Động cơ hơi nước – Ông tổ của sự chuyển động

Xe hiện đại dùng động cơ đốt trong – thế có tồn tại động cơ đốt ngoài không?

Như các bạn đã biết, mọi dòng xe ngày nay đa phần đều sử dụng động cơ đốt trong. Đây đã là loại động cơ quá phổ biến với hơn 100 năm phát triển. Nhưng nếu gọi là động cơ đốt trong thì có động cơ đốt ngoài không?

Câu trả lời là CÓ

Bạn chưa biết tới vì đây là loại động cơ đã quá cũ và không còn ứng dụng nhiều ở thời điểm hiện tại nữa. Động cơ đốt ngoài (External Combusion Engine) còn được biết tới như là “động cơ hơi nước”. Phải! Nó là thứ động cơ đã làm nên đế chế của thời đại công nghiệp đầu tiên, nền tảng cho tàu hỏa, tàu thủy và mọi thứ chuyển động sau này!

Mô hình động cơ hơi nước Mini

Động cơ hơi nước là gì

Động cơ hơi nước hay động cơ hơi nước là một loại động cơ nhiệt đốt ngoài sử dụng nhiệt năng của hơi nước, chuyển năng lượng này thành công năng.

Các động cơ hơi nước đầu tiên được sử dụng như là bộ phận chuyển động sơ cấp của bơm, đầu máy tàu hỏa, tàu thủy hơi nước, máy cày, xe tải và các loại xe cơ giới chạy trên đường bộ khác và là nền tảng cơ bản nhất cho Cách mạng công nghiệp.

Các tuốc bin hơi nước, về mặt kỹ thuật cũng là một loại động cơ hơi nước, ngày nay đang được sử dụng rộng rãi cho máy phát điện nhưng các loại cũ hơn hầu như được thay thế bằng động cơ đốt trong và động cơ điện.

Một động cơ hơi nước cần một nồi hơi để đun nước sôi tạo hơi. Việc giãn nở của hơi tạo một lực đẩy lên piston hay các cánh tuốc bin và chuyển động thẳng được chuyển thành chuyển động quay để quay bánh xe hay truyền động cho các bộ phận cơ khí khác.

Một trong những lợi thế của động cơ hơi nước là nó có thể sử dụng bất cứ nguồn nhiệt nào để đun nồi hơi nhưng các loại nguồn nhiệt thông dụng nhất là đun củi, than đá hay dầu hay sử dụng hơi nhiệt năng thu được từ lò phản ứng hạt nhân.

Nguyên lý hoạt động

Động cơ hơi nước sở dĩ có thể vận hành được là do dựa vào sức mạnh của hơi nước làm máy hoạt động. Chúng ta lúc thường ngày đều đã từng đun nước sôi, khi nước trong ấm sôi bồng lên, chúng ta liền phát hiện thấy có hơi nước bay ra. Sức mạnh của những hơi nước này là rất lớn, có thể đẩy bật nắp ấm.

Nếu như thay đổi một chút, dùng nồi thật to để đun nước, thì sức mạnh của hơi nước càng lớn. Khi nước bắt đầu bốc hơi, nếu chúng ta dẫn nó vào trong lỗ nhỏ, ví dụ như một đường ống, rồi lại để nó bốc hơi lên xung lực của nó sẽ càng mạnh mẽ, đủ để làm cho máy móc hoạt động.

Động cơ hơi nước chính là lợi dụng nguyên lý này, cho đến ngày nay, đầu động cơ hơi nước, máy điện báo & thậm chí lò phản ứng hạt nhân vẫn được vận hành bằng hơi nước.

Một mẫu xe mô tô Rat Rod sử dụng động cơ hơi nước khá là chất chơi

Sự ra đời của động cơ hơi nước & Thành tựu mà nó để lại

Cuộc cách mạng lần thứ nhất bắt đầu ở Anh vào cuối thế kỷ 18 với sự ra đời của động cơ hơi nước nhằm đáp ứng nhu cầu dệt may thời đó. Thế rồi kỹ thuật luyện kim được cải thiện, nhu cầu sử dụng than cho động cơ hơi nước tăng cao đã kéo theo sự biến đổi toàn diện về kinh tế, kỹ thuật, văn hóa.

Tàu hỏa – tên gọi có được nhờ việc ra đời với động cơ hơi nước

Cha đẻ của động cơ hơi nước

Năm 1698, Thomas Savery, nhà phát minh người Anh, đã sáng chế động cơ hơi nước đầu tiên. Savery sử dụng các nguyên lý trước đó được đề xuất bởi Denis Papin, một nhà vật lý người Anh gốc Pháp. Savery nghĩ ra một hệ thống bơm nước gần như liên tục nhờ sử dụng hai nồi hơi. Nhưng bất chấp sự thành công ban đầu của hệ thống Savery, người ta sớm phát hiện ra rằng động cơ của ông chỉ có khả năng hút nước ở các mỏ có độ sâu nông. Đây là vấn đề cần khắc phục.

Máy hơi nước của Thomas Savery

May mắn cho các chủ sở hữu hầm mỏ ở châu Âu, nhà khoa học người Anh Thomas Newcomen đã phát triển một thiết bị tốt hơn để bơm nước ra khỏi các mỏ vào năm 1711. Thiết bị của ông sử dụng động cơ hơi nước chứa cả xilanh và piston, giúp loại bỏ sự cần thiết của áp suất hơi tích lũy – một điểm hạn chế trong hệ thống của Savery dẫn đến nhiều vụ nổ đáng tiếc. Thiết bị của Newcomen được gọi là “động cơ khí quyển”, bởi vì mức áp suất hơi mà nó sử dụng gần bằng áp suất khí quyển.

Máy hơi nước của Newcomen sử dụng trong các hầm mỏ

Mặc dù đã có nhiều cải tiến, nhưng động cơ khí quyển của Newcomen vẫn bộc lộ một số hạn chế. Máy hoạt động rất kém hiệu quả, đòi hỏi một dòng nước lạnh chảy liên tục để làm mát xilanh cũng như cần một nguồn năng lượng để làm nóng xilanh trở lại. Bất kể nhược điểm lớn này, động cơ của Newcomen vẫn được sử dụng rộng rãi trong 50 năm sau đó.

Đến năm 1765, James Watt, một kỹ sư người Scotland, đã tìm cách cải tiến động cơ Newcomen. Watt nhận thấy loại động cơ này sư dụng một lượng hơi nước quá lớn. Để khắc phục điều này, cần phải loại bỏ việc làm mát và hâm nóng liên tục xi lanh hơi. Cuối cùng, Watt đã phát triển một bình ngưng tụ riêng biệt cho phép xi lanh hơi duy trì ở nhiệt độ không đổi, làm tăng gấp đôi công suất của động cơ Newcomen.

James Watt (19 tháng 1 năm 1736 – 19 tháng 8 năm 1819) là nhà phát minh và là một kỹ sư người Scotland đã có những cải tiến cho động cơ hơi nước mà nhờ đó đã làm nền tảng cho cuộc Cách mạng công nghiệp. Ông đưa ra khái niệm mã lực và đơn vị SI của năng lượng watt được đặt theo tên ông.

Quá trình phát minh & hoàn thiện động cơ hơi nước của Watt

Ý tưởng muốn tạo ra một chiếc động cơ hơi nước đến với Watt từ khi còn nhỏ, và ông luôn thôi thúc mình làm được điều đó, cho đến một nhóm đã phát hiện hơi nước Newcomen (1705) tuy được dùng rộng rãi nhưng nó có rất nhiều điểm cần được cải tiến. Vì vậy nó trở thành động lực để Watt phải tạo ra một động cơ hơi nước hoàn thiện hơn.

Năm 1763 – 1764, tại Trường Đại học Glasgow, Watt bắt đầu đặc biệt chú ý tới động cơ hơi nước. Watt xác định việc nghiên cứu nguyên lý và kết cấu của động cơ hơi nước là phương hướng chủ yếu của mình. Chính vì điều này mà Watt đã mất ăn mất ngủ.

Vào một buổi sáng nọ, Watt đi bách bộ ngoài sân golf, mặt trời rọi thẳng vào mặt ông. Bỗng nhiên một đám mây đen che khuất mặt trời, trong phút chốc bầu trời như tối lại, một trận gió thổi qua, mặt đất như xanh hơn,không gian như rộng hơn, cảm thấy dễ chịu lạ thường. Ông nhìn lên trời cao, nghĩ lại đám mây đen che kín mặt trời vừa rồi, một ý tưởng mới xuất hiện trong đầu ông: Thiết kế bộ ngưng tụ hơi nước, làm cho hơi nước trực tiếp trở lại trạng thái nước ngay từ ngoài xi-lanh, như vậy chẳng phải xi-lanh có thể duy trì được nhiệt độ tương đối cao sao?”.

Động cơ hơi nước của công ty Boulton-Watt

Để chế tạo được động cơ hơi nước kiểu mới, Watt và các trợ lý của ông làm miệt mài không quản ngày đêm nhưng kết quả chưa giành được thành công, hơn nữa còn nợ nần chồng chất, cuộc sống hết sức khó khăn, có lúc thậm chí không còn tiền để ăn. Nhưng Watt không nản chí, ông càng nỗ lực hơn, cuối cùng năm 1765 ông đã chế tạo thành công một chiếc động cơ hơi nước.

Loại động cơ hơi nước này giảm được 3-4 lượng than tiêu thụ so với động cơ hơi nước Newcomen mà hiệu suất nâng cao lên rất nhiều. Thành công lần này là sự cổ vũ lớn đối với Watt, ông vẫn muốn trực tiếp cải tiến một bước nữa để giảm lượng tiêu hao than xuống, hiệu suất càng cao hơn.

Năm 1782, ông cho ra đời chiếc động cơ hơi nước mới như ông đã suy nghĩ: Máy tiêu hao than ít, hiệu suất làm việc cao. Thành công khi phát minh ra loại động cơ hơi nước này đã làm cho động cơ hơi nước Newcomen trở nên lạc hậu không còn chỗ đứng.

Động cơ hơi nước do Watt phát minh nhanh chóng được sử dụng rộng rãi. Tàu thuyền, tàu hỏa dùng động cơ hơi nước đua nhau ra đời, công nghiệp toàn thế giới nhanh chóng bước vào thời đại động cơ hơi nước”

Tháng 6 năm 1775, giữa Boulton và Watt đã ký kết một hợp đồng có giá trị 25 năm, thành lập công ty Boulton-Watt chuyên sản xuất và tiêu thụ loại động cơ hơi nước mới. Đây chính là tiền đề để cho Watt sáng tạo ra những cỗ động cơ hơi nước ngày càng tân tiến hơn. Trong 25 năm sau đó,công ty của Watt và Boulton đã sản xuất một số lượng lớn động cơ hơi nước cung cấp cho thị trường.

Năm 1781, Watt còn phát minh ra một bộ phận bánh răng để giúp động cơ hơi nước chuyển động xoay tròn làm cho động cơ hơi nước mở rộng phạm vi sử dụng. Ông còn phát minh ra bộ phận ly tâm điều chỉnh tốc độ, thông qua đó động cơ hơi nước có thể tự động khống chế. Năm 1790, ông đã phát minh ra đồng hồ áp lực, đồng hồ chỉ thị, van tiết lưu và nhiều cải tiến có giá trị khác.

Năm 1782, cỗ động cơ hơi nước chuyển động song hướng do Watt nghiên cứu và chế tạo đã ra đời và được cấp bằng sáng chế độc quyền. Năm 1784, loại động cơ hơi nước nằm cũng được xác nhận quyền sáng chế. Động cơ hơi nước ngày càng có tính ứng dụng cao và dược sử dụng rộng rãi, nó có tên gọi là động cơ hơi nước vạn năng”.

4 năm sau, Watt phát minh ra bộ phận ly tâm điều chỉnh tốc độ và bộ phận điều tiết hơi. Năm 1790, Watt chế tạo thành công bộ phận biểu thị công năng của xi-lanh đầu tiên. Lúc này thì Watt đã hoàn thành toàn bộ quá trình phát minh ra động cơ hơi nước của mình. Đây là một bước đại nhảy vọt trong kỹ thuật sản xuất của loài người. Đây có thể được gọi là bản tuyên ngôn của nhân loại đã bắt đầu tiến vào Thời đại động cơ hơi nước.

Đóng góp của động cơ hơi nước đối với thế giới

Năm 1776, Watt đã hợp tác với Matthew Boulton, một doanh nhân người Anh, để sản xuất hàng loạt động cơ mới của mình với tên gọi là “động cơ hơi nước Boulton-Watt”. Động cơ Boulton-Watt cũng là loại động cơ đầu tiên cho phép người vận hành máy điều khiển tốc độ của thiết bị bằng bộ điều tốc ly tâm (centrifugal governor).

Những cải tiến của Watt đối với động cơ hơi nước, kết hợp với tầm nhìn của Boulton đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng rộng rãi máy móc vào các dây chuyền sản xuất trên khắp nước Anh, sau đó là Mỹ và toàn thế giới. Ứng dụng của máy hơi nước nhanh chóng vượt ra ngoài phạm vi khai thác mỏ, chuyển sang các lĩnh vực công nghiệp khác từ gia công kim loại cho đến dệt may, nơi nó được điều chỉnh để phù hợp với guồng quay tơ phổ biến ở các nhà máy dệt châu Âu. Đây là tiền đề quan trọng cho cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ nhất.

Trước khi có động cơ hơi nước, các nhà máy dựa vào năng lượng gió hoặc dòng chảy của nước để vận hành đã bị giới hạn tại một số khu vực địa lý nhất định. Động cơ hơi nước ra đời giúp các nhà máy sản xuất có thể được xây dựng ở bất kỳ đâu, không chỉ dọc theo các dòng sông chảy xiết.

Tàu thủy sử dụng động cơ hơi nước

Ngoài việc dùng làm nguồn cung cấp năng lượng cho các công xưởng, máy hơi nước còn được ứng dụng trong lĩnh vực giao thông vận tải. Đầu những năm 1800, động cơ hơi nước trở nên nhỏ gọn, đủ để lắp ráp vào đầu máy xe lửa và tàu thuyền.

Ngày 19/8/1807, nhà phát minh người Mỹ Fulton đã thiết kế một chiếc tàu chở khách chạy bằng máy hơi nước và thử nghiệm thành công trên sông Hudson, mở ra những chuyến đi bằng tàu định kỳ từ New York đến Anbani.

Một vài mẫu xe hơi cổ sử dụng động cơ hơi nước

Năm 1814, kỹ sư người Anh George Stephenson chế tạo thành công xe lửa chạy bằng máy hơi nước. Lần đầu tiên trong lịch sử, hàng hóa được vận chuyển trên đất liền bằng một phương tiện khác, không phải là cơ bắp của con người hay động vật.