Giải mã bí mật giúp Lewis Hamilton bay cao

Kể từ mùa giải 2014, những chiếc xe F1 bắt đầu sử dụng thế hệ động cơ V6 dung tích 1,6l có sử dụng hệ thống tăng áp và bộ phận thu hồi năng lượng (ERS) thay vì thế hệ động cơ V8 2,4l như trước đây. Đây được coi là thay đổi mang tính bước ngoặt đối với thiết kế của xe F1. Các đội đua hiện nay đều sử dụng động cơ do một trong ba nhà sản xuất Ferrari, Mercedes và Renault cung cấp. Một nhà sản xuất động cơ khác là Honda sẽ tham dự cuộc chơi kể từ mùa giải 2015.

Sau 4 chặng đua đầu tiên của mùa giải mới. Tạm thời bộ động cơ do Mercedes cung cấp đã chứng minh được ưu thế vượt trội. Ngoài McLaren gây thất vọng, ba đội đua còn lại sử dụng động cơ Mercedes là Force India, Williams và Mercedes đều có thành tích khả quan so với các đối thủ ngang tầm sử dụng động cơ của Ferrari và Renault. Trong đó, đội đua Mercedes nổi bật nhất khi giành trọn vẹn cả bốn chiến thắng và bốn lần giành pole, qua đó xô đổ hàng loạt kỷ lục của làng F1. "Viên ngọc đen" Hamilton chính là tay đua được hưởng lợi nhất từ sức mạnh của động cơ Mercedes với ba ngôi nhất chặng và ba lần xuất phát đầu.

Lợi thế động cơ sẽ giúp Hamilton (trái) và Mercedes tiếp tục thành công trong năm nay. Ảnh: Formula 1.

Chiếc W05 của Mercedes đang nhanh hơn các đối thủ tầm một giây mỗi vòng đua. Bí ẩn làm nên thành tích đáng kinh ngạc đó chính là quy trình làm việc thông minh, tư duy sáng tạo tới mức kỳ công khi thiết kế động cơ của hãng xe nước Đức. Thiết kế độc đáo của bộ động cơ V6 mới do Mercedes sản xuất đã giúp đội đua nước Đức tạo ra sự khác biệt với phần còn lại khi mạnh mẽ mà vẫn tiết kiệm nhiên liệu so với sản phẩm của Ferrari và Renault. Vai trò sản xuất của công ty mẹ giúp đội đua Mercedes càng có thêm lợi thế hơn so với các đội đua khách hàng như Force India, Williams và McLaren dù dùng chung một loại động cơ.

Thế hệ động cơ V6 mới của làng F1 có cấu tạo vô cùng phức tạp khi được ứng dụng nhiều công nghệ đột phá của ngành công nghiệp xe hơi. Các nhà sản xuất động cơ F1 đã kết hợp được loại động cơ V6 có hệ thống tăng áp với hai bộ phận khác nhau của công nghệ hybrid.

Ở trục sau của xe F1 được gắn 1 bộ máy phát (được gọi là MGU-K) với mục đích thu hồi nguồn năng lượng dư thừa khi phanh xe. Hệ thống này sẽ biến nhiệt năng thành điện năng để dự trữ trong ắc quy và khi vượt hoặc tăng tốc, người lái chỉ việc bấm nút khởi động động cơ điện nhằm gia tốc cho chiếc xe, giúp thu hồi phần nhiệt năng hao phí. Lượng năng lượng được thu hồi và tái sử dụng cho xe từ MGU-K được giới hạn theo các quy định.

Một bộ máy phát thứ hai (MGU-H) sẽ được gắn liền với hộ thống tăng áp (turbo) với mục đích thu hồi nguồn nhiệt được thải ra từ luồng khí xả tại turbo. Nguồn năng lượng được thu hồi sau đó sẽ sử dụng để quay trục turbo khi các tay đua nhấn gia. Việc này sẽ làm giảm độ trễ khi nhấn ga thường phát sinh đối với động cơ tăng áp. Bên cạnh đó, nguồn năng lượng này cũng có thể được dùng để tác dụng vào trục sau xe để tăng tốc nhanh.

Bản vẽ mặt cắt của một chiếc động cơ F1 năm 2014. Ảnh: Formula 1.

Thế hệ thiết bị thu hồi năng lượng cũ (KERS) chỉ cung cấp thêm cho xe F1 trung bình 80kW năng lượng với khoảng thời gian sử dụng có 6 giây mỗi vòng đua. Trong khi đó ERS cung cấp thêm cho xe tới 120 kW năng lượng cùng thời gian sử dụng tới 33 giây cho mỗi vòng đua. Vì thế nguồn năng lượng được thu hồi nhờ ERS đóng vai trò rất quan trọng trong hoàn cảnh động cơ F1 bị giới hạn mức sử dụng nhiên liệu. Với mỗi cuộc đua chính thức, mỗi xe chỉ được dùng tối đa 100kg nhiên liệu (ở các mùa giải trước, mỗi xe được dùng tới 160kg), lưu lượng nhiên liệu tức thời cũng được giới hạn ở mức 100kg nhiên liệu trên một giờ.

Việc nguồn năng lượng được thu hồi từ MGU-H không bị giới hạn về số lượng giúp bộ phận này trở thành mối quan tâm chính của các nhà thiết kế động cơ. Việc giải được bài toán then chốt này sẽ giúp các đội đua nâng cao được hiệu suất của động cơ F1. Mercedes được coi là nhà sản xuất đang đi tiên phong trong việc giải bài toán quan trọng trên.

Động cơ tăng áp sử dụng một máy nén và một turbine để sản xuất được nhiều năng lượng hơn loại động cơ thông thường. Luống khí thải từ động cơ sẽ làm quay turbine, đồng thời quay máy nén và nén không khí trước khi đi vào buồng đốt của động cơ. Luồng khí đó còn được đi qua một bộ phận làm mát rồi được nén lại để tạo hiệu quả cao hơn trước khi bơm vào động cơ.

Thông thường thì máy nén và turbine được đặt cạnh nhau. Tuy nhiên, Mercedes đã không đi theo lối mòn này. Họ đặt máy nén ở phía trước của động cơ, còn turbine sẽ được đặt vào phần sau của động cơ. Thiết kế này có rất nhiều ưu điểm.

Trước hết, luồng không khí vào sẽ mát hơn. Điều này đồng nghĩa là bộ phận làm mát sẽ nhỏ gọn, chiếm ít không gian hơn trước. Khoảng cách từ cửa vào của luồng khí tới máy nén qua bộ phận làm mát trước khi vào buồng đốt sẽ ngắn hơn. Như vậy hao tổn áp suất khí sẽ giảm đi nhiều và giúp động cơ tăng được công suất. Thiết kế này cũng giúp giảm ngắn được lượng ống dẫn cần thiết trong động cơ và tạo ra chiếc xe nhẹ hơn và phân bố trọng lượng hợp lý trong xe.

Cơ cấu trên góp phần làm giảm độ trễ thường thấy trong hệ thống tăng áp xuống mức gần như bằng không. Vì vậy hệ thống tăng áp không còn cần nhiều điện năng từ MGU-H của ERS nữa. Thay vào đó, nguồn năng lượng này sẽ được tác dụng vào trục sau của xe để tăng tốc nhanh. Việc hệ thống làm mát và các ống dẫn trong động cơ gọn nhẹ hơn giúp thân xe thon gọn và tạo được lợi thế khí động học hơn so với đối thủ.

Ngoài ra cách bố trí của Mercedes cũng giúp hộp số có thể được đẩy lên phía trước, trọng tâm xe nhờ đó cũng được cân nhắc hợp lý hơn và giúp xe chuyển hướng dễ dàng. Nhờ đó lốp trước được điều khiển dễ dàng, phanh xe không còn phải làm việc vất vả như trước. Những điều này góp phần làm chiếc xe có hiệu suất cao hơn.

Ferrari cũng có ý tưởng tương tự như Mercedes khi máy nén của họ cũng không để cạnh turbine. Tuy nhiên hãng xe Italy không đi xa như thiết kế của Mercedes. Máy nén của Ferrari chỉ ở khoảng 1/3 của cánh chữ V của động cơ và turbine chứ không được tách ra hẳn phía bên kia như Mercedes. Có thể Ferrari thực hiện điều này do lo ngại về độ rung của trục kết nối giữa máy nén và turbine. Việc kiểm soát độ rung khi trục kết nối quay tới 120 nghìn vòng 1 phút quả là một thách thức thực sự với Mercedes.

Dù với bất kỳ lý do nào, các nhà thiết kế động cơ của Ferrari sẽ vẫn phải rầu lòng khi biết rằng họ đã chớm đặt chân lên con đường tạo ra sự khác biệt giữa thành công và thất bại trong mùa giải 2014. Họ đã không dám đi xa trên con đường sáng tạo như Mercedes. Đó cũng chính là nguyên nhân khiến đội đua nước Đức đang bỏ xa các đội đua còn lại trong 4 chặng đua đầu tiên của mùa giải năm nay.

Chiếc xe của Mercedes đang nhanh hơn các đối thủ tầm một giây mỗi vòng đua. Đó chính là phát biểu của Red Bull khi nhận định chiếc RB10 đang bị W05 bỏ xa trên đoạn đường thẳng của đường đua F1. Đương nhiên, một chiếc xe F1 là sự tổng hòa giữa khung xe và phần động cơ. Vì vậy không thể hạ thấp mỗi phần trong đóng góp chung đối với hiệu suất tổng thể của chiếc xe. Tuy nhiên, khi so sánh đơn giản. Hiện nay, phần khung xe của Red Bull không hề kém cạnh nhiều so với Mercedes nhưng động cơ Renault đang bị Mercedes bỏ quá xa.

Tuy nhiên, ngay cả các đội đua dùng chung động cơ với Mercedes như Force India, Williams, McLaren cũng không có chiếc xe đạt được hiệu suất cao như đội đua nước Đức. Có thể lý giải là họ không được làm quen sớm với loại động cơ mới như đội đua Mercedes, do đó họ không thể tối ưu hóa chiếc xe như đội đua nhà máy.

Red Bull và Ferrari còn nhiều việc phải làm nếu muốn đuổi kịp Mercedes. Ảnh:Formula 1.

Ngoài ra thực lực của họ cũng không được mạnh mẽ như Mercedes. Williams và Force India chỉ là những đội đua tư nhân, yếu kém về tài chính, ngân sách của hai đội đua này chỉ bằng phân nửa so với các đội đua hàng đầu như Ferrari, Mercedes. Trong khi đó, đội đua giàu năng lực McLaren lại đang rơi vào thời kỳ khủng hoảng nhất trong 30 năm trở lại đây và đang trong quá trình tái cơ cấu lại đội đua. Lợi thế lớn từ động cơ Mercedes giúp các đội đua đang gặp khó khăn này có thể cạnh tranh ngang ngửa với hai gã khổng lồ Ferrari và Red Bull.

Rất khó có thể hiểu rõ và so sánh chính xác giữa các đội đua F1 khi các nhà sản xuất đều giữ bí mật về công nghệ. Tuy vậy, các đội đua vẫn có thể đánh giá tương đối khách quan về đối thủ qua việc phân tích các dữ liệu thu thập được trên đường đua. Theo đó, công suất động cơ của Mercedes đang bỏ xa Ferrari tới 30kW. Trong khi đó, động cơ của Renault đang thua kém Ferrari chút ít.

Khó khăn của Renault đã được chính nhà sản xuất nước Pháp thừa nhận từ trước khi mùa giải bắt đầu. Renault khẳng định họ vẫn đang tiếp tục phát triển và hoàn thiện động cơ cho xe F1. Sự chậm trễ này khiến động cơ Renault mất đi lợi thế trước đây là tiết kiệm nhiên liệu, ngoài ra còn thua kém đối thủ trên cả phương diện công suất lẫn hệ thống thu hồi năng lượng.

Trong khi đó, Ferrari gặp phải một vấn đề tương tự khi động cơ của họ vẫn phải tiếp tục phát triển khi chưa thực sự đạt được yêu cầu như mong muốn. Sức mạnh động cơ Ferrari lớn đến mức khó kiểm soát, điều này làm chiếc xe rất khó điều khiển tại các khúc cua. Điều này càng làm Ferrari thêm nhức đầu khi lực kéo của động cơ vốn đang rất yếu kém. Ngoài ra một vấn đề khi bộ phận MGU-H không thu được lượng năng lượng cần thiết khiến chiếc xe của Ferrari không đạt được tốc độ cao trên đoạn đường thẳng. Vấn đề này Renault cũng đang gặp phải như hãng xe Italy.

Điều này có thể giải thích nhờ Mercedes có được MGU-H hiệu quả hơn so với các đối thủ từ thiết kế độc đáo của động cơ. Vấn đề lớn là Renault và Ferrari đang phải cố gắng cắt giảm ngân sách, việc này gây ra hậu quả lớn tới quá trình nghiên cứu và phát triển xe của họ. Theo quy định, trước khi mùa giải bắt đầu các nhà sản xuất động cơ phải trình Liên đoàn đua xe thế giới (FIA) báo cáo thông số kỹ thuật của động cơ. Các thông số chỉ được thay đổi giữa mùa giải trên cơ sở đáng tin cậy, an toàn và tiết kiệm chi phí cho các đội đua.

Những giới hạn trên khiến Red Bull và Ferrari rất khó giải quyết trong mùa giải năm nay. Vì vậy lợi thế của Mercedes dù không thể duy trì tuyệt đối như ở bốn chặng đua đầu tiên của mùa giải nhưng vẫn đủ sức giúp họ thống trị suốt mùa giải năm nay.

Theo Minh Phương (TTTĐ)