Động cơ siêu nạp trên ô tô: Cuộc đua mã lực một thời bùng nổ rồi lụi tàn

Bộ siêu nạp (Supercharged) đã ra đời từ khi nào?

Bộ siêu nạp sơ khai được ra đời trước ô tô sử dụng động cơ đốt trong hàng thập kỷ dưới dạng là một máy thổi khí. Chúng được tạo ra bởi hai anh em kỹ sư người Mỹ là Philander Higley và Francis Marion Roots.

Thiết bị này đã được cấp bằng sáng chế vào năm 1860 dưới tên gọi máy thổi khí Roots. Các bản thiết kế ban đầu được xác nhận là của Philander Higley Roots, cho thấy mỗi roto có hai, ba và bốn thùy được quay theo hướng ngược nhau để bơm không khí từ đầu vào đến đầu ra.

Cơ chế quay của hai roto làm tăng áp suất trong hệ thống, đảm bảo rằng không có luồng khí nào thoát ra theo hướng khác. Khi đó, máy thổi này được sử dụng trong lò cao và các ứng dụng công nghiệp khác.

Đến năm 1878, nhà phát minh người Đức Heinrich Krigar cũng đã thiết kế một máy nén khí hai roto của riêng mình. Thay vì sử dụng hai cánh quạt dạng thùy kiểu Roots, Krigar đã sử dụng hai trục dạng vít. Máy nén khí kiểu trục vít nén không khí bên trong vỏ bộ siêu nạp thay vì ở cổng nạp.

Tuy nhiên, cả hai thiết bị kể trên đều không phải là thiết kế dành cho ô tô, hay là các loại phương tiện sử dụng động cơ đốt trong.

Công nghệ siêu nạp ứng dụng lên xe hơi

Dù những thiết kế sơ khai của bộ siêu nạp không phải dành cho ô tô nhưng các kỹ sư đã nhận ra tiềm năng của chúng. Gottlieb Daimler đã nhận được bằng sáng chế của Đức về động cơ đốt trong có hệ thống siêu nạp đầu tiên vào năm 1885.

Tiếp đó là Rudolf Diesel đã sử dụng bộ siêu nạp kiểu Roots trên động cơ nén-nổ mang tên ông (động cơ Diesel) vào cuối những năm 1890.

Vào đầu thế kỷ 20, các kỹ sư ô tô tiếp tục thử nghiệm bộ siêu nạp. Trong đó, Louis Renault đã được cấp bằng sáng chế cho bộ siêu nạp ly tâm ở Pháp vào năm 1902.

Những chiếc ô tô có bộ siêu nạp đầu tiên được sản xuất hàng loạt đầu tiên trên thế giới là Mercedes 6/25/40hp và Mercedes 10/40/65hp. Cả hai mẫu đều sử dụng bộ siêu nạp kiểu Roots và được giới thiệu vào năm 1921.

Thật không may, công nghệ thời đó khiến cho việc sản xuất động cơ siêu nạp trở nên đắt đỏ. Điều này giải thích tại sao những chiếc xe sử dụng động cơ siêu nạp đầu những năm của thế kỷ 20 chủ yếu là những chiếc xe thể thao, xe đua và xe du lịch cao cấp.

Ở châu Âu, có Bugatti Type 35C, Alfa Romeo P2, Auburn 851, Cord 821..., nhưng nổi tiếng nhất là Bentley với mẫu Blower được giới thiệu vào năm 1929 được trang bị bộ siêu nạp kiểu Roots và đặt ở phía trước lưới tản nhiệt.

Gần nửa thế kỷ sau, sự phát triển của bộ siêu nạp đã đạt được một cột mốc quan trọng khi kỹ sư người Thụy Điển Alf Lysholm đã phát triển máy nén khí trục vít đôi của Henrich Kragar thành một bộ siêu nạp vào năm 1935.

Mặc dù lợi ích của động cơ tăng áp siêu nạp là rất rõ ràng nhưng do được dẫn động bằng dây đai, xích hoặc bánh răng từ động cơ, nên nhược điểm của bộ siêu nạp là luôn tạo ra lực cản cho động cơ ô tô.

Ngoài ra, việc nén khí nạp sẽ làm tăng nhiệt độ của nó. Đối với động cơ đốt trong, nhiệt độ của khí nạp trở thành yếu tố giới hạn hiệu suất của động cơ. Nhiệt độ quá cao có thể gây ra hiện tượng đánh lửa trước, làm giảm hiệu suất và có thể gây hư hỏng động cơ.

Ở thời điểm đó, công nghệ tăng áp (Turbocharger) có thể giải quyết được vấn đề này. Nhưng khoa học kỹ thuật và vật liệu thời đó chưa đáp ứng được yêu cầu. Vì vậy, công nghệ siêu nạp vẫn được xem là thiết bị tăng công suất được ưa chuộng nhất trong giai đoạn đầu thế kỷ 20.

Cuộc đua về sức mạnh động cơ

Sau Thế chiến 2, công nghệ siêu nạp gần như biến mất khỏi những chiếc xe sản xuất đại trà, đặc biệt ở châu Âu và nhường lại chỗ cho những động cơ hút khí tự nhiên truyền thống có độ tin cậy hơn. Song các nhà sản xuất ô tô vẫn luôn làm mọi cách để đưa công nghệ này trở nên phổ biến.

Trong giai đoạn những năm 1980-1990, sự xuất hiện của những mẫu xe sử dụng động cơ siêu nạp ngày một nhiều hơn, từ những thương hiệu phổ thông như Lancia, Ford, Toyota cho đến những thương hiệu hạng sang như Jaguar, Aston Martin hay Mercedes-Benz.

Đối với những chiếc xe hiệu suất cao, bộ siêu nạp thực sự có ý nghĩa khi cung cấp phản ứng động cơ đáng kinh ngạc ở mọi tốc độ và công suất lớn hơn nhiều so với một chiếc xe thông thường cùng dung tích.

Vào đầu những năm 2000, Ford đã đưa bộ siêu nạp kiểu Lysholm vào những chiếc xe hiệu suất cao, như F-150 SVT Lightning, sau đó là chiếc Terminator Mustang Cobra. Đáng chú ý, siêu xe GT với công suất lên tới 550 mã lực, đã thổi bay tất cả những đối thủ khác.

GM tham gia cuộc chơi động cơ siêu nạp vào năm 2008 với mẫu Corvette ZR-1 sử dụng động cơ LS9 có bộ siêu nạp Eaton TVS dựa trên kiểu Roots, cho công suất 638 mã lực. Động cơ siêu nạp này cũng được sử dụng trong Cadillac CTS-V và Camaro ZR-1.

Một cuộc chiến mã lực đã thực sự diễn ra bằng việc Ford đáp trả đối thủ GM bằng mẫu Shelby GT500 2013 được trang bị động cơ Trinity V8 5.8L, sử dụng bộ siêu nạp Eaton cho công suất 662 mã lực.

Sau đó, đến lượt Dodge gia nhập với chiếc Challenger SRT Hellcat 2014 được trang bị động cơ Hellcat V8 6.2L siêu nạp, công suất 707 mã lực. Các nhà sản xuất ô tô khác như GM và Ford cũng đã đáp lại bằng những động cơ V8 siêu nạp công suất hơn 700 mã lực của riêng họ.

Điều đó cho thấy nhiều nhà sản xuất ô tô của Mỹ đặc biệt ưa chuộng khả năng cung cấp năng lượng tức thì và rất hài lòng với công nghệ tăng áp siêu nạp, nhờ khả năng cung cấp năng lượng tức để tăng sức mạnh cho những động cơ V8 cỡ lớn.

Sự lụi tàn của công nghệ siêu nạp

Mặc dù các nhà sản xuất ô tô đã cố gắng thúc đẩy sự phát triển của động cơ siêu nạp. Tuy nhiên, chúng ta gần như chỉ thấy công nghệ này có mặt trên những chiếc xe hiệu suất cao do chi phí cao cản đã trở sự phổ biến của nó.

Cùng với đó, bộ siêu nạp có thể vắt kiệt khả năng hoạt động của động cơ, ngay cả khi chạy không tải, ảnh hưởng đến độ bền của động cơ. Những người đam mê tốc độ có thể không bận tâm đến điều đó, nhưng các nhà sản xuất ô tô lại quan tâm đến điều này.

Bên cạnh đó, sự phát triển của công nghệ tăng áp dần trở nên phổ biến hơn nhờ khắc phục được những nhược điểm của bộ siêu nạp, đồng thời việc có thể áp dụng rộng rãi trên những động cơ dung tích nhỏ đã khiến cho các nhà sản xuất ô tô phải thay đổi chiến lược phát triển.

Động cơ V8 siêu nạp của GM hiện vẫn hiện diện trên chiếc Cadillac CT5-V Blackwing, có điều hãng sẽ không sản xuất thêm động cơ siêu nạp nào nữa, còn chiếc Corvette ZR-1 thế hệ tiếp theo có thể sẽ chuyển sang sử dụng động cơ tăng áp.

Jaguar Land Rover đang dần loại bỏ động cơ V8 siêu nạp cũ để chuyển sang động cơ tăng áp kép do BMW cung cấp. Volvo có động cơ bốn xi-lanh gồm tăng áp và siêu nạp, nhưng hãng này đang chuyển dịch sang phát triển các mẫu xe điện.

Mazda sử dụng bộ siêu nạp ly hợp để tạo ra hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong động cơ SkyActiv-X mới. Đáng tiếc, người dùng lại đang quay lưng với động cơ này do chi phí quá đắt đỏ. Còn Dodge đã khai tử động cơ Hellcat vào năm ngoái.

Sứ mệnh của động cơ siêu nạp hiện vẫn chưa kết thúc hoàn toàn. Nhưng tại thời điểm này, việc phát triển của bộ siêu nạp gần như phụ thuộc lớn vào thị trường hậu mãi và những người đam mê nâng cấp ô tô thích sử dụng nó để tăng hiệu suất.

Dù sao, sự phát triển của bộ siêu nạp cũng đã là một phần của lịch sử khi chúng thúc đẩy nhiều lĩnh vực phát triển. Và khi xuất hiện trên ô tô, chúng cũng đã tạo ra một số chiếc xe tuyệt vời trong lịch sử của ngành công nghiệp ô tô toàn cầu.

Tổng hợp