Dung tích chỉ bằng Toyota Vios, vì sao động cơ xe đua F1 có công suất tới 1000 mã lực?

Khối động cơ được xem là mạnh nhất lịch sử xe đua F1 là khối động cơ M12/13 của BMW, ra đời từ đầu những năm 1980. Không giống động cơ của những cỗ siêu xe ngày nay thường sử dụng động cơ 12 máy với dung tích lớn, động cơ M12/13 của BMW chỉ là loại I4, dung tích 1,499cc (1.5L), tức chỉ ngang với dung tích của Toyota Vios 2023 vừa ra mắt, nhưng công suất cực đại được tính toán vượt 1.400 mã lực.

Với tiêu chuẩn ngày nay, động cơ của xe đua F1 hiện tại khác nhiều so với động cơ của BMW từ những năm 80, nhưng công suất vẫn khoảng 1000 mã lực dù dung tích xilanh chỉ 1.6L. Vậy, làm thế nào khối động cơ có dung tích chỉ ngang xe phổ thông này lại cho ra công suất khủng tới vậy?

Xe đua F1 ngày nay vẫn sử dụng động cơ đốt trong làm nguồn tạo động năng chính, thường là khối động cơ V6 1.6L. Cấu hình động cơ này có thể thấy ở nhiều mẫu xe đua, trang bị cùng là bộ tăng áp có tốc độ quay lên tới 125.000 vòng mỗi phút, và hệ thống đánh lửa chuyên biệt.

Cũng là động cơ đốt trong 4 kỳ giống các khối động cơ thông thường khác, nhưng kỳ nổ trên động cơ F1 lại phức tạp hơn rất nhiều. Ngoài bugi đánh lửa và buồng đốt như bình thường thì còn có một buồng phụ chuẩn bị cho kỳ nổ. Tại đây, bugi sẽ đốt cháy chỉ 3% hòa khí, từ đó sẽ tự đốt cháy nốt 97% còn lại. Điều này giúp tăng hiệu suất nhiệt, tức là thu được nhiều năng lượng hơn từ cùng một lượng nhiên liệu.

Trên động cơ đốt trong thông thường, hiệu suất nhiệt chỉ từ 30% đến 35%, nhưng một trong những khối động cơ F1 có hiệu suất ấn tượng nhất là khối động cơ GH50 của Mercedes, có hiệu suất nhiệt hơn 50%. Giải thích ngắn gọn, khối động cơ này có thể chiết xuất hơn 50% năng lượng có trong nhiên liệu và biến thành cơ năng có ích.

Động cơ đốt trong trên xe đua F1 có thể đạt vòng tua lên đến 15.000 vòng mỗi phút, sản sinh khoảng 700 đến hơn 800 mã lực. Con số cụ thể thực ra luôn là một bí mật mà các nhà sản xuất giữ kín. Ngoài số mã lực nói trên, số còn lại đến từ hai mô tơ điện gắn với khối động cơ đốt trong này.

Đầu tiên là mô tơ MGU-K (Motor Generator Unit – Kinetic, tạm dịch là Thiết bị thu hồi động năng), sẽ thu hồi động năng khi xe phanh, trữ điện trong khối pin trên xe. Sau đó, MGU-K sẽ sử dụng điện để tạo ra động năng hỗ trợ xe chạy. Công suất của MGU-K có thể đạt tối đa 120kW, tức khoảng 160 mã lực.

Tiếp theo là mô tơ MGU-H (Motor Generator Unit – Heat, tạm dịch là Thiết bị thu hồi nhiệt năng), chuyển nhiệt ở khí thải thành điện. Có thể hình dung MGU-H nằm giữa quạt tua-bin và quạt nén trong bộ tăng áp; khi dòng khí thải đi vào bộ tăng áp làm quay quạt tua-bin thì cũng sẽ làm quay mô tơ MGU-H và tạo ra điện. Trong quá trình tăng tốc, điện năng sẽ được sử dụng để làm quay quạt nén, từ đó giảm trễ tăng áp.

Theo giải thích về khối động cơ Mercedes GH50 của ông Owen Jones, Trưởng bộ phận Hiệu năng và Kiểm soát tại Hệ truyền động Hiệu năng cao Mercedes-AMG (Head of Performance & Controls at Mercedes-AMG High Performance Powertrains), để có thể tận dụng tối đa năng lượng có trong nhiên liệu, Mercedes đã phải cải tiến động cơ để đạt tối đa hiệu suất chuyển đổi.

Sau khi khai thác được tối đa năng lượng thì công việc tiếp theo là giảm thất thoát năng lượng, bằng cách giảm ma sát. Tuy vậy, vẫn còn nhiều năng lượng thất thoát ở khí thải, nhưng Mercedes sử dụng bộ tăng áp và mô tơ MGU-H để tận dụng và chuyển tiếp thành cơ năng.

Cụ thể hơn, mô tơ MGU-H sẽ tận dụng nhiệt từ khí thải và chuyển thành điện; điện sẽ chuyển tới mô tơ MGU-K, làm quay trục khuỷu. Theo ông Owen Jones thì nếu không có mô tơ MGU-H, Mercedes sẽ không thể đạt được hiệu suất chuyển đổi trên 50%.

Với cấu tạo phức tạp, các hãng xe ngày nay khó lòng bê nguyên động cơ F1 sang một mẫu xe phổ thông. Mẫu xe gần đây nhất có công nghệ động cơ có lẽ gần với sẽ F1 nhất là Mercedes-AMG Project One, dùng một phiên bản tinh chỉnh của động cơ Merecdes GH50. Tuy nhiên, điều này đã tốn của Mercedes tới hơn 5 năm và nhiều lúc tưởng như đã phải bỏ giữa chừng.