Dimanche 8 avril 2007 7 08 /04 /Avr /2007 17:35
Le moteur d'une Formule 1

   

C'est l'organe essentiel d'une monoplace, sans lui elle ne décollerait pas de la grille de départ, mais c'est aussi, peut-être son élément le plus complexe et le plus difficile à appréhender. Soumis à des forces inimaginables un moteur de F1 défie les lois de la physique pour développer toujours plus de puissance. Le moteur est peut-être bien caché sous la carrosserie mais il est loin d'être l'élément le moins intéressant en Formule 1.

 


Cylindres et cycle moteur


    Mais commençons par le commencement. Les moteurs utilisés en F1 sont des moteurs à 4 temps. Cette technologie a été choisie car c'est celle qui est la plus facilement exploitable et celle qui présente le plus de similitude avec les voitures de série. Ce sont des moteurs "essence" dits à "allumage commandé". L'unité de fonctionnement de base du moteur est le cylindre.

    Le cycle de fonctionnement d'un cylindre se décompose de la manière suivante :

 

1) L'admission : ou aspiration, un mélange air/essence dans des proportions précises est aspiré par la soupape d'admission, puis celle-ci se referme.

2) La compression: le piston remonte dans le cylindre, comprimant le mélange air/essence, ce qui provoque une élévation de sa température.

3) La combustion : la bougie produit une étincelle qui enflamme le mélange comprimé au maximum. Le mélange explose en repoussant le piston vers le bas, c'est ce qu'on appelle le temps moteur.

4) L'échappement : les deux soupapes d'échappement s'ouvrent et le piston remonte, les gaz brûlés sont alors expulsés hors de la chambre de combustion.

    Ce mouvement de bas en haut puis de haut en bas du piston entraîne une bielle qui transforme ce mouvement vertical en mouvement rotatif au niveau de l'arbre moteur (ou vilebrequin) qui va ensuite faire tourner les roues via la transmission.

   Si le principe est simple, l'application est extrêmement complexe, car dans une monoplace l'enchaînement de ces 4 temps peut avoir lieu jusqu'à 19 000 fois par minute ! Ceci entraîne l'apparition d'énormes contraintes sur les pièces du moteur que les ingénieurs s'efforcent de diminuer.

    En outre, l'architecture d'un moteur de F1 est très réglementée, actuellement il doit comporter 8 cylindres pour une cylindrée de 2 400 cm3 (volume total des cylindres). 4 cylindres sont répartis de chaque côté, formant un V qui s'ouvre selon un angle de 90 degrés. Le V8 présente l'avantage d'être plus léger et plus rigide que le V10 (car plus court), mais la course des pistons est plus longue ce qui entraîne une diminution du régime moteur maximal.


 

    En effet, plus la course des pistons est longue, plus leur déplacement devra être rapide pour maintenir un régime moteur élevé. Or, leur accélération et leur vitesse sont bien souvent ce qui détermine la durée de vie du moteur. Une vitesse accrue augmente l'intensité des charges auxquelles pistons et bielles sont soumis. En course les pistons peuvent subir une accélération de l'ordre de 9000 G et se déplacer à une vitesse de 25 m/s. C'est pourquoi la durée de vie d'un moteur de F1 est si courte : de l'ordre de 1 500 km comparés aux centaines de milliers de km de nos voitures de série. Pour diminuer la course du piston et donc sa vitesse, les ingénieurs ont tendance à augmenter son alésage (son diamètre). Mais la course ne peut pas être diminuée indéfiniment et quand le rapport alésage/course atteint les 2,25 des problèmes de combustion apparaissent, ce qui est néfaste pour les performances du moteur. De plus, quand la course des pistons est courte, le moteur est moins haut ce qui abaisse son centre de gravité et favorise un bon comportement dynamique de la monoplace.

 

    Les moteurs sont composés de plusieurs cylindres afin d'homogénéiser le cycle. Les mouvements des pistons engendrent des vibrations, la bonne dispositions des cylindres permet à ces vibrations de s'annuler partiellement entre elles.

 

 

Fonctionnement des soupapes


    Pour alimenter les cylindres en essence et en air, ainsi que pour permettre l'échappement des gaz après la combustion, les soupapes doivent s'ouvrir et se fermer à très grande vitesse selon un enchaînement réglé avec la précision d'une horloge suisse.


 

    Pour atteindre des régimes moteur de 19 000 tours/ min, les ingénieurs ont recours à des soupapes à rappel pneumatique. En effet, au delà de 13 000 tours/min, le système "classique" de soupapes à simple ou double ressort s'avère totalement inefficace car, à ce régime, les ressorts entrent en résonance et les soupapes "s'affolent", désynchronisant le cycle moteur et pouvant entraîner leur collision avec le piston ce qui détruirait le moteur. Dans les soupapes à rappel pneumatique c'est de l'azote (très stable à haute température) sous pression (environ 7 bars) placé dans un petit cylindre, qui joue le rôle de ressort. Lorsque la soupape s'ouvre le gaz est comprimé, la surpression dans le cylindre la pousse alors à se refermer. Pour prévenir toute baisse de pression, les Formules 1 possèdent un réservoir embarqué d'azote comprimé à 170 bars.

    La synchronisation ouverture /fermeture des soupapes est assurée par l'arbre à came. Dans un moteur il faut que l'arbre à came et le vilebrequin soient eux aussi synchronisés : le vilebrequin doit tourner deux fois plus vite que l'arbre à came. Dans les voitures classiques la liaison entre ces deux pièces est assurée par une courroie ou une chaîne, mais à des régimes moteur si élevés cette solution n'est pas applicable et elle est remplacée par un système d'engrenage de pignons, résistant à l'usure à vitesse élevée.

arbreacame.jpg        vilebrequin.jpg


Alimentation en air et en essence

 

    Plus la pression est élevée à l'entrée de la chambre de combustion, meilleure est l'admission. C'est sur ce principe que reposent les turbos, mais ces dispositifs de surpression sont interdits en F1, il a donc fallu trouver une autre solution pour élever la pression à l'entrée des cylindres.

    C'est la fonction de la boîte à air : l'air rentre dans un conduit situé au dessus de la tête du pilote, celui-ci s'élargit et aboutit à un gros filtre à air. Quand l'air arrive dans ce conduit dont le diamètre augmente il ralentit et se tranquillise ce qui augmente la pression à l'entrée du filtre à air. Après l'avoir traversé, l'air se présente à l'entrée des cylindres, au niveau des trompettes d'admission, là où se fait le mélange air/essence. Un moteur de F1 est très gourmand en air : environ 14 grammes d'air par gramme d'essence consommé, à plein régime il ne lui faut pas moins de 500 litres d'air par seconde pour fonctionner correctement ce qui n'est pas toujours facile à réunir ! La mécanique des fluides est complexe et il suffit parfois de peu de choses pour que le moteur étouffe.

 

    Les trompettes d'admission constituent l'entrée du conduit d'admission qui aspire le mélange jusque dans le cylindre. Leur forme est étudiée pour canaliser et tranquilliser le flux d'air sortant de la boîte à air et de le diriger vers les soupapes d'admission. Chaque trompette dessert un cylindre.

    A l'entrée du cylindre, l'air est arrêté par la soupape, quand celle-ci s'ouvre l'air est aspiré à l'intérieur du cylindre par le piston qui redescend en même temps qu'il est poussé par l'air sous pression dans la trompette d'admission. En effet, quand la soupape se referme, l'aspiration est coupée net, le flux d'air vers le cylindre est stoppé ce qui crée une suppression qui remonte dans la trompette d'admission. Pour simplifier disons que l'air "se bouscule au portillon" à l'entrée du cylindre. C'est ainsi que les motoristes se sont passés de l'usage de turbos tout en maintenant une admission très efficace.

    Quand à l'essence elle est désormais vaporisée à l'entrée des trompettes d'admission au lieu d'être injectée directement dans la chambre de combustion ou dans le conduit d'admission. Le mélange air/essence, pour être efficace se doit d'être parfaitement homogène. L'injection en amont des trompettes favorise l'homogénéité du mélange et évite que l'essence ne se dépose sur les parois du conduit d'admission ou sur la soupape, provoquant une perte de puissance par appauvrissement du mélange.

     En effet, la puissance développée par le moteur dépend de la richesse du mélange air/essence : un mélange enrichit en essence augmente la puissance moteur alors qu'un mélange appauvri la diminue et baisse par la même occasion la consommation de carburant. Ainsi, durant les courses, les pilotes disposent de différents réglages ou "cartographies" moteur modifiant la teneur en essence du mélange, ce qui permet d'alterner entre économie de carburant quand on est coincé dans le trafic ou gain de puissance quand la voie est libre. Toutefois, trop appauvrir le mélange peut provoquer une surchauffe du moteur. C'est bien connu, en F1, tout est question de compromis.

 

 

L'échappement

 

 

    Une fois que le mélange a explosé les gaz d'échappement doivent être conduits hors des cylindres. Plus leur élimination est efficace, meilleure est la capacité du moteur à aspirer de l'air pour le cycle suivant. La conception des conduits d'échappement est donc primordiale pour la performance.

En leur sein, deux phénomènes cohabitent :

    - Le déplacement du flux de gaz à environ 60 m/s et

    - La vibration du flux entraînant la formation d'une onde acoustique (un bruit) qui se propage dans les conduits.

    Chaque cylindre produit une onde acoustique, ce qui crée un réseau d'ondes qui doivent toutes être accordées (toutes doivent vibrer à la même vitesse, c'est à dire avoir la même longueur d'onde) pour que l'écoulement de la veine de gaz soit optimale. Ainsi les tuyaux doivent tous avoir le même diamètre et la même longueur avant leur raccordement, ce qui explique leur forme parfois très complexe.

 

 

    Les gaz sont expulsés de la voiture à une température de 950 degrés dans une zone de basse pression à l'arrière de la voiture ce qui demande un travail sur l'aérodynamique de l'aileron arrière. L'échappement se fait vers le haut pour protéger le flux d'air sous la voiture mais peut compromettre l'intégrité des suspensions arrières, c'est pour les protéger de la chaleur que celles-ci sont parfois recouvertes d'un film d'or.

 

 

Le refroidissement


    C'est le flux d'air qui entre dans les pontons de la monoplace qui assure le refroidissement du moteur. Pour que celui-ci soit efficace il faut donc que la voiture avance : plus elle va vite, plus la quantité d'air qui entre dans les pontons et qui passe par les radiateurs augmente. C'est pourquoi les Formules 1 chauffent si vite quand elles sont arrêtées ou au ralenti derrière le safety car. Les radiateurs sont des échangeurs thermiques, ils permettent de faire diminuer la température du liquide de refroidissement et de l'huile grâce à l'air qui circule à haute vitesse à l'intérieur. Pour récolter le plus d'air possible les pontons se trouvent à un endroit où la pression dynamique est élevée et le flux constant.

    Un moteur de F1 fonctionne correctement aux alentours de 100°C, cette température permet une combustion efficace et le bon fonctionnement des pièces moteur.

    Une fois que l'air a traversé les radiateurs, il est extrait par des ouvertures pratiquées dans la carrosserie et dont la forme et la taille dépendent du degré de refroidissement nécessaire, qui varie selon les circuits et les circonstances (qualification, course...). En général on peut observer des ouvertures en cheminée ou en ouïes, elles peuvent aussi être totalement occultées. Elles sont conçues pour perturber le moins possible le flux aérodynamique autour de la voiture.

 

 

 

La lubrification du moteur


    La lubrification permet de réduire les frottements appliqués aux pièces et ainsi de limiter leur usure tout en améliorant la puissance et la fiabilité du moteur. Le lubrifiant permet aussi l'étanchéité des cylindres et le nettoyage du moteur grâce à ses propriétés de dispersion et de détergence.

    Dans une voiture de série, le vilebrequin barbote dans un réservoir d'huile appelé carter, ce qui limite les frottements entre les pièces. Sur une Formule 1 il n'y a pas de carter, on parle de "carter sec". Une pompe, alimentée par un réservoir, qui envoie de l'huile dans le moteur puis elle est recueillie à l'aide d'une autre pompe pour être réinjectée dans le réservoir. Cette technique limite les frottements visqueux de l'huile sur le vilebrequin et l'absence de carter permet d'abaisser un peu plus le moteur et donc son centre de gravité. De cette façon on évite aussi que l'huile ne soit plaquée contre l'une ou l'autre des parois du carter quand la voiture prend un virage à haute vitesse ou freine brutalement.

    La qualité du lubrifiant est l'objet d'un développement constant. Plus la lubrification est efficace et permet une évacuation de la chaleur, plus les radiateurs assurant le refroidissement de l'huile et du liquide de refroidissement peuvent être petits, ce qui influence directement l'aérodynamique de la voiture.

 

 

Le carburant


   

    En F1, le carburant se doit d'avoir une composition constante, la moindre variation rendrait caduque le réglage du moteur. Cependant, l'essence utilisée n'est pas si éloignée de celle de nos voitures, elle s'enflamme mieux car son indice d'octane est plus élevé : 102 contre 88 ou 85 pour une essence classique, et elle est plus pure et plus contrôlée.

    De nos jours, les améliorations de la qualité du carburant visent principalement à améliorer la fiabilité du moteur et à diminuer la consommation.

       La consommation varie en fonction des circuits, du style de pilotage du pilote et du temps : la pluie peut augmenter, parfois jusqu'à 25%, la consommation de carburant. En F1, elle se calcule généralement en kg/tour. Une monoplace consomme environ 2,5 kg d'essence par tour soit environ 80 L/100 km. Si on fait le rapport puissance/consommation un moteur de F1 ne s'éloigne pas tant que ça de nos voitures. Par contre, il est beaucoup plus gourmand en huile puisqu'il en avale environ 10 L par course.

 

 

    En conclusion un moteur de F1 repose sur les mêmes principes qu'un moteur à combustion interne classique mais le niveau de performance qui lui est demandé impose une optimisation de toutes ses pièces et le développement de nouvelles solutions pour parer à tous les problèmes liées aux vibrations, aux accélérations et aux frottements rencontrés uniquement à ces très hautes vitesses. Bijoux de haute technologie dont les autorités veulent sans cesse réduire les performances, c'est sans compter sur l'ingéniosité qu'ont leurs concepteurs pour toujours les améliorer.

Par Sywel - Publié dans : F1 Tech'
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Commentaires

J'ai découvert ce blog il y a peu, il est vraiment excellent!!!! et cette article est très instructif. Bonne continuation.
Commentaire n°1 posté par chocopops le 09/04/2007 à 11h40
Merci pour tes compliments, on essaie de rendre tout ça le plus clair possible. 
Réponse de Team Femin-F1 le 09/04/2007 à 19h19
C'est vraiment du beau travail les FILLES
Commentaire n°2 posté par mauricien65 le 20/01/2008 à 11h33
trés beau site , trés belles photos
Commentaire n°3 posté par bruno le 13/04/2008 à 07h51
merci
Réponse de Team Fémin-F1 le 13/04/2008 à 17h16
Bravo, pour votre site. Les renseignements sont trés clair sur le fonctionnement du moteur d'une F1. Merci Richard.
Commentaire n°4 posté par barot richard le 21/06/2008 à 09h35
Merci
Réponse de Team Fémin-F1 le 21/06/2008 à 16h30
je suis un garçon :-)
je sais enfin a quoi sert un carter a sec merci 
Commentaire n°5 posté par nans le 05/02/2009 à 22h19
en moto sportives on a des moteurs dit "supercarré" avec rapport alesage/course inferieur a 1
quelles sont les pb de combustions dont vous parlez???  
Commentaire n°6 posté par nans le 05/02/2009 à 22h24
D'après le livre qui nous a servi de référence pour cet article, avec un rapport alesage/course inférieur à 2,25 la forme de la chambre de combustion est plus applatie ce qui pénalise la compression du mélange air/essence et donc entraine une combustion incomplète soit une perte de puissance du moteur.
Nous ne sommes pas des spécialistes des motos donc nous ne savons pas comment les moteurs peuvent avoir un rapport alésage/course inférieur à 1 mais une astuce doit exister pour palier au problème mais celle-ci ne doit pas être appliquable en F1.
Réponse de Marnie le 06/02/2009 à 14h35
je suis desolé je viens de dire une immense betise un moteur super carré est un moteur sportif il a donc l'alesage superieur a la course et a alors un rapport alesage/course superieur a 1
en moto on ne fait pas mieux que "alesage egale a 150 pourcent de la course dc un rapport de 1.5
en F1 vous nous battez largement avez un alesage 2.25 fois plus long que la course
 vous avez des pistons gigantesques :-)
Commentaire n°7 posté par nans le 06/02/2009 à 21h07
Y'a pas de mal.
En réfléchissant à la question de la différence du ratio alésage/course entre un moteur de F1 (2,25 minimum) et moto supercarré (1,5 donc) je pense que la différence vient du régime moteur.
Un moteur de F1 a un régime moteur très élevé et avec un ratio inférieur à 2,25 des problèmes de combustions incomplètes peuvent apparaitre. Un moteur de moto doit avoir un régime moindre donc même si le ratio est plus faible il n'y a pas de problème de combustion.
Enfin ce ne sont que des théories personnelles invérifiées...
Réponse de Marnie le 06/02/2009 à 23h04
Le problème viendrait plutot, je pense, pour les moteurs de moto, par la necessité de garder un moteur assez haut afin de limiter les pertes aéro dues à une largeur trop importante, et la necessité d'avoir un centre de gravité assez haut (pour la stabilité au freinage il me semble, je ne suis pas un spécialiste moto...)
Pour un moteur trop super carré, il peut se poser divers problèmes:
-Le poids trop élevé de piston (n'oublions pas que les régimes de rotation sont comment dire... énormes!)
-Une fragilisation de la bielle: même si elle travaille avec moins d'obliquité, l'augmentation de la surface du piston allié à une diminution du bras de levier du vilebrequin induit que le couple moteur soit créé plus par l'explosion des gaz sur le piston que par l'architecture moteur, comparé à un moteur ayant un rapport A/C plus raisonnable, donc necessité de rigidifier la bielle, problème de poids, etc
-Le mauvais remplissage du moteur: l'augmentation à outrance du rapport A/C entraine un "sur-place" du piston qui est néfaste pour l'aspiration des gazs frais, ainsi que pour l'évacuation des gaz brûlés
-Enfin, l'augmentation de la surface des parois augmente les échanges thermiques avec l'extérieur, donc la perte de puissance
Commentaire n°8 posté par Ghis le 16/04/2009 à 17h23
tré bo site meme si les explications sont pas toujours tré clair merci comme meme abientot
Commentaire n°9 posté par fgty le 28/04/2009 à 10h55

je trouve votre site trés instructif .

nous sommes en train de faire un exposer sur les f1 si vous avez des conseille à nous donner merci de me les faire passer

trés beau site et trés instructif et bien formé .

Commentaire n°10 posté par pierre le 08/06/2010 à 09h02

Vous dites : "la pluie peut augmenter, parfois jusqu'à 25%, la consommation de carburant."

 

C'est l'inverse, quand il pleut une F1 consomme moins l'essence.

Commentaire n°11 posté par nobody le 27/02/2011 à 23h15

Juste une petite rectification

Le moteur de la voiture de Mr Mme tous le monde, même s'il n'a pas de carter sec, le vilebrequin ne barbote pas dans l'huile (ça c'est pour les tondeuses à gazon)

Très beau site

@rmel un vieux mécano

 

 

Commentaire n°12 posté par Armel le 10/07/2011 à 17h35

C'est très rare que je m'exprime, souvent les sites racontent n'importe quoi et je tape qu'avec un doigt!

Une bielle n'est pas simplement une liaison piston-vilebrequin. Celle -ci a aussi un profil, un poids, etc, et surtout un entre-axe qui défini " l'obliquité" par rapport à la course du piston. Il en découle un paramètre très important pour les motoristes qui s'appelle l'accélération du piston(m/s²), donc la propension à monter en régime. Cette notion fait appel à la géométrie en utilisant le cosinus de l'angle formé entre l'axe vertical du cylindre et l'axe vilebrequin-maneton. En résumé, plus la bielle est courte, plus l'accélération du piston est grande mais chaque chose ayant ses limites, la réalité est toujours présente pour nous le rappeler ( moteur "dans la figure")

Un passioné de moteurs

Commentaire n°13 posté par bibi le 20/08/2011 à 00h13

un des problemes du moteur a essence est la vitesse de propagation de l'onde de flamme quipeut eduire la proportion de carburant enflamé il y a  une relation avec la bvitesse de rotation du moteur je ne connaisps le probleme pour de moteurs qui tournent a 19000. t/m mais pour les moteurs d' avion a pistons qui tournaient a 2800 t/m max 2500 t en croisiere la cylindree max etait de l'ordre de 3 litres /cyl

un exempkle celebre de moeur raté est un mercedes livre a l'URSS avvant 1940qui ne respectait pas cette limite

Commentaire n°14 posté par lesieux jean le 04/07/2013 à 08h11
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