[Sacrilège : des voitures!] Technos hybrides en compétition

La F1 en 2014 et les 24h du Mans sont passés en motorisation hybride, à ne pas confondre avec le pur électrique de la e-F1 ou de l'e-power moto. La transition s' est fait sur quelques années.

Hybride ça veut dire dans ce cas un moteur thermique et (au moins un) électrique. La puissance cumulee des deux moteurs est voisines de celles d'avant.

C'est le gros avantage de l'hybride d'avoir de la récupération d'énergie au freinage (KERS ou Kinetic Energy Recovery System) en plus du thermique, ce qui évite les lourdes batteries de l’électrique, toujours pénalisant pour la conso, mais encore plus en compétition (perte de perfo virage).

Les rations réglementaires d'essence ont été réduites (capacité réservoir, ravitallerment...).
Pour nourrir  sans essence le deuxième moteur, une récupération Electrique d'énergie au freinage.

Les différents variantes du système consistent dans la localisation avant ou arrière du moteur électrique et le moyen de stockage entre le freinage régénération et le booster à l'accélération : volant d'inertie, super-capacités ou batterie.

Je donnerais des extraits et / ou liens d'articles techniques.

On s'éloigne de la moto mais c'est vraiment intéressant, surtout à quelques jours des 24h du Mans   

Merci Gilles   

Merci Gilles pour l'ouverture de ce sujet.
La nouvelle motorisation F1 a attiré ma curiosité.
Entre le moteur thermique V6, le turbocompresseur et les deux moteurs / générateurs électriques il y a de quoi cogiter.
C'est très intéressant de voir à quel point on cherche l'optimisation énergétique de tout cet ensemble hybride.
Voici un aperçu d'images de la F1 Renault 2014, déjà largement diffusées sur le Net :
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Il faut aller là :
ENERGY F1 2014

philwood a écrit:

Elles datent de quand ces photos Stéphane ? Parce que en  Michelin et Renault sur l'aileron ar  
Ou alors ta légende ne concerne que la première photo ??

Voici le site de ce nouveau championnat :
FIA Formula e

On y apprend que :
"....The Spark-Renault SRT-01E is the first car to be homologated by the FIA..."

"....It has been built by new French company Spark Racing Technology, led by the renowned Frédéric Vasseur...."

"....Providing the electric powertrain and electronics is McLaren Electronics Systems...."

".... Meanwhile, Williams Advanced Engineering.... will supply the batteries producing 200kw....."

".... This will be linked to a paddle shift sequential gearbox, supplied by Hewland...."

"....Specially designed 18" treaded tyres will be supplied by Official Tyre Partner Michelin...."

Bon là c'est de l'électrique pur, pas de l'hybride. Donc un peu hors sujet.   

Intéressant ce sujet!
Je ne m’étais pas vraiment penché sur les nouveaux moteurs F1.

L'optimisation energetique est l'axe de développement du moment.
J'ai une voiture typiquement americaine de 2000. Un chrysler Concorde V6, 2.7l, qui consomme pas mal d'essence bas de gamme. L'essence ordinaire a un indice d'octane 82.
Ce modèle archaïque a participé a l'enfondrement de l'automobile aux USA, mais la principale cause reste la crise économique.

Aujourd'hui au Quebec, 80% du parc auto est japonais. Tres peu de voiture américaines a part les pick up.
Cependant les americains reagissent. General Motor (GM) qui produisait jadis mon concorde produit maintenant la Chevrolet Volt ( Opel ampera en Europe). Pour moi la meilleure offre Electrique/hybride du moment.

La volt, c'est 40 a 80km d'autonomie (trajet journalier 90% du temps pour 90% des gens) avec recharge tous les soirs a la maison.
En cas de longue route, un moteur/génératrice de 1400 cm³ qui recharge les batteries. Le moteur ne transmet aucun mouvement aux roues, il ne produit que de l'electricité, c'est groupe electrogene.
Le rendement -moteur thermique + génératrice + batterie + moteur elec- n'est pas trés bon mais il n'est qu'occasionnel et la conso verifiée sur autoroute canadienne a 110 km/h est de 4l/100km. Pas mal!
Comparée a une voiture 100%, on est pas obligé d'avoir une deuxième voiture pour les longs trajets
Comparée a une prius, on peut la recharger chez soit.
Je pense que l'hybride Volvo replug (hybride + recharge a la maison) est bien aussi.

Maintenant le prix: 40 000 dollars, environ 35 000 euros pour l'opel. Il faut une grosse conscience écolo a ce prix la.

Je suis un peu hors sujet car je ne parle pas de competition, mais je voulais souligner le revirement de situation constaté chez GM, et faire le parallèle industrie/compétition.

Sur la F1 Renault, les deux moteurs ont ils une utilité différente?

Extrait de
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LE MOTEUR V6 A COMBUSTION INTERNE

En bref
L’abréviation V6 désigne un moteur à combustion interne dont les deux bancs de 3 cylindres forment un « V » et sont reliés à un même vilebrequin. Le V6 Renault Energy F1 a une cylindrée de 1,6 litre et délivre 600 chevaux, soit plus de trois fois la puissance d’une Clio RS.
Le défi
Contrairement à ce que l’on pourrait imaginer, le V6 n’est pas la partie du propulseur la plus simple à concevoir. 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, soit 200 fois la pression ambiante.
À surveiller
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 D’ESSENCE
En bref
Les propulseurs doivent être alimentés par 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.
À surveiller
Il est toujours possible de couper l’injection sur un ou plusieurs cylindres pour améliorer le rendement et la réactivité du moteur dans les virages.

LE TURBOCOMPRESSEUR
En bref
Un turbocompresseur profite de l’énergie libérée par les gaz d’échappement pour augmenter la densité de l’air entrant dans le moteur et produire ainsi plus de puissance. 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. Une 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 (voir ci-dessous).
Le défi
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 dans les gaz d’échappements est transmise au MGU-H et convertie en énergie électrique. Cette dernière est ensuite stockée et peut être à nouveau utilisée pour empêcher le turbo de trop ralentir lors d’une phase de freinage.
À surveiller
La vitesse du turbo doit impérativement varier en fonction des besoins du moteur. Par conséquent, un retard peut survenir dans l’établissement du couple, appelé « 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
En bref
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 (voir ci-dessous). Une wastegate est toutefois requise pour garder le contrôle en toute circonstance (transitoires rapides ou désactivation du MGU-H, par exemple)
Le défi
La wastegate est reliée au turbocompresseur mais dans un environnement très encombré, ce qui rend l’intégration de cet accessoire compliquée. 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.
À surveiller
Dans un avion, certaines pièces sont classées comme critiques en cas de panne. Par analogie, la wastegate bénéficie du même statut : en cas de problème, les conséquences peuvent être graves.

LE MGU-K
En bref
Le 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 défi
En 2013 une panne de KERS entraînait une perte de 3/10e de seconde par tour sur à peu près la moitié des circuits du calendrier. En 2014, une panne du MGU-K se révélera beaucoup plus pénalisante, la monoplace n’étant alors propulsée que par le moteur à combustion interne, ce qui la mettrait, dans les faits, hors course.
À surveiller
La comportement thermique du MGU-K sera un sujet « brûlant » cette saison : le système dégage en effet trois fois plus de chaleur que le KERS du V8 !

LE MGU-H
En bref
Le 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).
Le défi
Le MGU-H produit un courant alternatif alors que la batterie fonctionne en courant continu. Un transformateur très sophistiqué est donc requis pour assurer le bon fonctionnement de l’ensemble.
À surveiller
Les vitesses de rotation très élevées sont un casse-tête puisque le MGU-H est directement accouplé au turbocompresseur qui atteint jusqu’à 100000tr/min.

LA BATTERIE
En bref
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.
Le défi
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.
À surveiller
Les forces électromagnétiques peuvent avoir un impact sur la précision des capteurs, particulièrement sensibles. Équilibrer ces forces revient à tenter de construire un château de cartes en pleine tempête : une opération risquée et délicate.

L’ECHANGEUR
En bref
L’échangeur sert à refroidir l’air qui entre dans le moteur après avoir été comprimé par le turbo.
Le défi
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.
À surveiller
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. La réussite de cette entreprise est un facteur de performance majeur.

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La question a été ouverte sur le Mans, mais la config F1 est plus simple, commençons par elle.

Un rappel historique des moteurs F1 :
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la théorie :
Une voiture de course sur circuit a un profil de vitesse très haché par les virages ; sur un tour, les freinages sont très nombreux et représentent environ 40% de l’énergie qui est dissipée (gâchée, perdue) en chaleur. Comme en physique la puissance est le produit de la force par la vitesse, quand on accelere, il faut fournir de la puissance positive, mais théoriquement, au freinage, on peut en creer, pour la stocker et la ré-utiliser comme boost à l'accélération.

la technologie :
Le problème technologique est de trouver le moyen concret de faire tout cela avec des systèmes compacts, légers et à bon rendement. De nombreuses solutions ont été essayées depuis un siècle ! La Loehner-Porsche "la toujours contente Semper Vivus " de 1901 hybride série sur le principe exposé plus haut par MarcoLeMotard de sa GM-Volt-Opel Ampera :
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On peut stocker l'énergie en électrochimie (batterie,...),  mécanique (volant d'inertie), fluidique (huile ou air, etc)...

Le Kers ( SREC Système de récupération d'énergie cinétique en français) existe en F1 depuis 2009 branché sur la boite de vitesses (roues arrière) avec les limites 40 kW (moins de 10% du total) et 400 kJ : il y a eu des produits Magneti Marelli, MTS, Torotrack et des principes de stockages à batterie, à volant d'inertie via un CVT et à supercondensateurs.

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Le KERS en volant d'inertie via un Continuous Variable Transmission CVT :
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Mais ce sont plutôt les batteries qui ont gagné.

Pour 2014, considérant qu'une conso de 60l/100 km n'était plus trop acceptable, la FIA a changé les règles du jeu : la capacité de stockage de l’énergie a été quadruplée, le nb de cylindre du thermique réduit à V6, la quantité d'essence (100 kg) et le débit max (100 kg/h soit -35%) réduite, bref la révolution.

Les générations précédentes n'étaient pas mal en technologie (moins de 10 kg pour le système complet avec moteur électrique 40 kW) mais la c'est une autre planète : le 160 cv Electrique dénommée poétiquement MGU-K en 2014 tourne à ....50.000 t/min, et le 2eme moteur branché sur le turbo MGU-H à 1000.000 t/min !  .

Un descriptif correct du fonctionnement 2014 est ici :
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Une interview d'Axel Plasse chef du projet Renault V6.
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Après avoir été très en retard sur le développement (relativement à Mercedes) et donc un début de championnat 2014 catastrophique, Renault revient bien dans la course (podium).
Mais avec la nouvelle réglementation, pour l'instant les chronos ont été dégradés un peu plus que prévu ; mais la pente de la courbe va remonter vite... comme souvent pour les nouvelles technos.

Un grand merci pour ces très bons articles  , une réflexion : c'est bien compliqué tout ce binz, et si en F1 l'efficacité parait évidente en raison des énormes phases transitoires ( accélérations et freinages fréquents et très violents), qu'en sera t-il sur les véhicules de tous les jours qui se traînent lamentablement sans accélérer ni freiner fortement: une récupération d'énergie minimale, voir nulle pour la plupart. Laissons de côté pour l'instant le coût de tout ce matériel annexe. C'est pour se donner bonne conscience que la réglementation F1 en arrive là?
A+ Dan

L' image que la F1 a voulu se donner n' est pas destiner sur le futur de tout le monde utilisateur , mais seulement envers les écologistes , ils sont devenus moins gloutons en carburant , mais personnes ne parle pas trop des 200 000 spectateurs qui traversent des continents pour assumer son plaisir et ils ont raison , il y tellement de gaspillage de carburant pour des raisons futiles , pourquoi se priver d' un plaisir annuel souvent .

Je suis surpris de lire dans le petit manuel de vulgarisation de Renault que le turbo compresseur est entraîné par l'énergie thermique des gaz d'échappement. J'ai toujours cru que c'était le flux de gaz qui entraînait les pales du turbo, et non la température des gaz.
Parle t-on d'énergie thermique dans ce cas, ou d'énergie cinétique ?

Et le solex hybride à deux roues motrices, vous connaissez ? Moteur thermique à l'avant et électrique à l'arrière, c'est ça l'avenir   
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pas mal le solex hybride   

F1 2014 explained in english

Dan42 a écrit:

... qu'en sera t-il sur les véhicules de tous les jours qui se traînent lamentablement sans accélérer ni freiner fortement: une récupération d'énergie minimale, voir nulle pour la plupart

Et pourtant Renault travaille activement sur l'application "civile" de ce système.

patouille a écrit:

Et le solex hybride à deux roues motrices, vous connaissez ? Moteur thermique à l'avant et électrique à l'arrière, c'est ça l'avenir   
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Excellent, on pourrait avoir d'autres images (si possible)?

yves kerlo a écrit:

Excellent, on pourrait avoir d'autres images (si possible)?

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C'est un solex d'un équipage allemand (deutsche Qualität) qui avait participé aux 24h de Chaumont en 2013, la finition est excellente sur cette machine et chose inhabituelle, le moteur thermique est un 4T...

je "délocalise" vers le bon topic, car on aperçoit juste à côté un truc pas habituel

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La transposition à la série auto et également moto est un vaste sujet que l'on ne traitera pas ici.

Pour le Mans, le système est réglementairement plus libre que la F1 et différents principes sont utilisés par les différents constructeurs.

Porsche utilise un seul moteur à l'avant et le stockage est fait dans des batteries de chez 123.
La voiture est donc en intermittent (à la relance) 4 roues motrices.
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extrait de Motorauthority : [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]

While Audi uses a 4.0-liter V-6 turbodiesel engine in its prototype, and Porsche a turbocharged 2.0-liter V-4, Toyota is sticking with a good ol’ V-8 naturally aspirated to the tune of 513 horsepower. The engine works in conjunction with electric motor-generators at both axles that add an extra 473 horsepower, bringing the TS040’s maximum output to an incredible 986 horsepower.

The new powertrain has been developed in line with revised WEC technical regulations, which put an emphasis on fuel economy: teams are limited by the flow of fuel rather than the output of the powertrain or the efficiency of the aerodynamics. This makes the competition amongst engineers more interesting and presents teams with completely new challenges--now, the most efficient powertrain will be the most competitive.

For the TS040, the new regulations have allowed engineers to make a major increase in power delivered by the hybrid system, using a new motor-generator on the front axle in addition to the unit at the rear. Under deceleration, these motor-generators apply braking force in combination with the traditional mechanical brakes to harvest energy, which is then transferred via an inverter to a super-capacitor. When the car accelerates, the motor-generators reverse their function, delivering a power boost to all four wheels.



Donc Toyota : 4 roues motrices, deux moteurs électriques et des supercapacités !

Extrait de Race car engineering

Audi has taken a brave decision not to compete with two Energy Recovery Systems and instead to run a single system, linked to the front axle, from which to charge up the flywheel storage system.
It is a strange choice given that Audi has worked hard to get to the full 0.5MJ release permitted by the regulations in 2012/2013, which equates to 4MJ/lap at Le Mans. Now, the limit is 8MJ and it seems likely that Toyota and Porsche will take the penalty applied to fuel consumption and run in the top class.

Donc Audi R18, 4 roues motrices, un seul KERS sur le train avant et stockage par volant d'inertie, un flou sur la catégorie.
Il y a en plus comme en F1 un moteur Electrique sur le turbo qui fait de la récuperation, et peut être aussi de la réduction du temps de réponse.

Pour ceux que ça intéresse, en direct maintenant sur Eurosport, de 22 heures jusqu'à minuit, les premiers essais chronos des 24 heures du Mans, dominées par les Hybrides.

Beaucoup de caméras embarquées, assez impressionnant avec les dépassements de voitures moins rapides, avec la chasse à la pôle la dernière demie heure...de nuit!

Jarno a écrit:

Je suis surpris de lire dans le petit manuel de vulgarisation de Renault que le turbo compresseur est entraîné par l'énergie thermique des gaz d'échappement. J'ai toujours cru que c'était le flux de gaz qui entraînait les pales du turbo, et non la température des gaz.o
Parle t-on d'énergie thermique dans ce cas, ou d'énergie cinétique ?

Effectivement c'est la même chose : les gaz filent vite car très chauffés.

En conséquence de la récupération d'énergie au freinage, les freins à des F1 sont à commande électronique,  et avant et arrière au Mans.

Dans les deux cas, une partie du job est de choisir le meilleur moment pour injecter le boost électrique.

En regardant les essais provisoires des 24h du Mans, on peut dire que les hybrides (eux) ont vraiment gagné la bataille de la performance, c'est à dire vont simplement plus vite !   

Je me trompe peut-être mais j'ai l'impression que, à ces 24 Heures du Mans auto, c'est la première fois que thermique et électrique sont utilisés de façon à faire mieux à deux que seuls.

En tout cas, la complexité technique est impressionnante et le niveau de performances aussi. Reste que le job du pilote s'en trouve un peu transformé car il a plein de choses à faire pour que cela soit efficace (les interviews des pilotes en attestent). Des choses autres que trajecter, accélérer et freiner.
Il est probable que bientôt beaucoup de ces "choses" seront auto-pilotées (sans jeu de mots).

J'aimerais bien être un de ces pilotes, ce doit être passionnant d'expérimenter tout çà! J'avoue que je suis excité à l'idée que cela vienne à la moto un jour prochain.

NB : Je dis cela en dehors du débat "pour ou contre ceci ou cela".

GrahamB a écrit:

Jarno a écrit:

Je suis surpris de lire dans le petit manuel de vulgarisation de Renault que le turbo compresseur est entraîné par l'énergie thermique des gaz d'échappement. J'ai toujours cru que c'était le flux de gaz qui entraînait les pales du turbo, et non la température des gaz.o
Parle t-on d'énergie thermique dans ce cas, ou d'énergie cinétique ?

Effectivement c'est la même chose : les gaz filent vite car très chauffés.

Ne filent-ils pas si vite dans l'échappement parce qu'ils ont été chassés de la chambre de combustion, après explosion, par la remontée du piston, plutôt que du fait de leur chaleur ?