F1: Sự khác biệt của động cơ Turbo 2014

Mùa giải F1 2014 chuẩn bị đưa người hâm mộ lên một đỉnh cao công nghệ mới.

Thay đổi lớn nhất chính là trái tim của chiếc xe F1 - động cơ. Cỗ máy hiệu suất cao với dung tích xy lanh 2,4 lít mà các tay đua sử dụng trong 8 năm qua được giảm xuống 1,6 lít V6, được trang bị hệ thống turbo tăng áp cho hỗn hợp xăng-không khí đi vào buồng đốt. Quy định này chính là động thái nằm trong lộ trình cắt giảm chi phí và đưa môn thể thao tốc độ F1 trở nên kinh tế hơn, thân thiện với môi trường hơn của FIA.

Trong quá khứ, công thức 1 đã từng trải qua giai đoạn sử dụng động cơ tăng áp turbo vào thập kỉ 70-80. Hiện tại, động cơ turbo được FIA hướng đến sự tiết kiệm nhiên liệu, hiệu quả nhưng phải đảm bảo tốc độ không thua kém động cơ 2,4 lít, do đó, công nghệ áp dụng trên động cơ mới trở nên khó khăn và hiện đại hơn nhiều so với phiên bản trước đây.

Hệ thống turbo tăng áp được trang bị rất phổ biến trên các dòng xe thương mại và công nghiệp. Nguyên lý chung của hệ thống này là sử dụng dòng khí xả từ buồng đốt để làm quay máy nén. Không khí từ môi trường sẽ được hút vào máy nén. Dòng không khí này sau khi được tăng áp suất sẽ đi vào buồng đốt của động cơ và sinh ra sức nổ lớn hơn khi được đánh lửa.

Chính vì vậy, hệ thống turbo luôn được lắp đặt ngay cạnh động cơ, hai bộ phận quan trọng nhất của nó là máy nén và turbin, bên cạnh nhiều bộ phận phụ khác. 

Động cơ khi hoạt động sẽ sinh ra khí xả thoát ra ngoài ống xả với tốc độ rất cao. Ở động cơ thông thường, dòng khí thải này là vô dụng và sẽ được thoát ra ngoài môi trường xung quanh. Đối với động cơ turbo, năng lượng dư thừa của dòng khí xả (cụ thể là động năng) sẽ được tái sử dụng và làm tăng công suất của động cơ.

Năng lượng tái sinh sẽ được dùng để tăng áp suất cho hỗn hợp nhiên liệu-không khí đi vào buồng đốt, đồng nghĩa với tăng mật độ hỗn hợp cháy trong cùng một thể tích xi lanh so với thông thường. Lẽ dĩ nhiên năng lượng sinh ra khi đốt cháy cũng sẽ lớn hơn.

Động năng của khí xả sẽ vận hành máy nén thông qua bộ phận turbin. Turbin thực chất là một cánh quạt được lắp trong buồng kín. Khí xả sau khi ra khỏi xy lanh sẽ theo đường ống và thổi vào cánh quạt của turbin. Turbin sẽ quay với tốc độ rất cao và vận hành máy nén.

Sơ đồ động cơ turbo cơ bản

Thông thường, máy nén được lắp đồng trục với turbin nhưng hai bộ phận này được ngăn cách kỹ lưỡng. Không khí sạch sau khi qua máy lọc sẽ được hút vào buồng nén, cánh quạt của máy nén sẽ quay nhờ turbin và nén không khí lên áp suất cao hơn trước khi đi vào xi lanh để kích nổ.

Khi áp suất của dòng không khí được tăng cường, nhiệt độ của nó cũng tăng theo. Thêm vào đó, nhiệt độ của dòng khí xả sẽ làm nóng turbin, dẫn đến máy nén nóng lên và truyền nhiệt cho không khí nén. Không khí nén nóng lên sẽ khiến tỷ trọng giảm sút, dẫn đến mật độ khí ôxi để đốt cháy nhiên liệu không đủ so với thể tích hiệu dụng của xi lanh. Điều đó không chỉ khiến giảm công suất, mà còn gây bó kẹt động cơ, thậm chí hư hỏng. Do đó, trước khi đi vào xi lanh, không khí áp suất cao sẽ đi qua máy làm lạnh-Intercooler. Bộ phận làm lạnh này phải tuyệt đối đóng kín để tránh rò rỉ không khí khiến công suất bị giảm.

Khí xả sau khi làm quay turbin sẽ được thoát ra ngoài qua ống xả thông thường. Để ổn định công suất động cơ, một van điều áp được lắp đặt tại buồng hút khí xả, nơi đặt turbin. Van này được nối thông với ống xả nhằm khống chế áp suất tối đa của hỗn hợp nổ bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của máy nén. Điều đó giúp động cơ không hoạt động quá công suất thiết kế và bảo vệ các chi tiết khỏi sự vận hành quá mức.

Nhưng hệ thống turbo trong F1 là chưa đủ. Do đó, trong năm 2014, một hệ thống phục hồi năng lượng mới sẽ được giới thiệu - ERS. Hệ thống này sẽ tận dụng nốt nhiệt độ còn sót lại của dòng khí xả sau khi nó làm quay máy nén trước đó. Hệ thống ERS sẽ biến nhiệt năng của khí xả thành năng lượng điện và sau đó là động năng để tăng cường sức mạnh chiếc xe, tương tự hệ thống KERS.

Động cơ turbo của mùa giải 2014 chắc chắn sẽ là một thử thách lớn nhất của các kỹ sư trong nhiều thập kỷ. Nhưng đối với người hâm mộ, một trong các vấn đề họ quan tâm nhất là tiếng ồn động cơ. Nỗi lo lắng này liên quan tới dung tích xy lanh chỉ còn 1,6 lít, được dự đoán là sẽ không còn vang dội như trước. 

Nhưng động cơ F1 có ống xả khí thải hoàn toàn mở, vòng tua máy vẫn ở mức cao, và đặc biệt là hệ thống turbo sẽ làm tiếng nổ của khí nén lớn hơn. Những kỹ sư thiết kế động cơ cho năm 2014 đã khẳng định âm thanh rất tuyệt vời, dĩ nhiên nó không thể giống tiếng ồn của động cơ V12, nhưng vẫn vượt xa những động cơ turbo dung tích nhỏ của những giải đua tốc độ khác. Khi so sánh với động cơ F1 turbo được sử dụng những năm 80, nhiều chuyên gia đánh giá động cơ của năm 2014 chói tai và kích động hơn nhiều.