Nikolaus August Otto và câu chuyện về động cơ đốt trong 4 kỳ

Mặc dù không được học hành đầy đủ về kỹ thuật nhưng Nikolaus August Otto (1832-1891) đã phát minh ra động cơ đốt trong đầu tiên có thể sử dụng hiệu quả. Otto cũng là người sáng chế ra động cơ 4 kỳ mang tên ông được áp dụng rộng rãi trong ngành sản xuất xe hơi.

Nikolaus Otto sinh tại Holzhausen auf der Heide, một ngôi làng nhỏ bên sông Rhine River của Đức. Ở trường, Otto tỏ ra rất xuất sắc và mẹ ông đã định cho ông học tiếp ngành kỹ thuật. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của cuộc cách mạng Đức năm 1848 và điều kiện kinh tế suy thoái, ông được định hướng trở thành một thương gia. Otto đã từng là đại diện kinh doanh cho các sản phẩm trà, đường, đồ gia dụng và tạp phẩm dọc biên giới phía tây nước Đức.

Động cơ đầu tiên của Otto

Mặc dù Otto mất khá nhiều thời gian vào việc đi lại từ Cologne tới rất nhiều thị trấn nhỏ để làm việc, nhưng ông vẫn có đủ thời gian để gặp gỡ và tìm hiểu Anna Gossi. Thời gian tìm hiểu của họ đã kéo dài tới 9 năm cùng với những chuyến đi và niềm đam mê mới của Otto: đó là động cơ. Hiện nay, những nhà nghiên cứu vẫn chỉ biết rất ít về những diễn biến trong thời gian đầu của niềm đam mê động cơ và những thí nghiệm của Otto qua những bức thư tình mà Anna nhận được và lưu giữ lại.

Khi còn bôn ba khắp nơi với nghiệp kinh doanh, Otto được biết đến động cơ chạy bằng xăng kiểu mới do Etienne Lenoir phát minh. Đó là động cơ đốt trong đầu tiên hoạt động được. Trước đó, động cơ thường được sử dụng là loại dùng năng lượng đốt ngoài, ví dụ như động cơ hơi nước, trong đó mỗi kỳ đều tạo ra năng lượng.

Mặc dù được đánh giá là bước tiến bộ vượt bậc, nhưng động cơ của Lenoir chưa bao giờ trở thành một phát minh có tính thực tiễn và hiệu quả. Động cơ này dựa trên nguyên lý hoạt động của động cơ hơi nước, chỉ khác là pit-tông được truyền động nhờ sự cháy của hỗn hợp khí và xăng. Khi hỗn hợp này được đốt cháy và giãn nở, nó sẽ tạo lực đẩy lên pit-tông. Tuy nhiên, động cơ này gây tiếng ồn lớn, toả nhiệt nhiều đồng thời nhiên liệu sử dụng đòi hỏi phải được lưu trữ và vận chuyển ở thể khí. Do vậy, ban đầu loại nó được sử dụng phổ biến để thay thế động cơ hơi nước, tuy nhiên sau đó nhanh chóng trở nên ít được ưa chuộng.

Otto tin chắc rằng động cơ của Lenoir sẽ hiệu quả hơn nếu sử dụng xăng hoá lỏng. Mặc dù không được học nhiều về kỹ thuật nhưng Otto vẫn phát minh ra bộ chế hoà khí và tìm cách cải tiến nó theo nhiều cách. Ông đã cố gắng lấy bằng sáng chế về bộ chế hoà khí tại Prussia vào năm 1861 nhưng bị từ chối. Vào năm 1861, Otto đã tự lắp ráp được động cơ chạy bằng xăng đầu tiên của mình.

Cộng tác với Langen

Năm 1864 có thể là một năm may mắn đối với Otto khi ông gặp gỡ Eugen Langen. Langen rất thích chế tạo máy móc và sản xuất đường. Ông đã thiết kế ra nhiều thiết bị trong ngành sản xuất đường. Trong khi tìm kiếm niềm đam mê mới, ông đã được biết tới động cơ của Otto. Dù còn nhiều khiếm khuyết nhưng Langen đã nhận ra được tiềm năng và đồng ý đầu tư cho Otto và động cơ của ông. Họ đã cùng nhau lập nên công ty N.A. Otto và Cie, trong đó Langen chịu trách nhiệm về tiền vốn còn Otto lo phát triển chuyên môn và kỹ thuật về động cơ.

Sau ba năm, sự cộng tác của họ đã tạo ra một động cơ được cải tiến rất nhiều so với động cơ của Lenoir và những động cơ đầu tiên của Otto. Tuy nhiên, khi họ quyết định mang nó tới tham dự triển lãm Paris Exhibition 1867, triển lãm này đã suýt trở thành một kỷ niệm buồn. Ban đầu, người Pháp không để ý tới động cơ mới này mà chỉ quan tâm đến các động cơ đang phổ biến. Tuy nhiên một người bạn học của Langen trong Ban Giám khảo đã thuyết phục các thành viên còn lại về hiệu quả của nó. Thực nghiệm đã chứng minh là động cơ của Otto-Langen sử dụng tiết kiệm tới 50% nhiên liệu so với các động cơ khác và nhờ đó nó đã được trao huy chương vàng.

Thành tích này đã mang đến cho công ty của Langen và Otto các hợp đống lớn vượt ngoài khả năng đáp ứng của họ. Vì vậy họ đã phải kêu gọi thêm cổ đông góp vốn thành lập công ty cổ phần và năm 1872 và chuyển nhà máy sản xuất tới Cologne ngoại ô Deutz. Otto vì không góp tiền vốn nên không có cổ phần và phải chấp nhận ký hợp đồng lao động dài hạn với công ty.

Tại thời điểm này, Langen đã đưa ra một quyết định hết sức quan trọng về nhân sự. Đó là việc tuyển dụng Gottleib Daimler vào vị trí giám đốc kỹ thuật của nhà máy. Daimler đã đưa về nhà máy kỹ sư trẻ đầy tài năng Wilhelm Maybach. Trong 10 năm tiếp theo, Maybach trở thành một nhà thiết kế động cơ có tên tuổi và cùng làm việc với Otto trong nhiều dự án, bao gồm cả việc cải tiến động cơ đốt trong dùng cho xe đường bộ.

Động cơ bốn kỳ

Deutz đã trở thành nhà máy sản xuất động cơ đầu tiên trên thế giới và nhanh chóng đăng ký giấy phép cho các thiết kế của họ ở khắp châu Âu. Năm 1878, Otto công bố một phát minh mới, biến đổi hoàn toàn động cơ đốt trong. Để khắc phục các hạn chế của động cơ đốt trong kiểu Lenoir, Otto đã tìm ra cách sử dụng một pit-tông cho mỗi buồng đốt và chia quá trình cháy thành 4 kỳ. Trong kỳ thứ nhất, hỗn hợp khí và xăng sẽ được đưa qua van vào xy lanh. Kỳ thứ 2 sẽ nén hỗn hợp này để chuẩn bị cho việc đánh lửa. Tại kỳ thứ 3, hỗn hợp được đốt cháy và giãn nở tạo ra năng lượng. Và trong kỳ cuối, pit-tông đẩy khí thải ra khỏi xy lanh nhờ một van khác.

Thiết kế này đã đi ngược lại hoàn toàn nguyên lý của động cơ hơi nước, trong đó mỗi kỳ đều tạo ra năng lượng. Vì thế, ban đầu hầu hết các kỹ sư đều cho rằng động cơ này sẽ kém hiệu quả hơn. Tuy nhiên, quan trọng nhất là Otto đã đưa ra ý tưởng về nạp phân tầng. Khi nhìn khói bay ra từ một ống khói và phân tán vào không khí, Otto nhận ra rằng có thể áp dụng nguyên lý này cho xy lanh để tạo ra động cơ sạch hơn và êm hơn. Mặc dù động cơ bốn kỳ đã nhận được thành công ngay lập tức tuy nhiên có rất nhiều tranh cãi và ý kiến không ủng hộ lý thuyết nạp phân tầng. Với lý thuyết này, Otto đã đi trước thời đại khoảng 1 thế kỷ, bởi sau đó, vào những năm 1970, hãng Honda mới gặt hái được thành công rực rỡ nhờ việc sử dụng động cơ nạp phân tầng trong các xe hơi do hãng sản xuất.

Động cơ Otto

Động cơ bốn kỳ đã được đặt tên là động cơ Otto, và nguyên lý hoạt động được gọi là chu kỳ Otto. Đó là một thành công lớn đối với nhà máy Deutz, và một lần nữa sản lượng của nhà máy không đủ đáp ứng các đơn đặt hàng trên khắp thế giới.

Cuộc chiến về bằng sáng chế

Động cơ Otto trở thành một phát minh quan trọng và tiên tiến tới mức nhà máy Deutz đã phải kiện các nhà sản xuất vi phạm bản quyền sáng chế động cơ này ra toà để bảo vệ vị trí độc quyền trong việc sản xuất và cấp phép sản xuất động cơ Otto. Tuy nhiên vào năm 1884, các đối thủ cạnh tranh đã tìm được bằng chứng chống lại bằng sáng chế này của Otto. Luật sư C. Wigand, bạn của hai nhà sản xuất động cơ Ernst và Berthold Korting, đã tìm ra một quyển sách mỏng bằng tiếng Pháp mô tả chi tiết về nguyên lý hoạt động của động cơ Otto xuất bản trước khi Otto công bố phát minh của mình. Nội dung cuốn sách đó dựa trên bằng sáng chế cấp năm 1862 cho một kỹ sư người Pháp tên là Alphonse Beau de Rochas. Mặc dù Beau de Rochas chưa bao giờ chế tạo một động cơ nào và cũng không duy trì việc trả phí bảo hộ bằng sáng chế, tuy nhiên với sự giúp đỡ của luật sư Wigand, hãng Korting đã đưa vụ việc này ra tòa. Wigand đã khôn khéo lựa chọn một tỉnh của Đức có xu hướng ủng hộ vụ kiện của họ để khởi kiện do thời kỳ này chưa áp dụng việc đăng ký bằng sáng chế quốc gia mà theo từng tỉnh. Thêm vào đó chính phủ Đức cũng muốn hạn chế sự độc quyền nên Otto đã thua kiện và bằng sáng chế của ông tại Đức bị thu hồi. Hãng Kortings được quyền sản xuất động cơ Otto và Otto chỉ có thể duy trì bằng sáng chế của mình tại Anh.

Bảo tàng Otto

Otto mất ngày 26 tháng 1 năm 1891 tại Cologne với một gia sản kếch sù nhờ bằng sáng chế về động cơ Otto. Công ty của ông và Langen – Klockner-Humboldt-Deutz AG – trở thành một trong những hãng sản xuất động cơ đốt trong lớn nhất thế giới . Tượng đài của Otto được đặt tại sảnh trước của nhà ga Deutz ở Cologne.

Đã có một số người được công nhận là người “đặt cả thế giới lên bốn bánh xe”; tuy nhiên, hơn ai hết danh hiệu này đúng với Nikolaus Otto. Và mặc dù, Daimler được cả thế giới biết đến là nhà sản xuất ô tô đầu tiên, nhưng các chuyên gia ngành sản xuất ô tô đều tôn vinh Otto – người đã phát minh ra động cơ Otto – bằng tài năng, sự tìm tòi và khéo léo của chính mình.

Theo vietbao.vn