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Technologie - Moteur : principe de base

Avec une puissance dix fois supérieure à celui d’une voiture de série classique, un moteur de Formule 1 permet des performances incroyables. Composés d’environ 5000 pièces, ces moteurs sont très complexes et doivent pouvoir fonctionner à de très hautes températures. Seuls les moteurs athmosphériques à quatre temps sont autorisés. La cylindrée est actuellement limitée à 2,4 litres,tous les moteurs doivent avoir 8 cylindres (ni plus ni moins) et 5 soupapes par cylindre au maximum, la section normale de chaque cylindre doit être circulaire, la turbo compression est interdite. Ces moteurs développent entre 770 et 840 cv et sont en alliage d’aluminium. Les régimes de fonctionnement avoisinent aujourd’hui les 20000 tr/min. (limité à 19000 tr/min en 2007)

Le moteur Renault RS25 F1
Le moteur RS25 utilisé par Renault F1 lors de la Saison 2005

 

Le Fonctionnement

Le Fonctionnement d’un moteur de Formule 1 est sensiblement le même que celui d’une voiture de série. Nous ferons donc, pour commencer, une introduction au fonctionnement du moteur à 4 temps.

Un moteur se compose principalement de pistons, de cylindres, de soupapes, de bougies et d’un vilebrequin. Décomposons ensemble les fameux quatre temps correspondant à un cycle moteur complet.

L'admission dans un cycle à 4 temps

 

1er temps

Le cycle commence à un point mort haut, quand le piston est à son point le plus élevé. Pendant le premier temps où le piston descend (admission), un mélange d’air et de carburant est aspiré dans le cylindre via les soupapes d’admission.

 

La compression dans un cycle à 4 temps

 

2nd temps

La soupape d’admission se ferme, puis le piston remonte (compression) et comprime le mélange carburant-air.

 

La détente dans un cycle à 4 temps

 

3ème temps

Le mélange air-carburant est alors enflammé par une bougie d’allumage, aux environs du deuxième point mort haut (remontée complète du piston).L’expansion des gaz portés à haute température lors de l’explosion force alors le piston à descendre pour le troisième temps (détente). Ce mouvement est le seul temps moteur (produisant de l’énergie directement utilisable).

 

L'échappement dans un cycle à 4 temps

 

4ème temps

Lors du quatrième et dernier temps (l’échappement) les gaz brulés sont évacués du cylindre via la soupape d’échappement par la remontée du piston.

 



Le mélange air-essence se produit dans le cylindre. L’essence est d’abord introduite dans le cylindre puis l’injecteur injecte de l’air directement dans le cylindre. Il faut une étincelle pour enflammer le mélange air-essence comprimé contenu dans les cylindres. C’est le rôle des bougies. Elles sont fixées sur la partie supérieure de chaque cylindre. La bougie est essentiellement constituée de deux électrodes entre lesquelles le passage du courant à haute tension produit un arc électrique, fournissant ainsi l’étincelle qui enflamme le mélange contenu dans la chambre de combustion. Les soupapes sont commandées par un arbre à cames entrainé par le vilebrequin. Elles pourront s’ouvrir jusqu’à 3000 fois par minute. La puissance du moteur est transmise aux roues par l’intermédiaire du vilebrequin, du volant moteur et par la suite, de la transmission : un système hydraulique ou mécanique utilisé pour transmettre la puissance du moteur à l’arbre moteur. A la sortie des cylindres, les gaz de combustion sont évacués par des tubulures et par le pot d’échappement, muni de chicanes, dans lesquelles la température des gaz baisse et leur détente s’épuise. Ainsi, on diminue considérablement la pression et le bruit de sortie des gaz d’échappement à l’arrière du véhicule.

 

Les matériaux utilisés

Certains composants sont issus des céramiques afin de réduire l’inertie des parties en mouvement. Ces matériaux sont à la fois solides et légers ce qui signifie qu’il faut moins d’énergie pour les mouvoir, cela contribue donc à réduire la consommation tout en rendant les moteurs plus performants. Un matériau similaire à la céramique, le beryllium, a longtemps été utilisé, mais sa sécurité a été remise en question : il a été interdit par la FIA en 2001.
Pour la saison 2006, les pistons doivent être obligatoirement en alliage à base d’aluminium, le vilebrequin en alliage à base de fer, les arbres à cames en alliage à base de fer et formés d’une seul pièce de métal. Le carter moteur et la culasse doivent quant-à-eux être conçuts à base d’aluminium.
Le moteur se doit d’être léger afin d’ajuster au mieux le centre de gravité de la voiture mais il doit aussi être très rigide, étant le seul élément reliant le train arrière au châssis. Il doit être capable de supporter à la fois la charge aérodynamique de l’aileron arrière et les contraintes entraînées par les virages et les bosses.
Les moteurs de F1 sont conçus pour tourner beaucoup plus vite que les moteurs de série. On peu penser légitimement, que faire tourner un moteur 2 fois plus vite double la puissance fournie par celui-ci. Malheureusement, lorsque le nombre de tours augmente, les frottements et frictions internes augment par la même occasion, qui fragilisent le moteur. Un moteur normal ne survivrait pas dans ces conditions. Des matériaux exotiques comme la céramique, mentionnée ci-dessus, sont employés afin de réduire le poids et la taille des moteurs. Les matériaux exotiques peuvent réduire la masse, et sont aussi moins sensibles et moins susceptibles de se dilater avec la chaleur mais ont des inconvénients qui limitent leur utilisation. Par exemple, des pièces en acier et en fibres de carbone ne se dilateront pas de la même manière, ce qui provoquera des disfonctionnements ou des casses si on les utilise conjointement. Mélanger ces matériaux avec des matériaux ferreux peut donc poser problème.

Cet article constituait une brève introduction au moteur à 4 temps, nécéssaire à la compréhension de la suite. Je vous invite désormais, à porter votre intention sur l'article suivant.


Date de création : 10/05/2013 - 09:28
Dernière modification : 06/07/2013 - 09:36
Catégorie : Technologie
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