La réglementation sur les carburants en formule 1

Le règlement technique « carburant » de la Formule 1 est strict. Il encadre la formulation en limitant la part des hydrocarbures entrant dans la composition du produit final. Une monoplace de F1 doit rouler avec un carburant qui possède un profil proche du super sans plomb de la pompe et répondre à des contraintes draconiennes. Sauf sur un point essentiel : l’indice d’octane n’est pas limité. Malgré une apparente rigidité, une marge de manoeuvre subsiste donc. Elle permet aux chercheurs de faire la différence. Car si les ingrédients qui entrent dans la composition du carburant F1 sont réglementés, et leurs proportions encadrées, la recette, elle, est «presque » libre…

Optimiser l’injection

Les nouveaux propulseurs F1 sont à injection directe : le carburant est injecté directement dans la chambre de combustion comme sur un moteur diesel moderne. Le régime maximum est limité à 15 000 tr/min. Mais en réalité la combinaison entre la recherche de fiabilité, la limite en débit de carburant et le fonctionnement en mélange pauvre (Un rapport air/carburant supérieur à 14,7, correspondant à la stoechiométrie de l’essence), va imposer aux motoristes un fonctionnement dans une zone proche de 11 000 tr/mn. Néanmoins, ce nouveau moteur, du fait de l’injection directe, doit être alimenté par un carburant se vaporisant très rapidement. Cette injection est initiée pendant la phase de compression juste avant l’allumage et le temps moteur. Elle est gérée électroniquement afin d’être aussi rapide que précise. La haute pression d’injection favorise la vaporisation pendant que le jet d’essence pénètre dans les gaz frais, mais cette vaporisation dépend également de la qualité du carburant. Les jets doivent être très courts pour se vaporiser rapidement sans mouiller trop fortement les parois des pistons ou les chemises des cylindres. Auparavant, l’injection indirecte en amont de la soupape laissait plus de temps et des conditions de température et de pression plus clémentes pour un mélange homogène.

Stabiliser la combustion

L’entraînement d’un moteur électrique sur l’axe du turbocompresseur par les gaz d’échappement, afin de générer de l’électricité, est une technologie novatrice en termes de récupération d’énergie. Elle n’est efficace qu’à la condition d’être capable de passer la plus grande quantité de gaz à la plus grande vitesse possible sur la turbine chaude du turbo placée dans la veine des gaz d’échappement. Pour cela, il faut faire fonctionner le moteur à essence à injection directe comme un diesel, avec un important excès d’air et donc à richesse très faible. Outre une bonne vitesse de flamme de combustion, il faut formuler un carburant possédant une bonne stabilité de combustion en mélange pauvre. Efin, le carburant doit également garantir le refroidissement et le fonctionnement des pompes à essences : la pompe de gavage située dans le réservoir qui élève la pression de quelques bar et alimente la pompe à haute pression générant la pression d’injection.

Limiter le cliquetis

Le rôle du carburant se résume en peu de mots. Pour libérer la puissance, il doit permettre une combustion très rapide, donc être rapidement vaporisé de façon homogène. Après allumage, la propagation de la flamme doit être quasi instantanée mais sans générer de cliquetis. Or les moteurs turbo y sont particulièrement sensibles car ils génèrent de plus grandes pressions et températures dans la chambre de combustion que les moteurs atmosphériques.

Le cliquetis est une combustion incontrôlée, en régime de détonation, qui se propage à très grande vitesse dans la chambre de combustion. Ce phénomène « explosif » engendre des ondes de pressions qui se réfléchissent sur les parois, générant de très importantes oscillations de pression. Conséquences : des vibrations audibles, une destruction de la dynamique interne des gaz de la chambre de combustion et un transfert thermique entre les gaz brûlés et le métal. En quelques secondes, un piston peut ainsi être percé ou détruit par fusion. La qualité du carburant possède un rôle important dans la limitation du cliquetis et un accroissement significatif de son indice d’octane permet de retarder l’apparition du cliquetis.

Les composés d’origine non fossile

Depuis 2008 la législation impose des composés d’origine non fossile dans les carburants : les bio-carburants. L’obligation d’incorporer 5,75% (en masse) de composés d’origine renouvelable dans les carburants est un des éléments fondamentaux entrant dans la « recette ». Ces molécules « non fossile » peuvent contenir de l’oxygène, comme l’éthanol, mais également des hydrocarbures obtenus à partir de la décomposition par des bactéries de certains déchets végétaux ne rentrant pas dans la chaîne de consommation alimentaire. Ce sont les carburants renouvelables ou biocarburants de 2ème génération. A noter : l’oxygène parfois contenu dans ces bio-composants  limite le pouvoir calorifique, donc l’énergie disponible dans le carburant final, mais apporte des composants, tels les alcools, présentant un indice d’octane élevé. L’étude de la combustion est indispensable pour la recherche du meilleur compromis sur le moteur turbo, entre fiabilité apportée par l’indice d’octane élevé et puissance maximale disponible.

Les additifs

Les additifs sont primordiaux pour la fiabilité du moteur, tant pour éviter la casse que pour éviter la déchéance progressive de la puissance du moteur sur son cycle de vie. En d’autres termes, l’additivation du carburant va permettre de réduire les frictions des segments, éviter les dépôts sur les calottes de piston et les parties chaudes du moteur, lubrifier les pompes à essence haute pression, et enfin prévenir la cokéfaction des injecteurs. Ces molécules actives présentent différentes propriétés : détergence, anticorrosion, antioxydation, réduction de l’émulsion avec l’air, modifications de frictions, amélioration de combustion, amélioration de l’indice d’octane.

Le résultat final

C’est un carburant composé de plusieurs dizaines d’ingrédients formulé spécialement pour le propulseur Renault Energy F1-2014, permettant de garantir un niveau de performance optimal. Le V6 turbocompressé Renault est nourri par un super sans plomb présentant un indice d’octane élevé (propriétés antidétonantes et gain de puissance), une stabilité en combustion optimisée (anti-cliquetis) et un contenu énergétique important.

Le développement de carburants F1

De très nombreux développements de carburants F1 sont testés chaque saison. Une fois la formulation optimale retenue et validée par Renault Sport F1, Total procède à l’homologation du produit auprès de la Fédération Internationale de l’Automobile (FIA). C’est l’acte de naissance du carburant : une dizaine de litres sont envoyés en Grande-Bretagne au laboratoire fédéral afin de recevoir l’aval du législateur. L’analyse de cet échantillon, obtenue par chromatographie gazeuse, permettra d’obtenir le code génétique du carburant qui servira de référence jusqu’à l’homologation du carburant suivant. Un autre fût de 25 litres est envoyé à un prestataire de la FIA pour la calibration des débitmètres des monoplaces. À chaque changement de « recette », une nouvelle phase de validation complète est obligatoire. Chaque homologation réclame de 3 à 4 semaines.

L’analyse de conformité en Grands Prix

La FIA effectue des prélèvements de carburant de façon aléatoire pendant les week-ends de course, et prélève également un échantillon sur les monoplaces des pilotes montés sur le podium. Or de nombreux paramètres peuvent altérer un carburant par rapport à sa composition homologuée : un solvant toujours présent après nettoyage de la pompe à essence ou du réservoir, ou l’évaporation des molécules les plus légères si une monoplace a tourné avec un faible volume embarqué. L’altération de la formulation par rapport à sa référence peut entraîner la disqualification d’un pilote ou de son équipe. Pour s’assurer à tout moment de la conformité du carburant utilisé avec le « code génétique » déposé, Total déplace un chromatographe sur les circuits. Cet appareil de contrôle permet d’identifier, chaque jour, les molécules présentes dans l’essence utilisée.

Source : Total

L’avis de Romain :

Il semble que les contraintes soient désormais beaucoup plus importantes sur les carburants avec les moteurs 2014. Combien de formulations différentes pensez-vous que Total a faites avant d’arriver à un résultat satisfaisant pour les écuries ? Pensez-vous que nous allons assister cette année à des casses moteurs en courses ou en essais dues à des phénomènes de cliquetis ?