Phân tích kỹ thuật F1: Hệ thống phục hồi năng lượng

Trên chiếc xe đua Thể thức 1 trong những năm gần đây đã được tích hợp hệ thống phục hồi năng lượng với tên gọi đơn giản là KERS (Kinetic Energy Recovery System). Đến thời kỳ V6 Turbo nó đã được nâng cấp lên một tầm cao mới khi được gọi là ERS- Energy Recovery System để kết hợp với động cơ đốt trong (ICE) tạo thành Power Unit.

KERS được thiết kế đơn giản theo cơ chế, khi giảm tốc vào cua, xe không cần sức kéo từ động cơ nữa, chúng ta có thể tái thu được năng lượng từ quán tính của xe (cũng là động năng). Để thu lại năng lượng này, kĩ sư lắp thêm hệ thống truyền động (màu đỏ-minh họa đơn giản) để truyền quán tính của xe khi giảm tốc đến dynamo và làm quay nó, tạo ra điện nạp thêm vào pin. Động cơ hoạt động, dynamo này sẽ kéo xe tăng tốc.

Hệ thống cho phép các tay đua lựa chọn thời điểm sử dụng trong một vòng chạy để giải phóng 60kW năng lượng tái sinh trong khoảng 6, 7 giây. Năng lượng tái sinh đó là điện năng được chuyển hóa từ động năng thừa của động cơ khi xe giảm tốc.

Điểm đáng chú ý ở hệ thống thu hồi năng lượng KERS là ở đặc tính nâng cao của nó. Do quán tính của xe được hấp thụ để chuyển thành điện năng nên xe sẽ bị hãm tốc nhiều hơn bình thường, hệ thống KERS lúc này sẽ có vai trò phụ là trợ lực phanh xe.

Điều này giúp cho đĩa phanh nhẹ gánh hơn, giảm bớt diện tích bố phanh, nhưng cũng khiến cho hệ thống phanh dĩa trở nên quan hệ mật thiết với hệ thống động cơ, hậu quả là xe dễ mất thắng hơn nếu hệ thống phục hồi năng lượng có vấn đề.

Sơ họa ERS

Kể từ năm 2014, Thể thức 1 bắt đầu kỷ nguyên động cơ mới, 1,6 lít V6 turbo thay cho 2,4 lít V8. Động cơ cũ có công suất khoảng 750 mã lực, trong khi động cơ 1,6 lít turbo chỉ đạt khoảng 600 mã lực, do đó, một hệ thống thu hồi năng lượng ERS-Energy Recovery System được gắn thêm tạo ra khoảng 160 mã lực, tổng cộng khoảng 760 mã lực, tương đương động cơ cũ.

Động cơ mới kết hợp với ERS được gọi chung là bộ phận năng lượng PU-Power Unit. PU gồm 6 phần chính: động cơ đốt trong 1,6lít (ICE - Internal Combustion Engine), môtơ thu hồi động năng (Motor Generator Unit Kinetic, MGU-K), môtơ thu hồi nhiệt năng (Motor Generator Unit Heat, MGU-H), pin lưu điện (Energy Store - ES), turbo nén khí (Turbocharger - TC) và bộ điều khiển điện (Control Electronics - CE).

Sau khi thu hồi năng lượng dư thừa, MGU-K và MGU-H cũng làm nhiệm vụ ngược lại là sử dụng điện tích trong pin để biến ngược lại thành động năng cho xe. Tất cả các thiết bị MGU-K, MGU-H, ES, CE cấu thành nên ERS.

Hệ thống TURBO bao gồm turbin và máy nén, turbin là 1 cánh quạt và máy nén cũng vậy, 2 cánh quạt này nối đồng trục với nhau.

Động cơ 4 thì đốt cháy nhiên liệu, xả khí qua ống xả thổi vào turbin làm quay cánh quạt của nó, và làm cánh quạt của máy nén quay theo, máy nén sẽ nén không khí hút từ bên ngoài lên áp suất cao hơn, sau đó không khí tiếp tục đi qua máy làm lạnh (intercooler) rồi đi vào buồng đốt cùng với xăng. Intercooler có tác dụng làm lạnh không khí vừa được nén để làm giảm thể tích của dòng không khí này giúp tổng lượng khí đi vào xi lanh cao hơn.

Động cơ turbo có một khó khăn cần phải khắc phục, đó là turbo-lag. Turbo–lag là hiện tượng khí nén đi vào xi lanh trễ khi xe bắt đầu tăng tốc, khiến cho giai đoạn đầu tăng tốc động cơ không có đủ khí nén để đốt cháy nhiên liệu, xe bị giật. Điều này xảy ra do khí nén phải mất 1 thời gian nhỏ để đi từ máy nén rồi qua intercooler rồi mới đi vào xilanh được.

MGU-K là bộ thu hồi động năng, chính là hệ thống KERS trước đây. MGU-H là bộ thu hồi nhiệt năng. Bộ này sẽ thu hồi năng lượng từ dòng khí xả đi vào turbin. Bằng cách nào? Khí xả đi vào turbin làm quay turbin dẫn đến làm quay máy nén, nhưng khi xe giảm tốc, turbin và máy nén sẽ quay vô ích, hoặc khi máy nén vượt quá nhu cầu động cơ, thì máy nén sẽ bỏ phí 1 phần năng lượng này.

Một môtơ điện được gắn đồng trục với turbin và máy nén, phần năng lượng dư này sẽ làm quay môtơ và chuyển thành điện tích lũy trong pin cùng với MGU-K. Vì dòng khí xả xuất phát từ việc đốt cháy nhiên liệu trong xi lanh nên quá trình này được gọi là thu hồi nhiệt năng.

Cả hai động cơ điện MGU-K và MGU-H có liên hệ với nhau thế nào!? MGU-K nạp điện vào pin nhờ CE, MGU-H cũng nạp điện vào pin nhờ CE. Khi xe tăng tốc, CE sẽ điều khiển cho pin xả điện làm quay MGU-K góp sức với động cơ chính đẩy xe đi.