sau đó, hệ thống này cũng được tích hợp vào tất cả mẫu xe của Mercedes, thậm chí còn được cung cấp cho các nhà sản xuất ô tô khác, giúp việc tự động hóa trở nên an toàn hơn.

Hiện nay, công nghệ ESP với hoạt động phức tạp được sử dụng rộng rãi trên ôtô với nhiều cách gọi tên khác nhau. Riêng tại EU, kể từ tháng 11/2011, tất cả xe hơi bán ra tại thị trường này đều phải có chức năng cân bằng điện tử ESP. Đây là trang bị quan trọng giúp hạn chế tai nạn và bảo vệ mạng sống con người bên cạnh túi khí hay dây đai an toàn.

Tay lái trợ lực

Trước khi các nhà sản xuất trang bị hệ thống lái trợ lực cho các mẫu xe của hãng chỉ những người có sức khỏe mới có thể điều khiển xe hơi bởi tất cả công việc khó khăn khi quay vô-lăng đều dồn vào người lái. Dù vậy, hệ thống lái trợ lực vẫn chưa xuất hiện trước Chiến tranh thế giới lần thứ 2, cho dù phát minh này của Francis Davis đã được giới thiệu một vài lần trong những năm 1930.

Trước thực trạng những người lính phải lái những chiếc xe cực kỳ nặng qua những địa hình không xác định, các nhà sản xuất ô tô đã chuyển sang sử dụng hệ thống lái trợ lực để giảm thiểu nỗ lực cần thiết khi kiểm soát các phương tiện nói trên. Sau Thế chiến 2, các nhà sản xuất ô tô nhận ra rằng: Hệ thống lái trợ lực có thể mang lại lợi ích cho người lái xe ngay cả trong những tình huống bình thường, nên đã ứng dụng và ngày càng cải tiến sao cho đơn giản hơn.

Hộp số ly hợp kép

Hộp số ly hợp kép là “tác phẩm” của Adolphe Kégresse vào năm 1939. Khi đó, vị kỹ sư người Pháp này đã phát triển khái niệm ban đầu về hộp số hoạt động thành hai bộ phận: một bộ ly hợp điều khiển số lẻ và bộ ly hợp còn lại là bánh răng chẵn. Bằng cách này, chiếc xe có thể duy trì lực kéo và mô-men xoắn trong khi chuyển từ hộp số này sang hộp số kia cả khi lên số và xuống số.

Dù loại hộp số xuất hiện thưa thớt trong thế kỷ XX với hình dạng những chiếc xe đua, nhưng chính chiếc Volkswagen Golf R32 2003 khiêm tốn đã đưa khái niệm hộp số ly hợp kép trở thành xu hướng phổ biến. Hiện nay, nhiều mẫu xe đã được trang bị phiên bản DCT, từ sedan thông thường đến siêu xe như Bugatti Veyron, Mustang Shelby và Porche 911.

Thân xe làm từ sợi carbon

Xuất hiện lần đầu trên chiếc BMW I3 vào năm 2010, thân xe bằng sợi các-bon là một trong những cải tiến mới nhất trong ngành công nghiệp ô tô thế giới. Với sự ra đời của thân các-bon, ô tô trở nên nhẹ hơn, nên cũng tiết kiệm nhiên liệu hơn. Giống như khung nhôm ra mắt đầu những năm 1980, khung bằng sợi các-bon nhẹ hơn nhiều, nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất và độ bền vượt trội.

Nhờ việc tối ưu hóa trong sản xuất các-bon, vật liệu này đã trở nên rẻ hơn và dễ sản xuất hơn nhiều. Đó chính là lý do tại sao hầu hết mẫu xe hiện nay đều có thân xe bằng các-bon sang trọng và bền bỉ.

Hệ thống lái tự động

Hệ thống lái tự động là một trong những công nghệ làm thay đổi cách thức vận chuyển của con người, tương lai của ngành công nghiệp ô tô thế giới. Kết hợp nhiều công nghệ và hạ tầng giao thông hoàn thiện, hệ thống lái tự động giúp hành trình di chuyển được tính toán khoa học, tài xế cũng nhàn hơn trước.

Hệ thống lái xe tự động có thể hoạt động mà không cần người lái điều chỉnh vô lăng hay ga/phanh với tốc độ 60 km/h nhờ vào hệ thống phân tích lưu thông. Ngoài ra, hệ thống này còn thay đổi tốc độ theo bảng chỉ dẫn đường bộ hoặc chuyển làn tự động...

Hiện tại, các hãng xe đang nỗ lực để tiếp cận mục tiêu ô tô tự động hoàn toàn. Audi, Mercedes, BMW, Tesla, Volvo là những thương hiệu đi đầu trong lĩnh vực này. Hiện nay, một trong những hệ thống tự lái tiên tiến nhất được tích hợp trên mẫu Audi A8 với hệ thống lái cấp độ 3.

Động cơ điện

Động cơ điện đã xuất hiện từ cuối thế kỷ XIX, đầu thế kỷ XX. Tiếc là ở thời điểm đó, động cơ xăng và dầu lại nhẹ và rẻ hơn, trong khi pin của động cơ điện thời kỳ đầu không dự trữ được nhiều năng lượng, nên không được phát triển thêm. Vì thế, động cơ đốt đã chiếm ưu thế, đẩy xe điện vào bóng tối.

Phải 100 năm sau, xe điện mới thực sự trở lại. Lúc đầu là sự xuất hiện của mẫu bán tải điện Chevrolet S-10 (1997-1998) dựa trên General Motors EV1 - xe điện sản xuất hàng loạt đầu tiên (1996-1999). Kế đến là Chevrolet Volt hay Nissan Leaf. Đến nay, xe điện được nhận định là phương tiện vận chuyển của tương lai. Hầu hết nhà sản xuất ô tô thế giới đều hướng chiến lược sản xuất của hãng sang xe điện trước lệnh hạn chế, thậm chí cấm bán xe trang bị động cơ đốt trong đang được Chính phủ nhiều quốc gia ban hành.

Trái tim của xe điện chính là động cơ ô tô điện. Nhờ ưu thế về giá, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, đây được xem là loại động cơ của tương lai. Hiện có 6 loại động cơ được dùng phổ biến trên xe ô tô điện, bao gồm động cơ một chiều (DC Motor), động cơ IM không đồng bộ (Induction Motor), động cơ SynRM từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor), động cơ SRM từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor), động cơ BLDC motor - động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor) và Động cơ IPM - động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (Interior Permanent Magnet Motor).