Honda Motor a présenté aujourd’hui un premier aperçu du propulseur en cours de développement pour le championnat du monde de Formule 1 2015 FIA. Le présent dossier décrit le fonctionnement du propulseur qui sera utilisé en compétition.
Introduction : Comment les F1, conçues pour la vitesse, peuvent être économes en carburant ?
En 2014, le règlement portant sur le moteur et les systèmes de récupération d’énergie de F1 a été modifié. Les moteurs de 2,4 litres sont passés à 1,6 litre, et des technologies hybrides telles que la récupération d’énergie similaire aux voitures hybrides classiques ont été introduites.
Les technologies des F1 sont beaucoup plus complexes que les voitures hybrides ordinaires. Le moteur et les systèmes de récupération d’énergie qui fournissent la puissance énorme à la monoplace pour rouler à plus de 300 kilomètres par heure ont besoin de technologies innovantes. Les F1 peuvent désormais non seulement récupérer l’énergie cinétique – comme les voitures hybrides ordinaires – mais aussi l’énergie thermique.[image_frame style= »framed_shadow » align= »center » alt= »Types de système de récupération d’énergie d’un Formule 1″ title= »Les F1 peuvent désormais non seulement récupérer l’énergie cinétique – comme les voitures hybrides ordinaires – mais aussi l’énergie thermique. »]https://www.car-engineer.com/wp-content/uploads/2014/10/Formula-1-recovery-systems-types.png[/image_frame]
La concurrence s’intensifie entre les constructeurs automobiles pour développer de meilleures technologies environnementales. Honda participera au championnat de F1 pour relever ces défis. Les technologies développées pour le championnat de F1 seront par ailleurs portées sur les voitures de production.
Le propulseur F1 de Honda
Le changement de terme de « moteur » à « propulseur » signifie un changement de philosophie, du développement de moteur pour avoir de la puissance pure à la poursuite de propulseur à haut rendement énergétique, ce qui conduit à un meilleur niveau d’efficacité énergétique grâce à des technologies innovantes.
Comment les deux types de systèmes de récupération d’énergie, le système de récupération d’énergie cinétique et d’énergie thermique, travaillent ?[image_frame style= »framed_shadow » align= »center » alt= »Arrangement du propulseur » title= »Le système de récupération d’énergie cinétique est une évolution du KERS. Le système de récupération d’énergie thermique capte l’énergie thermique produite à partir de l’échappement du moteur » height= »316″ width= »600″]https://www.car-engineer.com/wp-content/uploads/2014/10/Power-Unit-layout.png[/image_frame]
Le système de récupération d’énergie cinétique est une évolution du KERS (Kinetic Energy Recovery System), utilisé dans les courses de F1 de 2009 à 2013, et fonctionne de façon similaire au système hybride de l’Accord hybride et de la Fit hybride, en utilisant un moteur et un générateur électrique pour convertir l’énergie cinétique en énergie électrique.
Avec une voiture à moteur à combustion interne, l’énergie cinétique provenant du freinage est perdue car elle se transforme en énergie thermique dans les disques et plaquettes. Avec un système hybride, cette énergie est récupérée par l’unité de moteur/générateur sous forme d’énergie électrique, et est stockée dans la batterie, qui peut ensuite être utilisée pour alimenter le moteur électrique pendant l’accélération. L’unité de moteur/générateur du système de récupération d’énergie cinétique est appelée « MGU-K » (Motor Generator Unit – Kinetic).
Le second système, le système de récupération d’énergie thermique, capte l’énergie thermique produite à partir des gaz d’échappement du moteur thermique. La chaleur des gaz provenant de la chambre de combustion du moteur est normalement perdue à travers les tubulures d’échappement. Le système de récupération d’énergie thermique, une unité de moteur/générateur électrique, réutilise cette énergie thermique pour produire de l’électricité. Cette unité est appelée « MGU-H » (Motor Generator Unit – Heat).
Configuration du propulseur
Le propulseur des monoplaces est situé derrière le siège du conducteur (cockpit), où se trouvent également les batteries.[image_frame style= »framed_shadow » align= »center » alt= »Configuration du propulseur » title= »Le propulseur des monoplaces est situé derrière le siège du conducteur (cockpit), où se trouvent également les batteries » height= »364″ width= »600″]https://www.car-engineer.com/wp-content/uploads/2014/10/Power-Unit-configuration.png[/image_frame]
Les règlements de la FIA autorisent un seul turbocompresseur avec des exigences concises concernant son installation. Le turbocompresseur augmente la quantité d’air qui est refroidie par un échangeur et introduite dans le moteur. Le MGU-H doit être connecté au turbocompresseur.
Les nouveaux règlements 2014 limitent la consommation de carburant à 100 kg, et le débit de carburant à 100 kg/h par course. Il faut imaginer la consommation de carburant comme la capacité du réservoir de carburant, et le débit de carburant comme la quantité de carburant qui s’écoule du réservoir. La quantité totale de carburant et le débit maximal de carburant s’écoulant à tout moment sont limités lors de chaque course. Ces règlements permettent aux équipes d’utiliser 30% moins de carburant qu’en 2013. En raison des restrictions de débit de carburant, il est plus difficile pour le moteur thermique de produire de la puissance, alors que la taille restreinte du réservoir de carburant demande une plus grande efficacité énergétique.
Les monoplaces de Formule 1 doivent utiliser le carburant avec mesure pour être en mesure de terminer la course. Cependant, les courses ne peuvent pas être gagnées en conduisant lentement. Il faut donc utiliser le minimum de carburant avec le maximum d’efficacité. Pour gagner une course de F1, le moteur doit être économe en carburant et puissant, et les deux systèmes de récupération de l’énergie doivent être utilisés à bon escient.
Composants du propulseur
Batterie
Les dispositifs de stockage d’énergie (batteries) sont utilisés pour stocker de l’énergie qui serait autrement perdue. La réglementation limite la masse de la batterie entre 20 et 25 kg, afin d’éviter les coûts de développement excessifs. Les technologies de contrôle et le développement de la batterie acquis durant le développement de la F1 seront également bénéfiques pour les véhicules hybrides de production dans l’avenir.[image_frame style= »framed_shadow » align= »center » alt= »Batterie du propulseur » title= »Batterie du propulseur » height= »157″ width= »400″]https://www.car-engineer.com/wp-content/uploads/2014/10/pu-battery.jpg[/image_frame]
Unité de contrôle ERS
L’unité de contrôle ERS (Energy Recovery System) est un calculateur qui contrôle la façon dont l’énergie est utilisée dans le propulseur. C’est le cerveau du propulseur, et son logiciel détermine la façon dont le moteur et les deux MGU opèrent dans un environnement de conduite en constante et rapide évolution.[image_frame style= »framed_shadow » align= »center » alt= »Unité de contrôle ERS du propulseur » title= »Unité de contrôle ERS du propulseur » height= »157″ width= »400″]https://www.car-engineer.com/wp-content/uploads/2014/10/pu-ers.jpg[/image_frame]
La batterie fonctionne avec du courant continu (CC), par opposition aux MGU-H et MGU-K qui fonctionnent en utilisant du courant alternatif (AC). L’unité de contrôle ERS comprend des convertisseurs AC/DC et DC/AC pour convertir l’électricité entre la batterie et les MGU-K / MGU-H. Les technologies développées pour l’efficacité de conversion et la gestion thermique trouveront probablement leur chemin vers les voitures hybrides de production.
MGU-K
Le MGU-K convertit l’énergie cinétique provenant de la décélération en énergie électrique, fonctionnant de manière similaire à des machines électriques de voitures hybrides conventionnelles. Le régime maximal est limité à 50 000 tours par minute, et sa puissance est de 120 kW. Lors de l’accélération de la F1, en utilisant l’énergie électrique stockée dans la batterie, le MGU-K ajoute 157 ch. aux 592 ch. du moteur thermique. Le MGU-K produit à lui seul plus de puissance que le groupe motopropulseur de la Fit hybride de 103 kW.[image_frame style= »framed_shadow » align= »center » alt= »MGU-K du propulseur » title= »MGU-K » height= »157″ width= »400″]https://www.car-engineer.com/wp-content/uploads/2014/10/pu-mgu-k.jpg[/image_frame]
L’énergie électrique utilisée pour charger la batterie à partir du MGU-K est limitée à 2 MJ (mégajoules) par tour, et le maximum d’énergie utilisé par la batterie pour alimenter le MGU-K est limité à 4 MJ par tour.
MGU-H
Le MGU-H convertit l’énergie thermique des gaz d’échappement en énergie électrique, et n’a pas encore été utilisé dans les voitures hybrides de production. [image_frame style= »framed_shadow » align= »center » alt= »MGU-H du propulseur » title= »MGU-H » height= »157″ width= »400″]https://www.car-engineer.com/wp-content/uploads/2014/10/pu-mgu-h.jpg[/image_frame]
Contrairement au MGU-K, les règlements de la F1 n’imposent aucune restriction d’utilisation de l’énergie pour le MGU-H. L’électricité produite par le MGU-H peut être introduite directement dans le MGU-K, évitant les restrictions réglementaires qui pèsent sur le MGU-K et utilisant tout son potentiel de 157 ch. Le nouveau propulseur de Honda F1 dépend fortement de l’efficacité du MGU-H.
Moteur à combustion interne
Le moteur V8 de 2,4 litres à aspiration naturelle de 2013 a été remplacé en vertu des nouvelles réglementations 2014 par un moteur V6 turbo de 1,6 litre à injection directe. Le moteur est 30% plus petit, et il y a deux cylindres de moins, suivant la tendance mondiale du « downsizing ».
Avec une cylindrée plus petite et moins de cylindres, le moteur seul ne peut pas être aussi puissant qu’avant. Des dispositifs d’induction forcée, comme les turbocompresseurs, permettent au moteur d’être plus compact, et de produire la même puissance qu’avant. L’objectif de réduction de la cylindrée est de réduire la taille du moteur et d’augmenter l’efficacité énergétique tout en produisant la même puissance qu’un moteur plus gros, à aspiration naturelle.[image_frame style= »framed_shadow » align= »center » alt= »Moteur à combustion interne du propulseur » title= »Moteur à combustion interne » height= »157″ width= »400″]https://www.car-engineer.com/wp-content/uploads/2014/10/pu-engine.jpg[/image_frame]
Jusqu’en 2013, les moteurs de F1 ont été limités à 18 000 tours par minute, mais à partir de 2014, la limite de régime est réduite à 15 000 tours par minute, avec un débit de carburant maximal plafonné à 10 500 tours par minute.
La puissance augmente proportionnellement à la quantité de carburant brûlée, de sorte qu’à des régimes plus élevés plus de carburant est consommé, et donc le moteur fournit plus de puissance, dans un temps plus court. En plafonnant le débit de carburant maximal à 10 500 tours par minute, le débit de carburant ne peut pas être augmenté à des régimes plus élevés, alors que la résistance mécanique augmente, ce qui diminue l’intérêt de monter à un régime plus élevé.
Les anciens moteurs F1 ont été conçus pour atteindre des régimes plus élevés et pour générer une puissance plus élevée, mais les nouvelles restrictions recentrent l’attention sur la conception de moteurs qui utilisent l’énergie de manière plus efficace.
Turbocompresseur
Les règlements 2014 de F1 ont réintroduit les moteurs turbocompressés pour augmenter l’efficacité thermique. Les turbocompresseurs ont été autorisés en F1 dans les années 1980, et lors de la saison 1988, les moteurs turbocompressés de Honda ont remporté 15 des 16 Grands Prix. Les moteurs turbocompressés ont été interdits l’année suivante, en 1989.[image_frame style= »framed_shadow » align= »center » alt= »Turbocompresseur du propulseur » title= »Turbocompresseur » height= »157″ width= »400″]https://www.car-engineer.com/wp-content/uploads/2014/10/pu-turbocharger.jpg[/image_frame]
Le turbocompresseur, un dispositif pour utiliser efficacement l’énergie provenant des gaz d’échappement du moteur, comprend une turbine et un compresseur qui sont supportés par des paliers sur le même axe. L’énergie des gaz d’échappement alimentant la turbine entraîne le compresseur, qui comprime et augmente l’air introduit dans la chambre de combustion du moteur, permettant ainsi une meilleure combustion et une puissance plus élevée. Les moteurs V6 turbo classiques sont généralement équipés de deux turbocompresseurs (un par banc), mais les règlements 2014 ont limité le moteur à un turbocompresseur.
Flux d’énergie en conditions de course
Quel est le flux d’énergie au sein du propulseur ? Selon ce que la monoplace fait sur la piste, l’énergie est récupérée, ou est utilisée pour aider le moteur thermique.
Freinage
Le flux d’énergie est semblable à celui d’une voiture hybride classique : Le MGU-K récupère (ou génère de l’électricité) une partie de l’énergie cinétique perdue lorsque Formule 1 freine, et stocke l’électricité dans la batterie. La puissance maximale du MGU-K est de 120 kW et la quantité d’énergie autorisée à être stockée est de 2 MJ par tour, ce qui fait que la F1 a besoin de freiner pendant environ 16,7 secondes par tour pour atteindre cette charge maximale.[image_frame style= »framed_shadow » align= »center » alt= »Flux d’énergie pendant le freinage » title= »Le MGU-K récupère (ou génère de l’électricité) une partie de l’énergie cinétique perdue lorsque Formule 1 freine, et stocke l’électricité dans la batterie »]https://www.car-engineer.com/wp-content/uploads/2014/10/Energy-flow-during-braking.png[/image_frame]
Accélération en sortie de virage (en utilisant le MGU-K)
La Formule 1 peut accélérer plus rapidement en sortie de virage en ajoutant la puissance du MGU-K à la puissance du moteur thermique.[image_frame style= »framed_shadow » align= »center » alt= »Accélération en sortie de virage (en utilisant le MGU-K) » title= »La Formule 1 peut accélérer plus rapidement en sortie de virage en ajoutant la puissance du MGU-K à la puissance du moteur thermique. »]https://www.car-engineer.com/wp-content/uploads/2014/10/Energy-flow-during-acceleration.png[/image_frame]
Accélération en sortie de virage (pour résoudre le « turbo lag »)
Lorsque les véhicules équipés d’un turbo décélèrent, le débit de gaz d’échappement diminue ce qui retarde la mise en action de la turbine et donc la ré-accélération nécessite plus de temps. Ce petit décalage est appelé « turbo lag « . Le MGU-H permet de résoudre ce problème en utilisant un moteur électrique pour entraîner le compresseur, sans qu’il soit nécessaire à la turbine d’attendre que le débit des gaz d’échappement augmente.[image_frame style= »framed_shadow » align= »center » alt= »Accélération en sortie de virage (pour résoudre le « turbo lag ») » title= »Le MGU-H permet de résoudre ce problème en utilisant un moteur électrique pour entraîner le compresseur, sans qu’il soit nécessaire à la turbine d’attendre que le débit des gaz d’échappement augmente »]https://www.car-engineer.com/wp-content/uploads/2014/10/Energy-flow-during-acceleration-solving-turbo-lag.png[/image_frame]
Accélération complète (avec MGU-K et MGU-H)
Le turbocompresseur utilise son compresseur pour envoyer de l’air comprimé dans le moteur. Lors de fortes accélérations, l’énergie des gaz d’échappement alimentant la turbine peut augmenter à un tel point qu’il dépasse la quantité d’air que le compresseur peut fournir au moteur.[image_frame style= »framed_shadow » align= »center » alt= »Accélération complète (avec MGU-K et MGU-H) » title= »Le MGU-H convertit l’énergie des gaz d’échappement en électricité, et l’envoie ensuite au MGU-K. Il n’y a pas de règles sur la quantité d’électricité que le MGU-H est autorisé à générer, alors la puissance du MGU-K peut être ajoutée à la puissance du moteur thermique sans se soucier des règles relatives à la quantité d’électricité que la batterie peut charger ou décharger »]https://www.car-engineer.com/wp-content/uploads/2014/10/Full-acceleration-with-MGU-K-and-MGU-H-Power-assistance.png[/image_frame]
Le MGU-H convertit l’énergie des gaz d’échappement en électricité, et l’envoie ensuite au MGU-K. Il n’y a pas de règles sur la quantité d’électricité que le MGU-H est autorisé à générer, alors la puissance du MGU-K peut être ajoutée à la puissance du moteur thermique sans se soucier des règles relatives à la quantité d’électricité que la batterie peut charger ou décharger. L’énergie des gaz d’échappement peut être utilisée efficacement pour accélérer plus rapidement.
En pleine accélération en sortie de virage, la batterie peut également fournir de l’énergie électrique au MGU-K.