Giữa khung cảnh hùng vĩ của dãy núi Styria (Áo), đợt nắng nóng mùa hè tại châu Âu không chỉ tạo thử thách cho người hâm mộ theo dõi chặng Austrian Grand Prix, mà còn đẩy những chiếc F1 vào điều kiện vận hành khắc nghiệt. Với nhiệt độ không khí dao động quanh ngưỡng hơn 30°C và nhiệt độ mặt đường có lúc chạm 45°C, xe đua phải hoạt động ở công suất tối đa trong khi toàn bộ hệ thống trên xe đều chịu áp lực nhiệt cực lớn.
Với tổng công suất xấp xỉ 1.000 hp từ động cơ đốt trong kết hợp cùng hệ thống hybrid, một chiếc F1 tạo ra lượng nhiệt cực lớn trong quá trình vận hành. Điều đó khiến việc kiểm soát nhiệt độ của động cơ và các hệ thống liên quan trở thành nhiệm vụ then chốt đối với đội ngũ kỹ thuật, từ giai đoạn thiết kế cho đến khi xe lăn bánh trên đường đua.
Tuy nhiên, làm mát hiệu quả luôn đi kèm những đánh đổi về hiệu suất. Các bộ tản nhiệt, đường ống và cửa hút gió bổ sung giúp tăng độ tin cậy cho xe, nhưng đồng thời cũng làm tăng trọng lượng và lực cản khí động học, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ và hiệu quả vận hành tổng thể.
Những bộ phận nào tỏa nhiệt và cần được làm mát?
Từ đầu đến đuôi xe, gần như mọi hệ thống sử dụng năng lượng hoặc sinh nhiệt trên một chiếc F1 đều cần được làm mát. Dù động cơ thường được xem là thành phần quan trọng nhất, danh sách này còn bao gồm hệ thống hybrid, thủy lực, hộp số, ly hợp, hệ thống treo và hàng loạt thiết bị điện tử khác. Ngoài ra còn có cả phanh và khoang lái của tay đua - những khu vực cũng chịu tải nhiệt rất lớn. Tuy nhiên, chúng ta sẽ tạm thời chưa đề cập trong bài viết này.
Thành phần tạo ra nhiều nhiệt nhất trên một chiếc F1 hiện đại vẫn là động cơ đốt trong (ICE), cùng hệ thống tăng áp turbo và hybrid đi kèm.
Ở kỷ nguyên động cơ V8 trước đây, hệ thống làm mát tương đối đơn giản, chủ yếu gồm két nước và két dầu cho động cơ, cùng một bộ làm mát nhỏ dành cho hệ thống KERS. Nhưng khi F1 chuyển sang hệ thống động lực hybrid turbo từ năm 2014, cấu trúc làm mát đã thay đổi đáng kể.
Lượng nhiệt sinh ra từ động cơ đốt trong thực tế giảm xuống, nên nhu cầu làm mát cho ICE cũng thấp hơn trước. Công suất nhiệt truyền qua hệ thống làm mát bằng nước giảm khoảng 30 kW, còn khoảng 90 kW, trong khi công suất nhiệt lượng truyền qua két làm mát dầu giảm xuống khoảng 30 kW.
Tuy nhiên, lợi ích này lại bị bù trừ bởi nhu cầu làm mát lớn hơn từ turbo và hệ thống hybrid, bao gồm MGU-K, MGU-H và pin năng lượng. Điều đó khiến hệ thống làm mát trên xe F1 hiện đại trở nên phức tạp hơn đáng kể so với kỷ nguyên V8 trước đây.
Dù thường được gọi là "nước làm mát", dung dịch làm mát thực tế là hỗn hợp nước và glycol. Hỗn hợp này được duy trì ở áp suất trên 2,5 bar nhằm tăng điểm sôi, cho phép động cơ vận hành ở nhiệt độ cao hơn (khoảng trên 120°C), từ đó giảm kích thước cần thiết của bộ tản nhiệt.
Tương tự, dầu bôi trơn cũng được duy trì dưới áp suất, dù vai trò chính của nó là bôi trơn và tuần hoàn bên trong động cơ hơn là trực tiếp làm mát. Vì vậy, dầu thường hoạt động ở nhiệt độ trên 100°C với áp suất khoảng 1 bar. Trên một số chiếc xe, dầu dành cho bộ tăng áp turbo còn được tách thành một mạch riêng so với dầu động cơ, cho phép hệ thống này vận hành ở mức nhiệt độ và áp suất phù hợp hơn với yêu cầu riêng của turbo.
Bên cạnh đó, sự phức tạp ngày càng lớn của hệ thống động lực hybrid từ năm 2014 cũng khiến hệ thống làm mát trở nên phức tạp hơn đáng kể. Các thành phần như pin, mô-tơ phát điện và thiết bị điện tử điều khiển đều cần được quản lý nhiệt riêng biệt. Khác với động cơ đốt trong, những bộ phận này hoạt động ở mức nhiệt thấp hơn nhiều và thường được làm mát bằng dung dịch gốc nước hoặc chất lỏng điện môi dạng dầu. Chúng thường vận hành ở khoảng trên 50°C nên rất nhạy cảm với điều kiện môi trường nóng, đặc biệt khi nhiệt độ không khí vượt quá 30°C.
Xe F1 luôn được trang bị bộ làm mát dầu hộp số, thường bố trí ở khu vực phía sau xe. Nhiệt độ hộp số là yếu tố quan trọng đối với độ tin cậy cơ khí, nhưng yêu cầu làm mát của hệ thống này không quá lớn, với công suất tản nhiệt chỉ khoảng 10 kW. Từ giữa những năm 1990, các đội đua cũng bắt đầu phải làm mát hệ thống thủy lực trên xe. Dù lượng chất lỏng thủy lực sử dụng không nhiều, nhiệt độ của chúng vẫn cần được duy trì quanh mức 100°C để đảm bảo hệ thống điều khiển hoạt động ổn định và chính xác.
Rời khỏi khu vực động cơ, nhu cầu làm mát giảm đi đáng kể nhưng vẫn đóng vai trò rất quan trọng đối với độ tin cậy của xe. Phần lớn các hệ thống còn lại được làm mát bằng không khí. Tuy nhiên, với không gian cực kỳ chật hẹp bên trong một chiếc F1, việc tìm cách đưa luồng không khí đi sâu vào thân xe luôn là thách thức lớn đối với các kỹ sư thiết kế.
Tại khu vực phía sau xe, bộ giảm xóc và các hệ thống treo thủy lực cũng cần được kiểm soát nhiệt độ để đảm bảo hiệu suất và độ ổn định khi vận hành. Trong khi đó, các bộ phận của hệ thống treo trước thường dễ làm mát hơn nhờ tiếp xúc trực tiếp với luồng không khí sạch từ phía trước xe.
Cuối cùng, toàn bộ hệ thống điện tử trên xe cũng rất nhạy cảm với nhiệt độ. Những thiết bị quan trọng như ECU hay hộp nguồn là các thành phần có yêu cầu làm mát cao nhất. Bên cạnh đó, nhiều chi tiết phần cứng nhỏ hơn cũng cần được kiểm soát nhiệt chặt chẽ. Chẳng hạn, cảm biến tốc độ laser đặt dưới mũi xe cần luồng không khí đi qua các lá tản nhiệt để duy trì nhiệt độ ổn định. Gần như mọi hộp điện và cảm biến trên xe đều cần một lượng không khí làm mát nhất định. Thậm chí, các đội còn sử dụng những ống dẫn trong suốt lấy khí từ hệ thống làm mát phanh để đưa không khí tới các cảm biến nhiệt độ phanh.
Điều gì sẽ xảy ra khi mọi thứ trở nên quá nóng?
Đối với hệ thống truyền động, quản lý nhiệt là yếu tố then chốt để đảm bảo độ tin cậy. Chỉ cần nhiệt độ tăng thêm một lượng nhỏ, hiệu suất động cơ đã có thể suy giảm do không khí nạp nóng hơn. Quan trọng hơn, nhiệt độ quá cao còn ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và độ tin cậy của toàn bộ hệ thống.
Khi nhiệt độ tăng quá cao, các loại vật liệu trên xe sẽ bị đẩy tới giới hạn chịu tải. Nhôm bắt đầu suy giảm độ bền ở nhiệt độ cao, ảnh hưởng trực tiếp đến các chi tiết như vỏ trục khuỷu hay vỏ hộp số. Nhiệt độ lớn cũng gây ra hiện tượng giãn nở nhiệt của kim loại, làm thay đổi các dung sai thiết kế. Điều này có thể khiến các chi tiết cơ khí bị bó cứng hoặc trở nên lỏng hơn so với tính toán ban đầu, tùy theo đặc tính của từng vật liệu xung quanh.
Rõ ràng, nếu hệ thống làm mát không đáp ứng đủ nhu cầu vận hành dự kiến, chiếc xe rất dễ gặp vấn đề về độ tin cậy. Điều này có thể khiến xe không thể hoàn thành chặng đua, hoặc buộc phải giảm hiệu suất để bảo vệ các hệ thống phụ khỏi nguy cơ hư hỏng.
Mọi thứ được làm mát như thế nào?
Trên xe đua F1 thông thường, hệ thống truyền động được làm mát bằng chất lỏng như nước hoặc dầu.
Làm mát bằng chất lỏng đồng nghĩa với việc phải sử dụng bộ trao đổi nhiệt (heat exchanger). Vì vậy, nước hoặc dầu sẽ chảy qua các ống bên trong bộ trao đổi nhiệt và nhiệt được truyền qua các cánh tản nhiệt xung quanh, sau đó được không khí đi qua mang nhiệt ra ngoài.
Đối với bộ trao đổi nhiệt bằng nước, chúng ta thường sử dụng thuật ngữ "bộ tản nhiệt" (hay két nước). Trong khi đó, két làm mát dầu (oil cooler) và két làm mát khí nạp (charge air cooler hay intercooler) về cơ bản cũng hoạt động theo nguyên lý tương tự và có cấu tạo gần giống nhau, chỉ khác ở loại chất lưu được làm mát.
Bên cạnh đó, dầu bôi trơn cũng mất dần hiệu quả khi nhiệt độ tăng cao. Độ bền của màng dầu suy giảm khiến ma sát tăng lên, từ đó làm tăng nguy cơ bó kẹt hoặc hư hỏng cơ khí. Với các hệ thống điện tử, nhiệt độ quá mức có thể khiến các linh kiện bán dẫn mất ổn định hoặc ngừng hoạt động hoàn toàn.
Xét về tổng lượng nhiệt cần tản, hệ thống làm mát bằng nước của động cơ đốt trong (ICE) là thành phần có yêu cầu lớn nhất trên xe F1. Nước làm mát được tuần hoàn quanh động cơ và bộ tản nhiệt nhờ một bơm cánh quạt dẫn động trực tiếp từ trục khuỷu. Trong khi đó, dầu bôi trơn được lưu thông bằng bơm bánh răng, cũng sử dụng nguồn dẫn động từ động cơ. Dù cùng tham gia kiểm soát nhiệt độ, hệ thống nước và dầu đảm nhiệm những vai trò khác nhau trong việc duy trì hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống động lực.
Không khí nạp sau khi đi qua bộ tăng áp turbo sẽ bị nén và nóng lên đáng kể, vì vậy cần được làm mát bằng bộ làm mát khí nạp (Charge Air Cooler – CAC). Trong F1, các đội sử dụng nhiều giải pháp khác nhau cho hệ thống này.
Phổ biến nhất là bộ làm mát khí-khí (air-to-air intercooler), nơi không khí nạp được làm mát trực tiếp bằng luồng không khí bên ngoài. Giải pháp này có ưu điểm là nhẹ, cấu trúc đơn giản và hiệu quả làm mát tốt.
Tuy nhiên, để đạt được mức giảm nhiệt độ cần thiết, CAC phải có diện tích bề mặt lớn, đồng nghĩa với việc bộ làm mát có kích thước khá lớn và cần lượng không khí làm mát đáng kể. Điều này tạo ra thách thức về khí động học, bởi hệ thống sẽ chiếm nhiều không gian bên trong thân xe và ảnh hưởng đến cách luồng khí di chuyển quanh xe.
Một phương pháp khác được Ferrari và Mercedes áp dụng từ năm 2014 (cộng thêm Lotus/Renault chỉ trong năm 2014) là bộ làm mát khí nạp nước-khí (water-to-air intercooler). Thay vì dùng luồng không khí trực tiếp để làm mát khí nạp như hệ thống air-to-air truyền thống, giải pháp này sử dụng một lớp dung dịch làm mát tuần hoàn bên trong bộ trao đổi nhiệt để hấp thụ nhiệt từ không khí nạp.
Thiết kế này cho phép bộ intercooler có kích thước gọn hơn và linh hoạt hơn trong việc bố trí bên trong thân xe. Tuy nhiên, đổi lại, hệ thống cần thêm một mạch làm mát bằng nước riêng biệt, bao gồm bơm tuần hoàn và bộ tản nhiệt riêng, khiến cấu trúc tổng thể trở nên phức tạp hơn.
Với cấu hình này, bộ làm mát khí nạp có thể được thiết kế nhỏ gọn hơn và không còn phải đặt trực tiếp trong luồng khí làm mát. Dù bộ tản nhiệt nước phụ trợ vẫn cần được cấp không khí để tản nhiệt, kích thước của nó nhỏ hơn đáng kể so với intercooler kiểu air-to-air truyền thống. Điều đó mang lại lợi thế lớn về bố trí bên trong thân xe. Ferrari và Mercedes có thể đặt bộ làm mát khí nạp ở vị trí kín hơn phía trước động cơ, giúp tối ưu thiết kế khí động học.
Tuy nhiên, hệ thống water-to-air intercooler cũng có những điểm đánh đổi nhất định. So với giải pháp air-to-air, nó nặng hơn, hiệu quả làm mát tổng thể thấp hơn và nhiệt độ khí nạp thường cao hơn. Bù lại, nhiệt độ hoạt động ổn định hơn, đặc biệt trong các tình huống xe chạy chậm. Chẳng hạn, khi xếp hàng chờ xuất phát. Lúc này quá trình làm mát sẽ phụ thuộc vào nước tuần hoàn thay vì hoàn toàn dựa vào luồng không khí bên ngoài.
Phần lớn sự phức tạp bổ sung của hệ thống làm mát trên xe F1 hiện đại đến từ hệ thống thu hồi năng lượng ERS. Các thành phần như pin, MGU-K, MGU-H và bộ điều khiển điện tử đều cần được kiểm soát nhiệt độ riêng biệt và không sử dụng chung hệ thống làm mát với động cơ đốt trong. Điều này khiến xe có thể phải sử dụng từ hai đến ba mạch làm mát khác nhau, tùy theo loại chất làm mát và vị trí lắp đặt của từng thiết bị. Theo quy định hiện nay, pin và hai bộ điều khiển điện tử được đặt cùng khu vực bên dưới bình nhiên liệu, nên thường chia sẻ chung một hệ thống làm mát.
Hệ thống này sử dụng chất lỏng điện môi được tuần hoàn bằng bơm điện chuyên dụng, kết hợp với một bộ làm mát nhỏ bố trí trong luồng khí. Trong khi đó, các MGU thường được làm mát bằng một hoặc hai mạch riêng sử dụng dung dịch gốc nước và bộ tản nhiệt chuyên biệt. Do MGU được lắp phía trước động cơ, các đội có thể sử dụng bơm cánh quạt cơ khí dẫn động từ động cơ hoặc bơm điện để tuần hoàn chất làm mát, tùy theo thiết kế của từng hệ thống động lực.
Cả hộp số lẫn hệ thống thủy lực đều sử dụng các bơm áp suất riêng để tuần hoàn dầu qua những bộ làm mát dầu cỡ nhỏ. Khi kết hợp cùng các mạch làm mát dành cho động cơ, turbo và ERS, toàn bộ hệ thống đòi hỏi số lượng lớn đường ống, bộ trao đổi nhiệt và bơm tuần hoàn khác nhau. Chính điều này tạo nên cấu trúc kỹ thuật cực kỳ phức tạp trên các xe F1 hiện đại. Mức độ phức tạp ấy càng dễ nhận thấy hơn trong quá trình lắp ráp tại garage, khi các đường ống làm nóng sơ bộ và xả khí được kết nối tạm thời quanh xe, khiến toàn bộ hệ thống trông giống như một mạng lưới hỗ trợ sự sống bao quanh chiếc xe đua.
Hệ thống đường ống trên xe F1 được tính toán ngay từ giai đoạn mô phỏng CAD đầu tiên của chiếc xe. Mọi chi tiết đều được bố trí và tối ưu từ sớm, thay vì chờ đến quá trình lắp ráp cuối cùng mới điều chỉnh. Bên cạnh bản thân hệ thống làm mát, các kỹ sư cũng phải tính đến quy trình làm nóng trước, súc rửa và xả khí cho toàn bộ mạch chất lỏng khi xe vận hành trong garage. Vì vậy, nhiều khớp nối nhanh chống rò (dry break connectors) được tích hợp trực tiếp vào hệ thống đường ống để hỗ trợ việc kết nối và tháo lắp nhanh chóng mà không làm rò rỉ chất lỏng.
Hệ thống đường ống trên xe F1 chủ yếu sử dụng kết hợp giữa ống cứng và một số đoạn ống mềm, tùy theo chức năng và vị trí lắp đặt. Các ống cứng có đường kính lớn thường được chế tạo từ nhôm hoặc sợi carbon đúc. Giải pháp này xuất hiện nhiều hơn trên những đội đua có ngân sách lớn. Trong khi đó, các đường ống nhỏ hơn thường sử dụng nhôm hoặc titan để giảm khối lượng và tăng độ bền.
Để kết nối toàn bộ hệ thống thành một mạch kín, các đội sử dụng những đầu nối chuyên dụng dành cho xe đua thay vì kiểu ống silicon và đai siết thông thường. Những đầu nối từ các nhà cung cấp như Wiggins, Teconnex hay Staubli cho độ kín, độ bền và độ tin cậy cao hơn nhiều trong điều kiện vận hành khắc nghiệt của F1.
Bố trí bộ tản nhiệt
Khi nhu cầu làm mát và diện tích lõi tản nhiệt cần thiết đã được xác định, quá trình phát triển sẽ trở thành sự phối hợp liên tục giữa nhóm thiết kế và bộ phận khí động học. Hai bên phải cùng quyết định cấu trúc làm mát tổng thể, cách bố trí luồng khí và lượng không gian dành cho các bộ làm mát bên trong thân xe. Sau đó, nhiệm vụ sẽ quay trở lại nhóm thiết kế để hoàn thiện chi tiết việc lắp đặt thực tế, từ vị trí các bộ tản nhiệt cho đến hệ thống đường ống và kết cấu xung quanh.
Có hai vị trí chính để lắp đặt các bộ làm mát trên xe F1: bên trong hốc gió sidepod hoặc phía trên hệ thống truyền động, nơi nhận không khí từ cửa hút gió trên khung chống lật (roll hoop intake). Mỗi cách bố trí đều có những ưu và nhược điểm riêng. Các bộ làm mát đặt trong sidepod thường dễ lắp đặt hơn, nhẹ hơn và có vị trí thấp hơn trên xe, từ đó giúp tối ưu chiều cao trọng tâm. Tuy nhiên, sidepod lớn hơn cũng đồng nghĩa với việc luồng khí di chuyển về phía sau xe bị ảnh hưởng nhiều hơn, gây bất lợi cho hiệu suất khí động học tổng thể.
Ngược lại, việc bố trí một phần hệ thống làm mát phía trên động cơ giúp thu gọn kích thước sidepod, qua đó cải thiện luồng khí dọc thân xe và tối ưu khí động học ở khu vực phía sau. Tuy nhiên, cách làm này đi kèm với sự đánh đổi. Phần thân xe phía trên lớn hơn có thể gây nhiễu luồng khí hướng tới cánh gió sau. Đồng thời, việc đưa các bộ làm mát lên cao cũng đòi hỏi hệ thống đường ống phức tạp và nặng hơn để đưa chất lỏng tới đúng vị trí. Quan trọng hơn, khối lượng này nằm cao hơn trên xe, làm tăng chiều cao trọng tâm và ảnh hưởng đến khả năng vận hành.
Mỗi đội đua đều phải chấp nhận những đánh đổi riêng và không tồn tại một giải pháp tối ưu tuyệt đối cho hệ thống làm mát trên xe F1. McLaren từng theo đuổi triết lý tối giản hóa tối đa phần thân xe trên mẫu McLaren MP4-30, với thiết kế sidepod cực kỳ nhỏ gọn nhằm cải thiện khí động học. Trong khi đó, trên mẫu McLaren MCL33 ra mắt sau đó, đội đua lại chuyển sang cách bố trí gom phần lớn hệ thống làm mát vào bên trong thân xe để phục vụ một hướng phát triển khác.
Sau đó, quá trình thiết kế chi tiết sẽ xác định vị trí chính xác của các lõi tản nhiệt so với luồng khí, cũng như cách bố trí hệ thống đường ống kết nối tới từng bộ làm mát. Tuy nhiên, hình dạng khí động học phức tạp của sidepod khiến việc lắp đặt các bộ tản nhiệt hình chữ nhật truyền thống trở nên khó khăn. Vì vậy, các kỹ sư phải tìm ra những giải pháp sáng tạo hơn trong thiết kế hình dạng bộ tản nhiệt và hệ thống ống dẫn xung quanh, nhằm tận dụng tối đa không gian bên trong thân xe mà vẫn duy trì hiệu quả làm mát và khí động học.
Dù bộ trao đổi nhiệt đã truyền phần lớn nhiệt lượng vào luồng không khí đi qua, giữa bộ làm mát và không khí xung quanh vẫn luôn tồn tại chênh lệch nhiệt độ. Điều đó đồng nghĩa với việc luồng khí sau khi đi qua một bộ làm mát vẫn có thể tiếp tục được sử dụng để làm mát thêm các hệ thống khác phía sau.
Do các bộ tản nhiệt trên xe hoạt động ở những mức nhiệt độ khác nhau, chúng có thể được xếp chồng để cùng sử dụng một luồng không khí làm mát. Thông thường, các bộ tản nhiệt làm việc ở nhiệt độ thấp hơn sẽ được đặt phía sau những bộ phận có nhiệt độ cao hơn. Cách bố trí này cho phép các đội tận dụng luồng khí hiệu quả hơn và sắp xếp nhiều bộ làm mát trong không gian rất hạn chế bên trong thân xe.
Một nguyên lý tương tự cũng có thể được áp dụng ngay bên trong một bộ làm mát đơn lẻ. Thay vì để luồng khí đi xuyên qua lõi tản nhiệt từ một phía sang phía còn lại, lõi có thể được thiết kế dạng gấp đôi để tăng diện tích trao đổi nhiệt trong cùng một không gian. Giải pháp này thường được sử dụng nhằm tối ưu hiệu quả làm mát mà không cần tăng kích thước tổng thể của bộ tản nhiệt. Đồng thời, việc đặt cả đường khí vào và ra ở cùng một phía cũng giúp các kỹ sư dễ bố trí hệ thống đường ống hơn bên trong thân xe F1 chật hẹp.
Làm mát khí động học
Để bộ trao đổi nhiệt hoạt động hiệu quả, luồng không khí phải đi xuyên qua lõi tản nhiệt (két nước) với tốc độ phù hợp. Tuy nhiên, ở tốc độ rất cao của xe F1, không khí di chuyển quá nhanh khiến các đội cần có biện pháp kiểm soát để việc hấp thụ nhiệt được hiệu quả. Vì vậy, hệ thống ống dẫn bên trong thân xe được thiết kế để làm chậm luồng khí trước khi đi qua bộ tản nhiệt, giúp tăng khả năng trao đổi nhiệt. Sau đó, không khí sẽ được tăng tốc trở lại trước khi thoát ra ngoài thân xe nhằm giảm ảnh hưởng tới khí động học. Do đó, hệ thống này thường bao gồm một cửa hút khí, tiếp theo là đoạn mở rộng để giảm tốc luồng khí, khu vực đặt bộ tản nhiệt và cuối cùng là phần hội tụ dẫn tới cửa thoát khí, vốn thường có tiết diện lớn hơn cửa hút ban đầu.
Việc đưa không khí vào hệ thống làm mát thường dễ hơn so với việc đưa nó thoát ra ngoài. Dọc theo hai bên thân xe tồn tại luồng khí rất mạnh lao tới, đặc biệt mạnh ở mép thẳng đứng của monocoque (khung xe liền khối) nên đây là khu vực lý tưởng để cấp khí cho các bộ tản nhiệt. Tuy nhiên, bộ phận khí động học cũng muốn tận dụng chính luồng khí này để tạo downforce thay vì chỉ dùng để làm mát. Vì vậy, thiết kế sidepod và cửa hút khí luôn là sự cân bằng giữa hai mục tiêu: đảm bảo đủ khả năng tản nhiệt nhưng vẫn duy trì hiệu suất khí động học tối đa.
Khả năng làm mát của thân xe F1 chủ yếu được điều chỉnh thông qua cửa thoát gió, thay vì cửa hút gió. Vì vậy, để phù hợp với từng điều kiện đường đua và nhiệt độ môi trường khác nhau, các đội thường thay đổi kích thước hoặc hình dạng khu vực thoát khí phía sau thân xe. Trong khi đó, cửa hút gió thường được giữ gần như cố định giữa các chặng đua, bởi việc thay đổi quá nhiều ở khu vực này có thể gây ảnh hưởng lớn tới luồng khí và hiệu suất khí động học tổng thể.
Trước năm 2009, các đội F1 có khá nhiều tự do trong thiết kế cửa thoát khí trên thân xe. Họ có thể tạo các khe hở, ống dẫn và cửa gió với gần như mọi hình dạng để đưa luồng khí nóng ra khỏi bên trong sidepod và khoang động cơ. Tuy nhiên, từ mùa giải 2009, quy định khí động học buộc phần thân xe phải kín hơn, chỉ cho phép mở các khe thoát nhiệt tại một số khu vực giới hạn. Vì vậy, kể từ đó, hầu hết các đội đều tập trung bố trí cửa thoát khí làm mát tại những vị trí tương tự nhau trên thân xe.
Theo quy định hiện hành, khu vực sidepod được chia thành ba khoang giới hạn khác nhau và các lỗ thoát khí làm mát chỉ được phép xuất hiện tại một số vị trí cụ thể. Các khu vực hợp lệ bao gồm: phần trên phía trước của sidepod gần buồng lái, dọc khu vực trung tâm của vây cá mập (shark fin), phần đuôi của sidepod và khu vực thấp nhất của thân xe trong phạm vi khoảng 50 mm tính từ mép dưới. Chính những giới hạn này khiến thiết kế cửa thoát nhiệt trên các xe F1 hiện đại có xu hướng khá giống nhau giữa các đội.
Mỗi thay đổi trên thân xe đều ảnh hưởng trực tiếp tới cả khả năng làm mát lẫn lực cản khí động học. Đối với các đội F1, bất kỳ khe mở nào được bổ sung để tăng lưu lượng khí làm mát đều sẽ tạo thêm lực cản và ở một mức độ nhất định sẽ làm giảm downforce. Đó chính là bài toán cốt lõi của kỹ thuật làm mát trong F1. Các đội luôn muốn tối đa hiệu suất khí động học, nhưng đồng thời vẫn phải đảm bảo độ tin cậy cho hệ thống động lực và các hệ thống trên xe. Vì vậy, mọi giải pháp làm mát đều là sự đánh đổi giữa hiệu năng và độ bền, và trong F1, không tồn tại lựa chọn nào hoàn toàn miễn phí về mặt hiệu suất.
Các đội đua sử dụng các mô phỏng thời gian vòng chạy để tính toán chính xác nhu cầu làm mát cho từng đường đua, đồng thời đánh giá mức độ ảnh hưởng của lực cản phát sinh từ hệ thống làm mát tới hiệu suất xe. Điều này không phải lúc nào cũng dễ nhận ra, nhưng mỗi trường đua lại tạo ra yêu cầu làm mát khác nhau. Một số nơi đòi hỏi khả năng làm mát cho động cơ đốt trong (ICE) cao hơn đáng kể so với hệ thống hybrid và điện tử (ERS), như trường hợp tại chặng GP Áo. Vì vậy, các đội phải điều chỉnh cấu hình làm mát riêng cho từng chặng đua để đạt được sự cân bằng tối ưu giữa hiệu suất và độ tin cậy.
Bên cạnh nhiệt độ môi trường và dữ liệu thực tế thu được từ xe, các kỹ sư đua còn phải liên tục cân bằng giữa nhu cầu làm mát và hiệu suất khí động học trong suốt tuần đua. Điều này chủ yếu được thực hiện bằng cách thay đổi cấu hình thân xe nhằm tăng hoặc giảm diện tích các cửa thoát khí làm mát. Để hỗ trợ quá trình đó, các đội sử dụng hàng loạt mô phỏng nhằm dự đoán ảnh hưởng của từng cấu hình tấm làm mát có thể tháo rời.
Về cơ bản, đây là một "danh mục điện tử", trong đó thể hiện mối quan hệ giữa hiệu quả làm mát và lực cản khí động học, đi kèm các mô hình CAD cho từng cấu hình thân xe tương ứng. Từ đó, các kỹ sư có thể nhanh chóng lựa chọn thiết lập phù hợp nhất với điều kiện cụ thể của đường đua và thời tiết trong từng phiên chạy.
Các đội thường chuẩn bị nhiều cấu hình thân xe khác nhau để phù hợp với từng mức nhu cầu làm mát. Khu vực quan trọng nhất là khu vực "Coca-Cola" ở phía sau sidepod, nơi thân xe thắt lại quanh động cơ và hộp số. Chiều rộng của khu vực này cùng kích thước cửa thoát khí phía sau chính là công cụ chủ yếu để điều chỉnh khả năng làm mát từ mức cao xuống thấp.
Khi so sánh các cấu hình làm mát khác nhau, có thể thấy rất rõ tác động của nhu cầu tản nhiệt tới khí động học. Những cấu hình yêu cầu làm mát lớn thường phải sử dụng sidepod và các khe thoát khí lớn hơn, điều này làm tăng lực cản và ảnh hưởng tiêu cực tới hiệu suất khí động học tổng thể của xe.
Do hệ thống tản nhiệt bên trong xe không đối xứng (thường thì bộ tản nhiệt của động cơ đốt trong nằm ở một bên và bộ làm mát khí nạp / hệ thống treo ngoài nằm ở bên kia), nên yêu cầu làm mát thường khác nhau giữa bên trái và bên phải. Để đáp ứng nhu cầu làm mát cụ thể của từng bên, các cửa thoát khí có thể có kích thước khác nhau, do đó hình dạng phía sau của bộ tản nhiệt thường không đối xứng để đạt được sự cân bằng lý tưởng. Đây không phải là một thủ thuật thông minh để tăng hiệu suất trên các đường đua có nhiều khúc cua tập trung ở một hướng như đôi khi người ta vẫn lầm tưởng.
Từ giai đoạn đó, việc tinh chỉnh hệ thống làm mát chủ yếu được thực hiện thông qua các cửa thoát khí nằm bên hông khu vực buồng lái. Những tấm thân xe nhỏ này có thể được đóng kín hoàn toàn trong cấu hình lực cản thấp, hoặc mở thêm các khe thoát nhiệt khi cần tăng khả năng làm mát. Các đội có thể thay đổi số lượng khe thông gió, kích thước cửa thoát khí và thậm chí cả hướng thoát của luồng khí nóng trong phạm vi được luật cho phép, nhằm đạt sự cân bằng tối ưu giữa hiệu quả làm mát và hiệu suất khí động học.
Khu vực này cũng được các đội sử dụng để điều chỉnh khả năng làm mát trong suốt chặng đua, đặc biệt khi dự báo nhiệt độ thay đổi hoặc khi tốc độ xe tăng lên do nhiên liệu giảm dần về cuối race. Tuy nhiên, quy định parc fermé khiến việc thay đổi cấu hình thân xe sau vòng phân hạng bị hạn chế nghiêm ngặt. Điều đó đồng nghĩa với việc đội đua không thể chỉ đơn giản là thay toàn bộ cửa thoát khí sang loại khác trước khi vào race, trong khi thời gian pitstop cũng không cho phép tháo lắp các tấm thân xe phức tạp.
Để xử lý vấn đề này, một số đội như Mercedes đã sử dụng giải pháp linh hoạt hơn: các khe thoát khí dạng nan được che bằng lớp phủ carbon mỏng trong vòng phân hạng nhằm giảm lực cản. Những tấm che này chỉ được cố định bằng băng keo chuyên dụng đủ chắc để chịu được tốc độ cao, nhưng cũng đủ dễ tháo để các thợ máy có thể gỡ bỏ nhanh trong pitstop nếu xe cần tăng khả năng làm mát trong cuộc đua.
Hiện nay, các đội ít sử dụng các khe thoát khí ở phần trước sidepod hơn trước, bởi kiểu bố trí này thay đổi đáng kể theo từng xu hướng khí động học. Tương tự, khu vực dọc đường tâm xe hai bên vây cá mập (shark fin) cũng liên tục thay đổi vai trò qua các thế hệ thiết kế khác nhau. Ở thời điểm hiện tại, Mercedes là một trong số ít đội còn khai thác khu vực này theo cách chiến thuật. Đội sử dụng các khe thoát khí dạng "ống khói" trên nắp động cơ trong những chặng đua có nhiệt độ cao nhằm tăng khả năng thoát khí nóng khỏi khoang động cơ mà không cần mở rộng quá nhiều phần sidepod.
Bên cạnh hệ thống làm mát tổng thể, các đội còn phải xử lý những "điểm nóng" cục bộ xuất hiện quanh xe. Vì vậy, một số đội sử dụng thêm các khe thông gió nhỏ ở khu vực dưới phần thân xe dạng "Coca-Cola" để hỗ trợ thoát nhiệt cho hệ thống ống xả và các linh kiện xung quanh. Những khe mở này thường được thiết kế rất cụ thể cho từng điều kiện vận hành hoặc đặc điểm riêng của từng đường đua, nơi nhiệt lượng tích tụ ở khu vực phía sau xe đặc biệt lớn.