Bơm nhiên liệu cơ khí – “động cơ” trong động cơ

Trên thực tế, công nghệ phun nhiên liệu điện tử xuất hiện sớm hơn so với nhiều người tưởng tượng, bắt nguồn từ hệ thống Bendix Electrojector năm 1957. Bosch đã mua lại bản quyền của hệ thống này và phát triển nó thành D-Jetronic, sau này tiến hóa thành hệ thống điều khiển bằng máy tính như ngày nay.

Tuy nhiên, trước khi hệ thống Jetronic của Bosch trở thành tiêu chuẩn thế hệ mới, ngành công nghiệp xe từng sở hữu những hệ thống phun nhiên liệu cơ khí, và đó là một công nghệ không kém phần thú vị.

Hệ thống phun nhiên liệu cơ khí (và phun nhiên liệu nói chung) đã bắt đầu từ thời kỳ sơ khai của xe hơi. Những khối động cơ diesel đầu tiên, xuất hiện từ cuối thế kỷ XIX, sử dụng những hệ thống phun nhiên liệu cơ khí đơn giản.

Cỗ máy V8 đầu tiên trên thế giới – khối động cơ máy bay Antoinette 8V – sử dụng bơm truyền động dây đai để đổ đầy các bể chứa trên van nạp của mỗi xy lanh. Vùng chân không tạo ra bởi không khí tràn vào buồng đót khi mở van tiết lưu đóng vai trò hút nhiên liệu vào bể chứa.

Không tính tới động cơ diesel, thực sự thì hệ thống phun nhiên liệu cơ khí không quá bùng nổ cho tới Thế chiến II, khi mà công nghệ này được trang bị trên các dòng máy bay của Không quân Đức Quốc xã. Nó đã cho thấy mức độ hiệu quả đáng kinh ngạc khi so sánh với các dòng máy bay sử dụng chế hòa khí của Không quân Hoàng gia Anh.

Sau đó, Hoa Kỳ, Liên Xô và Nhật Bản đều theo bước Đức, bắt đầu phát triển các dòng động cơ hàng không sử dụng công nghệ phun nhiên liệu. Khi chiến tranh kết thúc, công nghệ này bắt đầu xuất hiện trên xe hơi. Bài viết này sẽ tập trung vào những hệ thống vô cùng phức tạp bắt nguồn từ châu Âu.

“Những hệ thống này có thể được chia làm hai phần”, theo lời Santo Spadaro, chủ sở hữu của xưởng Domenick European Car Repair tại White Plains, New York.

Ông Spadaro giúp cho nhiều mẫu xe với cỗ máy cổ điển có khả năng tiếp tục lưu thông trên đường phố, một chuyên gia về thực hành của thời đại này. “Đầu tiên là phần bơm, tức là cơ khí, thuần về thủy lực. Bên cạnh đó là phần logic, về cơ bản có thể coi là một máy tính cơ khí.”

1. Bosch

Bosch chính là hãng phát triển hệ thống phun nhiên liệu cho khối động cơ V12 của Daimler-Benz, dựa trên công nghệ họ cung cấp cho cỗ máy diesel của Mercedes.

Vì vậy, không có gì ngạc nhiên khi đây là hãng đầu tiên ra mắt thành công một hệ thống phun nhiên liệu cơ khí cho xe sử dụng động cơ đốt trong. Dù ban đầu, hệ thống của Bosch ra mắt trên hai mẫu xe hai kỳ với dung tích xy lanh nhỏ vào những năm đầu thập niên 1950, tính ưu việt của nó chỉ được chứng minh khi trang bị trên một mẫu Mercedes-Benz.

Cụ thể, hệ thống này được trang bị trên mẫu xe F1 mang mã W196 từng giúp tay đua Juan Manuel Fangio thống trị hai mùa giải 1954 và 1955. Sau đó, hệ thống được chỉnh sửa và sử dụng trên Mercedes-Benz 300SL Gullwing.

Một bài báo trên tạp chí S.A.E Journal vào năm 1956 đã giải thích hệ thống này một cách chi tiết. Trong đó, bơm nhiên liệu gần giống với một khối động cơ thu nhỏ bên trong khối động cơ chính. Bơm được cấu tạo từ một piston (plunger), lò xo phản hồi (return spring) và phần ống (barrel) với mỗi xy lanh, tất cả được liên kết tới một trục bánh lệch tâm (eccentric shaft).

Trục này được truyền động bởi khuỷu động cơ (engine’s crank) và một màng ngăn (diaphragm) chịu trách nhiệm thay đổi trục này dựa theo vị trí van tiết lưu, nhiệt độ bên ngoài, khoảng chân không động cơ (intake vacuum) và khí áp.

Mercedes đặt vòi phun nhiên liệu của 300SL tại vị trí dành cho bugi trên mẫu sedan 300 S. Toàn bộ hệ thống được đồng bộ thời gian với động cơ, vì vậy nhiên liệu dạng hơi sẽ được phun cho mỗi xylanh vào thời điểm thích hợp, màng ngăn giúp đảm bảo lượng nhiên liệu là chính xác.

Áp suất nhiên liệu trong hệ thống là rất lớn, trong ống dẫn có thể lên tới 117 bar và khi được bơm vào buồng đốt, con số này là 44 bar. Trên mẫu 300SL, hệ thống này đem tới một cuộc cách mạng. Sách hướng dẫn sử dụng nguyên bản cho biết xe có khả năng kéo từ vận tốc 24km/h ở cấp số 4 lên tới vận tốc tối đa hơn 225km/h. Đối với những dòng xe sử dụng chế hòa khí, điều này hoàn toàn nằm ngoài tầm với.

Trong nhiều thập kỷ, hệ thống phun xăng trực tiếp không thực sự trở nên phổ biến, hãng Bosch đã phát triển hệ thống sử dụng công nghệ phun đa điểm. Hệ thống này được trang bị trên những khối động cơ hàng đầu của hãng với 6 xylanh thẳng hàng hay cả mẫu V8 6,3L huyền thoại. Ngoài ra, hệ thống còn được sử dụng trên Porsche 911, lần đầu xuất hiện vào năm 1968 và được duy trì tới 1973.

Theo “The Porsche 911 Story” của tác giả Paul Frére, hệ thống được áp dụng theo một cách khác với Mercedes 300SL. Đầu tiên, bơm nhiên liệu được dẫn động bởi trục cam phía bên trái và piston được truyền động bởi trục cam truyền thống so với trục bánh lệch tâm.

Nhiên liệu được kiểm soát thông qua tiết lưu chiều xả ra (meter out) bằng cách xoay piston, được quay bởi các cần phụ thuộc vào vị trí van tiết lưu, tốc độ và nhiệt độ của động cơ cũng như khí áp. Bên cạnh đó, hệ thống còn trang bị solenoid khởi động lạnh (cold-start solenoid) giúp làm giàu hỗn hợp nhiên liệu và khí trước khi đi tới buồng đốt.

2. Lucas

Quay trở lại giữa thập niên 1950, đối thủ lớn nhất trong mảng đua xe thời điểm đó của Mercedes là Jaguar, hãng cũng sở hữu hệ thống phun nhiên liệu cơ khí được phát triển bởi Lucas. Hệ thống này đơn giản hơn so với Bosch nhưng cũng hiệu quả không kém.

Bài báo trên S.A.E Journal giải thích rằng hệ thống phun nhiên liệu của Lucas xoay quanh một măng sông (sleeve) được dẫn động bởi trục cam với tỷ lệ tốc độ 1:1. Măng sông này được khoan các lỗ dọc theo chiều dài dành cho các xy lanh trong động cơ, và bên trong đó piston có thể di chuyển tự do giữa hai điểm chết nhằm đóng và mở lỗ.

Trong đó, một đầu là cố định và đầu còn lại có thể di chuyển bằng cần nối với hai lò xo – một lò xo tự động điều chỉnh hỗn hợp theo áp suất tại cổ góp (manifold pressure), lò xo còn lại cho phép chiếm quyền thủ công (manual override) để làm giàu cho hỗn hợp.

Sau thảm họa Le Mans 1955, Mercedes quyết định rút lui khỏi lĩnh vực đua xe, từ đó cuộc cạnh tranh diễn ra giữa Jaguar và Ferrari. Một mẫu Jaguar D-Type trang bị hệ thống phun nhiên liệu của Lucas đã giành chiến thắng tại Le Mans vào năm 1957, và không lâu sau đó, hệ thống này được áp dụng trên nhiều mẫu xe đua khắp nước Anh.

Tuy không phức tạp như hệ thống của Bosch trang bị trên những mẫu Mercedes, không tinh chỉnh dựa theo khí áp và nhiệt độ môi trường, hệ thống này vẫn rất phù hợp với các mẫu xe đua.

Một bài viết từ tháng 12 năm 2000 của tạp chí Motor Sport giải thích rằng trong những năm 60, hệ thống này đã được sửa đổi bằng cách sử dụng một cam điều chỉnh hỗn hợp, và nó đã được áp dụng bởi các động cơ Grand Prix hàng đầu của thời đại đó. Coventry Climax đã sử dụng nó cho các động cơ V-8 của mình, cũng như BRM, và cuối cùng nó đã xuất hiện trên động cơ Cosworth DFV chiếm ưu thế.

“Mặc dù đắt đỏ vì cần đến máy chế biến chính xác, nó lại gọn gàng, đáng tin cậy, chính xác, đơn giản hóa nhiều so với việc bảo dưỡng nhiều bộ ga difficult-to-balance, và còn giúp tiết kiệm nhiên liệu,” Motor Sport nói.

“Phối hợp với hệ thống đánh lửa không tiếp xúc Lucas OPUS (oscillating pick-up system), được giới thiệu sau này, nó tạo nên một gói nhiên liệu và đánh lửa hoàn chỉnh cho các động cơ sáu và tám xi lanh hiệu suất cao, một gói mà hầu như tất cả mọi người trong F1 đều sử dụng. Cho đến khi hệ thống điều khiển điện tử dành cho bugi và phun tia trở nên khả dụng vào đầu những năm 1980, trang bị này mới dần trở nên lạc hậu.”

Tuy nhiên, ứng dụng cho các ô tô sản xuất hàng loạt thì không phổ biến. Lucas đã phát triển một hệ thống Mk II sử dụng trên mẫu Triumph TR5.

Ở đây, măng sông được dẫn động bởi động cơ với tốc độ bằng một nửa so với tốc độ của động cơ thông qua bộ phân phối, và điểm chết có thể di chuyển được điều chỉnh chỉ dựa trên khoảng chân không động cơ.

Một trang diễn đàn về TR5 viết rằng hệ thống này được coi là không đáng tin cậy vào thời điểm đó, dù tính chất cơ khí đơn giản, và nó thậm chí chưa bao giờ được đưa vào Hoa Kỳ. Thay vào đó, hãng cung cấp mẫu TR250 sử dụng chế hòa khí, dù thực tế là hiệu suất kém hơn nhiều so với TR5.

3. SPICA Inezione

Khác với Triumph, Alfa Romeo chỉ đưa các mẫu xe sử dụng hệ thống phun nhiên liệu vào Hoa Kỳ, giữ lại các mẫu trang bị chế hòa khí cho thị trường nội địa. Hệ thống phun nhiên liệu SPICA của Alfa Romeo - được đặt theo tên của công ty đã phát triển nó (Società Pompe Iniezione Cassani & Affini) – ban đầu là sự lựa chọn thay thế cho hệ thống Lucas Mk I đang thống trị mảng xe đua.

Tuy vậy, cuối thập niên 1960, hệ thống này được điều chỉnh để sử dụng trên các mẫu xe phổ thông của Alfa Romeo để có thể vượt qua quy trình kiểm tra của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ.

Chiếc ô tô đầu tiên của ông Spadaro là Alfa Romeo GTV trang bị hệ thống SPICA, và ông đã làm việc với những hệ thống này suốt nhiều thập kỷ.

“Đầu tiên, có một cam ba chiều, quay dựa theo vị trí van tiết lưu. Bên cạnh đó, khi xét tới khía cạnh tốc độ, khi tăng vòng tua máy, trên con đội chết (ramp) có ổ bi và khi tốc độ động cơ tăng lên, lực ly tâm tăng lên tương ứng và ổ bi đi xa hơn trên con đội chết, từ đó di chuyển cam ba chiều vào và ra.”

Để tránh hiểu lầm, cam được coi là ba chiều vì nó di chuyển trong ba chiều không gian - quay quanh trục, di chuyển về phía trước và sau. Một con đội (follower) trên cam di chuyển một thanh trượt làm quay bơm piston, do đó tăng hoặc giảm lượng nhiên liệu được cấp trong mỗi kỳ.

Mỗi piston được gắn với một thanh truyền nối với một trục được dẫn động bởi trục khuỷu với tốc độ bằng một nửa so với động cơ. Giống như những phiên bản sử dụng hệ thống của Bosch, các đòn bẩy bổ sung điều chỉ thanh trượt để bù đắp cho các điều kiện chạy và khí quyển khác nhau.

Đáng chú ý, hệ thống SPICA cho phép Alfa Romeo đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải Hoa Kỳ suốt thập niên 1970 mà không cần phải hy sinh hiệu suất. Tuy nhiên, hệ thống này cũng là nguồn cơn của nhiều tranh cãi. Dù lý do là gì, Alfa Romeo không muốn các kỹ thuật viên độc lập can thiệp vào hệ thống này, vậy nên họ chưa từng công bố bất kỳ tài liệu kỹ thuật nào.

“Vào những năm 70, Alfa giữ mọi thứ rất kín kẽ,” ông Spadaro cho hay. Họ không cung cấp nhiều thông tin. Những thông tin chúng tôi có được vào thập niên 70 và 80 chủ yếu là những dự đoán cá nhân.”

Những thông tin đó đã được thu thập và phân phối bởi các hội nhóm chuyên về Alfa Romeo, và cuối cùng công chúng đã có được những tài liệu rò rỉ nội bộ. Dù vậy, trong một thời gian dài, việc sửa chữa hệ thống SPICA rất khó khăn, vì vậy nhiều kỹ thuật viên và chủ xe đã tháo hệ thống này ra và chuyển sang sử dụng chế hòa khí.

Đây là điều mà ông Spadaro cảm thấy đáng tiếc, bởi nếu được thiết lập và bảo dưỡng đúng cách, hệ thống SPICA hoạt động vô cùng tuyệt vời. Ông đã cùng chiếc GTV từ trung học di chuyển quãng đường 402.000km và hiện vẫn bảo dưỡng cho chủ nhân mới của chiếc xe này. Hơn nữa, bơm nhiên liệu trên xe vẫn là nguyên bản.

4. Kugelfischer

Bosch không phải đơn vị duy nhất đến từ Đức cung cấp hệ thống phun nhiên liệu. Ra mắt cùng mẫu Peugeot 404 vào năm 1962, công ty Schäfer Einspritztechnik đã tạo ra một hệ thống mang tên Kugelfischer, đặc biệt thành công khi trang bị trên BMW 2002tii khoảng một thập kỷ sau đó.

Về nguyên lý cơ bản, nó không khác biệt nhiều so với các hệ thống của Bosch và SPICA, với các piston có lò xo cho mỗi xi-lanh, tất cả được dẫn động từ một trục cam chung. Nhưng thay vì quay các piston để xác định lượng nhiên liệu được phun qua các đường ống, việc cung cấp nhiên liệu được thực hiện bằng cách thay đổi hành trình của piston.

Quá trình này được thực hiện thông qua một thiết bị hình nón ở dưới trục cam di chuyển qua lại dựa trên tốc độ động cơ. Một cuốn sách hướng dẫn kỹ thuật của BMW đầu những năm 80 giải thích rằng nó hoạt động gần giống với đồng hồ đo tốc độ, sử dụng một nam châm truyền tốc độ động cơ đến nón thông qua một bộ bánh răng.

Thiết bị hình nón đó di chuyển qua lại tùy theo vị trí van tiết lưu, trong khi sự quay được xác định thông qua tốc độ của động cơ.

BMW có lẽ là khách hàng nổi tiếng nhất của hệ thống này, và mặc dù BMW 2002tii là mẫu xe đường phố duy nhất sử dụng Kugelfischer, hầu hết các động cơ xe đua của hãng suốt những năm 80 đã trang bị hệ thống này. Ford cũng sử dụng hệ thống Kugelfischer trên dòng Capri RS2600, và Porsche đã sử dụng nó cho động cơ xe đua vào giữa những thập niên 1970.

5. Vậy chuyện gì đã xảy ra?

Trớ trêu thay, có lẽ chính Bosch đã khai tử hệ thống phun nhiên liệu cơ khí. Chrysler là nhà sản xuất ô tô đầu tiên sử dụng hệ thống Bendix Electrojector, nhưng nó đã đi trước thời đại quá nhiều. Cuối những năm 1950 là thời kỳ đầu của bóng bán dẫn thể rắn và chúng chưa đáp ứng được nhiệm vụ chạy hệ thống phun nhiên liệu điều khiển bằng máy tính.

Nhưng khoảng một thập kỷ sau khi Bosch ra mắt D-Jetronic, công nghệ này đã trưởng thành đáng kể.

Trong một thời gian, hệ thống K-Jetronic của Bosch trở nên phổ biến hơn. Đó là một hệ thống cơ khí thuần túy, nhưng là hệ thống phun nhiên liệu liên tục và có thiết kế máy bơm đơn giản hơn nhiều so với các hệ thống khác được mô tả trong bài. Nhưng trong thời gian đó, công nghệ phun nhiên liệu điều khiển bằng máy tính ngày càng trở nên hiệu quả hơn.

Các hệ thống điều khiển bằng máy tính ít phức tạp hơn về mặt cơ học, không có các đòn bẩy, van và cảm biến cần thiết để xác định bản đồ nhiên liệu và chúng thậm chí còn mang lại tính linh hoạt cao hơn. Khi Bosch phát triển Motronic, một hệ thống điều khiển cả nhiên liệu và quá trình đánh lửa, hệ thống phun nhiên liệu cơ khí đã đi vào dĩ vãng.

Giờ đây, công nghệ này trở thành một môn nghệ thuật bí ẩn, được lưu truyền bởi những người thợ máy như Spadaro, những người đánh giá cao sự sang trọng của một hệ thống hoàn toàn analog được chế tác tinh xảo.