Moteur Renault Energy F1 2014 : pour une nouvelle Formule 1

Pour cette nouvelle saison de Formule 1, l’évolution la plus importante est sans conteste la nouvelle réglementation moteur. Outre l’utilisation pour toute la saison de 5 moteurs (sans pénalité) au lieu de 8, une limitation à 140 litres de carburant par course, c’est surtout l’architecture mécanique qui change. Adieu au V8 2.4L atmosphérique, ses 18 000 tr/min et son KERS, voici le nouveau 1.6L turbo avec récupération d’énergie et ses 15 000 tr/min. Ce n’est plus une évolution, c’est une révolution ! Revue de détail du Renault Energy F1 2014 descendant d’une prestigieuse et victorieuse lignée…

Les moteurs Renault en F1, un sacré pedigree !

Les V6 turbo, V10 et V8 se sont taillés un joli palmarès à faire pâlir d’envie nombre de motoristes et constructeurs, à ce jour : 12 titres Constructeurs, 11 titres Pilotes, 165 victoires en Grand Prix, 213 pole positions, 165 meilleurs tours en course, 6 142,5 points inscrits, 300 podiums, 295 courses en tête et 53 591km parcourus en tête !
Renault a disputé, à ce jour, 519 Grands Prix de Formule 1. Une monoplace propulsée par un moteur Renault s’est élancée en première ligne au départ de 40% de ces courses. A titre de comparaison, Ferrari et Mercedes, les motoristes concurrents actuels, bénéficient respectivement d’une moyenne de 23 et 28%. La première pole position a été décrochée par Jean-Pierre Jabouille au volant de la Renault RS01, en 1979, sur le circuit de Kyalami en Afrique du Sud.
– 50 des 213 poles positions ont été réalisées par le moteur V6 1,5 litres turbocompressé utilisé entre 1977 et 1986 (EF1-EF4-EF4B-EF15/EF15B), 44 par le V10 3,5L entre 1989 et 1995 (RS1-RS2-RS3/RS3C-RS4-RS5) et 53 par le V10 3,0L qui a traversé deux époques, de 1995 à 1997 tout d’abord (RS7-RS8-RS9/RS9B), puis de 2002 à 2005 (RS21-RS22-RS23-RS24-RS25). Apparu en 2006, le V8 2,4L s’est pour sa part élancé depuis la pole en 66 occasions (RS26-RS27).
– 8 Champions du Monde ont obtenu une pole position avec Renault l’année de leur sacre : Alain Prost (23 poles), Nigel Mansell (18 poles), Ayrton Senna (218 poles), Michael Schumacher (24 poles), Damon Hill (20 poles), Jacques Villeneuve (13 poles), Fernando Alonso (16 poles) et Sebastian Vettel (45 poles). Ce dernier a décroché à lui seul 20% des pole positions réalisées par Renault avec le châssis Red Bull Racing.
– 6 équipes différentes sont parvenues à signer une pole position grâce à un moteur Renault : Elf Renault puis Renault F1 Team : 51 (1979 et 2009), Lotus : 19 (1983 à 1986), Williams : 80 (1989 à 2012), Benetton : 6 (1995 à 1997), et Red Bull Racing : 56 (2009 à 2013).
En 2011, la RB7 du Red Bull Racing, propulsée par le moteur Renault, a signé 18 des 19 pole positions. Un record en F1. Le V10 Renault a dominé le championnat du monde au début des années 90. Entre 1992 et 1997, le moteur a été en pole de 77 courses, soit 80 % des Grands Prix disputés. En accrochant 66 pôles positions à son tableau de chasse depuis 2006, le moteur V8 Renault s’est adjugé 44% des pôles possibles.
Concernant le nombre de victoires, Ferrari est largement devant avec 222 succès, deuxième Ford Cosworth avec 176 puis Renault avec 165.

Nouveau propulseur

A partir de 2014, les instances de la Formule 1 veulent baisser les coûts des écuries (vœu pieu !) en modifiant profondément la réglementation moteur. Les ingénieurs devront conserver les performances et la puissance de 750 chevaux, tout en consommant près de 40% de carburant en moins sur un Grand Prix, 140 litres (100 kg) par course avec un débit maxi d’une heure. Ils devront ainsi développer un power-unit (unité de puissance) constitué d’un moteur thermique fortement downsizé (2.4L à 1.6L) accouplé à un double système de récupération d’énergie composé de 2 moteurs électriques ayant pour fonction la récupération de l’énergie cinétique du véhicule et de l’énergie thermique issue des gaz d’échappement. Enfin, les technologies et matériaux utilisés doivent se rapprocher de ce qui se fait en série… La F1 est elle encore un laboratoire ?
Renault Sport F1 propose donc son Power Unit Energy F1 2014 répondant à la nouvelle réglementation. C’est un moteur V6 1.6L turbocompressé à combustion interne, injection directe, puissance 760 ch, régime maxi de 15 000 tr/min, double récupérateurs d’énergie au niveau des échappements (MGU-H) et cinétique au freinage (MGU-K). L’énergie électrique produite est stockée dans une batterie.

Les principales composantes

Le moteur thermique V6 à combustion interne : il délivre 600 ch (soit plus de trois fois la puissance d’une Clio RS). 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. 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 : 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 turbocompresseur : 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. Cette 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, dont l’énergie récupérée est ensuite stockée. 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 peut être utilisée pour empêcher le turbo de trop ralentir lors d’une phase de freinage. Cela évite le retard couple appelé aussi « 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” : 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. La wastegate est reliée au turbocompresseur mais dans un environnement très encombré, ce qui rend l’intégration de cet accessoire difficile. 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.

Le système de récupération d’énergie ERS : il est composé des modules MGU-K et MGU-H.
Le premier, 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 second, 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).

La batterie : 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. 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, qui peuvent avoir un impact sur la précision des capteurs, particulièrement sensibles.

L’échangeur : il sert à refroidir l’air qui entre dans le moteur après avoir été comprimé par le turbo. 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. 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.

Fonctionnement

En 2014, la quantité d’essence embarquée est limitée à 100 kilos (140 litres) et le débit d’alimentation en carburant à 100 kg/h. Si la nature du circuit et les conditions de course permettent au pilote d’utiliser la pleine puissance du moteur pendant plus d’une heure, il n’y aura donc pas assez de carburant pour rallier l’arrivée.
C’est ici que l’énergie électrique entre en jeu. Les F1 de 2014 roulent avec du carburant classique, mais également avec de l’électricité. Il devient alors primordial de trouver le bon équilibre entre les deux sources d’énergie pour optimiser la vitesse et réduire les temps au tour. Lors d’une phase d’accélération (par exemple dans la ligne droite des stands) le moteur à combustion interne puise dans la réserve de carburant et le turbocompresseur tourne à la vitesse maximale de 100 000tr/min. Le MGU-H fonctionne alors en mode générateur et récupère une partie de l’énergie fournie par les gaz d’échappements à la turbine. Cette énergie est transmise au MGU-K (ou à la batterie si cette dernière a besoin d’être rechargée). Le MGU-K convertit à son tour cette puissance électrique en puissance mécanique qui, combinée à celle du moteur thermique auquel il est accouplé, permet de hausser le rythme ou d’économiser du carburant selon la stratégie choisie par le pilote.
Au bout de la ligne droite, le pilote lève le pied et freine pour prendre le premier virage. A cet instant, le MGU-K fonctionne comme un générateur, il récupère l’énergie dissipée au freinage et la stocke dans la batterie. Durant la phase de freinage, la vitesse du turbocompresseur chute du fait de l’absence d’énergie à l’échappement, ce qui, dans le cas d’un moteur traditionnel, cause le principal désagrément du moteur turbocompressé, le temps de réponse. Ce phénomène intervient lorsque le pilote ré-accélère, la combustion du carburant dans les chambres de combustion relance la production de gaz chauds à l’échappement qui fournissent l’énergie pour relancer le turbo, mais celui-ci a besoin d’un certain temps avant de retrouver sa vitesse de rotation maximale permettant au moteur de délivrer toute sa puissance. Ainsi, pour éviter ce décalage en sortie de virage, le MGU-H agit ponctuellement comme un moteur qui relance instantanément le turbo à sa vitesse de rotation optimale et offre au pilote une réponse immédiate lorsqu’il sollicite l’accélérateur.
L’équilibre entre la consommation de carburant, la récupération d’énergie et sa réutilisation sera étroitement surveillé tout au long du tour. La gestion de la course et la stratégie employée seront plus flexibles que par le passé et la solution optimale variera considérablement d’un circuit à l’autre. Elle dépendra de facteurs aussi divers que le pourcentage de temps passé à pleine charge sur un tour, la vitesse de passage dans les courbes et la configuration aérodynamique de la voiture.

Source CP Renault Sport F1