2 - Moteur V6 : 2014, le retour du turbo

ELÉMENTS CLÉS
• Moteur V6 1,6 litre turbocompressé à combustion interne
• Injection directe
• Régime moteur maximal de 15 000 tr/min
• Puissants systèmes de récupération d’énergie composés de deux moteurs électriques : le MGU-H qui récolte l’énergie au niveau des échappements, et le MGU-K qui récupère l’énergie cinétique au freinage
• L’énergie électrique produite est stockée dans une batterie
• La puissance maximale délivrée est de 760 chevaux, un chiffre similaire à celui de la précédente génération de V8
• Double restriction sur la consommation de carburant : la quantité d’essence utilisée pendant la course ne peut dépasser 100kg (soit une baisse de 35% par rapport à 2013) et le débit de carburant injecté limité à 100 kg/h (illimité en 2013). Les monoplaces devront donc utiliser les deux types d’énergie – carburant et électricité – sur un tour de circuit
• Le développement des moteurs est gelé tout au long de la saison. Seules sont autorisées des modifications pour traiter des problèmes de fiabilité ou pour réduire les coûts
• 5 Groupes propulseurs sont alloués à chaque pilote sur l’ensemble de la saison
LE MOTEUR V6 À COMBUSTION INTERNE
En bref :
L’abréviation V6 désigne un moteur à combustion interne dont les deux bancs de 3 cylindres forment un « V » et sont reliés à un même vilebrequin. Le V6 Renault Energy F1 a une cylindrée de 1,6 litre et délivre 600 chevaux, soit plus de trois fois la puissance d’une Clio RS.
Le défi :
Contrairement à ce que l’on pourrait imaginer, le V6 n’est pas la partie du propulseur la plus simple à concevoir. Son architecture est en effet très différente de celle du V8 qu’il remplace. Avec le turbocompresseur, la pression à l’intérieur de la chambre de combustion est énorme, quasiment deux fois plus élevée que sur le V8. Le vilebrequin et les pistons sont alors soumis à des contraintes extrêmes et la pression dans la chambre de combustion peut atteindre 200 bar, soit 200 fois la pression ambiante.
À surveiller :
Le turbocompresseur augmente la pression de l’air d’admission, ce qui favorise l’apparition dans la chambre de combustion d’un phénomène destructeur appelé « cliquetis », très difficile à prévoir et à contrôler. Lorsque le cliquetis intervient, le moteur peut être très rapidement détruit.
L’INJECTION DIRECTE D’ESSENCE
En bref :
Les propulseurs doivent être alimentés par injection directe : le carburant est directement pulvérisé dans la chambre de combustion sans passer par le conduit d’admission situé en amont des soupapes d’admission. Le mélange air-carburant se forme alors dans le cylindre. Une grande précision est donc requise dans la commande et l’orientation des jets de carburant sortant du nez d’injecteur. Il s’agit d’un sous-système clé pour garantir le rendement énergétique et la puissance du propulseur.
Le défi :
Lors de la conception du V6 turbo, l’un des principaux dilemmes concernait la position de l’injecteur. Devait-il être monté en position centrale dans la chambre de combustion - le carburant arrive alors par le haut, près de la bougie d’allumage - ou en position latérale (plus bas dans la chambre) ?
À surveiller :
Il est toujours possible de couper l’injection sur un ou plusieurs cylindres pour améliorer le rendement et la réactivité du moteur dans les virages.
LE TURBOCOMPRESSEUR
En bref :
Un turbocompresseur profite de l’énergie libérée par les gaz d’échappement pour augmenter la densité de l’air entrant dans le moteur et produire ainsi plus de puissance. Comme sur les voitures de série, le turbocompresseur permet à un petit moteur de délivrer une puissance bien supérieure à ce que sa cylindrée lui permettrait normalement. Une turbine convertit l’énergie thermique récupérée dans les gaz d’échappement en énergie mécanique. La puissance obtenue permet alors d’entraîner le compresseur ainsi que le MGU-H.
Le défi :
À plein régime le turbocompresseur tourne à 100 000 tours par minute, soit plus de 1500 tours par seconde. Les contraintes et les températures générées au niveau de la turbine sont énormes. Une partie de l’énergie récupérée dans les gaz d’échappements est transmise au MGU-H et convertie en énergie électrique. Cette dernière est ensuite stockée et peut être à nouveau utilisée pour empêcher le turbo de trop ralentir lors d’une phase de freinage.
À surveiller :
La vitesse du turbo doit impérativement varier en fonction des besoins du moteur. Par conséquent, un retard peut survenir dans l’établissement du couple, appelé « temps de réponse du turbo », lorsqu’un pilote appuie sur l’accélérateur après une période de freinage continu. L’un des grands défis du nouveau propulseur consiste à éliminer totalement ce temps de latence pour égaler la réponse instantanée du couple qu’offrait le V8 atmosphérique.
LA WASTEGATE
En bref :
Sur les moteurs turbo conventionnels, une wastegate est accouplée au turbocompresseur afin de contrôler les vitesses de rotations élevées du système. Ce dispositif permet à l’excès de gaz d’échappement de contourner la turbine afin que la puissance délivrée par cette dernière corresponde à celle requise par le compresseur pour fournir la pression de suralimentation nécessaire au circuit d’admission d’air. Sur le Renault Energy F1 2014, la vitesse de rotation du turbo est essentiellement contrôlée par le MGU-H. Une wastegate est toutefois requise pour garder le contrôle en toute circonstance (transitoires rapides ou désactivation du MGU-H, par exemple)
Le défi :
La wastegate est reliée au turbocompresseur mais dans un environnement très encombré, ce qui rend l’intégration de cet accessoire compliquée. Il faut donc que la wastegate soit suffisamment robuste pour résister à des pressions importantes, et suffisamment compacte pour se glisser dans un espace réduit.
À surveiller :
Dans un avion, certaines pièces sont classées comme critiques en cas de panne. Par analogie, la wastegate bénéficie du même statut : en cas de problème, les conséquences peuvent être graves.
LE MGU-K
En bref :
Le MGU-K est relié au vilebrequin du moteur à combustion interne. Lors du freinage, le MGU-K fonctionne en mode générateur en récupérant une partie de l’énergie cinétique de la voiture. Il la convertit alors en énergie électrique qui sera stockée dans la batterie en attendant d’être restituée (dans la limite de 120 kW ou 160 cv). En phase d’accélération, le MGU-K passe en mode moteur, alimenté par la batterie et/ou le MGU-H, pour fournir un surcroît d’accélération à la monoplace.
Le défi :
En 2013 une panne de KERS entraînait une perte de 3/10e de seconde par tour sur à peu près la moitié des circuits du calendrier. En 2014, une panne du MGU-K se révélera beaucoup plus pénalisante, la monoplace n’étant alors propulsée que par le moteur à combustion interne, ce qui la mettrait, dans les faits, hors course.
À surveiller :
La comportement thermique du MGU-K sera un sujet « brûlant » cette saison : le système dégage en effet trois fois plus de chaleur que le KERS du V8 !
LE MGU-H
En bref :
Le MGU-H est relié au turbocompresseur. En mode générateur, il convertit en courant électrique une partie de la puissance d’origine thermique fournie par la turbine. L’énergie électrique peut ensuite être soit dirigée vers le MGU-K, soit stockée dans la batterie et utilisée ultérieurement. Le MGU-H sert également à contrôler la vitesse du turbo et à faire en sorte qu’il réponde aux besoins en air du moteur (soit en freinant le turbo pour absorber l’excédent d’énergie qui serait, dans un système traditionnel, perdu dans la wastegate, soit en l’accélérant afin d’éliminer son temps de réponse).
Le défi :
Le MGU-H produit un courant alternatif alors que la batterie fonctionne en courant continu. Un transformateur très sophistiqué est donc requis pour assurer le bon fonctionnement de l’ensemble.
À surveiller :
Les vitesses de rotation très élevées sont un casse-tête puisque le MGU-H est directement accouplé au turbocompresseur qui atteint jusqu’à 100000tr/min.
LA BATTERIE
En bref :
L’énergie récupérée, qu’elle soit thermique ou cinétique peut être utilisée immédiatement si nécessaire. Elle peut également être stockée dans la batterie pour être ensuite redéployée pour propulser la monoplace via le MGU-K, ou bien accélérer le turbocompresseur grâce au MGU-H. Comparé au KERS de l’an dernier, le système de récupération d’énergie du propulseur 2014 dispose du double de puissance (120kW contre 60kW) et l’énergie contribuant à la performance est multipliée par dix.
Le défi :
La batterie pèse au minimum 20 kilos et alimente un moteur produisant 120 kW. Chaque kilo produit donc 6 kW (soit une puissance spécifique très forte) ce qui générera d’importantes forces électromagnétiques.
À surveiller :
Les forces électromagnétiques peuvent avoir un impact sur la précision des capteurs, particulièrement sensibles. Équilibrer ces forces revient à tenter de construire un château de cartes en pleine tempête : une opération risquée et délicate.
L’ÉCHANGEUR
En bref :
L’échangeur sert à refroidir l’air qui entre dans le moteur après avoir été comprimé par le turbo.
Le défi :
La présence de cet échangeur (absent sur le V8 atmosphérique de la génération précédente), couplé à l’augmentation de la puissance des systèmes de récupération d’énergie, complique l’intégration dans la voiture du système de refroidissement dont la surface totale des radiateurs augmente significativement par rapport à 2013.
À surveiller :
Intégrer l’échangeur et d’autres radiateurs représente une étape importante. Le vrai défi consiste cependant à obtenir un refroidissement optimal permettant de préserver la fiabilité du propulseur tout en limitant au maximum la taille des radiateurs. La réussite de cette entreprise est un facteur de performance majeur.