Các hãng sản xuất ô tô đã tối ưu hóa tính khí động học cho những mẫu xe của họ trong nhiều thập kỷ. Với sự chuyển đổi sang phương tiện chạy điện, các mẫu xe mới nhất đang đạt được sự tiến bộ vượt bậc trong giá trị Cd (hệ số thể hiện lực cản của không khí khi xe đang di chuyển). Tuy nhiên, tiềm năng vẫn chưa dừng lại ở đó, các biện pháp khí động học chủ động và các phương pháp phát triển mới hứa hẹn nhiều cải tiến hơn nữa trong tương lai.
40 năm trước, người dùng ô tô đã dần hiểu được một thuật ngữ mới là hệ số cản gió Cd. Khi Audi 100 được ra mắt vào năm 1982, hãng xe này đã giới thiệu nó là "chiếc sedan thương mại có kiểu dáng khí động học vượt trội nhất trên thế giới". Hệ số cản gió 0,3 Cd của mẫu xe này vô cùng ấn tượng theo tiêu chuẩn thời đó. Thực tế hệ số cản gió của các mẫu xe đột nhiên trở thành điểm bán hàng là do các cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1973 và 1979, xảy ra chỉ vài năm trước đó. Giá nhiên liệu tăng mạnh đã khiến tính hiệu quả của các mẫu xe ngày càng trở thành tâm điểm được quan tâm.
Điều này cũng làm tăng tầm quan trọng của tính khí động học. Lực cản của không khí đóng một vai trò cốt yếu trong việc tiêu thụ nhiên liệu, đặc biệt là ở tốc độ cao. Marcel Straub, Kỹ sư trưởng bộ phận Quản lý Khí động học và Nhiệt tại Porsche Engineering, giải thích: "Ở tốc độ khoảng 80 km/h trở lên, lực cản không khí trở nên quan trọng hơn lực cản lăn của lốp. Và vì nó tăng lên bậc hai theo tốc độ, khí động học là yếu tố quyết định đến mức tiêu thụ nhiên liệu, đặc biệt là khi điều khiển xe trên đường cao tốc."
Lực cản khí động học của một chiếc xe được xác định bằng tích của diện tích phía trước và giá trị Cd. Hệ số cản gió Cd phụ thuộc nhiều vào hình dạng thân xe, một quy tắc đơn giản là giá trị này càng nhỏ càng tốt. Thân xe hình giọt nước khá gần với mức lý tưởng vì chúng tròn ở phía trước và có hình côn dài ở phía sau với giá trị Cd chỉ 0,05. Tuy nhiên, vấn đề là rất khó để đặt hệ thống truyền động, hành khách... vào một chiếc xe hình giọt nước.
Từ những năm 1980, những chiếc xe hình nêm đặc trưng với phía trước tròn và phía sau góc cạnh đã trở nên thịnh hành. Mục đích chính của cách tạo hình này là giảm thiểu sự khuấy động gió ở phía sau xe. Các cạnh sắc nét cho phép dòng không khí phân tách đúng theo cách mong muốn và giảm áp suất âm, do đó làm giảm lực cản. Giá trị Cd ngày càng tốt hơn: Opel Calibra có hệ số cản gió 0,26 Cd vào năm 1990, và 10 năm sau Audi A2 nổi danh với giá trị Cd 0,25. "Đó thực sự là những bước tiến về mặt khí động học," Giáo sư Andreas Wagner, Trưởng khoa Kỹ thuật ô tô tại Đại học Stuttgart, nhớ lại.
Bước cải tiến tiếp theo hiện đang được thực hiện do quá trình chuyển đổi sang các phương tiện chạy điện. "Hệ truyền động điện có hiệu suất cao hơn đáng kể so với động cơ đốt trong, vì vậy các yếu tố tiêu thụ năng lượng khác cũng trở nên quan trọng hơn nhiều," Tiến sĩ Thomas Wiegand, Quản lý bộ phận Khí động học - Nghiên cứu & Phát triển tại Porsche AG, giải thích. "Theo tiêu chuẩn WLTP, khí động học chiếm từ 30-40% hao hụt năng lượng ở ô tô điện, trong khi con số này ít hơn 10% đối với xe chạy bằng động cơ diesel hoặc xăng. Và bởi vì tốc độ trung bình trong các chu kỳ lái thực tế thậm chí còn cao hơn trong WLTP, con số này có khả năng cao hơn 50% trong các tình huống thực tế."
Theo đó, các hãng xe đang rất chú trọng vào việc tối ưu hóa tính khí động học cho những mẫu xe điện của họ. Công nghệ truyền động mới đang giúp họ làm được điều đó. Xe sử dụng động cơ đốt trong có đường dẫn chính giữa ở gầm xe và hệ thống ống xả phải được làm mát bằng không khí xung quanh. Bề mặt không phẳng này là nguyên nhân tạo ra sự hỗn loạn và tăng lực cản khi lái xe. Mặt khác, ở những chiếc ô tô điện, pin được đặt ở giữa cầu trước và cầu sau. Mặt dưới của xe hoàn toàn nhẵn, qua đó hỗ trợ thúc đẩy khí động học tốt hơn.
Một ưu điểm khác của hệ truyền động điện là động cơ tạo ra ít nhiệt hơn, nghĩa là rất ít năng lượng phải được tiêu tán bằng cách sử dụng bộ tản nhiệt. Do đó, xe điện thậm chí không cần sử dụng không khí đi qua khoang động cơ, làm giảm lực cản khí động học của xe. Trong nhiều loại xe điện, các cửa chớp làm mát không khí được sử dụng để kích hoạt từng cửa hút gió nhằm đảm bảo chỉ lượng không khí thực sự cần thiết mới được dẫn qua bộ tản nhiệt và đĩa phanh. Bởi vì công nghệ chủ động sẽ can thiệp tùy theo các tình huống lái, các chuyên gia gọi các biện pháp như thế này là "khí động học chủ động".
Các bộ phận khác như cánh gió có thể thu vào hay hệ thống treo khí nén giúp hạ thấp xe ở tốc độ cao cũng là một phần của khí động học chủ động. Straub cho biết: "Để hoàn thiện những hệ thống này, tại Porsche Engineering, chúng tôi xây dựng dựa trên chuyên môn của mình về phát triển chức năng và phần mềm. Điều này cho phép chúng tôi đưa các cách tích cực về mặt chức năng vào trạng thái sẵn sàng sản xuất một cách an toàn." Các phương tiện chạy điện hiện đại đã khai thác khá nhiều khả năng của kỹ thuật này. Với hệ số cản gió Cd là 0,22 và 0,2, Porsche Taycan và Mercedes EQS đang lần lượt dẫn đầu về tính khí động học.
Các biện pháp khí động học chủ động có thể đóng một vai trò lớn hơn nữa trong tương lai và thay đổi đáng kể hình dáng của xe khi lái. Ví dụ, Mercedes-Benz gần đây đã giới thiệu mẫu xe ý tưởng Vision EQXX với hệ số cản gió chỉ 0,17 Cd. Một trong những thay đổi dễ nhìn thấy nhất khi lái là bộ khuếch tán gió ở mép dưới của đuôi xe tự động mở rộng về phía sau thêm 20cm ở tốc độ trên 60 km/h. Khi kết hợp với phần gờ phân cách sắc nét ở đuôi xe dài hơn bình thường, nó giúp giữ lực cản ở mức tối thiểu.
Tiến sĩ Stefan Krober, kỹ sư khí động học tại Mercedes-Benz và giảng viên tại Viện Công nghệ Karlsruhe, cho biết: "Với EQXX, hiệu quả năng lượng được xem là trọng tâm. Khí động học được tối ưu hóa là một yếu tố quan trọng của điều đó. EQXX dự kiến sẽ tiêu thụ ít hơn 10 kWh/100km, trong khi EQS hiện tại vẫn ở mức 15 kWh trở lên." Chuyên gia Straub cũng có thể tưởng tượng rằng ô tô sẽ thay đổi hình dạng khi lái trong tương lai: "Ví dụ, đuôi xe có thể trở nên góc cạnh hơn ở tốc độ cao để tạo thành các cạnh phân cách sắc sảo hơn. Các vật liệu ghi nhớ hình dạng ban đầu mới có thể tạo được nền tảng cho điều này. Chúng sẽ thay đổi hình dạng dựa trên nhiệt độ hoặc điện áp đặt vào."
Tại Đại học Stuttgart, các nhà nghiên cứu đang theo đuổi một cách tiếp cận hoàn toàn mới, Wagner giải thích: "Chúng tôi đang kiểm tra xem liệu có thể giảm giá trị Cd tại một số điểm nhất định ở thân xe bằng cách tạo ra các rung động có hệ thống hay không. Nếu bạn đưa một xung xác định vào dòng chảy xung quanh xe bằng loa, hành vi phân tách của nó có thể bị ảnh hưởng." Trong trường hợp của một chiếc SUV, ông cho biết, có thể giảm giá trị Cd xuống 7% bằng cách sử dụng phương pháp này. Wagner nói: "Nhưng điều đó vẫn còn phải làm trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt. Ví dụ, chúng tôi phải đảm bảo người dùng không nghe thấy bất kỳ tiếng vo ve hay tiếng ồn nào nào."
Đội ngũ kỹ sư và nhà thiết kế đã đánh giá mức độ tác động của ý tưởng của họ đến khí động học của các phương tiện mới trong đường hầm gió bằng cách sử dụng mô phỏng CFD (tính toán động lực học chất lưu). Wagner cho biết: "Mô phỏng CFD đã trở nên cực kỳ quan trọng trong 20 năm qua, mọi người đã hiểu rõ hơn các phương pháp toán học, phát triển các công cụ chính xác hơn, đồng thời tăng sức mạnh xử lý của máy tính."
Tuy nhiên, ngày nay, mô phỏng máy tính
vẫn gặp phải những hạn chế. Ví dụ, hiện tại chỉ có thể tính toán các
tác động của việc xoay các lốp xe ở một mức độ giới hạn, hay cũng không
thể mô phỏng sự biến dạng của chúng dưới trọng lượng của xe với độ chính
xác hoàn toàn. Trong tương lai, điều này sẽ trở nên khả thi, việc tối
ưu hóa hình dạng xe cũng sẽ có sự hỗ trợ từ máy tính. Wagner giải thích:
"Mỗi thông số đều đóng một vai trò nhất định, chẳng hạn như quá trình
tiến triển của thân xe, trụ A, chiều cao nắp cốp sau và góc bộ khuếch
tán. Điều này dẫn đến rất nhiều sự kết hợp có thể xảy ra mà con người
không còn có thể theo dõi chúng nữa." Mặt khác, các thuật toán thông
minh có thể di chuyển qua hàng loạt các biến thể và đặc biệt tìm ra
những kết hợp hứa hẹn cho giá trị Cd thấp.
Mặc dù các mô phỏng đang ngày càng cải tiến, nhưng hiện nay, thử nghiệm trong đường hầm gió vẫn là tiêu chuẩn cho mọi kỹ sư khí động học. Nhưng máy tính cũng đang dần bắt kịp, trong tương lai, trí tuệ nhân tạo (AI) được kỳ vọng sẽ góp phần làm cho các quy trình hiệu quả hơn. Wiegand chia sẻ: "Khi kết thúc quá trình phát triển, chúng tôi có nghĩa vụ chỉ định mức tiêu thụ hoặc giá trị phạm vi riêng cho từng biến thể xe, trong đó trọng lượng và lực cản lăn đóng vai trò bổ sung cho hệ thống khí động học. Do đó, chúng tôi phải tạo ra khối lượng lớn dữ liệu cho các thành phần khí động học, kết hợp một số lượng lớn các phép đo từ đường hầm gió và các kết quả mô phỏng đã có sẵn ở các giai đoạn phát triển trước đó. Dữ liệu này sẽ được cơ cấu tốt hơn trong tương lai và được phân tích bằng các phương pháp hiện đại. Các thuật toán AI có thể tạo ra dữ liệu mới từ kho dữ liệu hiện có thông qua phép nội suy và ngoại suy. Điều này sẽ cho phép chúng tôi lập kế hoạch cho các thử nghiệm cụ thể và giảm số lượng của chúng."
Porsche Engineering cũng đang nghiên cứu sử dụng các giải pháp AI. Mục tiêu của các nhà phát triển là dự đoán tác động của những thay đổi đối với hình dạng xe trong thời gian thực. Mặc dù ngày nay vẫn cần dùng mô phỏng CFD tốn thời gian cho mỗi biến thể, nhưng trong tương lai mạng nơ-ron nhân tạo sẽ tính toán những ảnh hưởng đến giá trị Cd nhanh hơn nhiều. Straub nói: "Bạn thay đổi hình dạng bằng chuột và ngay lập tức thấy điều đó có tác động như thế nào đối với khí động học. Chúng tôi đã sử dụng phương pháp dựa trên AI này cho hình dạng cánh gió của Porsche GT3." Việc phát triển phương pháp mới đang được tiếp tục với các chuyên gia AI tại Porsche Engineering và nhóm phát triển giải pháp tại Porsche AG ở Weissach.
Mặc dù vậy, không có lý do gì để mong đợi rằng tất cả các mẫu xe được tối ưu hóa về mặt khí động học sẽ trông giống nhau trong tương lai. Wagner cho biết: "Giá trị Cd tốt có thể đạt được theo nhiều cách khác nhau. Ví dụ, nếu bạn muốn tối ưu hóa phần đuôi xe, bạn có thể thay đổi chiều cao nắp cốp sau và bộ khuếch tán trong gầm xe. Sau đó, bạn phải thảo luận với nhóm thiết kế để đi đến một giải pháp lý tưởng phù hợp với thương hiệu. Điều này giúp đạt được tính khí động ở trên các hình dạng khác nhau." Straub cũng nhấn mạnh quan điểm rằng sẽ không có một thiết kế thống nhất trên diện rộng trong tương lai: "Sẽ không có nguy cơ nhầm lẫn chiếc xe này với chiếc xe khác - ngay cả đối với những chiếc xe tốt nhất về mặt khí động học."
Với quá trình chuyển đổi sang di động điện tử, tính khí động học của những chiếc ô tô hiện đang có một bước tiến nhảy vọt. Trong tương lai, các giải pháp tích cực như hình dạng phía sau của xe có thể thay đổi hoặc các rung động được sử dụng có hệ thống sẽ ngày càng phát huy tác dụng. Những tiến bộ vượt bậc cũng đang được thể hiện trong việc mô phỏng và tối ưu hóa thử nghiệm bằng trí tuệ nhân tạo AI.
: