Gian nan chuyện động cơ làm bằng nhựa

Boeing 787 Dreamliner bay xuyên lục địa hàng ngày khắp thế giới và nó bay với cánh và thân làm bằng nhựa composite, bạn có tin nổi không? Thực tế này nảy sinh một lô-gíc nếu nhựa hiện đại đủ vững cho máy bay, tại sao động cơ và linh kiện ô tô vẫn được làm từ kim loại theo phương pháp đúc tồn tại suốt 6.000 năm nay. Liệu có thể làm ô tô từ nhựa?

Ý tưởng này đã được Matti Holtzberg, một kỹ sư ở New Jersey (Mỹ) trăn trở suốt 30 năm qua khi ông tìm cách thay đổi những động cơ làm bằng thép và nhôm. Động cơ làm bằng nhựa, được Holtzberg thiết kế và chế tạo vào thập niên 1980 đã chứng tỏ độ bền vững trong những cuộc đua chuyên nghiệp. Tuy nhiên, Holtzberg vẫn chưa thể thuyết phục các nhà sản xuất ôtô rằng những lợi ích của động cơ nhựa - giảm đáng kể trọng lượng và chi phí - là đáng để mạo hiểm. Do vậy, cũng như loại ắc-qui có thể sử dụng trong thời gian dài hay xe pin nhiên liệu chạy bằng hydro, động cơ nhựa vẫn chưa có khả năng được đem ra ứng dụng rộng rãi. Không hiểu vì lí do gì!?

Tập đoàn Dupont cũng có tham vọng sử dụng chất dẻo làm từ nhựa thông để thay thế các linh kiện động cơ hợp kim nhôm.

Tuy nhiên sau này Holtzberg đã ký được thỏa thuận hợp tác với Huntsman Corporation - một công ty hóa chất toàn cầu với doanh thu hàng năm 10 tỷ USD. Với uy tín của một nhà cung cấp linh kiện ôtô, Huntsman đang nỗ lực đem đến ảnh hưởng cần thiết để đưa động cơ nhựa từ phòng thí nghiệm vào thực tế, nơi các kỹ sư ôtô đang tìm kiếm những phương thức mới để đạt được các mục tiêu tiết kiệm nhiên liệu ấn tượng hơn.

Dupont hiện chế tạo các tấm ốp động cơ cho nhiều hãng xe.

Mặc dù vậy, Holtzberg cũng không phải là người đi tiên phong trong nỗ lực đưa nhựa trở thành vật liệu chính chế tạo ôtô. Ngược dòng lịch sử, Henry Ford mới là người đầu tiên nghĩ tới việc sử dụng các vật liệu nhựa và đã đề ra các dự án để tìm kiếm khả năng sử dụng các vật liệu mới để chế tạo thân ôtô trong những năm diễn ra cuộc Chiến tranh thế giới thứ II, do thời kỳ này, thép được ưu tiên cho mục đích chế tạo vũ khí.

Năm 1941, Henry Ford đã quảng bá cho độ bền của nhựa khi tự tay dùng rìu để phá một chiếc xe có phần ca-pô làm từ chất liệu tổng hợp này. Trong nhiều năm sau đó, xe do Ford sản xuất đã đi trước các hãng khác trong việc sử dụng vật liệu nhựa làm nắp bấm còi, đầu cần số, chốt mở cửa và bánh răng cam. Nhựa giúp Ford giảm trọng lượng xe, tiết kiệm chi phí trong khi hạn chế sự ăn mòn so với thiết bị tương tự bằng kim loại.

Sau khi người sáng lập Ford qua đời 6 năm, mơ ước về chiếc xe có thân chế tạo từ nhựa của ông cuối cùng cũng trở thành hiện thực. Mặc dù chiếc xe đó lại của đối thủ GM! Năm 1958,  chiếc xe đầu tiên trong tổng số hơn 1,5 triệu chiếc Chevrolet Corvette có thân làm bằng nhựa gia cường sợi thủy tinh đã rời dây chuyền sản xuất của General Motors.

Chevrolet Corvette 1958 là chiếc xe đầu tiên có thân làm từ nhựa và sợi thủy tinh.

Kể từ đó lượng linh kiện nhựa trong ôtô ngày càng tăng lên. Bộ Năng lượng Mỹ tính rằng một chiếc ôtô được sản xuất tại Bắc Mỹ ngày nay gồm hơn 137kg linh kiện nhựa. Nhưng các chi tiết chính của hệ thống động lực như lốc máy, nắp quy-lát, hộp truyền động, vỏ cầu xe  vẫn được đúc bằng thép hoặc nhôm do các chất liệu này mới chịu được độ nóng và sự mài mòn cơ học trong quá trình hoạt động.

Trong tương lai, các chi tiết quan trọng của động cơ đốt trong như piston cũng sẽ làm từ nhựa?

Nỗ lực của Holtzberg cũng như mục tiêu của sáng tạo công nghệ chính là nhằm làm thay đổi điều đó. Nó bắt đầu từ năm 1969. Tình cờ đọc một bài viết trên tạp chí tại thư viện công ở Hackensack, bang New Jersey, ông được biết về một loại nhựa mới có các đặc tính đủ để chịu được những điều kiện khắc nghiệt trong động cơ. Ông quyết định tìm lấy mẫu nhựa này và chế tạo một chiếc pít-tông, rồi lắp vào động cơ chiếc Austin Mini của một người bạn. Pít-tông nhựa của Holtzberg chịu được khoảng 20 phút hoạt động. Năm 1970, Holtzberg tiếp tục chế tạo và bán pít-tông nhựa - nay có đầu bọc nhôm để chịu được nhiệt độ cao trong buồng đốt - và thanh truyền bằng nhựa sử dụng trong động cơ xe đua. Năm 1979, Holtzberg thành lập công ty Polimotor (từ ghép của động cơ và polymer) để chế tạo các loại động cơ sử dụng đa phần nguyên liệu nhựa.

Hình ảnh động cơ Polimotor với một số chi tiết được làm từ nhựa Torlon.

Sản phẩm Polimotor đầu tiên, được làm theo mẫu động cơ 4 xy-lanh dung tích 2,3 lít của Ford Pinto, có lốc máy, thân pít-tông, thanh truyền, nắp chứa dầu và hầu hết nắp quy-lát làm bằng nhựa. Mặt trong xy-lanh, đầu pít-tông, các ống lót xy-lanh được làm bằng thép hoặc nhôm. Còn trục khuỷu và trục cam vẫn là các chi tiết bằng kim loại. Ngay sau khi động cơ này của Holtzberg vận hành thành công, tạp chí Automotive Industries đã đăng một bài viết với nhan đề “Liệu có động cơ nhựa?”.

Pinto: Chiếc Pinto được Ford chọn để tiến hành cuộc thử nghiệm động cơ nhựa Polimotor vào đầu thập kỷ 1980.

Hai năm sau, năm 1982, tạp chí nổi tiếng Khoa học thường thức (Popular Science) đã đưa Polimotor lên trang bìa. Khi đó, Holtzberg đã hợp tác với Ford để xúc tiến thiết kế động cơ thế hệ thứ hai dựa trên động cơ 2,3 lít của Ford. Động cơ này có công suất 318 mã lực ở 11.000v/ph, tốc độ tua tối đa 14.000v/ph, nặng 69 kg – so với trọng lượng 188,4kg của động cơ cùng loại – và có nhiều chi tiết làm từ nhựa chịu nhiệt Torlon của hãng Amoco Chemicals.

Tạp chí nổi tiếng Khoa học thường thức (Popular Science) đã đưa động cơ nhựa Polimotor lên trang bìa

Để chứng minh khả năng của động cơ nhựa, Holtzberg đã vận động để sử dụng nó trong xe đua tại giải đua Camel Lights của IMSA. Amoco Chemicals cung cấp tài chính để quảng bá cho nhựa Torlon. Và rủi ro duy nhất đối với động cơ của Holtzberg trong 6 cuộc đua trong giai đoạn từ  năm 1984 đến năm 1985 là trục trặc của một thanh truyền do một nhà sản xuất khác cung cấp. Bất chấp thành công này, động cơ của Holtzberg vẫn chưa nhận được nhiều sự quan tâm.

Không nản lòng, Holtzberg tiếp tục nghiên cứu các loại nhựa thích hợp hơn để chế tạo động cơ hàng loạt. Năm 1986, ông chuyển trọng tâm sang nhựa phê-nôn, chất liệu mà Henry Ford đã sử dụng kết hợp với sợi gia cường làm từ đậu nành để chế tạo thân ôtô. Hiện Holtzberg vẫn sở hữu các bản quyền về công thức và kỹ thuật để đổ khuôn nhựa gia cường bằng sợi thủy tinh. Ông xem công nghệ đổ khuôn composite của mình là bước đi hợp lý tiếp theo trong cuộc cách mạng ôtô, chuyển từ gỗ, sắt và thép, cho tới nhôm, magiê và cuối cùng là nhựa cao cấp. Theo Holtzberg, vật liệu của ông có thể làm giảm trọng lượng của động cơ nhôm 30-35%,  song đó không phải là lợi ích duy nhất. “Sau 25 năm nỗ lực, các xưởng đúc lớn cuối cùng cũng quan tâm tới công nghệ của tôi”, Holtzberg nói. “Chứng kiến sự lụn bại của công nghiệp sản xuất thép và đúc sắt tại Mỹ, và nhận thấy đã đánh mất đáng kể thị phần sang châu Á và Ấn Độ, các xưởng đúc đang quan tâm tới công nghệ tiên tiên này vì nó có thể giảm bớt cả nguyên liệu sử dụng lẫn chi phí gia công”.

Cho đến nay, Holtzberg đã cấp giấy phép cho 17 đối tác để sản xuất linh kiện ứng dụng công nghệ của ông. Ed Graham, Giám đốc chế tạo của ProtoCam ở Northampton, bang Pennsylvania, cho biết đã 3 năm nay công ty này sử dụng công nghệ của Holtzberg để chế tạo các chi tiết trong động cơ. Ông nói: “Vật liệu phê-nôn chịu nhiệt bền và chịu nhiệt tốt. Quá trình sản xuất rất nhanh và sản phẩm có thể sử dụng ngay”.

James Huntsman, Phó chủ tịch phụ trách bộ phận vật liệu tiên tiến của Huntsman bày tỏ hy vọng về sự thành công trong việc chế tạo các linh kiện mẫu bằng nhựa composite sẽ thúc đẩy sự quan tâm đối với các ứng dụng ở qui mô nhỏ. Tuy nhiên ông vẫn thận trọng khi đề cập đến việc đưa vào sản xuất hàng loạt.

Duy nhất mới có siêu xe Lamborghini đã ứng dụng Nhựa tổng hợp sản xuất linh kiện động cơ.

Trước khi động cơ đốt trong hoàn toàn bị thay thế bằng các mô-tơ điện, không biết liệu còn đủ thời gian cho động cơ đốt trong làm từ nhựa thực hiện sứ mệnh lịch sử của mình. Và Holtzberg cùng đối tác Huntsman đang đặt cược vào điều đó. Mặc dầu vậy có vẻ như cuộc cách mạng về xe điện đang tiến quá nhanh. Chỉ vài năm nữa xe điện sẽ thay thế hết xe động cơ đốt trong nên có lẽ vấn đề sản xuất động cơ nhựa lại một lần nữa hết cơ hội, chỉ còn triển vọng cho nhóm linh kiện trên xe hơi.