Formule 1 et série, quelles synergies techniques ?

A la recherche d’un nouveau souffle et d’économies pour sa catégorie reine, la Formule 1, la Fédération internationale automobile a revu le règlement technique pour cette saison 2014. La cylindrée est désormais réduite à 1,6 litre (moteur V6), au lieu de V8 2,4 litres, avec l’utilisation obligatoire d’un turbocompresseur. Pour montrer l’exemple, les voitures doivent désormais utiliser une récupération d’énergie pour renforcer temporairement la puissance du moteur thermique. Les Formule 1 deviennent ainsi de véritables hybrides. L’originalité présentée par la technologie des F1 2014 est le récupérateur de courant qui est monté en série sur le turbocompresseur. L’innovation est loin d’être innocente. En effet, même sur les modèles de tourisme, il y a encore une grande quantité d’énergie perdue dans les systèmes d’échappement et, pour une fois, la F1 pourrait montrer une nouvelle voie.

Quel changement ?

Le rodage de la nouvelle technologie de récupération des Formule 1 est désormais engagé, et il ne se fait pas sans difficulté. Les fabricants de moteurs ont, depuis cette année, eu l’obligation de fournir l’intégralité de la mécanique à leurs clients. Il est donc de la responsabilité de Renault, Ferrari et Mercedes d’intégrer l’ensemble des équipements de récupération et de gestion d’énergie, contrairement aux années précédentes, où les constructeurs de châssis pouvaient les concevoir eux-mêmes.

Comment ça marche ?

La nouvelle F1 2014 intègre une double régénération d’énergie. Sur le modèle des années précédentes (le “KERS” depuis 2010), un alternateur-moteur est lié au vilebrequin. En phase de ralentissement, il contribue au frein moteur en jouant le rôle de générateur électrique. Le courant est stocké dans une batterie à haute densité positionnée sous l’arrière du châssis, devant le moteur. Sa capacité motrice est désormais deux fois supérieure à celle précédemment imposée (160 ch au lieu de 80). La batterie est également alimentée par une machine électrique entraînée par l’axe du turbocompresseur. Positionné entre turbine et compresseur sur le moteur Mercedes, ce moteur électrique est derrière le turbocompresseur sur le moteur Renault, entre les bancs de cylindres du V6, contribuant au centrage des masses, mais certainement moins bien refroidi.

La gestion électronique devient complexe avec plusieurs missions simultanées : contrôler une puissance électrique de recharge très importante, libérer la puissance dans le moteur de turbo compresseur en phase de relance moteur et apporter l’appoint de puissance au moteur électrique de régénération (le MGU-K pour “kinetic”) d’une puissance de 160 chevaux. Une limitation très importante de la consommation de carburant a également été mise en place, ce qui contraint les ingénieurs à se limiter dans l’utilisation de la puissance moteur.

Et la série ?

Pour une fois depuis très longtemps, la compétition montre des solutions qui ne sont pas encore utilisées par la série. Les hybrides actuels ne font pas de recharge rapide, ou très peu. Tout au mieux, une PSA “Hybrid 4” peut-elle recharger sa batterie dans une descente sur le “frein moteur” sur 5 kilomètres environ, pour une utilisation sur moins de 10 km sur route plane. Aucun modèle de série n’utilise de récupération d’énergie sur le système d’échappement. Outre la complexité de l’équipement requis, on peut envisager une trop forte perte d’énergie des gaz d’échappement qui pénaliserait la dépollution par les catalyseurs, filtres DeNox et filtres à particules (pour les Diesel).

Comparatif d’utilisation des turbos

Le générateur dit “ERS-H” (Heat, ou énergie issue du thermique) sur les nouvelles Formule 1 a la capacité de fonctionner en “phase moteur”. Il permet ainsi de relancer le compresseur lors des phases transitoires de fonctionnement. En compétition, pour obtenir plus de puissance de compression, le turbo du moteur de F1 est de grande dimension, alors que les moteurs automobiles qui jouent le “downsizing” utilisent des turbocompresseurs les plus petits possible. Les turbos de grande série sont donc moins exigeants à la “relance” qu’en compétition. Un des défis de la nouvelle solution de turbocompresseur couplé à une génératrice en course vient de la conciliation de la vitesse de rotation du turbocompresseur avec la vitesse d’un générateur électrique, tournant autour de 100 000 tr/min. Pour la course, l’ensemble des concepts a été validé au banc, mais l’intégration et la maîtrise des systèmes de gestion et du refroidissement demanderont sans doute quelques mois. On est encore loin de l’utilisation en grande série, mais des montages de compresseurs couplés à un moteur électrique ont déjà été dévoilés (Valeo, Bosch ou Visteon), encore aujourd’hui sans suite en production. Seule Audi a présenté des véhicules intégrant cet équipement.