Luồng khí qua ô tô ảnh hưởng nhiều tới khả năng vận hành của phương tiện, đặc biệt là vấn đề tiêu hao nhiên liệu. Việc cải thiện khí động học sẽ giúp chủ phương tiện tiết kiệm nhiên liệu, tốc độ và độ ổn định của vận tốc xe khi di chuyển.

Tốc độ di chuyển của xe chịu ảnh hưởng bởi 4 loại lực cản bao gồm lực ma sát, lực quán tính, lực cản và đặc biệt là luồng khí qua ô tô. Để tối ưu khả năng tăng tốc và tiết kiệm nhiên liệu cho phương tiện, nhà sản xuất đã có một số phương pháp nhằm thay đổi bộ phận trên xe, được ứng dụng rộng rãi hiện nay.

Luồng khí qua ô tô ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng tiêu thụ nhiên liệu và tốc độ xe trong quá trình vận hành (Nguồn: Sưu tầm)

1. Ảnh hưởng của các luồng khí qua ô tô đến hiệu suất vận hành

Trong quá trình nghiên cứu về sự ảnh hưởng của luồng khí qua ô tô đến hiệu suất vận hành, các chuyên gia đã chia thành 3 nhóm như sau:

• Lực nâng (Lift force): Khi điều khiển phương tiện, quãng đường di chuyển của luồng khí tác động phía trên mui ô tô dài hơn so với luồng khí chạy dọc phía dưới gầm xe. Ứng dụng nguyên lý Bernoulli (phía trước dài hơn phía sau) cho thấy sự chênh lệch áp suất là do vận tốc khác nhau của các luồng không khí. Lực nâng của không khí thường sẽ tập trung ở đuôi xe và có phương vuông góc với mặt đường làm giảm sức bám đường của phương tiện. Khi xe di chuyển với tốc độ cao, lực nâng lớn, các bánh phía sau dễ bị trượt mạnh trên mặt đường, gây nguy hiểm cho người ngồi trên xe và những người tham gia giao thông khác. Đối với một vài dòng xe được thiết kế chú trọng đến khí động học, loại lực nâng này sẽ được triệt tiêu đáng kể và trở thành lực nén (downforce) xuống mặt đường, giúp đảm bảo độ bám đường tốt nhất.
• Lực cản (Drag force): hay còn được gọi là lực cản không khí, có phương đặt song song với bề mặt đường và tỉ lệ thuận với vận tốc. Trong trường hợp di chuyển theo phương này, vận tốc tuyệt đối giữa xe và các dòng khí sẽ đạt mức lớn nhất. Phương tiện chạy càng nhanh, lực cản sẽ càng lớn. Để kìm hãm lực cản, động cơ ô tô phải hoạt động với công suất cao để tạo đà về phía trước, xe sẽ tiêu hao nhiều nhiên liệu.
• Lực hông (Side force): Đây là lực yếu nhất, được tạo ra bởi sự tác động của các dòng khí vào bên hông xe và ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định của phương tiện khi di chuyển ở vận tốc cao.

Khí động học trên ô tô được chia thành 3 nhóm bao gồm lực nâng, lực cản và lực hông (Nguồn: Sưu tầm)

2. Khí động học ô tô ảnh hưởng tới khả năng tiêu hao nhiên liệu như thế nào?

Lực ma sát và lực cản lăn của lốp xe ô tô tiêu tốn rất nhiều năng lượng. Khi phương tiện di chuyển, phần lớn lượng nhiên liệu được đốt cháy để có thể sinh ra công thắng lực ma sát và lực cản lăn. Trong trường hợp này, lực cản khí động học tăng tuyến tính tùy thuộc vào tốc độ của xe.

Khí động học ô tô chính là yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến khả năng tiêu hao nhiên liệu của xe (Nguồn: Sưu tầm)

Lực cản của không khí sẽ tăng tỷ lệ so với bình phương tốc độ. Khi ô tô chạy trên đường cao tốc với tốc độ cao, lực cản này chính là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến việc tiêu hao nhiên liệu. Nếu xe chạy với tốc độ trung bình thì công của động cơ sinh ra phải lớn hơn lực ma sát và lực cản lăn. Trường hợp phương tiện di chuyển nhanh sẽ phát sinh thêm một lực bất lợi chính là lực cản không khí. Tóm lại, khi xe di chuyển với tốc độ càng nhanh, xe càng cần dùng nhiều nhiên liệu. 

Do đó, ảnh hưởng của khí động học ô tô đóng vai trò tối ưu hóa khả năng tiết kiệm nhiên liệu và hiệu năng vận hành của xe. Hiện nay, các nhà khoa học tìm kiếm nhiều phương pháp kiểm tra tính khí động học để tối ưu những ảnh hưởng này nhằm mang tới những giải pháp hữu ích cho công nghiệp sản xuất ô tô.

Các mẫu xe ô tô hiện nay được thiết kế với nhiều đặc điểm mới, trang bị nhiều bộ phận giúp tối ưu hóa khí động học

Khí động học ô tô ảnh hưởng lớn đến tốc độ xe di chuyển và khả năng tiêu hao nhiên liệu. Các mẫu ô tô hiện đại phần lớn được sản xuất đáp ứng yêu cầu tối ưu ảnh hưởng của khí động học đến các yếu tố trên. Người dùng có thể tham khảo các thông số kỹ thuật, tìm hiểu về thiết kế của xe để có được lựa chọn phù hợp nhất.

3. Các phương pháp tối ưu luồng khí qua ô tô giúp tiết kiệm nhiên liệu

Từ những ảnh hưởng của luồng khí qua ô tô đến khả năng vận hành của xe, các nhà sản xuất đã thực hiện nhiều nghiên cứu nhằm tìm ra phương pháp cải thiện khí động học hiệu quả. Theo đó, người dùng có thể lựa chọn phương pháp để tối ưu chi phí và tiết kiệm nhiên liệu.

3.1. Lắp thêm cánh gió giúp cải thiện khí động học trên ô tô

Cánh gió đuôi xe có tác dụng duy trì lực kéo khi ô tô di chuyển với vận tốc lớn. Trong các trường hợp vào cua với tốc độ nhanh, kết hợp đường trơn sẽ khiến ô tô dễ bị văng đuôi hoặc đầu xe nếu lực nén không đủ. Lúc này, cánh gió được lắp ở trước hoặc sau xe sẽ can thiệp, làm giảm sự tác động của lực cản không khí.

Ngày nay, cản gió đuôi xe được xem là bước phát triển vượt bậc trong quá trình nghiên cứu khí động học trên ô tô. Bộ phận này thường xuất hiện trên các dòng xe thể thao, tập trung vào tốc độ.

Một số tác dụng của cánh gió đuôi xe cụ thể như sau:

• Duy trì sức kéo: giúp tăng lực hướng xuống của ô tô, độ bám dính của lốp và tính ổn định của vận tốc trong trường hợp xe di chuyển với tốc độ cao trên 112km/h.
• Giảm trọng lượng xe: làm giảm trọng lượng xe và đảm bảo tính ổn định cho phương tiện khi di chuyển với chất liệu cán gió siêu nhẹ.
• Tăng cường tầm nhìn: giúp người điều khiển có thể nhận diện các phương tiện khác khi lưu thông trên đường. Một số mẫu ô tô có tích hợp đèn phanh vào cánh gió đuôi xe, nhằm cảnh báo cho phương tiện phía sau khi giảm tốc độ hoặc phanh.
• Ổn định phanh xe hơn: đảm bảo phương tiện vận hành an toàn, cải thiện khả năng của phanh xe trong các trường hợp di chuyển với tốc độ cao.

Cánh gió đuôi xe đảm bảo phương tiện di chuyển ổn định với vận tốc cao (Nguồn: Sưu tầm)

3.2. Tạo hiệu ứng mặt đường giảm luồng khí qua ô tô

Cuối những năm 1970, Colin Chapman đã phát hiện ra nguyên lý “tác dụng mặt đường” giúp xe tạo ra những đường cua với tốc độ gây choáng ngợp. Phương pháp này đã thành công tạo ra lực nén mà không làm ảnh hưởng đến lực cản. Thực tế, hiệu ứng mặt đường đã mang lại hiệu quả rõ rệt hơn hẳn cánh đuôi và được ứng dụng nhiều trong sản xuất xe ô tô. 

Tuy nhiên, hiệu ứng mặt đường chỉ được áp dụng chủ yếu ở những dòng xe có thiết kế gầm cao. Đối với các dòng xe có gầm thấp sẽ không thích hợp và không đủ tiêu dụng áp dụng phương pháp này. 

3.3. Một số phương pháp tối ưu luồng khí qua ô tô khác

Chủ xe có thể tham khảo thêm một số cách khắc phục luồng khó qua ô tô khác để nhằm đảm bảo hiệu suất vận hành, cụ thể:

• Lỗ thông khí: chia luồng không khí tiếp cận với xe thành 2 hướng nhằm giảm lực cản tập trung lên xe.
• Tấm bọc gầm: sử dụng tấm bọc làm nhẵn bề mặt gầm nhằm giảm sự nhiễu loạn của không khí khi di chuyển qua các bộ phận dưới gầm.
• Cánh chia gió phía trước: chia luồng gió phía trước và làm biến đổi luồng gió đi qua dưới gầm, giảm bớt lực nâng trong quá trình di chuyển.

Ngoài ra, ngày nay các kỹ sư của nhiều hãng xe còn sử dụng phương pháp đưa xe vào trong hầm gió để có thể đo chỉ số cản cùng hiệu quả khí động học thực tế.

Lỗ thông khí được lắp đặt trên ô tô nhằm giảm lực cản của không khí tác động lên xe (Nguồn: Sưu tầm)

Khí động học đã giúp ngành công nghiệp ô tô có những bước tiến lớn. Không chỉ thay đổi vẻ ngoài của xe ô tô bằng những đường nét mềm mại và tinh tế, khí động học còn mở ra kỷ nguyên vàng trong việc ứng dụng môn khoa học này vào thiết kế xe ô tô để tối ưu hóa khả năng tiết kiệm nhiên liệu và hiệu năng vận hành của xe.