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Formule 1 : les secrets du moteur innovant de Renault

Formule 1 : les secrets du moteur innovant de Renault

Un propulseur bi-énergie

© DR

Cette année, les cartes pourraient être complètement redistribuées en Formule 1. La nouvelle réglementation a obligé les motoristes à complétement revoir leur copie pour intégrer des systèmes de récupération d’énergie cinétique lors du freinage et thermique dans les gaz d’échappement. Et la limitation de la quantité de carburant embarquée les a obligés à développer des systèmes de gestion globale de l’énergie disponible. De vrais défis pour les ingénieurs et les pilotes. A ce jeu, difficile de faire des pronostics.

La saison 2014 de Formule 1, qui débutera le 16 mars par le Grand Prix d’Australie, sera marquée par une évolution majeure des motorisations. La Fédération Internationale de l’Automobile (FIA) veut ainsi marquer la volonté du sport automobile phare de suivre les tendances au ‘‘downsizing’’ et à la diminution des consommations imposées à l’industrie automobile.

En effet, cette année le règlement technique impose aux écuries participantes d’utiliser un propulseur V6 Turbo-compressé de 1,6 litre de cylindrée, tournant au maximum à 15 000 tr/min, complété par deux systèmes de récupération d’énergie. Basés sur des moteurs électriques, ils envoient l’énergie récupérée vers une batterie. L’un récolte l’énergie calorifique des gaz d’échappements, tandis que l’autre récupère l’énergie cinétique lors des freinages. La puissance maximale délivrée par l’ensemble ne peut pas dépasser 760 ch. Des mesures qui touchent aussi la consommation limitée à 100 kg par course (35 % de moins qu’en 2013), avec un débit maximum de 100 kg/h.



Pour se conformer à cette nouvelle règlementation, Renault Sport F1, qui motorisera 4 écuries sur 11 (Red Bull, Lotus, Toro Rosso, Caterham), vient de présenter son propulseur Energie F1-2014, dont nous avons pu suivre le développement tout au long de l’année 2013. Développé et fabriqué au sein de l’usine de Viry-Châtillon, il a dans ses gènes tous les savoir-faire acquis par ses prédécesseurs avec 12 titres de Champion du Monde et 165 victoires en course.

Une mécanique soumise à rude épreuve

Contrairement à ce que l’on pourrait penser, la partie moteur thermique a demandé beaucoup de développements pour passer du V8 atmosphérique de la saison 2013 au V6 Tubo-compressé. Outre l’architecture générale, le turbo induit des efforts autrement plus importants sur l’équipage mobile (pistons, bielles, vilebrequin), car la pression dans la chambre de combustion peut atteindre 200 bar, et favorise l’apparition du phénomène de cliquetis, très destructeur.

Ce moteur d’environ 600 ch étant alimenté en essence par injection directe dans la chambre de combustion, il a aussi fallu trouver le bon emplacement pour l’injecteur et développer une électronique de commande permettant de couper l’injection dans un ou plusieurs cylindres pour améliorer le rendement et la réactivité du moteur dans les virages.

Enfin, la partie turbo-compresseur qui tourne à 100 000 tr/min subit des contraintes énormes, à la fois mécaniques et thermiques, et doit avoir un temps de réponse, latence entre l’action du pilote sur l’accélérateur et mise en régime du moteur, quasiment nul. Notons aussi que l’intégration de la Wastegate (vanne de décharge du turbo), qui évite tout surrégime, a été compliquée car malgré des pressions importantes, elle doit être très compacte pour s’insérer dans un environnement très confiné. Le tout avec une fiabilité exemplaire, car sa défaillance pourrait entrainer la destruction du moteur. Notons que le fort taux de compression (3,5 bar) impose un échangeur thermique intercalé entre le turbo et le moteur, difficile à intégrer dans la voiture.

Deux récupérateurs d’énergie

La récupération de l’énergie cinétique lors du freinage se fait via le MGU-K (Motor Generator Unit – Kinetic), une machine électrique tournant jusqu’à 50 000 tr/min, capable aussi bien de fonctionner en génératrice qu’en moteur. Couplé au vilebrequin du V6, il fournit de jusqu’à 2 MJ par tour à la batterie lors des ralentissements et apporte un surcroit de puissance pouvant aller jusqu’à 120 kW (160 ch), soit 4 MJ/tr lors des phases d’accélération. Dans ces moments, le MGU-K peut être alimenté par la batterie ou par le système de récupération de l’énergie calorifique dans les gaz d’échappement. Très compact et proche du moteur thermique, ce système chauffe en dégageant 3 fois plus de chaleur que le système de récupération (Kers - Kinetic Energy Recovery System) utilisé les saisons précédentes. Pourtant, il n’a pas droit à la défaillance, car son absence réduirait tellement les performances de la voiture qu’elle serait pratiquement hors course.

Vraie nouveauté de la saison 2014, la récupération de l’énergie calorifique dans les gaz d’échappement. C’est le rôle du MGU-H (Motor Generator Unit – Heat), une autre machine électrique reliée mécaniquement cette fois au turbo-compresseur, où elle récupère une partie de l’énergie thermique des gaz d’échappement (>2 MJ/tr) pour la transformer en énergie électrique et alimenter soit la batterie, soit le MGU-K. Le MGU-H sert également à contrôler la vitesse du turbo pour qu’il réponde au besoin en air du moteur. Il le freine pour absorber l’excédent d’énergie qui serait avec un système classique perdue dans la Wastegate, il l’accélère pour réduire son temps de réponse.

Le développement du MGU-H a été un véritable casse-tête à cause de la vitesse de rotation du turbo (>100 000 tr/min) et il a aussi fallu développer un convertisseur très performant pour transformer le courant alternatif, afin d’alimenter la batterie.

Une batterie à forte densité énergétique

Par rapport à la saison 2013, la batterie qui équipera les propulseurs 2014 disposera d’une puissance double (120 kW) et d’une capacité de stockage d’énergie multipliée par 10. Pesant 20kg, sa puissance massique est très élevée, ce qui va générer des effets électro-magnétiques importants pouvant perturber les multiples capteurs installés sur la voiture.

En 2014, la quantité d’essence embarquée est limitée à 100 kilos et le débit d’alimentation en carburant à 100 kg/h. Le pilote qui utilisera son moteur à pleine puissance pendant plus d’une heure ne ralliera pas l’arrivé. Il lui faudra donc impérativement utiliser l’énergie récupérée et stockée sous forme électrique. Il sera même primordial pour lui de trouver le bon équilibre entre les deux sources d’énergie pour optimiser la vitesse et réduire les temps au tour.

Un tour en mode hybride

Lors d’une phase d’accélération (par exemple dans la ligne droite des stands) le moteur à combustion interne puise dans la réserve de carburant et le turbocompresseur tourne à la vitesse maximale de 100 000 tr/min. Le MGU-H fonctionne alors en mode générateur et récupère une partie de l’énergie fournie par les gaz d’échappements à la turbine. Cette énergie est transmise au MGU-K ou à la batterie si cette dernière a besoin d’être rechargée. Le MGU-K convertit à son tour cette puissance électrique en puissance mécanique qui, combinée à celle du moteur thermique auquel il est accouplé, permet de hausser le rythme ou d’économiser du carburant, selon la stratégie choisie par le pilote.




Au bout de la ligne droite, le pilote lève le pied et freine pour prendre le premier virage. A cet instant, le MGU-K fonctionne comme un générateur : il récupère une partie de l’énergie dissipée au freinage et la stocke dans la batterie.

Durant la phase de freinage, la vitesse du turbocompresseur chute du fait de l’absence d’énergie à l’échappement, ce qui, dans le cas d’un moteur traditionnel turbocompressé, cause le principal désagrément : le temps de réponse. Ce phénomène intervient lorsque le pilote ré-accélère, la combustion du carburant dans les chambres de combustion relance la production de gaz chauds à l’échappement qui fournissent l’énergie pour relancer le turbo, mais celui-ci a besoin d’un certain temps avant de retrouver sa vitesse de rotation maximale permettant au moteur de délivrer toute sa puissance.

Ainsi, pour éviter ce décalage en sortie de virage, le MGU-H agit ponctuellement comme un moteur qui relance instantanément le turbo à sa vitesse de rotation optimale et offre au pilote une réponse immédiate lorsqu’il sollicite l’accélérateur.

Des cartes redistribuées

On le voit, l’équilibre entre la consommation de carburant, la récupération d’énergie et sa réutilisation devra être étroitement surveillée tout au long du tour par le pilote et ses ingénieurs. Mais il disposera toutefois d’un système de gestion global de l’énergie disponible, qui l’aidera à faire les bons choix pour être le plus près possible du temps au tour atteignable avec cette énergie disponible. Et à ce jeu, nul ne sait encore quel pilote sera le meilleur.

De même, côté motoristes, alors que les constructeurs rivalisaient jusque-là d’ingéniosité pour atteindre le niveau de puissance le plus élevé, il va leur falloir désormais trouver les solutions les plus intelligentes pour gérer au mieux la consommation d’énergie sur une course complète. Et se montrer ainsi les dignes héritiers du Sorcier, Amédée Gordini !

La saison 2014 s’annonce passionnante !

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : http://www.renaultsportf1.com

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