Tại sao động cơ của xe đua F1 có thể sản sinh đến 1000 mã lực mặc dù có dung tích nhỏ bằng Toyota Vios?

Động cơ mạnh nhất trong lịch sử của xe đua F1 có công suất hơn 1.400 mã lực, với dung tích chỉ 1.5L, bằng với dung tích của động cơ của Toyota Vios 2023.

Khối động cơ được xem là mạnh nhất trong lịch sử xe đua F1 là khối động cơ M12/13 của BMW, ra đời từ đầu những năm 1980. Khác biệt với động cơ của những siêu xe ngày nay thường sử dụng động cơ V12 với dung tích lớn, động cơ M12/13 của BMW chỉ là loại I4, dung tích 1,499cc (1.5L), tức chỉ bằng với dung tích của Toyota Vios 2023 vừa ra mắt, nhưng có công suất cực đại vượt quá 1.400 mã lực.

Động cơ của xe đua F1 hiện nay đã có sự cải tiến lớn so với động cơ của BMW từ những năm 80, nhưng vẫn sản sinh công suất khoảng 1000 mã lực dù dung tích xilanh chỉ 1.6L. Vậy, làm thế nào một khối động cơ có dung tích chỉ bằng xe phổ thông lại có thể tạo ra công suất lớn như vậy?

Xe đua F1 ngày nay có công suất khoảng 1000 mã lực.

Động cơ F1 sử dụng cùng nguyên tắc đốt trong 4 kỳ như các động cơ thông thường khác, nhưng quá trình kỳ nổ trên động cơ F1 lại phức tạp hơn nhiều. Ngoài bugi đánh lửa và buồng đốt như bình thường, còn có một buồng phụ chuẩn bị cho kỳ nổ. Tại đây, bugi sẽ đốt cháy chỉ 3% hỗn hợp khí, từ đó tự lan truyền cháy nốt 97% còn lại. Điều này giúp tăng hiệu suất nhiệt, tức là thu được nhiều năng lượng hơn từ cùng một lượng nhiên liệu.

Trên động cơ đốt trong thông thường, hiệu suất nhiệt chỉ từ 30% đến 35%, nhưng một trong những khối động cơ F1 có hiệu suất nhiệt ấn tượng nhất là khối động cơ GH50 của Mercedes, với hiệu suất nhiệt hơn 50%. Nói một cách đơn giản, khối động cơ này có thể chuyển đổi hơn 50% năng lượng có trong nhiên liệu thành công suất hữu ích.

Đầu tiên là mô tơ MGU-K (Motor Generator Unit - Kinetic), thu hồi năng lượng khi phanh và sử dụng năng lượng này để hỗ trợ vận hành xe. Công suất của MGU-K có thể lên đến 120kW, tương đương 160 mã lực.

Tiếp theo là mô tơ MGU-H (Motor Generator Unit - Heat), chuyển đổi nhiệt từ khí thải thành điện. MGU-H có thể được ví như một thiết bị nằm giữa quạt tua-bin và quạt nén trong bộ tăng áp, tạo ra điện khi dòng khí thải đi vào bộ tăng áp. Điện này sau đó được sử dụng để giảm trễ tăng áp trong quá trình tăng tốc.

Dung tích của động cơ F1 bằng Toyota Vios, nhưng công suất lại lên tới 1000 mã lực.

Theo giải thích về khối động cơ Mercedes GH50 của ông Owen Jones, Trưởng bộ phận Hiệu năng và Kiểm soát tại Hệ truyền động Hiệu năng cao Mercedes-AMG, để có thể tận dụng tối đa năng lượng có trong nhiên liệu, Mercedes đã phải cải tiến động cơ để đạt tối đa hiệu suất chuyển đổi.

Sau khi tận dụng được tối đa năng lượng, công việc tiếp theo là giảm thất thoát năng lượng bằng cách giảm ma sát. Tuy vậy, vẫn còn nhiều năng lượng thất thoát ở khí thải, nhưng Mercedes sử dụng bộ tăng áp và mô tơ MGU-H để tận dụng và chuyển tiếp thành cơ năng.

Cụ thể hơn, mô tơ MGU-H tận dụng nhiệt từ khí thải và chuyển thành điện; điện này chuyển đến mô tơ MGU-K, làm quay trục khuỷu. Theo ông Owen Jones, nếu không có mô tơ MGU-H, Mercedes sẽ không thể đạt được hiệu suất chuyển đổi trên 50%.

Với cấu trúc phức tạp, việc chuyển động cơ F1 sang một mẫu xe phổ thông là một thách thức lớn đối với các hãng xe hiện nay. Một trong những mẫu xe gần đây nhất có công nghệ động cơ gần giống F1 nhất là Mercedes-AMG Project One, sử dụng một phiên bản điều chỉnh của động cơ Mercedes GH50. Tuy nhiên, quá trình này đã mất hơn 5 năm cho Mercedes và đôi khi đã phải đối mặt với nguy cơ bị hủy bỏ giữa chừng.