Moteur F1

30.03.2007

GéGémag._{^Formula One}l'Univers de la Formule1

Moteurs

Écrit par l'administrateur

01-02-2006

Éléments importants à étudier lors de la conception d'un nouveau moteur

Les vibrations: Pour optimiser la fréquence les vibrations du moteur, les ingénieurs jouent sur la longueur des conduits d'admission et d'échappement. Une fois maîtrisées, elles permettent un meilleur remplissage, ainsi qu'un meilleur échappement.
- La combustion: Le moteur tournant à un régime extrêmement élevé, la combustion du mélangeair-essence doit se faire de la façon la plus rapide possible. De cette façon, le moteur peut fournir plus de puissance, car il n'y a aucune perte. La chambre de combustion est donc dessinée de façon à avoir une combustion optimal.
- Les frottements: Sachant que les frottements réduisent de près d'un tiers la puissance des moteurs, les ingénieurs tentent de les limiter au maximum. Pour cela, ils emploient des pistons très courts, ainsi qu'un lubrifiant beaucoup plus efficace qu'en grande surface...
- Les soupapes: Les soupapes ne sont aujourd'hui plus rappelées par des ressorts, comme dans tout moteur de série, mais par un système d'air comprimé. Le régime du moteur est ici aussi en cause, car les ressorts ne pourraient pas le suivre.
- L'Système de dosage du carburant dans les tubulures d\'admission par le biais d\'injecteurs, souvent électroniques. Aujourd\'hui en F1 et notamment le système Honda fonctionne comme suit :

L\'injection de carburant programmée (PGM-FI) livre le carburant à haute pression de 50 lb/po² aux injecteurs montés dans des corps de dimensions adaptées. L\'essence est projetée par les injecteurs via des orifices percés au laser, assurant une excellente atomisation du carburant, pour une efficacité de combustion et une puissance maximale.

Le système avancé d\'injection de carburant (PGM-FI) dispose d\'un capteur de position des papillons et d\'une cartographie d\'injection sophistiquée pour produire une réponse douce et linéaire correspondant précisément aux moindres sollicitations de l\'accélérateur.

L\'unité de contrôle électronique 16-bit dessine simultanément deux cartes digitales 3-D d\'injection pour chaque cylindre ainsi qu\'une carte 3-D d\'allumage par paire de cylindres, créant un mélange air/essence et une synchronisation d\'allumage impeccables

', CAPTION, 'injection',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)">injection: L'angle des injecteurs conditionne la qualité du mélange air-essence, si important pour ne rien perdre des performances ni du carburant. De plus, si le mélange n'est pas bien effecué, la combustion se fera moins rapidement, et le moteur perdra donc de la puissance.

Les moteurs de formule 1 sont soumis à des contraintes extraordinaires : Régime élevé, chauffe due non seulement à la température extérieure mais aussi au manque de ventilation lorsque la monoplace suit une autre voiture de prés et longtemps (la monoplace qui est devant dégage aussi une forte température) et aussi lors des arrêts prolongés au stand. Les F1 sont dépourvues de ventilateurs pour le refroidissement des radiateurs ceci pour une question de poids et de consommation électrique et c'est pour cela que l'on peu voir sur la grille de départ des turbines bourrées de glace refroidir les radiateurs. Ceci dit les ingénieurs ont beaucoup travaillés pour permettre un refroidissement optimal par le biais de l'aérodynamique. Toutes les pièces d'un moteur de formule 1 sont radiographiées pour déceler la moindre anomalie. Les moteurs sont équilibrés d'une manière extrêmement précise pour éviter toute vibration qui serait fatale à la fiabilité du moteur. Les régimes avoisinant les 19 000 tr/mn et si on prend en moyenne un régime de 15 000 tr/mn sur une course, les pistons parcours une distance d'environ 6,6 km en une minute ce qui correspond à environ 590 km pour un grand-prix. Le but pour obtenir une bonne fiabilité étant d'avoir le moins de pièces possibles en mouvement, c'est pourquoi les ingénieurs motoristes rivalisent d'ingéniosité en créant des systèmes très performants, 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 pneumatique en est d'ailleurs la preuve.

Les F1 sont pourvus d'un accélérateur (électronique) (ou Le fly-by wire est l\'accélérateur électronique d\'une monoplace de Formule 1. La pédale ne commande plus directement l\'accélération du moteur, il s\'agit d\'un logiciel qui analyse la position de la pédale par rapport au régime moteur et à la boîte de vitesses! Le câble de commande qui relie la pédale au moteur n\'existe plus.', CAPTION, 'Fly-By Wire',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)">Fly-By Wire) : La pédale ne commande plus directement le moteur; c'est un logiciel qui analyse la position de la pédale par rapport au régime moteur et à la Dispositif renfermant les trains d\'engrenages permettant à la voiture de prendre de la vitesse. En F1 les boîtes de vitesses sont des merveilles de technologie.

Aujourd\'hui non seulement séquentielle mais aussi semi-automatique elle comprend 7 rapports pour permettre de perdre un minimum de tours moteur entre chaque changement. Les pignons contrairement à la boîte d\'une voiture lambda sont à taille droite et dépourvue de synchro ce qui rendait son maniement extrêmement difficile à un néophyte avant d\'avoir l\'assistance actuelle.

Ces boîtes de vitesses sont assemblées de manière à pouvoir retirer les trains de pignons par un carter démontable sans déposer la boîte pour remplacer ces derniers et ainsi, changer le rapport de vitesse en fonction du tracé de piste.

', CAPTION, 'boîte de vitesse',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)">boîte de vitesse. Tout est électronique, il n'y a pas de câble de commande qui va de la pédale au moteur.

Les moteurs avoisinnent un régime de 19' 000 tpm pour une puissance d'environ700cv
Le moteur de F1 en bref...

On devrait atteindre environ 700cv pour les nouveaux v8 2.4l
plus de 18 500 tr/min à Le moteur atteint son rendement maximum en général en F1 les moteurs sont en pleine charge lorsque la voiture est à sa vitesse maximale. Un exemple type la longue ligne droite du mistral sur le circuit du castelet en France.

', CAPTION, 'pleine charge',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)">pleine charge (on parle de plus de 19 000 tr/min pour certains en 2006)
8 cylindres, 40 soupapes
600 litres d'air avalés par seconde
120 combustions par seconde
60 litres de carburant pour faire 100 km
160 décibels (plus qu'un boeing 747)
8500 G 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 subis par chaque 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
Une moyenne de 700 km de fiabilité
5000 piéces pour un moteur
1500 piéces en mouvement
Un poids de moins de 75 kg
20 différents alliages utilisés
60 capteurs d'analyse
2 semaines pour assembler un moteur

Vous pouvez retrouvez les divers moteurs sur les pages monoplaces ici

Pour 2006 et l'utilisation des moteurs V10 (pour les équipes qui en ont fait la demande) : Le moteur aura un régime limité à 16 700 tr/mn et une bride d'admission de 77 mm de diamètre.

Réglement Fédération Internationale de lAutomobile', 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 : Points Moteur - Boîte de vitesses - Transmissions.

Pour les moteurs V8 utilisés en 2006 : 2 soupapes d'échappement et 2 soupapes d'admission de forme circulaire par cylindre. Alésage maxi. 95 mm. Espace entre cylindres fixé à 106,5 mm avec une tolérance de +/- 0,2 mm. vilebrequin à 58 mm et centre de gravité du moteur à 165 mm minimun du plan de référence. Poids fixé à 95 kg sans accessoires.

Système à géomètrie variable (trompettes d'admission, soupapes, échappement) interdits
La pression d'injection ne doit pas dépasser 100 bars.
Le réglement impose l'utilisation de certains matériaux et limite leur rigidité. Ex : Pistons en alliage à base d'aluminuim, vilebrequin en alliage à base de fer, arbres à cames en alliage à base de fer et formé d'une seul piéce de métal. Carters moteurs et culasse en alliage à base d'aluminium.
Sont interdits dans les moteurs, tous les alliages à base de Métal blanc qui produit la magnésie en se combinant avec l\'oxygène. En F1 il sert à la fabrication de pièces dont le corps de pompe à huile.

', CAPTION, 'magnésium',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)">magnésium, les MMC (métal Matric Composites), les matériaux intermétalliques et les alliages contenant plus de 5 % de Le béryllium est un élément alcalino-terreux* que l\'on trouve en particulier dans le béryl (silicate daluminium et de béryllium), son minerai principal. C\'est un élément peu abondant dans la croûte terrestre (51ème rang).

*(Les métaux alcalino-terreux désignent six éléments : le béryllium, le magnésium, le calcium, le strontium, le baryum, et le radium. Ces éléments constituent le groupe 2 (IIa) du tableau périodique des éléments. Ils forment tous des ions positifs de charge +2. Ils sont tous peu denses et très réactifs. Le baryum et le radium sont les plus réactifs, le béryllium étant le moins réactif.

', CAPTION, 'Béryllium',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)">Béryllium, L\'iridium est un élément chimique du tableau périodique, de symbole Ir et de numéro atomique 77. C\'est un métal de transition de la famille du platine très dur, lourd, cassant et d\'aspect blanc argenté. Il est utilisé dans les alliages à haute résistance pouvant supporter de hautes températures. On le trouve dans la nature en alliage avec le platine ou l\'osmium. Parmi les éléments connus, l\'iridium est le plus résistant à la corrosion. Sa présence à la limite des couches géologiques Crétacé-Tertiaire est associée à deux théories sur la disparition des dinosaures. Il est utilisé dans des dispositifs devant supporter de hautes températures, dans les contacts électriques et comme agent durcissant pour le platine.', CAPTION, 'Iridium',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)">Iridium ou Le rhénium est un élément chimique du tableau périodique, de symbole Re et de numéro atomique 75. Le rhénium est un métal argenté qui résiste merveilleusement bien à la corrosion et a une tolérance exceptionnelle à la chaleur. Le rhénium a toutefois peu d\'applications, en raison de sa rareté et des coûts de production élevés. On l\'extrait habituellement des poussières de molybdène, dans les fours industriels, dont il est un sous-produit poudreux de couleur grise, mais le rhénium se retrouve également à l\'état de traces dans certains minéraux. On se sert du rhénium pour améliorer la résistance thermique du filament des fours électriques, dans la production de thermocouples et comme catalyseur dans l\'industrie chimique.', CAPTION, 'Rhénium',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)">Rhénium.

Le principe du moteur unique pour 2 GP, essais libres et qualificatifs est maintenu. Le kilomètrage de vie du moteur restera plus ou moins celui qu'il était en 2005 malgré la mise en place d'une qualification plus longue.

Moteurs / Boîtes de vitesses

Les moteurs de F1 ne doivent pas dépasser une capacité de 2,4l. Ils doivent avoir 8 cylindres en V avec deux "arrivées" et deux valves "d'échappement" par cylindre. Ils doivent généralement être "aspirés" et peser au maximum 95kgs. La FIA peut accorder aux équipes, l'utilisation d'un V10 limité, de 3 litres, conformes à la réglementation 2005, dans le cas où un V8 ne serait pas disponible. Les turbos, les compresseurs ou tout autre équipement permettant de refroidir l'air avant l'entrée dans les cylindres sont interdits. Sont également interdites toutes injections, à l'intérieur du cylindre, d'autres substances que l'air et l'essence. Les systèmes d'entrées et d'évacuations à géométrie variables sont interdits, tout comme la variation de la synchronisation de la soupape. Chaque cylindre doit être doté d'une seule injection d'essence, et l'allumage doit se faire avec une seule étincelle. Les matériaux utilisés pour la fabrication du moteur seront strictement contrôlés par la réglementation. Le logement du vilebrequin et le bloc cylindres doit être réalisé dans un coulage ou un travail d'alliage d'aluminium, l'utilisation de matériaux composites n'étant pas autorisée. Le vilbrequin et les arbres à cames doivent être en alliage de fer, et les pistons en alliage d'aluminium, les valves seront en alliages de fer, de nickel, de cobalt ou de titane. Les Formule 1 doivent avoir, à bord, leur propre système de démarrage. Des équipements de démarrage indépendants peuvent être utilisés pour mettre en marche les moteurs, depuis la grille et dans les stands. Si le moteur est équipé d'un système anti câlage, il doit pouvoir couper ce moteur dans les dix secondes en cas d'accident.
Le moteur et la 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'une F1 moderne sont également des constats fascinants de l'évolution de ce sport. Dans les années 50, les F1 généraient une puissance d'environ 100bhp/litre (ce qui correspond à la puissance d'un véhicule pour la route, de nos jours). L'évolution a cependant été progressive jusqu'à l'ère des Elément mécanique du moteur destiné à améliorer ses performances. Composé d\'une turbine activée par les gaz d\'échappement entraînant un compresseur qui comprime l\'air avant de l\'injecter dans le moteur et apr7s l\'avoir refroidi en passant à travers un radiateur (échangeur).', CAPTION, 'turbo',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)">turbo, d'1,5 litre, dont certains ont atteint la puissance de 750bhp/litre. C'est au retour des moteurs à aspiration en 1989, que les chiffres retomberont, avant d'augmenter de nouveau progressivement. La "bataille pour la puissance" de ces dernières années a approché la barrière des 1000 Les Anglais ont, une fois de plus, inventé leur propre unité de puissance: le BHP (British Horse Power). 1 BHP vaut 1,0139 ch DIN. Il a fallu attendre le début des années 70 et la fin de la "course à la puissance" qui animait les constructeurs, pour que tous adoptent les mêmes normes; les chevaux DIN l\'emportèrent au nom de la transparence et du droit à l\'information du consommateur. ', CAPTION, 'BHP',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)">BHP, quelques équipes produisant plus de 300 bhp au litre en 2005, dernière année d'existence des V10 3 litres. Depuis 2006, le règlement exige l'utilisation d'un V8 2,4 dont la puissance redescendra vraisemblablement d'environ 20%

Tournant aux environs de 19.000 tours minute, le moteur d'une F1 moderne nécessite un chiffre colossal de 650 litres d'air chaque seconde, avec une consommation de carburant d'environ 75 litres aux 100. Atteindre de telles vitesses engendre une force d'accélération sur les pistons d'environ 900 fois la gravité. Il n'est donc pas surprenant que les casses moteurs soient la principale cause des abandons en course.

Les moteurs des F1 actuelles ne présentent que de petites différences par rapport au dessin des cylindres, pistons et soupapes d'une voiture classique. Le moteur est partie intégrante du véhicule, installé dans un logement de fibre de carbone, et incluant les suspensions des roues arrières. Il se doit donc d'être particulièrement solide. La controverse est qu'il doit justement être aussi léger, compact, et d'un volume le plus bas possible, pour participer à réduire le centre de gravité de la voiture, et minimiser le poids à l'arrière du Habitacle comprenant le poste de pilotage, emplacement du pilote.

', CAPTION, 'cockpit',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)">cockpit.

Les boîtes de vitesses des F1 modernes sont à présent largement automatisées et les pilotes changent les vitesses à partir de boutons situés de chaque côté du volant. La boîte "séquentielle" utilisée sont d'un principe identique à celui d'une moto, permettant des changements rapides avec l'aide du fameux sélecteur en "H", électrique. Malgré un aussi haut niveau technologique, les systèmes de transmission entièrement automatiques, et les boîtes magiques avec un contrôle du démarrage, sont illégales, cette mesure étant destinée à réduire les coûts et mettre l'accent sur le talent des pilotes.

Les transmissions sont installées directement à l'arrière du moteur, et inclut un couple de qui travaille conjointement avec le système de commande électronique pour assurer un maximum de puissance sur la piste. Après plusieurs années de boites à 6 vitesses, la majorité de la grille possède 7 vitesses.

Réfléchissant au coût colossal que représente cette ultra haute technologie, la FIA a instauré des nouvelles réglementations pour 2005, limitant chaque voiture à n'utiliser qu'un moteur pour deux week-end de Grands Prix, avec une pénalité de 10 places de perdues sur la grille pour ceux qui ne respecteraient pas cette règle. D'actuelles propositions de la FIA laissent supposer des restrictions encore plus fermes, avec un moteur qui serait utilisable pendant 3 Grand Prix, et 4 pour les transmissions.