Dimanche 27 septembre 2009 7 27 /09 /Sep /2009 11:00
Le KERS

On attendait une révolution, nous avons eu droit à un fiasco… mais pendant la première moitié de saison seulement, car depuis quelques courses, les écuries qui ont persisté commencent à remonter. Cela mérite bien de s’intéresser d’un peu plus près à lui : le KERS !

La genèse : De plus en plus montrée du doigt en raison de sa grande tendance au gaspillage, la Formule 1 a tenté de "verdir" son image avec une nouveauté technologique qui devait rendre les F1 plus "écologiques". Ce nouveau sujet de recherche baptisée KERS pour ''Kinetic Energy Recovery Systems'' (en français, ''Systèmes de récupération d'énergie cinétique'' - SREC) a permis, dans une certaine mesure, à la F1 de retrouver son rôle de laboratoire de recherche pour l'industrie automobile. Derrière ce nom compliqué se cache une idée simple : récupérer l'énergie perdue au freinage pour la réutiliser plus tard.

Présenté comme une grande innovation, un pas considérable dans le sens d'une voiture plus écologique, le KERS n'est toutefois pas si novateur. En effet, des solutions de ce type existent déjà dans d'autres domaines, trains ou voitures hybrides par exemple. Le gros défi lancé aux ingénieurs était donc de l'appliquer à la F1 avec des contraintes de poids et de performance imposées. Ce n'était pas une mince affaire ! En effet, les monoplaces actuelles sont conçues bien en deçà du poids réglementaire fixé par la FIA, pour permettre de placer des lests afin d'équilibrer au mieux la voiture. Ainsi pour compenser le poids du KERS, il faut supprimer une partie de ce lest, ce qui peut perturber l'équilibre de la voiture.

Adapté à la Formule 1, le KERS est théoriquement utilisé comme un "coup de pouce" pour mieux accélérer à la sortie d'un virage ou aider au dépassement. En pratique, il sert aussi beaucoup à ne pas se laisser dépasser. Une innovation technologique et écologique théoriquement intéressante pour le sport et le spectacle si les écuries réussissaient à la mettre au point.

Le règlement de la FIA pour la saison 2009

~ Le KERS n'étant pas obligatoire, chaque écurie est libre cette saison d'introduire ou non ce nouveau système. Elles peuvent choisir de l'installer à la carte suivant les grand-prix, sur leurs deux monoplaces ou juste sur une seule.

~ Ne faisant pas partie du moteur, le KERS n'est pas soumis au gel des technologies et peut être modifié en cours de saison.

~ La puissance entrant et sortant doit être au maximum de 60kW, soit 80 chevaux, la puissance d’une Clio II 1.9 diesel.

~ L'énergie libérée doit être au maximum de 400kJ par tour, ce qui permet de l’utiliser pendant environ 6 secondes par tours à pleine puissance, en une ou plusieurs fois.

~ La libération de l'énergie doit être totalement contrôlée par le pilote. Il est interdit par exemple, d'utiliser l’électronique de bord pour enclencher le KERS progressivement au moment où le pilote appuie sur l’accélérateur. A l'inverse, l’accumulation de l'énergie se fait automatiquement lors des phases de freinage. En revanche, l'objectif étant d'utiliser de l'énergie recyclée issue des freinages, il est interdit de recharger le KERS lors d'un arrêt au stand. Au départ les Formule 1 peuvent s'élancer avec le KERS chargé, puisque pendant le tour de formation, ils peuvent le charger et l'utiliser dès que la ligne est franchie.

~ Le KERS doit être connecté sur le train arrière. Il n’est donc pas permis d’utiliser l’énergie produite par le freinage des roues avant pour recharger le KERS.


Les solutions techniques envisagées

Le règlement de la FIA pose un certain nombre de contraintes, principalement pour limiter la puissance du KERS, mais ne précise pas quelles technologies peuvent être utilisées, laissant toute liberté aux ingénieurs. Le stockage de l'énergie peut donc se faire soit sous forme mécanique soit sous forme électrique.

Les solutions mécaniques étudiées

 
~ L’accumulateur hydraulique

 
Cette technique utilise accumulateur hydraulique pour stocker l’énergie et une pompe hydraulique au freinage qui se transforme en moteur hydraulique pour restituer l’énergie. Cette solution avait été retenue par McLaren lors d'une première tentative de récupération d'énergie en 1999. Néanmoins, elle a été interdite par la FIA, l’époque étant plus à la limitation de puissance des monoplaces qu’à l’écologie.

~ Le volant d'inertie


Avec cette technique, le freinage met en rotation un disque relativement massif.

Le point négatif de cette solution : le comportement de la voiture risque d'être perturbé par l'effet gyroscopique* qu'il génère. Un effet qui sera variable suivant la vitesse de rotation du volant et qui risque de modifier le comportement de la voiture d'un tour sur l'autre.

Honda a, un temps, tenté de développer un Kers de ce type avec la société Flybrid avant d'abandonner le projet en même temps que l'écurie a été rachetée par Brawn.
Les solutions électriques étudiées : des alternateurs / moteurs électriques et des batteries

Cette solution est la plus proche de celle qui est utilisée par les moteurs hybrides actuels. C'est d'ailleurs cette solution qui a été retenue par les quatre écuries (Renault, Ferrari, McLaren, BMW) ayant utilisé un KERS en Grand Prix cette saison.

Trois éléments composent ce KERS :
  • - un moteur électrique relié au vilebrequin du moteur à qui il fournit la puissance supplémentaire
  • - des batteries ion-lithium capables de stocker et libérer très rapidement l'énergie
  • - un boitier de contrôle, lié au boitier électronique, qui permet de gérer la charge comme la décharge.
Les solutions mixtes possibles

Les écuries peuvent aussi choisir un mélange de ces différentes technologies. Il est ainsi par exemple possible d'utiliser un volant d'inertie pour stocker l'énergie mais de le séparer du moteur par un dispositif électrique.

Parmi les écuries engagées, Williams a développé un KERS hybride mécanique et électrique qui fonctionne comme suit : la monoplace utilise un volant en matériaux composite "chargé" de particules magnétiques. Ce qui permet d'intégrer le moteur/générateur dans la volant et gagner du poids. Jusqu'à présent, l'écurie britannique n'a pas encore incorporé ce dispositif à sa voiture lors des week-end de course, mais n'a pas renoncé à y parvenir d'ici la fin de saison.

Cette liste de solutions possibles n'est bien sûr pas exhaustive.



Les problèmes à résoudre


L'un des problèmes du KERS est sa dangerosité potentielle. Des précautions importantes doivent être prises pour les pilotes et les mécaniciens lorsqu'il est installé dans une auto. Même si des solutions semblent avoir été trouvées, le KERS n'est toujours pas exempt de tout danger.

L'autre problème, peut-être le plus important, et ce quelle que soit la solution retenue, est que le poids du système doit être limité (on parle de 40 à 60 Kg) et son encombrement doit être réduit afin d'être placé dans l'espace restreint d'une F1.
Concrètement, les batteries du KERS sont souvent situées sous le baquet du pilote, là où de la place peut être trouvée. L'impossibilité de placer les éléments du KERS là où ils pourraient servir l'équilibre de la voiture place les écuries dans une position délicate. Un choix cornélien s'impose à elles : puissance ou équilibre ?
La physionomie de la saison nous montre la réponse choisie : la plupart des équipes ne tournent plus avec leurs 2 voitures équipées du KERS. L'équilibre est donc privilégié aux 80 CV supplémentaires pendant 6 secondes par tour...
Le poids et l'encombrement restent à l'heure actuelle un problème insolutionné... ou insolutionnable ?

Il faut aussi que la mise en action du KERS tant au freinage qu'à l'accélération soit parfaitement contrôlable. Une accélération ou un freinage trop brutal risquent de perturber le comportement de la voiture et lui faire quitter la trajectoire, voire la piste.
Sur ce point, des solutions ont été trouvées.
Chez Renault notamment, les pilotes disposent sur leur volant de plusieurs boutons leur permettant de régler la charge et la décharge. Pour chaque circuit, l'équipe calcule quelle puissance d'énergie doit être emmagasinée dans les virages pour offrir la puissance maximale lors de la libération de l'énergie. Les pilotes ne touchent pas à ce bouton en course.
En revanche, ils peuvent intervenir sur la puissance libérée lors de la décharge. En effet, sous la pluie par exemple, libérer 80 CV peut s'avérer dangereux. Les pilotes peuvent donc abaisser le nombre de chevaux libérés, ils pourront alors en bénéficier plus longtemps.


L'avenir


La FIA a volontairement limité la puissance pour que la différence de performance entre les "bons" et les "mauvais" KERS ne provoque pas un trop gros écart de performance. Dans le futur, on a évoqué une possible augmentation de la puissance autorisée (on parle de 120kW) et l'extension du KERS au train avant : l'énergie pourrait être récupérée également sur les roues avant. Il a aussi été question d'un KERS standardisé comme c'est déjà le cas pour le boîtier électronique et comme cela pourrait prochainement l'être pour la boîte de vitesse.

Malgré ces projets plus ou moins réels, l'avenir du KERS en F1 semble compromis. Dépense importante pour peu de résultats, de nombreuses écuries ont déjà annoncé ne pas vouloir du KERS pour l'an prochain. La perturbation au niveau de l'équilibre de la voiture est trop importante pour que les 80CV supplémentaires, 6 secondes par tour, soient vraiment un avantage pour la course.

Un futur d'autant plus compromis que l'avenir à court terme du KERS en F1 est incertain. En 2010, il sera toujours autorisé par le règlement mais des annonces contradictoires sont parues dans les médias. D'un coté, la FOTA a annoncé que toutes les écuries s'étaient entendues pour ne pas l'utiliser, et de l'autre côté, Williams a indiqué qu'ils développeraient leur solution hybride mécanique/électrique la saison prochaine, en vue d'une probable utilisation, même si sur ce dernier point, Sam Michael a fait une légère marche arrière.

A plus long terme, c'est le successeur de Max Mosley à la tête de la FIA qui devra trancher sur l'avenir du KERS, et plus largement, sur l'avenir "écologique" du sport automobile.



Les retombées industrielles


Un des arguments des opposants au KERS était l'impossibilité d'appliquer les solutions techniques retenues pour la F1 à la voiture de monsieur tout le monde. S'il est évident que nous ne conduirons jamais une voiture équipée d’un petit bouton rouge permettant de dépasser plus facilement la voiture de police qui nous précède, certaines avancées technologiques pourraient trouver leur voie dans nos futures voitures. C'est le cas, par exemple, pour les solutions électriques avec les travaux effectués sur la réduction de la taille des moteurs électrique de forte puissance et la conception de batteries de faible encombrement capables d’être chargées et déchargées en quelques secondes. Du coté des solutions mécaniques, Williams a créé une société dont l'objectif unique est de vendre à toute société qui en aurait l'utilité les technologies développées pour la F1. Les retombées industrielles ne seront donc certainement pas nulles comme le prévoyaient les pessimistes.

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* Effet gyroscopique : La démonstration la plus simple et la plus parlante consiste à tenir à bout de bras une roue de vélo par les écrous du moyeu et de la faire tourner rapidement par une autre personne. Lorsque l'on tente de pencher sur le côté la roue en rotation, on ressent une résistance. C'est la conservation du moment de rotation qui tend à s'opposer à ce mouvement. (Wikipédia)
Par Cédric et Marie - Publié dans : F1 Tech'
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Commentaires

très interessantes explications techniques, il est question de KERS en 2009 et 2010,

qu'en est il en 2012: progression ou disparition?

Commentaire n°1 posté par marsaux le 28/04/2012 à 18h50

Il n'y a pas eu beaucoup d'évolutions concernant le KERS en F1 ces derrières années. Le règlement n'a pas changé alors qu'il aurait été possible d'augmenter progressivement la puissance maximum autorisée par tour. Il faudra attendre la nouvelle réglementation moteur en 2014 qui rendra le KERS obligatoire et plus puissant pour que la situation évolue. Cette saison presque toutes les écuries utilisent le KERS à l'exception de celles motorisées par Cosworth qui n'a jamais développé de KERS pour son moteur.

En ce moment, pour voir des évolutions dans ce domaine, il faut se tourner vers l'endurance avec l'arrivée des voitures hybrides au 24h du Mans. Et contrairement à la F1 ouù tout le monde a finalement adopté le KERS électrique, la solution du volant d'inertie est également utilisée.

Réponse de Cédric le 05/05/2012 à 21h22
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