• Carburant et huile pour F1

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    Exemple de logistique des produits Elf      
       
    Pour les Grands-Prix du Canada et des USA pour Renault

    L’acheminement des produits Elf sur les pistes d’essais, à l’usine Renault de Viry- Châtillon et bien évidemment sur les circuits, requiert une organisation particulière. Après l’Australie, la Malaisie et Bahreïn, la tournée nord-américaine constitue ainsi un quatrième déplacement lointain. A raison de 40m3 (40.000 litres) par cycle de fabrication, la production du carburant de Grand Prix, réalisée en gros volumes au centre de recherche Elf de Solaize, s’appuie donc sur une logistique parfaite.

    Un seul mot d’ordre : anticiper. Conditionnée en fûts numérotés de 50 litres, l’essence du Renault F1 team a donc été expédiée par fret aérien le 28 mai dernier, en deux lots distincts à destination de Montréal et Indianapolis.

    Au total, ce sont ainsi 3600 litres d’essence, 200 litres d’huile moteur, 180 litres d’huile de boîte de vitesses, 80 litres d’huile hydraulique, 20 litres de liquide de refroidissement et quelques kilos de graisses diverses qui ont été expédiées outre- Atlantique.

    A noter que tous les produits non utilisés sont systématiquement réexpédiés à Solaize

    Annie Lermusiaux, responsable d’exploitation à Solaize. Elf produit le carburant F1 par lots de 40.000 litres. Combien de temps la production d’un lot nécessite-t-elle ?

    Cette production réclame quasiment deux jours et permet à l’écurie Renault en F1 de tenir cinq à six Grands Prix. La mise en fûts est rapide : le contenu des bidons (50 ou 200 litres) doit en effet rester homogène. Tous les quatre fûts de 50 litres, nous prélevons un échantillon pour validation en interne. En milieu de production, un fût est séparé en deux échantillons de 25 litres : le premier est envoyé à la Fédération Internationale de l’Automobile', CAPTION, 'FIA',BELOW,RIGHT, WIDTH, 300, FGCOLOR, '#7a93f6', BGCOLOR, '#4568f6', TEXTCOLOR, '#000000', CAPCOLOR, '#FFFFFF', OFFSETX, 10, OFFSETY, 10);" style="CURSOR: help; BORDER-BOTTOM: #000000 1px dotted" onmouseout="return nd();" href="javascript:void(0)">FIA, le second est conservé comme future référence. Enfin, chaque fût est numéroté.

    Existe-t-il , comme en cuisine, un ordre précis dans l’incorporation des éléments ?

    La fabrication en elle-même est une étape cruciale. Elle réclame une haute précision de tous les instants : certains éléments, en effet, n’entrent que pour 0,2% dans la composition du mélange. L’ordre d’incorporation des éléments constitutifs du carburant n’a guère d’importance, mais nous choisissons d’incorporer les ingrédients présents en faible proportion à la fin du processus, pour des raisons de sécurité.

    Consommation annuelle du Renault F1 Team
    Tous les ans, le Renault F1 team brûle environ 200.000 litres de carburant. Environ un tiers de cette consommation est réalisée sur la piste. Les deux tiers restants sont quant à eux brûlés au banc d’essais !

     

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    Composition du carburant des moteurs F1      
       
     

    Le règlement de la Fédération Internationale de l’Automobile', CAPTION, 'FIA',BELOW,RIGHT, WIDTH, 300, FGCOLOR, '#7a93f6', BGCOLOR, '#4568f6', TEXTCOLOR, '#000000', CAPCOLOR, '#FFFFFF', OFFSETX, 10, OFFSETY, 10);" style="CURSOR: help; BORDER-BOTTOM: #000000 1px dotted" onmouseout="return nd();" href="javascript:void(0)">FIA (Fédération Internationale Automobile) indique que le carburant utilisé par les voitures de Formule 1 doit être de l'essence Super Sans Plomb. La précision "Sans plomb" a été rajoutée en 1999.

    Article 19 du règlement de la FIA

    19.2 Définitions, Propriétés, 19.4 Composition du carburant

    Paraffines alkanes ramifiés et à chaîne linéaire.
    Oléfines mono-oléfines ramifiés et à chaîne linéaire.
    mono-oléfines monocycliques (avec cinq atomes de carbone ou plus dans le cycle) et chaînes latérales aliphatiques saturées
    Naphtènes paraffines monocycliques (avec cinq atomes de carbone ou plus dans le cycle) et chaînes latérales aliphatiques saturées)
    Aromatiques noyaux aromatiques monocycliques et bicycliques avec et sans chaînes latérales aliphatiques saturées et/ou noyaux naphténiques fondus
    Oxygénates composés organiques spécifiés contenant de l'oxygène

    19.3)Propriétés : Le seul carburant autorisé est l'essence possédant les caractéristiques suivantes :

    Propriétés
    Unités
    Min.
    Max.
    Méthode de test
    RON   95.0 102.0 ASTM D 2699-86
    MON   85.0   ASTM D 2700-86
    Oxygène %m/m   2.7 Analyse élém.
    Nitrogène %m/m   0.2 ASTM D 3228
    Benzèene %v/v   1.0 EN 238
    RVP hPa 350 600 ASTM D 323
    Plomb g/l   0.005 ASTM D 3237
    Densité kg/m³ 725.0 780.0 ASTM D 4052
    Stabilité à l'oxidation minutes 360   ASTM D 525
    Les manufacturiers définissent leurs type de gomme par des lettres.', CAPTION, 'gomme',BELOW,RIGHT, WIDTH, 300, FGCOLOR, '#7a93f6', BGCOLOR, '#4568f6', TEXTCOLOR, '#000000', CAPCOLOR, '#FFFFFF', OFFSETX, 10, OFFSETY, 10);" style="CURSOR: help; BORDER-BOTTOM: #000000 1px dotted" onmouseout="return nd();" href="javascript:void(0)">gomme mg/100ml   5.0 EN 26246
    Soufre mg/kg   150 EN-ISO/DIS 14596
    Corrosion du cuivre indice   C1 ISO 2160
    Conductiv. électr pS/m 200   ASTM D 2624

    Caractéristiques de distillation :

    A E70°C %v/v 15.0 50.0 ISO 3405
    A E100°C %v/v 46.0 70.0 ISO 3405
    A E150°C %v/v 75.0   ISO 3405
    A E180°C %v/v 85.0   ISO 3405
    Pt d'ébull. max. °C   215 ISO 3405
    Résidu %v/v   2.0 ISO 3405

    L'acceptation ou le rejet du carburant sera effectué selon ASTM D3244 avec une certitude de 95 %.

    19.4) Composition du carburant :

    19.4.1 L'essence doit consister uniquement de substances définies en 19.2 et 19.4.4, et dont les proportions d'aromatiques, d'oléfines et de di-oléfines, au sein de l'échantillon total d'essence, respectent les valeurs ci-dessous :

     
    Unités
    Min.
    Max.
    Méthode de Test
    Aromatiques % v/v 0* 42* ASTM D1319
    Oléfines % v/v 0 18* ASTM D1319
    Total de di-oléfines % m/m 0 1 GCMS

    * Valeurs corrigées en fonction du contenu en oxygénate de carburant.

    De plus, le carburant ne doit contenir aucune substance susceptible de réaction exothermique en l'absence d'oxygène extérieur.

    19.4.2 Le total des hydrocarbures individuels présents à des concentrations de moins de 5 % m/m doit représenter au moins 30 % m/m du carburant.

    19.4.3 La concentration totale de chaque groupe d'hydrocarbures dans l'échantillon de carburant total (définie par nombre de carbone et par type d'hydrocarbure) ne doit pas excéder les limites indiquées dans le tableau ci-dessous :

    %m/m
    C4
    C5
    C6
    C7
    C8
    C9+
    Non attribué
    Paraffines 10 30 25 25 55 20 -
    Naphtènes - 5 10 10 10 10 -
    Oléfines 5 20 20 15 10 10 -
    Aromatiques - - 1,2 35 35 30 -
    Maximum 15 40 45 50 60 45 10

    Pour les besoins de ce tableau, une technique de chromatographie en phase gazeuse devrait être utilisée qui permette de classer les hydrocarbures dans l'échantillon de carburant total de telle façon que tous les hydrocarbures identifiés soient classés dans la case du tableau appropriée. Les hydrocarbures présents à des concentrations inférieures à 0,5 % par masse qui ne peuvent être classés dans une case particulière peuvent être ignorés. Cependant, la somme des hydrocarbures non classés ne doit pas dépasser 10,0 % par masse de l'échantillon de carburant total.

    19.4.4 Les seuls oxygénates autorisés sont les suivants :

    Méthanol (MeOH)
    Ethanol (EtOH)
    Isopropanol (IPA)
    Isobutanol ? (IBA) ?
    Méthyl tertio butyl éther (MTBE)
    Ethyl tertio butyl éther (ETBE)
    Tertio amyl méthyl éther (TAME)
    Di-isopropyle éther(DIPE)
    N-propanol (NPA)
    Tertio butyl alcool (TBA)
    Normal butyl alcool (NBA)
    Butanol secondaire (SBA)

    Les composés trouvés normalement à l'état d'impuretés dans l'un ou l'autre des oxygénates ci-dessus sont autorisés à des concentrations inférieures à 0,8 % m/m de l'échantillon d'essence total.

     
    La 1ére fonction du lubrifiant en Formule 1      
       
     

    Apporter sécurité et fiabilité dans un contexte extrême. Contrairement aux carburants pour lesquels la Fédération Internationale de l’Automobile', CAPTION, 'FIA',BELOW,RIGHT, WIDTH, 300, FGCOLOR, '#7a93f6', BGCOLOR, '#4568f6', TEXTCOLOR, '#000000', CAPCOLOR, '#FFFFFF', OFFSETX, 10, OFFSETY, 10);" style="CURSOR: help; BORDER-BOTTOM: #000000 1px dotted" onmouseout="return nd();" href="javascript:void(0)">FIA édicte des règlements contraignants (*RON limité à 102 contre 128 pour les carburants vendus dans le commerce), les lubrifiants ne font l’objet d’aucune réglementation particulière. Ils peuvent donc être conçus avec comme unique objectif d’améliorer les performances de la voiture, sans se soucier de quelconques limitations. La En mécanique : Ecartement entre les axes verticaux des roues d\'un même train. Normalement la voie arrière est plus grande que la voie avant. En F1 le réglement autorise que la voie AV soit plus grande que la voie AR.

    Voie signifie aussi simplement chemin, direction...

    ', CAPTION, 'voie',BELOW,RIGHT, WIDTH, 300, FGCOLOR, '#7a93f6', BGCOLOR, '#4568f6', TEXTCOLOR, '#000000', CAPCOLOR, '#FFFFFF', OFFSETX, 10, OFFSETY, 10);" style="CURSOR: help; BORDER-BOTTOM: #000000 1px dotted" onmouseout="return nd();" href="javascript:void(0)">voie est alors ouverte pour une contribution maximale du lubrifiant à la compétitivité générale de la Formule 1.

    * RON étant l'indice d'octane. 95 ou 98 pour les voitures du citoyen lambda. Le 95 veut dire qu’il y a 95 ramifications sur la molécule d’essence. Or plus ils y a de ramification plus l’explosion sera puissante dans le moteur.

    Protection des pièces contre l'usure

    L'huile protège les pièces moteur contre l'usure liée aux charges mécaniques qu'elles subissent. Comme dans tout moteur thermique, le lubrifiant a d’abord pour fonction de s’interposer entre les pièces en mouvement pour éviter les contacts métal-métal. Tout contact direct des pièces mécaniques entre elles peut générer au pire une panne par grippage, au mieux une usure accélérée du moteur qui empêchera la F1 de terminer la course.

    Dans un moteur de Formule 1, qui développe une puissance 6 à 10 fois supérieure aux moteurs des véhicules de série, les contraintes mécaniques imposées aux pièces moteur augmentent de façon exponentielle. On peut se faire une idée de l’importance de ces contraintes en s’intéressant au comportement du Pièce mobile qui se meut dans un cylindre et transmet une pression, généralement en en alliage léger, le piston possède un ou plusieurs segments.

    ', CAPTION, 'piston',BELOW,RIGHT, WIDTH, 300, FGCOLOR, '#7a93f6', BGCOLOR, '#4568f6', TEXTCOLOR, '#000000', CAPCOLOR, '#FFFFFF', OFFSETX, 10, OFFSETY, 10);" style="CURSOR: help; BORDER-BOTTOM: #000000 1px dotted" onmouseout="return nd();" href="javascript:void(0)">piston dans le cylindre. Dans un moteur F1 de trois litres et 10 cylindres développant une puissance maximum de près de 800 chevaux à 18 000 tr/min, le piston passe de 0 à plus de 37 m/s, puis à 0 m/s à nouveau, le tout répété 600 fois par seconde sur une course d’environ 4 cm !

    Le niveau incroyable d’Variation de la vitesse dans un intervalle de temps donné. L\'unité de mesure du système international est le m/s²

    L\'accélération d\'un mobile est le taux de variation de sa vitesse. En d\'autres mots, son accélération est le rapport entre une variation de sa vitesse (dv) et la durée durant laquelle cette variation de la vitesse se produit (dt).

    ', CAPTION, 'accélération',BELOW,RIGHT, WIDTH, 300, FGCOLOR, '#7a93f6', BGCOLOR, '#4568f6', TEXTCOLOR, '#000000', CAPCOLOR, '#FFFFFF', OFFSETX, 10, OFFSETY, 10);" style="CURSOR: help; BORDER-BOTTOM: #000000 1px dotted" onmouseout="return nd();" href="javascript:void(0)">accélération et décélération subies par le piston sur une distance aussi réduite donne une idée plus précise de l’ampleur des contraintes mécaniques subies par les pièces moteur et le lubrifiant. Concrètement, ces contraintes se manifestent par des frottements colossaux sur le piston, au niveau des segments sur le cylindre, des bielles sur les manetons et du vilebrequin sur les paliers. Face à ces charges mécaniques terribles entre les pièces moteur, le lubrifiant a pour rôle de «tenir» afin d’éviter les contacts métal-métal. Il se doit par ailleurs de conserver une fluidité adaptée afin que les frottements induits au niveau du film d’huile soient les plus réduits possible.

    L'huile Elf

    Protection thermique du moteur

    L'huile protège le moteur des surchauffes générées par les charges extrêmes qui caractérisent son fonctionnement. L’importance des pressions des pièces mécaniques entre elles se traduit par ailleurs par une production de chaleur qui vient s’ajouter à la chaleur produite par la combustion du carburant (2000°C).

    Ce dégagement de chaleur est d’autant plus important que la pression de contact et la vitesse relative des pièces sont élevées. Le lubrifiant joue alors un rôle de régulateur thermique destiné à maintenir le moteur à sa température optimale de fonctionnement et à prévenir toute avarie liée à une surchauffe.

    L’augmentation de la température est particulièrement perceptible au niveau des segments. L’explosion qui a lieu dans la chambre de combustion développe une pression élevée sur la tête de piston, pression qui s’exerce latéralement sur les segments en les appuyant sur les parois du cylindre, le tout à des vitesses relatives qui varient alternativement de 0 à 130 km/h 600 fois par seconde (300 allers et retours du piston à 18000tr/min).

    Cette charge thermique est alors partiellement évacuée du cylindre par le film d’huile, ce qui permet au piston de retrouver sa température d’équilibre (supérieure à 400°C au niveau de la tête de piston).

    Double protection

    Pour assurer cette double protection contre les contraintes mécaniques et thermiques, le lubrifiant doit offrir une résistance hors normes. L’impact des contraintes mécaniques sur le lubrifiant : le cisaillement. Frottements et pressions mécaniques «encaissés» par le lubrifiant mettent ce dernier à rude épreuve. Dans ces conditions extrêmes, c’est à un véritable laminage permanent que ce dernier est confronté.

    Ce «torture test» menace en permanence de briser les molécules qui le composent. L’huile ne peut alors plus assurer sa fonction de fiabilisation du moteur dans les conditions requises. La réponse apportée par les ingénieurs du team Elf Formule 1 va alors consister à sélectionner les huiles de base et additifs qui offrent des structures moléculaires extrêmement solides et stables.

    La stabilité quasi indéfectible à laquelle on aboutit alors permet d’éviter les ruptures du film d’huile et de conserver au lubrifiant son niveau de performance sur toute la durée du Grand Prix.

    L’impact des contraintes thermiques

    L’oxydation de l’huile. L’oxydation de l’huile est une conséquence directe des températures élevées sous atmosphère pro-oxydante auxquelles elle est soumise. C’est un phénomène que l’on peut percevoir à l’œil nu puisque qu’il entraîne la formation de dépôts et boues noires (on parle de caramélisation du lubrifiant). L’huile devient alors plus épaisse et perd sa fluidité initiale.

    Cet épaississement de l’huile peut être à l’origine d’une baisse des performances du moteur et menace directement son rendement et sa fiabilité. Là encore, la réponse est chimique. Elle consiste à sélectionner des constituants qui offrent une résistance accrue à l’oxydation et à intégrer à la formulation du lubrifiant des additifs chimiques spécifiques dont le rôle est de la combattre.

    Moteur au banc d'essais chez Elf

    Elément mécanique servant à transmettre la puissance du moteur aux roues via la boîte de vitesse et le différentiel. En F1 ces dernières sont en carbone. Les ruptures de transmission sont souvent responsables d\'accident.

    ', CAPTION, 'transmission',BELOW,RIGHT, WIDTH, 300, FGCOLOR, '#7a93f6', BGCOLOR, '#4568f6', TEXTCOLOR, '#000000', CAPCOLOR, '#FFFFFF', OFFSETX, 10, OFFSETY, 10);" style="CURSOR: help; BORDER-BOTTOM: #000000 1px dotted" onmouseout="return nd();" href="javascript:void(0)">transmission d'informations

    L'huile moteur transmet des informations essentielles pour développer et fiabiliser les moteurs. Le lubrifiant est au moteur ce que le sang est au corps humain. Son analyse permet de se prononcer quant au fonctionnement global de l’organisme. A ce titre, les analyses spectrométriques d’huile développées par Elf transmettent aux ingénieurs des teams F1 des informations de première importance sur le fonctionnement du moteur. Au fil des kilomètres en effet, le lubrifiant se charge de composants qui résultent du fonctionnement du moteur.

    Si certains sont le résultat d’une usure normale des pièces mécaniques, d’autres sont le signe d’usures anormales qui menacent la fiabilité du moteur. Des solutions pourront alors être apportées soit par des modifications de la formulation du lubrifiant, soit par des changements d’architecture moteur ou de matériaux utilisés. Dans tous les cas, l’analyse des données transmises par l’huile permettra d’éviter de nombreuses pannes. Renault reconnaît avoir ainsi évité de nombreuses casses moteur au cours de la saison 2001.

      <script language=Javascript src="http://www.knowledge-community.net/F1c//includes/js/overlib_mini.js"></script>
    2ème grande fonction du lubrifiant      
       
     

    Augmentation des performances du moteur et augmentation de la puissance

    La contribution directe du lubrifiant à l'augmentation de la puissance : la réduction des frottements internes du moteur. Dans un moteur de F1, les frottements générés par le mouvement des pièces mécaniques absorbent à pleine puissance jusqu’à 40% de l’énergie mécanique qui résulte de la combustion du carburant. Il s’agit du frottement des pistons et des segments sur le cylindre, des bielles sur les manetons, du vilebrequin sur ses paliers et de l’arbre à cames (ouverture et fermeture des soupapes). Ces frottements s’accompagnent par ailleurs d’autres éléments consommateurs d’énergie et donc, de puissance : entraînement de la pompe à huile et entraînement de la Mécanisme ayant pour fonction de déterminer l\'ouverture et la fermeture des soupapes nécessaire aux temps du moteur. En F1 certaines écuries utilisent un système de distribution pneumatique, le rappel des soupapes est commandé par air comprimé et non plus par des ressorts.

    ', CAPTION, 'distribution',BELOW,RIGHT, WIDTH, 300, FGCOLOR, '#7a93f6', BGCOLOR, '#4568f6', TEXTCOLOR, '#000000', CAPCOLOR, '#FFFFFF', OFFSETX, 10, OFFSETY, 10);" style="CURSOR: help; BORDER-BOTTOM: #000000 1px dotted" onmouseout="return nd();" href="javascript:void(0)">distribution.Cet ensemble est une perte de puissance mécanique que l’on cherche à réduire. Dans ce domaine, les caractéristiques du lubrifiant ont donc un rôle essentiel.L’élément essentiel de la contribution du lubrifiant au gain de puissance est sa viscosité. Si la présence du film d’huile entre toutes les parties mécaniques en mouvement est une garantie contre leur usure, son épaisseur est facteur de frottements accrus et donc, de résistance plus importante au mouvement. Un lubrifiant moins «épais» permettra de générer un fonctionnement plus «fluide» du moteur, où seulement une partie minimum de la puissance produite sera utilisée pour vaincre les frottements. Le film d’huile devra donc être le plus fin possible (environ 2-3 µm), sans pour autant sacrifier son rôle de protection du moteur : il devra bien sûr continuer à empêcher toute usure des pièces moteur. Ainsi, par un travail de fond sur la viscosité et les frottements en toutes zones moteur, les lubrifiants développés par Elf permettent de gagner jusqu’à plusieurs % de puissance. Dans un contexte hyper compétitif ou tout gain marginal peut aboutir à un avantage stratégique décisif, l’importance de cette contribution, reconnue par les partenaires d’Elf en Formule 1, est capitale.L’impact du lubrifiant à la compétitivité globale de la Formule 1 est aussi perceptible dans le fait qu’Elf développe des lubrifiants spécialement formulés pour les séances qualificatives.

    Ingénieur de chez Elf

    L'augmentation de la puissance

    La contribution indirecte du lubrifiant à l'augmentation de lapuissance : les gains induits. Le rôle de régulateur thermique joué par le lubrifiant est indirectement à l’origine de quelques chevaux moteur supplémentaires. On a vu que le lubrifiant permettait d’évacuer une partie de la chaleur produite dans le moteur afin de maintenir une température optimale de fonctionnement. Cette chaleur transportée par le lubrifiant est alors évacuée à son tour par le Dispositif servant à refroidir un ou plusieurs éléments. Il peut fonctionner avec un liquide ou avec de l\'air en fait il est constitué de lamelles métalliques entre lesquelles circule l\'air.

    ', CAPTION, 'radiateur',BELOW,RIGHT, WIDTH, 300, FGCOLOR, '#7a93f6', BGCOLOR, '#4568f6', TEXTCOLOR, '#000000', CAPCOLOR, '#FFFFFF', OFFSETX, 10, OFFSETY, 10);" style="CURSOR: help; BORDER-BOTTOM: #000000 1px dotted" onmouseout="return nd();" href="javascript:void(0)">radiateur. En supportant des températures toujours plus élevées, le lubrifiant permet de réduire la taille et le poids des radiateurs. L’huile moteur va ainsi permettre d’augmenter les performances de la F1 par le gain de poids induit, mais aussi par les améliorations aérodynamiques qu’une taille plus réduite du radiateur entraîne. En outre, la taille des prises d’air pourra être réduite ce qui, là encore, aboutira à des progrès aérodynamiques. Selon l’aveu même de Renault F1, une part importante de l’augmentation des performances du V10 Renault observée durant la saison 2001 est imputable à la contribution des lubrifiants Elf.

    Le carburant comparé:

    Les carburants qu'utilise un moteur de voiture conventionnelle et celui d'une formule 1 sont composés des mêmes éléments et son très proches, réglementation oblige. La seule différence se situe au niveau des proportions des produits employés (voir schèma ci-dessus). Elf tire très brillamment son épingle au jeu de la concurrence, les chimistes fabriquent des carburants pour chaque type de moteur, ainsi qu'à ses évolutions .

     

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