Đối với một số người, việc Formula 1 quay trở lại âm thanh đầy cảm xúc của những năm 1990 và 2000 là điều đáng mong đợi. Tuy nhiên, không ít ý kiến vẫn tỏ ra thận trọng khi nhìn vào những thành tựu mà hệ thống động lực hybrid hiện tại đã đạt được: hiệu suất nhiệt vượt 50%, công suất hơn 1.000 mã lực và khả năng đưa những chiếc xe F1 vượt ngưỡng 350 km/h.
Dù đứng về phía nào trong cuộc tranh luận này, ý tưởng đưa động cơ V10 trở lại Formula 1 sau hơn hai thập kỷ vắng bóng vẫn đặt ra một câu hỏi thú vị: vì sao V10 từng trở thành lựa chọn hàng đầu của Formula 1 và điều gì đã khiến giải đua cuối cùng phải từ bỏ loại động cơ mang tính biểu tượng này?
Khởi đầu của kỷ nguyên V10
Nhiều người thường quên rằng động cơ V10 thực chất xuất hiện khá muộn trong lịch sử F1.
Mặc dù những năm đầu của F1 chứng kiến đủ loại cấu hình động cơ, từ các động cơ I4 nhỏ gọn cho đến những khối động cơ H16 đồ sộ, V10 lại hoàn toàn vắng bóng trong suốt ba thập kỷ đầu tiên của Formula 1.
Các kỹ sư thời đó lo ngại rằng cấu hình V10 với số xi-lanh lẻ trên mỗi hàng xi-lanh (năm xi-lanh mỗi bên) sẽ tạo ra những vấn đề rung động khó kiểm soát. Vì vậy, họ thường ưu tiên động cơ V8 đơn giản hơn hoặc V12, vốn chỉ phức tạp hơn đôi chút nhưng ít gặp vấn đề về rung động và vẫn có khả năng tạo ra mức công suất tương đương.
Tình hình chỉ thực sự thay đổi sau một thông báo gây chấn động từ FIA vào năm 1986. Sau nhiều tháng đồn đoán, cơ quan quản lý chính thức xác nhận kế hoạch loại bỏ dần các động cơ tăng áp 1.5L đang được sử dụng khi đó, để chuyển sang động cơ hút khí tự nhiên dung tích 3.5L từ năm 1989.
Trùng hợp là ngay trước khi FIA đưa ra thông báo này, hai kỹ sư người Đức là Fritz Indra và Gert Hack đã xuất bản một cuốn sách về thiết kế động cơ Formula 1. Trong đó, họ chỉ ra rằng với dung tích khoảng 3.0L, một động cơ V10 được tối ưu hóa chỉ tạo ra ít hơn khoảng 1,8% công suất so với một động cơ V12 được tối ưu tương đương.
Đổi lại, V10 sở hữu những lợi thế đáng kể về khối lượng và khả năng bố trí trên xe, đủ để bù đắp cho sự chênh lệch công suất rất nhỏ này. Hai kỹ sư cũng kết luận rằng các vấn đề rung động từng khiến giới thiết kế e ngại V10 hoàn toàn có thể được kiểm soát nếu lựa chọn góc mở giữa hai hàng xi-lanh một cách phù hợp.
Những phân tích đó cho thấy V10 có thể trở thành lời giải lý tưởng cho thế hệ động cơ hút khí tự nhiên 3.5L mà Formula 1 dự kiến áp dụng từ năm 1989.
Alfa Romeo là một trong những hãng đầu tiên đưa các lý thuyết của Indra và Hack vào thực tế khi phát triển một động cơ V10 dành cho Formula 1 vào năm 1985 và định hướng chúng cho mùa giải kế tiếp. Tuy nhiên, dự án này chưa bao giờ xuất hiện trên đường đua sau khi mối quan hệ hợp tác với đội đua Ligier đổ vỡ.
Vì vậy, vai trò mở đầu cho kỷ nguyên V10 cuối cùng lại thuộc về Honda và Renault. Cả hai đều là những tên tuổi lớn của thời kỳ động cơ tăng áp trước đó và đều lựa chọn cấu hình V10 để bước vào kỷ nguyên Formula 1 mới với động cơ hút khí tự nhiên 3.5L.
Trong số hai nhà sản xuất, động cơ RS1 của Renault được xem là tiên tiến hơn về mặt kỹ thuật. Điểm nổi bật là việc sử dụng hệ thống van khí nén (pneumatic valve springs) - một công nghệ vẫn còn được áp dụng trên các động cơ F1 hiện đại. Nhờ đó, các van có thể đóng mở nhanh hơn ở vòng tua cao, giúp động cơ đạt giới hạn vòng tua lớn hơn mà không gặp hiện tượng va chạm giữa van và piston.
Trong khi đó, động cơ của Honda sử dụng thiết kế truyền thống hơn với lò xo van cơ khí và trục cân bằng nhằm giảm rung động của động cơ. Giải pháp này hiệu quả nhưng cũng làm tăng khối lượng của động cơ.
Dù có những khác biệt về triết lý thiết kế, cả hai động cơ V10 đều nhanh chóng chứng tỏ khả năng cạnh tranh. Mùa giải 1989, đội đua McLaren sử dụng động cơ Honda giành 10 chiến thắng trong tổng số 16 chặng và lên ngôi vô địch, trong khi Williams với động cơ Renault cũng giành thêm hai chiến thắng.
Tuy nhiên, con đường của V10 không hoàn toàn bằng phẳng. Dù McLaren-Honda tiếp tục bảo vệ thành công chức vô địch vào năm 1990, họ đã phải đối mặt với sức ép rất lớn từ chiếc Ferrari 641 sử dụng động cơ V12. Thực tế cho thấy, với dung tích 3.5L thay vì mức 3.0L trong các mô hình tính toán của Indra và Hack, động cơ V12 vẫn có thể tạo ra công suất vượt trội đáng kể so với V10. Điều đó giúp Ferrari duy trì cuộc đua vô địch đầy căng thẳng với McLaren cho tới giai đoạn cuối mùa giải.
Đặc biệt, Honda không thể bỏ qua tiềm năng công suất vượt trội của cấu hình V12. Vì vậy, hãng đã chấm dứt chương trình phát triển V10 sau mùa giải 1990 để chuyển sang động cơ V12 hoàn toàn mới. Kết hợp với chiếc MP4/6 của McLaren, động cơ này đã giúp đội đua giành danh hiệu vô địch thế giới năm 1991. Điều này cho thấy V10 khi đó vẫn chưa phải là lựa chọn vượt trội tuyệt đối.
Để đáp trả, Renault giới thiệu phiên bản RS4 mới với công suất tăng thêm khoảng 50 mã lực so với thế hệ trước.
Không chỉ cải tiến động cơ, Williams còn tiên phong đưa phần mềm quản lý động cơ vào F1. Hệ thống này có thể ngắt đánh lửa ở một số xi-lanh của động cơ V10 khi cảm biến phát hiện bánh xe bị trượt, qua đó tạo nên hệ thống kiểm soát lực kéo (traction control) đầu tiên trong lịch sử giải đua.
Những bước tiến công nghệ đó đã mở ra giai đoạn thống trị thực sự của V10. Williams-Renault giành liên tiếp bốn chức vô địch đội đua từ năm 1992 đến 1994, dù danh hiệu vô địch tay đua mùa giải 1994 vẫn thuộc về Michael Schumacher cùng chiếc Benetton sử dụng động cơ V8 của Ford.
Thập kỷ thống trị của động cơ V10 tại Formula 1
Triển vọng của động cơ V10 càng trở nên sáng sủa hơn vào năm 1995 khi FIA quyết định giảm dung tích động cơ từ 3.5L xuống còn 3.0L. Quy định này được đưa ra nhằm cải thiện mức độ an toàn sau hàng loạt tai nạn nghiêm trọng trong mùa giải 1994 đầy bi kịch, nhưng đồng thời cũng vô tình đưa Formula 1 tiến gần hơn tới cấu hình V10 tối ưu mà Indra và Hack đã dự đoán từ một thập kỷ trước. Vào thời điểm đó, tương lai của V8 và V12 dường như đã được định đoạt.
Honda không còn hiện diện để tận dụng sự thay đổi này khi đã rời Formula 1 sau mùa giải 1992, dù vẫn duy trì ảnh hưởng thông qua công ty con Mugen. Trong khi đó, Renault cũng không gắn bó lâu hơn khi chấm dứt chương trình hỗ trợ chính thức cho động cơ của mình sau mùa giải 1997.
Khoảng trống mà Honda và Renault để lại nhanh chóng được lấp đầy bởi những nhà sản xuất mới. Các hãng như BMW và Toyota lần lượt gia nhập F1, trong khi Mercedes-Benz và Ferrari cũng vươn lên trở thành những thế lực hàng đầu. Ferrari thậm chí đã từ bỏ động cơ V12 để chuyển sang V10 từ năm 1996, sau một mùa giải cố gắng duy trì cấu hình V12 3.0L vào năm 1995.
Khi ngày càng nhiều nhà sản xuất tham gia cuộc chơi và đều nhận ra ưu thế của cấu hình V10, cuộc đua phát triển động cơ bước vào giai đoạn khốc liệt. Đến năm 1998, vòng tua và công suất liên tục được đẩy lên những mức cao hơn, mở ra thời kỳ đỉnh cao của động cơ V10 trong F1.
Một trong những bước đột phá quan trọng nhất của giai đoạn này là việc Mercedes-Benz đưa piston hợp kim nhôm-beryllium vào sử dụng năm 1998.
Ở giai đoạn trước đó, các nhà thiết kế động cơ F1 luôn phải đánh đổi giữa hành trình piston và vòng tua động cơ. Việc tăng một trong hai yếu tố đều có thể giúp cải thiện công suất, nhưng rất khó tối ưu đồng thời cả hai. Hành trình piston dài kết hợp với vòng tua cao tạo ra tải trọng khổng lồ lên piston, vượt quá khả năng chịu đựng của các vật liệu thông thường.
Hợp kim beryllium đã thay đổi điều đó. Với tỷ lệ độ cứng trên khối lượng cao gấp khoảng 3,8 lần thép, vật liệu này đủ bền để Mercedes có thể duy trì ở mức giới hạn vòng tua 17.000 vòng/phút (ngang bằng các đối thủ), đồng thời hãng cũng sử dụng hành trình piston dài hơn. Đây là công thức gần như đảm bảo cho việc gia tăng công suất.
Kết quả là động cơ V10 của Mercedes dễ dàng vượt mốc 800 mã lực và trở thành nền tảng giúp McLaren giành liên tiếp hai chức vô địch thế giới dành cho tay đua vào các năm 1998 và 1999.
Hợp kim beryllium bị FIA cấm sử dụng từ năm 2001 sau những phản đối từ Ferrari. Đội đua Ý lập luận rằng beryllium là chất có khả năng gây ung thư, tiềm ẩn rủi ro đối với sức khỏe trong quá trình sản xuất và gia công.
Tuy nhiên, lệnh cấm này không làm chậm lại cuộc đua phát triển động cơ. Công suất vẫn tiếp tục tăng và các nhà sản xuất không ngừng tìm kiếm những giải pháp kỹ thuật mới. Một trong những cái tên nổi bật nhất giai đoạn này là Renault. Tại thời điểm đó hãng đua Pháp trở lại Formula 1 với vai trò nhà cung cấp động cơ cho Benetton vào năm 2001 trước khi tiếp quản hoàn toàn đội đua một năm sau đó.
Động cơ mới của Renault sở hữu một đặc điểm rất khác biệt. Trong khi phần lớn các đối thủ sử dụng động cơ V10 có góc mở giữa hai hàng xi-lanh từ 65 đến 90 độ nhằm hạn chế rung động và tối ưu không gian phía sau xe, Renault lại lựa chọn góc mở lên tới 111 độ.
Thiết kế này khiến động cơ rộng hơn, nhưng đồng thời hạ thấp trọng tâm của chính động cơ cũng như chiếc xe được trang bị nó, từ đó cải thiện đặc tính vận hành trên lý thuyết. Chính loại động cơ này đã đồng hành cùng Fernando Alonso trong chiến thắng Grand Prix đầu tiên của anh vào năm 2003.
Về sau, Renault từ bỏ cấu hình 111 độ để chuyển sang góc mở 72 độ - tương tự giải pháp mà Honda từng áp dụng từ năm 1989. Dẫu vậy, tư duy của Renault không hoàn toàn sai. Theo thời gian, phần lớn các nhà sản xuất đều lựa chọn góc mở 90 độ như một giải pháp cân bằng, vừa đảm bảo hiệu suất vận hành vừa mang lại lợi ích về trọng tâm xe.
Hồi kết của động cơ V10 tại Formula 1
Dù mang đến những bước tiến công nghệ ấn tượng và thu hút nguồn đầu tư khổng lồ, kỷ nguyên V10 cuối cùng cũng không thể kéo dài mãi mãi. Trớ trêu thay, chính cuộc chiến phát triển động cơ với chi phí ngày càng leo thang và mức công suất không ngừng tăng cao đã góp phần đặt dấu chấm hết cho những khối động cơ gào thét đặc trưng của đầu những năm 2000.
Bước sang thế kỷ 21, FIA ngày càng lo ngại về xu hướng phát triển động cơ tại F1. Công suất đã tiến sát mốc 1.000 mã lực. Đây là mức chưa từng xuất hiện kể từ thời kỳ đỉnh cao của động cơ tăng áp năm 1986. Đồng thời, các đội đua liên tục sử dụng nhiều động cơ trong mỗi tuần đua nhằm tìm kiếm lợi thế trước các đối thủ.
Trong bối cảnh những chỉ trích về chi phí tham dự Formula 1 ngày càng gia tăng, cùng với áp lực từ các vấn đề môi trường, FIA buộc phải can thiệp.
Ban đầu, cơ quan quản lý áp dụng các biện pháp nhằm kiềm chế cuộc đua hiệu suất gần như không giới hạn giữa các nhà sản xuất. Từ năm 2004, động cơ phải đủ độ bền để hoàn thành trọn vẹn một tuần đua. Sang năm 2005, yêu cầu này được nâng lên thành hai tuần đua liên tiếp. FIA cũng triển khai các biện pháp trực tiếp nhằm hạn chế công suất, trong đó có quy định từ năm 2005 giới hạn tối đa năm van trên mỗi xi-lanh.
Tuy nhiên, những thay đổi này không mang lại nhiều tác động như mong đợi. Các động cơ hàng đầu thời điểm đó, chẳng hạn như BMW P84/5 của BMW, vẫn dễ dàng đạt hơn 19.000 vòng / phút và sản sinh trên 950 mã lực ở cấu hình đua, bất chấp các quy định mới. Quan trọng hơn, vào thời điểm các quy định mới của năm 2005 chính thức có hiệu lực, quyết định mang tính bước ngoặt sẽ khép lại kỷ nguyên V10 thực tế đã được đưa ra từ trước đó. Kể từ mùa giải 2006, Formula 1 chuyển sang sử dụng động cơ V8 dung tích 2.4L với góc mở 90 độ nhằm cắt giảm chi phí và giảm tốc độ của những chiếc xe đua.
Dẫu vậy, V10 vẫn có một lần xuất hiện cuối cùng trước khi rời sân khấu. Đội đua Toro Rosso - khi đó mới được Red Bull mua lại và vận hành như đội đua trẻ đã được FIA cho phép sử dụng động cơ V10 giới hạn vòng tua trong mùa giải 2006 vì lý do kinh phí.
Đầu năm 2025, FIA một lần nữa đánh giá khả năng đưa động cơ V10 trở lại Formula 1 sớm nhất vào năm 2028 hoặc 2029. Tuy nhiên, cuộc họp giữa FIA, Formula 1 và các bên liên quan quan trọng vào tháng 4 năm 2025 đã tạm thời khép lại ý tưởng đó.
Dù vậy, cánh cửa dành cho V10 vẫn chưa hoàn toàn đóng lại. Khả năng Formula 1 quay trở lại với những động cơ hút khí tự nhiên đầy cảm xúc vẫn tồn tại sau năm 2030. Tuy nhiên, cuộc thảo luận hiện nay không còn xoay quanh riêng V10 nữa, khi động cơ V8 cũng đã trở thành một lựa chọn đang được cân nhắc.
Sau hai thập kỷ kể từ khi biến mất khỏi đường đua, tiếng gầm đặc trưng của những cỗ máy 10 xi-lanh vẫn có sức hút đặc biệt với người hâm mộ. Và dù tương lai của Formula 1 sẽ đi theo hướng nào, kỷ nguyên V10 vẫn được xem là một trong những giai đoạn đáng nhớ nhất trong lịch sử phát triển động cơ của môn thể thao này.