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

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.

Còn MGU-H có thêm một nhiệm vụ nữa là triệt tiêu turbo-lag (đã được nhắc đến ở phần đầu). Nó được điều khiển bằng phần mềm, trước khi tay đua đạp chân ga tăng tốc, nghĩa là ngay từ thời điểm cuối giai đoạn xe giảm tốc, phần mềm máy tính sẽ ra lệnh cho CE lấy điện từ pin để làm tăng tốc độ quay của MGU-H, do MGU-H đồng trục với turbin nên máy nén cũng được tăng tốc độ quay theo, không khí sẽ được nén sớm hơn bình thường (lúc này turbin chưa thể quay mạnh vì động cơ đốt trong chưa được tăng tốc-khí xả chưa ra mạnh-vì tay đua chưa đạp ga).

Chính vì vậy, không khí đã được nén trước khi xe tăng tốc, cho đến khi tay đua đạp ga, thì khí nén đã ở ngay cửa xilanh để sẵn sàng đi vào và được đốt cháy. Turbo-lag được triệt tiêu - chiếc xe tăng tốc nhanh chóng.

Để hiệu quả hơn, MGU-K cũng được nối trực tiếp với MGU-H ngoài việc thông qua CE. Trong một số thời điểm thích hợp, năng lượng điện mà MGU-K thu được khi xe giảm tốc sẽ được truyền trực tiếp cho MGU-H để thực hiện quá trình triệt tiêu turbo-lag.

Má phanh sau được thiết kế nhỏ hơn phanh trước

Phần đầu bài viết đã nhắc đến vấn đề hệ thống phục hồi năng lượng hỗ trợ việc phanh xe. Từ đó một hệ thống phanh kiểu mới cũng được giới thiệu: B-b-W (Brake by Wire).

Khi tay đua đạp phanh, lực phanh của bánh trước được truyền đến dĩa trước, lực phanh của bánh sau sẽ được truyền đến bộ điều khiển lực phanh. Đồng thời lúc này, bộ điều khiển điện CE cũng sẽ truyền thông tin về năng lượng thu được từ MGU-K đến bộ điều khiển lực phanh. Từ thông tin từ CE, bộ điều khiển lực phanh sẽ tính toán xem MGU-K đã đóng góp được bao nhiêu lực hãm cho bánh sau, từ đó nó sẽ truyền phần lực còn thiếu đến dĩa phanh sau để hoàn thành lực hãm mà tay đua cần.

Như phần trước đã đề cập, hệ thống KERS (hay MGU-K) sẽ góp phần vào việc hãm xe cùng với dĩa phanh thông thường, do đó hệ thống phanh dĩa cho bánh sau sẽ nhỏ gọn hơn. Điều đó đồng nghĩa với việc, một khi hệ thống ERS bị sự cố, thì lực hãm cho bánh sau từ MGU-K sẽ mất.

Khi đó toàn bộ áp lực hãm này sẽ dồn lên dĩa phanh sau, đáng tiếc là dĩa phanh sau đã được thiết kế chỉ để chịu một phần lực này nên nó không thể chịu nổi toàn bộ áp lực đó dẫn đến phanh sau có thể bị hỏng, xe sẽ thiếu lực hãm, dĩ nhiên là va chạm có thể xảy ra trên đường đua hoặc tay đua phải bỏ cuộc.

Ví dụ: ở cuối đoạn thẳng toàn bộ lực hãm lớn nhất cho xe để vào cua là 10: bánh trước chịu 5 phần, bánh sau 5 phần. Trong 5 phần của phanh sau thì MGU-K sẽ sản sinh ra 2 phần, còn 3 phần thì dĩa phanh sau sẽ chịu, khi MGU-K bị lỗi, toàn bộ 5 phần sẽ dồn lên dĩa phanh sau, nhưng nó chỉ được thiết kế để chịu tối đa 3 phần lực hãm mà thôi, hậu quả là phanh dĩa sau bị quá tải và hỏng. Cả 2 chiếc xe của Mercedes phải bỏ cuộc Canadian GP 2014 là một điển hình của trường hợp này.

Rõ ràng, KERS trước đây và bây giờ là ERS không đơn thuần chỉ là hệ thống thu hồi năng lượng, nó còn đóng góp một phần quan trọng vào hiệu suất tổng thể của chiếc xe đua F1. Vì bất kỳ lý do gì khiến nó không hoạt động sẽ làm chiếc xe có thể phải dừng cuộc đua.

Huy Toàn