KIỂM SOÁT TÀI CHÍNH
Chương 12. SỰ PHÁT TRIỂN TRONG NGÀNH Ô
Trong suốt những năm đầu của ngành công nghiệp ô tô, mục tiêu trước mắt của các kỹ sư và nhà phát minh chỉ đơn giản là độ tin cậy – đưa một chiếc xe đến đâu đó và trở lại với quyền lực của riêng nó. Nhiều ý tưởng ô tô sáng giá kết thúc bằng một con ngựa, một cuộn dây và một tiếng cười. Mặc dù sự cải tiến rất đắt đỏ, nhưng những người lái xe Mỹ vẫn vui vẻ trả các hóa đơn cho nó. Với sự nhiệt tình của họ về phương tiện vận chuyển cá nhân, họ đã mua những chiếc xe, đáng tin cậy hoặc không và từ đó cung cấp nguồn gốc của một phần đáng kể nguồn vốn rủi ro cho thử nghiệm và sản xuất. Không nhiều ngành công nghiệp được khách hàng ưa chuộng. Trong 20 năm, độ tin cậy của xe hơi liên quan đến tình trạng đường phố đã được thiết lập. Phương tiện vận tải cơ giới cá nhân, một trong những thành tựu to lớn trong sự tiến hóa của nhân loại, là một thực tế phổ biến của cuộc sống và tất cả mọi người đều có thể thưởng thức nó.
Tuyệt vời như khi có được những tiến bộ về kỹ thuật từ năm 1920, ngày nay, về cơ bản, chúng tôi cũng có một loại máy đã được tạo ra trong 20 năm đầu tiên của ngành công nghiệp. Chúng tôi vẫn đối mặt với một chiếc xe chạy bằng
xăng. Trung tâm của động cơ vẫn là một pit-tông trong xi lanh, chạy bằng việc đốt hỗn hợp xăng và khí, được đánh lửa đều đặn bởi một tia lửa điện phát từ bugi. Năng lượng có được nhờ lực đẩy của pit-tông quay một trục khuỷu, theo cơ chế truyền động, làm quay các bánh xe phía sau. Lò xo và lốp cao su bảo vệ lái xe và hành khách khỏi những tác động va chạm và phanh dừng xe lại bằng cách áp dụng lực ma sát tại các bánh xe.
Nhưng từ năm 1920, những cải tiến lớn đã được thực hiện ở mọi điểm: Các động cơ đã hiệu quả hơn nhiều, cung cấp nhiều lực hơn từ cùng một lượng nhiên liệu và nhiên liệu cũng đã được cải thiện rất nhiều. Bộ truyền động đã trải qua một quá trình cải tiến phức tạp cho đến giờ đã hoàn toàn tự động. Hệ thống giảm xóc đã trải qua sự cải tiến tương tự như với lốp xe và chúng đã cùng tạo nên một sự lột xác gần như hoàn toàn so với 40 năm trước. Lái xe có thể tăng thêm lực cho hệ thống phanh và điều khiển cửa sổ, ghế và ăng-ten vô
tuyến. Xe có nhiều màu sắc, thường được làm hoàn toàn bằng thép và có kính an toàn. Với sự phát triển của ô tô, tầm quan trọng của nó trong hoạt động
hàng ngày đã tăng lên rất nhiều và kéo theo nhu cầu về chất lượng đường sá tốt hơn nữa. Thật khó có thể tưởng tượng ra những gì ảnh hưởng đến đường sá như thế ngày nay có thể tác động đến sự phát triển của ngành công nghiêp ô tô đầu những năm 1920.
Tuy nhiên, lái xe ngày nay sẽ nhận thấy chiếc xe điển hình của những năm 1920 hoàn toàn không đạt yêu cầu. Nó có một động cơ bốn xi-lanh, có trục khuỷu và thanh nối pit-tông với trục khuỷu không cân bằng. Thông thường chiếc xe này có hệ thống phanh hai bánh với phanh chỉ được lắp ở bánh sau, nó không có giảm xóc độc lập ở bánh trước; nó có bộ truyền động bánh răng trượt và một động cơ công suất thấp. Nó rung và khá lắc, nó đổi hướng và đôi khi trượt khi dùng phanh; nó khó đi, côn quá bó; các bánh răng đụng mạnh vào nhau trong quá trình chuyển động và, do có ít lực, nên chúng luôn phải được sang số liên tục nếu lên những quả đồi khá dốc. Nhưng chiếc xe thường được chuyển đến đâu đó rồi quay trở lại; may mắn thay, nó không thể đi nhanh hoặc xa đủ để nhiều khiếm khuyết của chúng trở thành hạn chế nghiêm trọng.
Nó gần như bị ép thích nghi với môi trường; các bộ phận chính thích nghi hợp lý với nhau, tuy nhiên ở mức độ thấp về tính hiệu quả và tương thích.
Vấn đề phát triển ô tô đó là nâng cao mức độ hiệu quả và điều này thường đồng nghĩa với việc nâng cao mức độ hòa hợp của nó. Ô tô ngày hôm nay, thay vì các bộ phận lắp ráp và cơ chế lỏng lẻo của 50 năm có lẻ trước đây, là một tổng thể rất phức tạp và tích hợp chặt chẽ về máy móc. Chỉ trong những năm gần đây, nghệ thuật cơ khí mới có thể thực hiện tốt các hiệu ứng kết hợp về hiệu suất cao, vận hành thuận tiện, thoải mái và tạo nên đặc trưng của xe hơi hiện đại.
Các phòng thí nghiệm nghiên cứu của General Motors và các nhân viên kỹ thuật đã đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của ô tô trong 50 năm qua và tiếp tục đi đầu trong phát triển kỹ thuật. Sẽ không thể mô tả được mọi điểm quan trọng mà General Motors và ngành công nghiệp đã làm được: phải cần đến cả một cuốn sách khác nữa. Ở đây, tôi chỉ đề cập đến một vài tiến bộ quan trọng và liên quan đến nhau trong quá trình phát triển này.
Xăng ethyl và động cơ nén cao
Vấn đề trọng tâm trong kỹ thuật ô tô là phát triển một mối quan hệ thỏa đáng hơn giữa nhiên liệu và động cơ. Hiệu quả của một động cơ pit-tông – khả
năng sử dụng hiệu quả nhiên liệu và do đó có được công suất lớn nhất từ một lượng nhiên liệu nhất định – phụ thuộc vào sức nén của nó. Các khái niệm về nén rất đơn giản, nhưng người đọc nói chung vẫn cần một chút thông tin. Pit- tông có một vị trí mà mà tại đó nó có thể xuống sâu nhất trong xi lanh của
động cơ và một điểm nữa khi nó có thể lên cao nhất trong xi lanh. Khi pit-tông ở mức cao nhất, ống dẫn nhiên liệu sẽ bị nén. Nhiên liệu bắt đầu cháy do bén lửa và khí nóng sẽ tản ra và đẩy pit-tông xuống. Khi pit-tông bị đẩy xuống, sẽ làm quay trục khuỷu và truyền năng lượng tới các bánh. Tỉ lệ nén là tỷ lệ giữa khối lượng của xi lanh khi pit-tông bị đẩy xuống xa nhất có thể và khối lượng vẫn như vậy khi nó có thể lên cao nhất có thể. Tỷ lệ này chỉ đơn thuần là so sánh khối lượng nạp nhiên liệu trong tình trạng không bị nén, với tình trạng khi bị nén. Trong những năm 1920, tỉ lệ nén trung bình là khoảng 4:1.
Như tôi đã nói, để thiết kế một động cơ hiệu quả và mạnh mẽ hơn với kích thước nhất định đồng nghĩa với việc tăng tỉ lệ nén. Nhưng đây là một vấn đề nghiêm trọng đứng ngáng đường – kích nổ. Hỗn hợp xăng và không khí nên đốt cháy tương đối chậm để đẩy pit-tông xuống. Nếu nó phát nổ – đốt cháy quá nhanh, pit-tông sẽ không thể di chuyển đủ nhanh để tận dụng lợi thế của lực được tạo ra. Thật vậy, không chỉ lực bị mất trong quá trình kích nổ, mà các lực đột ngột sẽ đặt áp lực lên các bộ phận động cơ, mà có thể và đã làm hỏng động cơ.
Để nén cao hơn, phải tìm cách giảm kích nổ. Nhưng nguyên nhân dẫn đến kích nổ là gì? Trong những ngày đầu sử dụng xe hơi, người ta phát hiện ra rằng có thể làm giảm kích nổ bằng cách điều chỉnh thời điểm đánh tia lửa. Hầu hết các xe, trong nhiều năm, đã có một cần gạt đánh lửa bằng tay thuận tiện cho người lái xe để chọn cách đánh lửa tốt nhất cho các điều kiện lái xe khác nhau.
Mọi người học cách đánh lửa bằng tay khi lái xe lên dốc, để ngăn chặn kích nổ khi động cơ đã hoạt động quá lâu hoặc quá công suất.
Người đã bắt đầu các nghiên cứu quan trọng về kích nổ ở General Motors và chịu trách nhiệm cho sự đột phá của chúng tôi về giải pháp cho vấn đề là
Charles F. Kettering, người từ lâu đã quan tâm đến thắc mắc về đánh lửa,
nhiên liệu, v.v… Không xe ô tô nào chạy hay không máy bay nào hoạt động với một động cơ pit-tông ngày nay mà không có những lợi ích của việc phát triển nhiên liệu chống nổ đi tiên phong bởi Kettering. Ông đã mang kiến thức đầu tiên của mình về vấn đề này đến General Motors và ông đã trở thành giám đốc nghiên cứu của General Motors khi đưa ra giải pháp này. Giải pháp đó chính là xăng ethyl, được sản xuất ra với chì tetraethyl phụ gia.
Tính đến thời điểm Thế chiến Thứ nhất, kích nổ được cho là hậu quả của việc đánh lửa quá sớm khi các tia lửa bắn ra quá xa. Ngay sau Thế chiến Thứ nhất, người ta phát hiện rằng có một loại nổ được gọi là “nổ nhiên liệu,” bởi bằng cách thay đổi nhiên liệu và thiết lập nhiên liệu mà không cần điều chỉnh tia lửa, loại nổ này có thể được giảm bớt hoặc loại bỏ. Một trong những người
nghiên cứu về vấn đề này là Thomas Midgley, Jr. quá cố. Ông đã nảy ra ý tưởng này thông qua phòng thí nghiệm kỹ thuật Dayton, nơi ông là trợ lý cho
Kettering và sau đó trở thành giám đốc bộ phận nhiên liệu trong đầu những năm 1920 tại General Motors Research Corporation.
Hầu như mỗi lần tôi gặp Tom, ông ấy đều có lý thuyết mới nào đó về cơ chế nổ hay hành động chống nổ. Trong khi những lý thuyết kế tiếp thường không đạt sau thử nghiệm, thì chúng vẫn luôn gây kích thích và thường xuyên dẫn đến những khám phá quan trọng. Ví dụ nổi bật nhất về điều này là trong công tác đầu tiên, ông đã cố gắng để đưa ra giả thuyết cho lý do tại sao nổ dầu hỏa lại tệ hơn so với nổ xăng. Ông đã nắm bắt được những điểm khác biệt rõ ràng về tính dễ bốc hơi và mặc nhiên công nhận rằng có thể phần lớn dầu hỏa vẫn ở dạng giọt cho đến khi quá trình đốt cháy bắt đầu và sau đó đột ngột bay hơi khiến việc nổ diễn ra quá nhanh. Nếu lời giải thích này là đúng, ông lý luận rằng bằng cách nhuộm dầu hỏa, ta có thể làm cho các giọt dầu hấp thụ nhiệt bức xạ từ buồng đốt và do đó bay hơi sớm.
Nếu Tom là một nhà vật lý giỏi, chắc chắn ông có thể đã tính toán được rằng lý thuyết này không thể chấp nhận, nhưng do ông là một kỹ sư cơ khí, nên đã may mắn quyết định rằng thử nó còn dễ hơn tính toán. Ông đã đến kho để tìm kiếm một số thuốc nhuộm tan trong dầu và như thường lệ nhà kho vừa mới hết thứ ông cần. Tuy nhiên, Fred Chase đã gợi ý rằng i-ốt tan trong dầu và sẽ
nhuộm màu cho dầu hỏa, vì vậy Tom kịp thời hòa một số lượng lớn iốt vào dầu hỏa, thử nghiệm nó trong một động cơ nén cao vừa phải và phát hiện ra việc nổ đã bị loại bỏ hoàn toàn.
Tom đã ngay lập tức gửi đến cho Dayton tất cả các mẫu thuốc nhuộm tan trong dầu có sẵn và chiều hôm đó thử nghiệm một vài mẫu khác nhưng không thu về kết quả. Để chứng minh vấn đề này, ông thêm hợp chất i-ốt không màu vào xăng và thấy rằng hiện tượng nổ không còn. Như vậy, lý thuyết đầu tiên về hiện tượng nổ đã tạo nên một nghĩa trang, đầy ắp, nhưng cùng với sự sụp đổ của nó là sự ra đời thực sự của nhà hóa học Tom và trong vài năm sau đó, ông là một học sinh khó thỏa mãn về mọi nhánh hóa học để hỗ trợ ông trong nỗ lực để giải thích các quan sát của ông và tạo nên các hợp chất mới để thử
nghiệm như là các tác nhân chống nổ...
Sau đó, Tom đặc biệt quan tâm về các khả năng của anilin mặc dù, khi phát hiện ra một tác nhân chống nổ mới nào, ông luôn bắt tay vào cải thiện các phương pháp sản xuất và giảm chi phí trước khi các đại lý đạt được lợi nhuận.
Ông cũng đã có một số hy vọng về hợp chất ethyl đầu tiên của mình, ethyl iodide, nếu ông có thể tìm ra nguồn i-ốt phong phú...
Tại cuộc họp thường niên của Hiệp hội Kỹ sư Ô tô tại New York vào tháng 1 năm 1922 Tom, rất hứng thú và ra vẻ bí mật, ông đã cho tôi thấy một chút chì tetraethyl trong ống nghiệm và nói với tôi rằng đó thực sự là câu trả lời cho toàn bộ vấn đề. Hiệu quả của nó, ông nói, cao hơn nhiều so với bất kỳ hợp chất nào được phát hiện trước đây. Tất nhiên, ông vẫn chưa đánh giá cao các vấn đề độc tính hoặc cặn.
Vì vậy, sau nhiều năm thử nghiệm của Kettering, Midgley và General
Motors Research Corporation, chúng tôi đã có được sáng chế. Nhưng có được sáng chế là một chuyện và thị trường có đón nhận nó hay không là một chuyện khác. Vào tháng 8 năm 1924, Ethyl Gasoline Corporation đã được thành lập, với mục đích tiếp thị chì tetraethyl như một hợp chất chống nổ. Công ty này là mối quan hệ đối tác giữa General Motors và Standard Oil tại New Jersey. Ban đầu dịch Ethyl được sản xuất bởi du Pont theo hợp đồng và phải đến năm 1948, Ethyl bắt đầu tự sản xuất tất cả các yêu cầu của riêng nó.
Chì tetraethyl chỉ là một trong những bước cần thiết trong quá trình phát triển của động cơ nén cao. Mặc dù nó có ảnh hưởng trong việc cải thiện chất lượng nhiên liệu, nhưng trong đầu những năm 1920, chính nhiên liệu cũng có thay đổi rất lớn về chất lượng. Thật vậy, không có cách nào phổ biến để đo
lường nhiên liệu này với nhiên liệu khác nhằm xác định giá trị tương đối của chúng để sử dụng trong động cơ chạy bằng xăng.
General Motors đã thực hiện một nghiên cứu về tình trạng này và phát triển một phương pháp đo lường chất lượng nguyên liệu chống nổ, hoặc khả năng của động cơ để chấp nhận một loại nhiên liệu đã có xét trên sức nén cao hơn của động cơ. Phương pháp đo lường này đã rút gọn nhiên liệu theo “số octan.”
Tiến sĩ Graham Edgar của Ethyl đã đưa ra quy mô chỉ số octan vào năm 1926;
Kettering và các kỹ sư nghiên cứu phát triển xi-lanh đơn đầu tiên, động cơ thử nghiệm nén biến đổi mà nhờ đó chất lượng nhiên liệu có thể là đo lường được theo chỉ số octan. Một động cơ thử nghiệm sử dụng nguyên tắc nén biến đổi sau đó đã được thông qua như một tiêu chuẩn bởi ngành công nghiệp ô tô và
xăng dầu.
Tất nhiên, một cách có thể tăng được các chỉ số octan là để thêm chì
tetraethyl vào, nhưng cách khác là thông qua quá trình lọc dầu thô tốt hơn. Cải tiến to lớn đã được thực hiện trong việc phá vỡ và tái tạo hydrocarbon được tìm thấy trong dầu thô vừa để tăng sản lượng xăng từ một thùng dầu thô vừa để cải thiện chỉ số octane của nó trước khi thêm chì tetraethyl. Đây là một câu chuyện nghiên cứu đầy kịch tính ở chính nó và là một nghiên cứu trong đó Kettering và các cộng sự đã đóng góp một phần rất quan trọng trong quá trình tiên phong. Chỉ số octan của loại xăng thương mại tại các trạm xăng đã tăng từ 50 lên 55 trong đầu những năm 1920, lên 95 hoặc trên 100 tại thời điểm hiện tại.
(Trong loại xăng hàng không, chỉ số octan thậm chí còn cao hơn). Điều này đã ảnh hưởng rất lớn đến nền kinh tế nhiên liệu khi đo dặm xe trên mỗi gallon dựa trên một tiêu chuẩn nhất định về hiệu suất và do đó ảnh hưởng đến hiệu quả mà nhờ đó chúng ta ngày nay sử dụng các nguồn xăng dầu của chúng ta.
Một yếu tố khác trong việc giảm hiện tượng nổ là thiết kế của bản thân động cơ. Ngày nay, chúng ta biết rằng trong buồng động cơ đốt trong, tình trạng sóng va chạm rất phức tạp được tạo ra do hiện tượng nổ nhiên liệu. Các sóng xung kích có thể làm tăng nhiệt độ của nhiên liệu rất nhanh chóng và góp phần vào hiện tượng nổ. Nghiên cứu về hình dạng và các đường nét đầu đốt khác nhau đã gợi ý ra hình dạng đặc biệt cho hiệu ứng nổ ít nhất với tỉ lệ nén cao nhất.
Tôi sẽ đề cập đến ở đây một vấn đề về thiết kế động cơ, hoàn toàn độc lập với nhiên liệu, trong đó có một tác dụng hạn chế nghiêm trọng sự phát triển của động cơ mạnh hơn. Các kỹ sư của General Motors đã góp phần quan trọng vào giải pháp này. Rung, luôn gây khó chịu, đã trở thành một vấn đề kỹ thuật quan trọng hơn tốc độ và lực. Sau đó, các bộ phận chuyển động qua lại và quay
không cân bằng trong động cơ đã trở thành nguồn gốc của lực rung phá hoại và là một yếu tố hạn chế về tiến bộ tổng thể của ô tô.
Một trong những nguồn gây rung chính là trục khuỷu, “xương sống của động cơ,” nơi mà bất kỳ sự mất cân bằng nào đều được biểu hiện ở động cơ và xe. General Motors Research Corporation đã bắt đầu nghiên cứu về vấn đề cân bằng động cơ từ đầu những năm 1920 và một máy cân bằng trục khuỷu được phát triển và lần đầu tiên được sử dụng trong sản xuất động cơ Cadillac vào năm 1924. Máy này, hàng trăm trong số đó hiện đang được sử dụng trên toàn thế giới, đã được độc quyền phát triển bởi General Motors và trao cho chúng tôi vị thế dẫn đầu trong việc cân bằng động cơ trong ngành công nghiệp. Khi