Những điều Cần Biết Về: Sự Phát Triển Của động Cơ Xe đua F1

(News.oto-hui.com) – Động cơ xe đua F1 là một kỳ tích của kỹ thuật động cơ hiện đại. Nó có thể sản xuất khoảng 1.000 mã lực. Chúng đạt tốc độ lên đến 300 km/h và vòng tua lên đến 15,000 vòng/phút. Các động cơ này không có tuổi thọ quá dài vì có mức hiệu suất quá cao. Vậy, động cơ xe đua F1 tồn tại được bao lâu? Sự phát triển của động cơ xe đua F1 ra sao?

Các đội đua Công thức 1 chỉ được phép sử dụng ba động cơ cho một mùa giải và mỗi động cơ phải kéo dài ít nhất bảy cuộc đua. Động cơ trên một chiếc xe F1 không chỉ phải kéo dài qua ba buổi làm quen với sân đua mà còn trong suốt vòng loại.

FIA đã đưa ra các hình phạt nghiêm khắc đối với các đội thay đổi động cơ trong suốt thời gian diễn ra mùa giải F1. Chúng ta sẽ khám phá thêm một số chi tiết đặc biệt xoay quanh cách các động cơ xe đua F1 này hoạt động và xem xét các lý do khiến động cơ F1 bị lỗi.

1. Nguyên nhân gây hư hỏng cho động cơ xe đua F1?

Động cơ của xe đua F1 được các kỹ sư tính toán và xây dựng để có thể sử dụng trong cả một mùa giải Grand Prix, nó có tổng cộng 22 chặng đua. Tuy nhiên, với mức hiệu suất kinh khủng bậc nhất hành tinh, động cơ có thể hư hỏng và phát nổ bất cứ lúc nào trên đường đua. Và đây cũng không phải là điều hiếm có.

Khối động cơ của xe đua F1 hoạt động trong môi trường rất khắc nghiệt. Trong một hành trình, các pít-tông trong động cơ có thể di chuyển lên tới 39,7 mm và sau đó di chuyển xuống dưới cùng một khoảng cách trong một vòng quay.

Theo luật, động cơ xe đua F1 chỉ được phép quay tối đa 15.000 vòng / phút, vì vậy hành trình mỗi pít-tông sẽ là 15.000 vòng/phút x 39,7 mm, tổng cộng là khoảng 46.800 inch (118.872 cm), tương đương 44mph (19,6 m/s). Điều đó nghe có vẻ không quá nhanh, nhưng mỗi piston phải tăng tốc từ vị trí nghỉ của nó lên đến tốc độ đó và sau đó giảm tốc trở lại 0 trước khi thực hiện toàn bộ chu trình lên rồi lại đi xuống.

Tất cả lực sinh ra từ piston và trục khuỷu sẽ tạo ra một lực căng rất lớn lên tất cả các bộ phận chuyển động của động cơ, và có thể gây ra hỏng hóc.

Bên cạnh đó, các động cơ này được sử dụng tới 7 vòng đua, dưới 1 điều kiện khắc nghiệt như vậy cũng sẽ gây ra hỏng hóc cho động cơ.

Một yếu tố khác góp phần gây ra hỏng hóc động cơ là tác động rung phát sinh từ đường đua. Những rung động này sẽ tác động vào các bộ phận chuyển động của động cơ và có thể khiến các bộ phận của động cơ bị hỏng, dẫn đến hỏng động cơ nghiêm trọng.

Dưới đây sẽ là một số thông tin về bên trong khối động cơ F1:

• 360 lít hỗn hợp nhiên liệu không khí được sử dụng.
• 3 Lít nước làm mát có nhiệm vụ duy trì nhiệt độ cho động cơ.
• Các piston phải chịu được áp suất hơn 100 bar, tức là khoảng 1450psi.
• Nhiệt độ bề mặt của piston đạt khoảng 350 độ C.
• Nhiệt độ ở bề mặt đáy của pít-tông đạt khoảng 200 độ C.

Thậm chí, nhiệt tỏa ra từ bề mặt của các piston có thể khiến động cơ bị quá nhiệt thậm chí là đến nổ máy.

2. Điều gì làm cho động cơ xe đua F1 trở nên mạnh mẽ như vậy?

Động cơ xe đua F1 hiện tại có thể tạo ra khoảng 1.000 mã lực, con số này rất ấn tượng đối với động cơ 1.6 lít, V6. Ngay cả những động cơ 3 lít V10 được sử dụng vào cuối năm 2005 cũng chỉ sản sinh được hơn 950 mã lực. Điểm mấu chốt trong khối động cơ khủng của xe đua F1 là động cơ đốt trong 1.6L V6.

Động cơ đốt trong sử dụng trong xe đua F1 cũng có nguyên lí hoạt động như các động cơ trên xe thương mại khác. Nhiên liệu đi vào động cơ và được trộn với không khí nén từ bộ tăng áp, sau đó được đánh lửa bởi một bugi hiệu suất rất cao đốt cháy khí nén.

Tuy nhiên, quá trình đốt cháy bên trong mỗi xi-lanh của xe đua F1 sạch hơn và hiệu quả hơn, tạo ra nhiều năng lượng hơn từ tỷ lệ nhiên liệu đi vào động cơ.

Qúa trình đánh lửa của động cơ xe đua F1 bây giờ phức tạp hơn một chút: Thay vì bugi được đặt bên trong buồng đốt, bugi được đặt trong một buồng đánh lửa trước riêng biệt, đốt cháy ba phần trăm hỗn hợp nhiên liệu-không khí.

• Ba phần trăm hỗn hợp nhiên liệu-không khí tạo ra một “tia lửa”, đốt cháy 97% hỗn hợp nhiên liệu-không khí còn lại, dẫn đến đốt cháy hoàn toàn tạo ra nhiều năng lượng hơn và mang lại hiệu quả tốt hơn.

Động cơ đốt trong ICE có thể quay vòng lên đến 15.000 vòng/phút, cho phép ICE tạo ra khoảng 700HP trong tổng công suất được tạo ra. 300 mã lực còn lại được tạo ra bởi hai động cơ điện bổ sung gắn với động cơ đốt trong.

MGU-K là bộ thu hồi động năng, có công dụng đặc biệt đối với động cơ điện trên xe đua F1. Và đơn vị động năng thu năng lượng sinh ra từ quá trình phanh.

Trong điều kiện phanh gấp, khối động cơ máy phát điện hoạt động thông qua một bánh đà để tạo ra điện tích lũy trong một bộ pin lithium-ion 20 kg được chứa trong bộ nguồn. Khi MGU được sử dụng trên động cơ điện, nó có thể tạo ra công suất tối đa 120kW, tương đương với khoảng 160 mã lực.

Động cơ điện thứ 2 sẽ biến nhiệt năng thành điện năng, được triển khai khi các tay đua bắt đầu tăng tốc. Động cơ điện này được gọi là MGU-H.

Tìm hiểu thêm công nghê: MGU-H của Mercedes-Benz

MGU-H được đặt giữa máy nén và tuabin của bộ tăng áp phía trên động cơ V6.

• Khi khí thải quay tuabin, chúng sẽ quay MGU-H thông qua một trục kết nối giữa máy nén và tuabin.
• Điện được sản xuất cũng được lưu trữ trong pin lithium-ion.

Trong điều kiện cần tăng tốc mạnh, điện năng được sử dụng để giảm độ trễ của turbo bằng cách quay máy nén cùng với dòng khí thải thông qua các cánh của bộ tăng áp.

• Năng lượng được tạo ra từ MGU-H là không hạn chế, giống như với MGU-K.

Ba động cơ: ICE, MGU-H và MGU-K và pin hoạt động 1 cách nhịp nhàng cùng nhau tạo nên các đơn vị năng lượng phức tạp nhất từng được sử dụng trong xe đua Công thức 1.

Đó là nhờ vào công nghệ động cơ hybrid phức tạp đã tạo ra nhiều lợi ích hơn trong việc nâng cao hiệu suất của động cơ đốt trong và sẽ đốt cháy ít nhiên liệu hơn.

3. Động cơ xe đua F1 đã phát triển như thế nào trong nhiều năm?

a. Động cơ của xe đua F1 vào những năm 1950:

Quy định duy nhất là giới hạn về dung tích động cơ: 4,5 lít nếu hút khí tự nhiên và 1,5 lít nếu lắp bộ siêu nạp.

Chúng tạo ra khoảng 425 mã lực, tạo ra khoảng 94 mã lực cho mỗi lít nhiên liệu. Năm 1954, họ thắt chặt các hạn chế và chỉ cho phép sử dụng động cơ hút khí tự nhiên 2,5 lít, giảm công suất xuống còn 290 mã lực.

Tuy nhiên, các đội đã sáng tạo với cách bố trí động cơ và cố gắng duy trì hiệu suất cao, tạo ra 116 mã lực mỗi lít dung tích động cơ. Các động cơ trước đó rất nặng và được trang bị ở phía trước của chiếc xe.

• Đây cũng là thập kỉ mà giải đua xe F1 sử dụng động cơ đặt giữa xe.
• Và trọng tâm của xe nằm ở phần đuôi xe.

b. Động cơ của xe đua F1 những năm 1960:

Bước sang những năm 1960, FIA rất quan tâm đến tốc độ của những chiếc đua. FIA đã giới thiệu động cơ 1,5 lít sản xuất 150 mã lực. Sau đó con số này nhanh chóng tăng lên 250HP trong một vài năm sau đó. Những động cơ này có khả năng sản xuất khoảng 170 mã lực mỗi lít dung tích động cơ.

Vì thời gian vòng đua ngắn trong những năm này, buộc các đội phải tập trung vào hệ thống treo và khí động học. Chủ yếu là động cơ V8, nhưng các nhóm đã bắt đầu thử nghiệm với góc chữ V rộng hơn để hạ thấp động cơ trong xe, cải thiện khả năng xử lý.

Năm 1966, FIA cho phép các đội có nhiều sức mạnh hơn trên động cơ, và kích thước động cơ tăng lên 3,5 lít hút khí tự nhiên hoặc 1,5 lít tăng áp.

• Các đội đua khi ấy chủ yếu sử dụng động cơ đặt giữa, sản xuất khoảng 500 mã lực.

c. Động cơ của xe đua F1 những năm 1970:

Vào những năm 70, các đội đua đã sáng tạo hơn một chút và bắt đầu xuất hiện ý tưởng về động cơ V12 góc lệch 180 độ. Điều này cho phép chúng hạ thấp trọng tâm và làm khí động học của phần đuôi xe được cải thiện đáng kể.

• Bởi khi tính khí động học đóng một vai trò quan trọng hơn trong môn thể thao, công suất động cơ cũng trở thành một vấn đề nổi bật.

Các quy định trong những năm 70: Chỉ cho phép động cơ hút khí tự nhiên 3 lít và động cơ tăng áp 1,5 lít. Nhiều nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng động cơ hút khí tự nhiên có vẻ có hiệu suất tốt hơn. Năm 1977, Renault giới thiệu động cơ 1,5 lít V6 với RS-1, khởi động kỷ nguyên turbo trong giải đua Công thức 1.

Ban đầu, loại động cơ trên tạo ra khoảng 500HP nhưng ngay sau đó đã tăng lên 700HP. Vì là một động cơ thử nghiệm và tất nhiên nó cũng xuất hiện một số vấn đề.

• Nhiệt lượng trong động cơ quá cao, nó có thể dẫn đến làm nổ cả một khối động cơ. Điều này làm cho các đội đua nghĩ đến hướng làm mát động cơ bằng nước.

d. Động cơ xe đua F1 vào những năm 1980:

Năm 1989, F1 từ bỏ việc sử dụng bộ tăng áp khi họ giới thiệu động cơ hút khí tự nhiên 3,5 lít. Điều này có nghĩa là các đội phải chế tạo động cơ hoàn toàn mới để đáp ứng các quy định mới.

Tất cả đều theo định dạng V, nhưng họ không thống nhất về số lượng xi lanh được sử dụng.

• Honda là hãng dẫn đầu trong lĩnh vực này, sản xuất khoảng 675 mã lực từ động cơ V10. Những động cơ này có thể sản xuất 190 mã lực mỗi lít.

Đây là kỷ nguyên đầu tiên động cơ xe đua F1 sản xuất mã lực trên lít thấp hơn so với các động cơ trước đó. Tuy nhiên, việc sử dụng turbo đã bị cấm, và nhiên liệu ‘ngoại lai’ cũng vậy, và các quy định chặt chẽ hơn về thời gian hoạt động của động cơ cũng được đưa ra. Kỷ nguyên turbo đã dạy cho các đội một số bài học quý giá.

Họ đã phát triển các thành phần động cơ sử dụng các vật liệu như titan và Beryllium. Những vật liệu này cần thiết cho áp suất của động cơ turbo. Ở hiện tại, chúng đã được sử dụng để giảm trọng lượng và cho phép số vòng quay tối đa cao hơn.

Tuy nhiên, điều này đi kèm với một loạt thách thức mới. Họ cần phải tăng vòng tua rất cao để tạo ra nhiều sức mạnh hơn từ động cơ hút khí tự nhiên. Khi động cơ quay nhanh hơn, các xupap cũng cần phải đóng mở nhanh hơn, và thời gian của việc này có thể trở nên phức tạp hơn nhiều với hệ thống trục cam truyền thống.

Vì vậy, Honda bắt đầu sử dụng luồng không khí áp suất cao để di chuyển các van với độ chính xác hơn nhiều; đây được gọi là điều khiển van khí nén và là một hệ thống vẫn đang được sử dụng cho đến ngày nay.

e. Động cơ xe đua F1 những năm 1990:

Vào khoảng cuối những năm 90, động cơ đạt khoảng 800 mã lực và họ đang có dấu hiệu quay lại với những con số liên quan đến công suất của những thập kỷ trước với những chiếc xe tăng áp. Từ năm 1995, họ sử dụng động cơ hút khí tự nhiên 3 lít và cấm các hợp kim đặc biệt.

V10 là động cơ được hầu hết các đội sử dụng, có sức mạnh tương tự như V12 nhưng có cùng độ tin cậy và mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn của động cơ V8. Chúng tạo ra khoảng 900 mã lực, đạt khoảng 300 mã lực mỗi lít.

f. Thập kỷ động cơ KERS của thế kỉ XXI:

Năm 2009, KERS được giới thiệu, hay còn gọi là hệ thống thu hồi động năng. KERS có thể tạo ra năng lượng từ phanh sau và có công suất lên tới 80 mã lực trong khoảng sáu giây một vòng. Tuy nhiên, nó đi kèm với một thách thức về trọng lượng, vì vậy mất một khoảng thời gian để các đội đua phát triển và áp dụng hệ thống này.

Tìm hiểu thêm về:Hệ thống hồi phục năng lượng Kinetic trên xe đua F1

Đây là những quy tắc mà chúng ta có ngày nay, động cơ 1,6 lít V6 với một bộ tăng áp. Nó đến từ thời mà các nhà sản xuất xe hơi đang sản xuất động cơ với hiệu suất kinh tế cho những chiếc xe thương mại của họ đồng thời phát triển những động cơ V8 khổng lồ cho những chiếc xe F1 của họ.

Vì vậy, FIA đã chuyển sự chú ý sang công nghệ hybrid hiện tại, với hy vọng rằng công nghệ này sẽ được ứng dụng trên những chiếc xe thương mại trong tương lai.

Những chiếc xe có hai hệ thống tái tạo năng lượng đã mất, một hệ thống thu năng lượng từ turbo và một từ bánh sau trong quá trình phanh. Máy phát điện phía sau này, được gọi là MGU-K.

Động cơ điện và động cơ đốt trong làm việc cùng nhau để tạo ra khoảng 1.000 mã lực. Chúng sản xuất khoảng 625 mã lực mỗi lít, nhiều hơn bất kỳ kỷ nguyên nào của giải đua Công thức 1. Và điều đáng chú ý hơn là họ làm điều này trong khi có các hạn chế về lưu lượng nhiên liệu, giới hạn vòng quay và động cơ phải được trong một phần ba mùa giải.

4. Tổng kết:

Động cơ xe đua F1 hiện nay đã có một chặng đường dài kể từ những động cơ trước đó của những năm 1950. Chúng đã trở nên phức tạp hơn rất nhiều và tiết kiệm năng lượng hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn bất kỳ loại động cơ tiền nhiệm nào.

Tuổi thọ và độ tin cậy đã được cải thiện so với các phiên bản động cơ trước đó. Nó cũng đã góp phần làm cho môn thể thao đua xe F1 trở nên an toàn hơn và ít tốn kém hơn cho các đội đua.

Những động cơ này không ngừng phát triển và các quy định mới về động cơ sẽ được áp dụng từ năm 2022 trở đi. Thật thú vị khi thấy những động cơ ngày càng trở nên phức tạp hơn, điều này sẽ làm tăng thêm sự hấp dẫn và tính bất ngờ cho môn thể thao này.

Bài viết liên quan:

• Các đội đua F1 sử dụng bao nhiêu lốp xe trong suốt chặng đua?
• Lớp nước sơn xe đua F1: Có phải để làm đẹp?
• Tại sao xe F1 không được trang bị túi khí?