Động cơ trên xe đua F1

Với công suất 1.000 mã lực và tốc độ quay có thể tới 19.000 vòng/phút. Nhờ tốc độ vòng quay lớn như vậy, sức nén lên piston ở thời điểm tăng tốc của xe đua F1 có thể tương đương với 9.000 lần lực hút của trái đất. Vì thế, không có gì ngạc nhiên khi lý do thường xuyên nhất khiến các tay lái phải bỏ cuộc giữa chừng là hỏng động cơ. Thậm chí, nhiều xe còn không thể nhúc nhích khỏi điểm xuất phát. Để vận hành tốt, trung bình động cơ F1 của đội BAR Honda "hít" 650 lít không khí mỗi giây và ngốn sạch 75 lít nhiên liệu sau mỗi 100 km.

Chiếc xe đua năm 2005 của Toyota.

Vào những năm 1950, động cơ xe đua F1 sinh ra công suất trung bình 100 mã lực/lít dung tích (tương đương với một chiếc xe thương mại mạnh mẽ hiện nay). Tới "kỷ nguyên turbo" mà đi đầu là hãng xe Renault của Pháp, với động cơ 1,5 lít turbo, công suất trung bình sinh ra bởi một lít dung tích tăng tới 750 mã lực. Hiện nay, do giới hạn công suất tối đa 1.000 mã lực với dung tích 3 lít, động cơ của một số đội có tỷ lệ 300 mã lực/lít. Hầu hết các đội đua F1 hiện đều sử dụng động cơ V10 góc 72 độ, ngoại trừ góc 112 độ của Renault. Thông thường, các hãng xe sử dụng hợp kim nhôm để sản xuất động cơ và “thêm nếm” vài chất có hàm lượng rất nhỏ để cải thiện một đặc tính nào đó, miễn không phải là kim loại màu theo quy định của FIA.

Thời điểm sau Thế chiến II, hầu hết các xe đua F1 được các hãng ôtô lớn chế tạo toàn bộ, từ động cơ tới chassis (khung gầm). Chỉ tới khi xuất hiện các đội đua nhỏ của Anh như Cooper, Lotus, Lola, Brabham và Tyrrell, sự ưu tiên mới dần từ động cơ sang chassis. Và tới nay, trong số 10 đội đua đang tham dự F1, chỉ có Ferrari, Renault và Toyota là phát triển của động cơ lẫn chassis.

Cơ sở hạ tầng để chế tạo động cơ hoàn toàn khác với chassis. Phát triển động cơ yêu cầu sai số cực nhỏ cũng như vật liệu và quá trình sản xuất chuyên biệt. 90% các thử nghiệm đòi hỏi được thực hiện với những trang thiết bị đặc biệt. Trong khi đó, với mức sai số cho phép lớn hơn, 90% các thử nghiệm đối với chassis tiến hành trên các đường đua. Chỉ tới gần đây mà các phòng thí nghiệm và các hệ thống đo đạc trở nên phổ thông trong nghiên cứu chassis xe F1. Phát triển động cơ là một công nghệ đơn thuần, phát triển chassis còn mang yếu tố nghệ thuật.

Mục đích của việc thành lập một đội đua liên quan tới lợi nhuận khổng lồ từ bản quyền truyền hình và từ các nhà tài trợ. Trước đây, có nhiều đội đã tự thiết kế và chế tạo động cơ riêng như Lotus vào thập kỷ 80. Thống kê cho thấy 90% các bản thiết kế bị vứt xó và 90% số động cơ được sản xuất không phát huy tác dụng, trong khi số được sử dụng lại có tuổi thọ ngắn ngủi. Chẳng hạn, động cơ của đội đua lừng danh Ferrari có "vòng đời" kéo dài vỏn vẹn 1.000 km. Điều đó buộc Lotus cũng như các đội khác chuyên tâm vào nghiên cứu chassis.

Các hãng xe lớn tham gia F1 nhằm tạo ra ấn tượng về độ bền bỉ kỹ thuật và các chiến thắng sẽ giúp họ quảng bá thương hiệu một cách tốt nhất. Nhưng việc chế tạo cả động cơ lẫn chassis làm tăng mức chi phí lên gấp hai lần và vì thế, ngay cả Ferrari, vô địch 5 lần liên tiếp những mùa giải gần đây, cũng phải nhờ cậy tới hãng thuốc lá Marlborough để san sẻ gánh nặng này, bên cạnh chi phí lương bổng cho các tay đua.

Ngoài ra, với ngay cả một hãng xe lớn, bảo trợ cho một đội đua mang tên mình còn là một canh bạc bấp bênh. Danh tiếng của hãng sẽ phụ thuộc vào thành công của đội đua. Chẳng phải vô cớ mà Ford Motors, hãng xe lớn thứ nhì nước Mỹ, đã phải bán lại đội đua Jaguar và từ bỏ giấc mơ F1 sau khi kết thúc mùa giải năm ngoái.

Công nghệ cao cấp

So với động cơ thường, động cơ F1 không có nhiều điểm có thể coi là "ngoại hạng" trừ thiết kế xi-lanh, piston và van. 3 thông số quan trọng nhất của nó là hiệu suất thể tích (Volumetric Efficiency - VE), hiệu suất nhiệt (Thermal Efficiency - TE) và hiệu suất cơ học (Mechanical Efficiency - ME).

VE thường được dùng để biểu diễn lượng nhiên liệu và không khí trong xi-lanh quy về điều kiện áp suất khí quyển. Nếu xi-lanh được bơm đầy hoà khí (hỗn hợp nhiên liệu-không khí) ở 1atm, lúc đó VE có giá trị 100%. Những động cơ tăng áp có VE lớn hơn 100% do turbin làm tăng áp suất nạp. Tuy nhiên, khi xi-lanh hút ở áp suất chân không, lúc đó VE có giá trị nhỏ hơn 100%. Động cơ thông thường có giá trị VE nằm trong khoảng 80-100% và nếu giới hạn dưới lớn hơn 95%, nó sẽ có khả năng sinh công rất lớn. Nhưng FIA lại cấm các đội đua sử dụng turbin tăng áp, do đó về giá trị VE, động cơ F1 không khác động cơ thông thường bao nhiêu.

Động cơ đang dùng trên chiếc Renault R25 hiện nay.

Để một động cơ V10, dung tích 3 lít bình thường có công suất lớn tới 1.000 mã lực, tất cả trông cậy vào thông số thứ hai, hiệu suất nhiệt TE. Giá trị TE phụ thuộc vào thời gian đánh lửa, vị trí của bugi, nhiệt độ bên ngoài và thiết kế buồng đốt. Hiệu suất nhiệt của những động cơ thông thường vào khoảng 0,26, nghĩa là năng lượng chuyển thành công có ích chỉ chiếm 1/3 trong tổng số năng lượng cháy sinh ra. Hiệu suất nhiệt trên động cơ xe F1 chỉ nhỉnh hơn giá trị đó 30%, tương đương với giá trị 0,34 nhưng lại cho công suất lớn hơn nhiều lần so với động cơ cùng dung tích.

Một phần công sinh ra từ xi-lanh được dùng để vận hành chính động cơ. Tỷ số giữa phần năng lượng còn lại với năng lượng mà xi-lanh có thể sinh ra được gọi là hiệu suất cơ học (Mechanical Efficiency). Hiệu suất cơ học phụ thuộc vào lực ma sát giữa các ổ trục, ổ bi, ổ bạc cũng như các thành phần chuyển động khác. Hơn nữa, lực ma sát lại phụ thuộc vào tốc độ vòng tua máy. Vận tốc máy càng lớn, năng lượng cần để vận hành động cơ càng cao, do đó ME càng nhỏ. Trên lý thuyết, phương pháp hiệu quả nhất để nâng cao ME là giảm ma sát giữa các thành phần chuyển động ở tốc độ lên đến 18.000 vòng/phút. Nhưng để biến lý thuyết thành thực tế không phải là điều dễ dàng và các đội đua vẫn “điên đầu” vì “nhiệm vụ bất khả thi” đó. Sử dụng vật liệu có trọng lượng riêng nhỏ là giải pháp tâm đắc của các kỹ sư, thế nhưng, ngay cả điều này cũng chỉ nằm trong phạm vi cho phép vì tuổi thọ của động cơ sẽ giảm xuống.

Từng thành phần nhỏ nhất trong cấu trúc động cơ được nghiên cứu và phát triển một cách kỹ lưỡng bởi bí mật trong sản xuất động cơ nằm trong bí mật chung của chiếc xe F1. Mỗi năm, Ferrari lại tổ chức bán những chiếc xe F1 đã qua sử dụng cho các fan hâm mộ, nhưng để giữ bí mật, họ chỉ bán sau 2 năm và đảm bảo công nghệ đó không còn tác dụng nữa.

Trọng Nghiệp