Bí ẩn động cơ 1.000 mã lực ở F1
Renault khẳng định động cơ của họ khỏe nhất làng đua tốc độ, nhưng không hiệu quả bằng Mercedes hay Ferrari.

Hôm 31/7, Renault tuyên bố cục năng lượng của họ đạt tới 1.000 mã lực. "Ở điều kiện thích hợp nhất, động cơ của chúng tôi sẽ đạt 1.000 mã lực tại vòng phân hạng. Kết quả đó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có cung đường và nhiệt độ", giám đốc năng lượng Renault - ông Remim Taffin - nói với AMUS. 

Động cơ V6 (sáu xilanh xếp theo hình chữ V) tăng áp 1,6 lít được áp dụng trên những chiếc xe F1 hiện tại, sản sinh khoảng 840 mã lực. Để tạo ra 1.000 mã lực (tương đương 736 kW), các đội đua phải nâng cấp động cơ điện.

Không như Renault, hai nhà sản xuất động cơ hàng đầu F1 - Ferrari và Mercedes - dè dặt khi nói về mốc 1.000 mã lực. "Chúng tôi không coi đó là mục tiêu. Ưu tiên của chúng tôi là cải thiện thời gian hoàn thành một vòng đua. Có thể đơn vị Renault dùng là mã lực Anh (đơn vị bhp). 736 kW chỉ tương đương 987 mã lực Anh", người phát ngôn của Mercedes nói với AMUS. Với Ferrari, Mercedes hay Honda, mã lực cao không đồng nghĩa với tốc độ tốt.

Có ba thông số biểu thị sức mạnh của một chiếc xe, đó là mô-men xoắn (đơn vị N.m hay jun), vòng tua máy (rpm) và công suất (hp hoặc kW). Công thức giữa ba đại lượng này là công suất bằng mô-men xoắn nhân vòng tua chia 5.252.

Mô-men xoắn là lực làm quay một vật thể quanh trục, chẳng hạn lực mở cánh cửa, vặn ốc vít hay xoay bánh xe. Mô-men xoắn bằng tích của lực làm quay và khoảng cách giữa trục quay và cánh tay đòn. Mô-men xoắn của động cơ đốt trong được tạo ra nhờ quá trình đốt nhiên liệu, đẩy piston xuống dưới làm quay trục khuỷu (crankshaft). Trên trục khuỷu có một bánh răng để truyền lực quay cho hộp số (transmission).

Hộp số xe F1 gồm tám khớp răng. Các khớp răng làm quay trục dẫn động (driveshaft), để quay trục bánh xe (axle). Lên số càng cao, khớp răng càng nhỏ. Chẳng hạn ở số một, bán kính khớp răng lớn gấp 10 lần bán kính bánh răng của trục khuỷu. Điều này có nghĩa lực tác động lên bánh xe sẽ lớn gấp 10 lần lực piston làm quay trục khuỷu. Nếu mô-men xoắn của động cơ là 200 N.m, mô-men xoắn của bánh xe khi dùng số một là 2.000 N.m.

Đó là lý do khi xe đang đứng yên, tay đua cần về số nhỏ để tạo ra lực lớn hơn làm lăn bánh. Khi đã chuyển động, xe cần lên số cao hơn để tránh lực tác động quá nhiều dẫn đến khó điều khiển bánh xe. Với hộp số tự động, các tay lái F1 không cần tự điều chỉnh số. Hơn nữa, với khớp răng có bán kính gấp 10 lần, chúng sẽ mất gấp 10 lần thời gian để quay một vòng. Nói cách khác, bánh xe quay chậm đi 10 lần, tức là rpm cũng giảm 10 lần. Mô-men xoắn tăng 10 lần còn rpm giảm 10 lần khiến công suất máy không đổi. Ngược lại, ở khớp răng nhỏ hơn, mô-men xoắn nhỏ, nhưng bánh xe quay nhanh hơn, tạo ra tốc độ cao hơn.

Mô-men xoắn lớn hơn giúp xe thay đổi tốc độ trong thời gian ngắn hơn. Còn vòng tua máy lớn hơn giúp xe đạt tốc độ cao hơn. Rpm được hiểu là số vòng quanh của trục khuỷu động cơ trong một phút. Cũng như mô-men xoắn, rpm tỷ lệ thuận với vòng tua, nhưng cũng có giới hạn. F1 quy định những chiếc xe F1 mùa này có rpm tối đa 15.000. Các nhà sản xuất động cơ cũng thiết kế theo quy chuẩn này. Nếu vượt quá 15.000 rpm, piston sẽ lên xuống quá nhanh khiến năng lượng tạo ra từ quá trình đốt trong giảm dần.

Để tăng công suất của động cơ đốt trong, nhà sản xuất có thể cải thiện tốc độ tiếp nhiên liệu (fuel flow) vào buồng đốt. Nhưng F1 giới hạn tốc độ tiếp nhiên liệu mùa này không quá 110 kg/h, ít hơn 30% so với thời kỳ động cơ V8 (2006-2013). BMW khẳng định họ từng sở hữu cỗ máy có công suất lớn nhất lịch sử F1, vào năm 1986. Khi đó, F1 không giới hạn tốc độ tiếp nhiên liệu. Với động cơ bốn kỳ của BMW khi đó có công suất 1.400 hp. Nhưng, máy chỉ được sử dụng tối đa công suất ở vòng phân hạng. Tuổi thọ máy khi đó chỉ vài vòng đua. Mùa này, tay đua sẽ bị phạt nếu sử dụng quá ba động cơ đốt trong.

Do mô-men xoắn hay rpm đều bị giới hạn, nhà sản xuất động cơ có thể cải thiện hiệu quả của động cơ điện. Động cơ đốt trong V6 1,6 lít hiện tạo ra công suất khoảng 840 mã lực. Nếu muốn chạm mốc 1.000 mã lực, động cơ điện phải tạo ra thêm 160 mã lực. Động cơ điện thường được tạo ra bởi hệ thống thu hồi năng lượng (ERS) với bộ thu hồi động năng (MGU-K) và bộ thu hồi nhiệt năng (MGU-H). Với MGU-K, chuyển động của trục dẫn động sẽ được đặt trong một từ trường, tạo ra năng lượng điện. Còn MGU-H biến nhiệt lượng tỏa ra từ quá trình đốt trong để tạo thành năng lượng điện. Nhưng, luật F1 quy định năng lượng MGU-K chỉ được thu hồi tối đa 2.000 jun mỗi vòng đua.

Với những giới hạn chặt chẽ từ F1, nhiều đội đua không muốn nhắc tới cột mốc 1.000 mã lực. Thay vào đó, họ đề cao hiệu suất của động cơ đốt trong (thermal efficiency). Động cơ V6 có hiệu suất hơn 50%, tức là hơn một nửa năng lượng xăng giúp xe chuyển động, còn lại bị thất thoát. Động cơ V8 trước đây chỉ có hiệu suất 30%. Nhưng cải thiện hiệu suất này không dễ.

Phương án đơn giản hơn cả để cải thiện công suất động cơ là sử dụng hệ thống giảm sức cản (DRS). Bằng cách mở cánh gió sau, chiếc xe được giảm lực cản gió, cải thiện rpm và tăng công suất. Nhưng, những tay đua chỉ được kích hoạt DRS ở những khu vực nhất định trên đường đua. Nhờ đó, xe sẽ có thêm khoảng năm mã lực.

Lời giải cho bài toán cải thiện công suất vẫn còn là bí ẩn. Tuy nhiên, công suất cũng không ảnh hưởng nhiều đến thành tích của các đội đua. "Renault có thể đạt 1.000 mã lực, nhưng xe của chúng tôi vẫn nhanh hơn họ trên đường đua", đại diện của Honda cho biết. Mấu chốt là cách các đội đua sử dụng công suất máy. Chẳng hạn động cơ Renault có thể có 1.000 mã lực, nhưng ERS thường bị hao tổn nhanh. Họ chỉ có thể đạt 900 hp ở vòng phân hạng và 750 hp ở vòng đua chính. Động cơ Mercedes chỉ có công suất 980 hp, nhưng họ có thể sử dụng 950 hp ở vòng phân hạng và 850 hp ở vòng đua chính.

Độ tin cậy của động cơ cũng là yếu tố thực tiễn, là khác biệt giữa Mercedes và Ferrari mùa này. Trong khi động cơ Mercedes hiếm khi gặp vấn đề, Ferrari vẫn đang sữa chữa và cải tiến máy qua từng chặng đua.

Tháng 6/2019, Red Bull trình làng động cơ mới "Spec 3" từ Honda, với lời khẳng định cải thiện công suất thêm 20 hp. Người ngoài cuộc không biết bí quyết của nhà sản xuất động cơ đến từ Nhật Bản, cũng như liệu họ có nói quá. Nếu nhìn vào thành tích của Max Verstappen (Red Bull) và cả Daniil Kvyat (Toro Rosso) thời gian qua, có thể thấy động cơ Honda đang tiến bộ. Nhưng, với Renault thì không.

Xuân Bình tổng hợp