Pendant un arrêt au stand, le plein de carburant se fait sous pression avec un débit de 12 litres environ par seconde (9 kg de carburant par seconde).

Le rendement simplifié d’un moteur s’écrit de la façon suivante :

ηmot = Pmeca / Pcarb

ηmot : rendement du moteur (≈ 25%, pour un moteur essence)

Pmeca : puissance mécanique obtenue sur le vilebrequin

Pcarb : puissance obtenue par la combustion du carburant

Le carburant utilisée en F1 doit présenter des propriétés physiques qui permettent la pulvérisation dans l’air (par le biais des injecteurs) et favorisent la vaporisation avant d’être introduit dans la chambre de combustion.

Cet article détaille les propriétés physiques essentielles à un carburant pour une meilleure combustion, et donc un meilleur rendement du moteur.

La densité :

C’est le rapport entre une masse homogène et la masse du même volume d’eau pure.

L’essence doit présenter la plus faible variation de densité. Le système d’injection débitant un volume précis de carburant, la densité influe directement sur le débit massique de carburant et donc sur le dosage.

Rappelons que le dosage s’exprime par la formule suivante :

d = M carb / M air

Avec d : dosage ;

M carb : masse de carburant (kg) ;

M air: Masse d’air (kg)

Il en découle la formule de la richesse :

R = d / d°

Avec R : richesse ;

d : dosage ;

d°: dosage stœchiométrique ( masse d’air nécessaire à la combustion totale d’un gramme de carburant )

Par exemple, une variation de 5% de la densité peut occasionner une variation de richesse de 0.95 à 1.

Par ailleurs la température influe sur la densité du carburant. La variation de la masse volumique avec la température s’exprime de cette façon.

ρ t = ρ15 – k x ( t-15 )

Où : t : température en °C

ρ t et ρ15 : masse volumiques à la température t et à 15°C

k : coefficient de l’ordre de 0.00085

Donc pour une évolution de température de 15°C à 25°C, on obtient une diminution de la masse volumique de 0.008 soit moins de 1%.

La variation est faible mais cela devient intéressant lors des grands prix exotiques (Malaisie, Barhein, Hongrie…) où la température ambiante avoisine les 35 – 40 °C.

Cette variation est prise en compte lors du stockage et de la distribution aux équipes.

La volatilité :

Elle caractérise l’aptitude d’un carburant à passer de l’état liquide à l’état vapeur.

Ainsi chaque type d’essence est représenté sur une courbe retraçant l’évolution de l’évaporation en fonction de la température. On l’appelle la Courbe de Distillation

Par exemple pour le méthanol, carburant utilisé dans les catégories ChampCar et Indy Car, la vaporisation s’effectue à 64,7°C.

Un carburant peu volatile lors d’un fonctionnement en pleine course peut engendrer des tampons de vapeur (zones gazeuse dans les conduites du système d’injection) et occasionner des trous en pleine accélération.

Chaleur latente de vaporisation :

C’est la quantité de chaleur à apporter pour vaporiser un liquide quand il est à sa température de saturation

La saturation est l’état physique, à une pression et température donnée ou l’on ne distingue plus l’état gazeux et liquide du carburant.

Résistance à l’auto inflammation :

Les moteurs de F1 étant des moteurs 4 temps à allumage commandé, la combustion du mélange air-essence doit s’initialiser à l’aide d’une étincelle. Il y a donc propagation d’un front de flamme. Et pour des raisons évidentes de performances, le carburant ne doit pas s’enflammer lui-même sous l’effet de la pression exercée par la course ascendante du piston.

Le carburant doit présenter une forte résistance à l’auto-allumage. Ce qui est exactement l’inverse pour un moteur diesel.

Si l’on considère la puissance d’un moteur :

Pmot = ηglobal * Qcarb * PCI

Avec :

ηglobal = ηcombustion * ηthermodynamique * η mécanique moteur

Et : ηthermodynamique = 1 – (1/ε^γ-1) * (f1/f2)

ε : rapport volumétrique ;

γ : exposant polytropique ;

f1/f2 : facteur de forme du cycle

On en déduit que pour augmenter la puissance Pmot, il faut augmenter le rendement ηglobal,

C’est à dire augmenter le rendement ηthermodynamique.

Ce qui revient finalement à augmenter le rapport volumétrique.

En contrepartie, il ne faut pas dépasser le rapport volumétrique critique car on risque d’exposer le moteur au phénomène de cliquetis (vibrations haute fréquence dues à la propagation de plusieurs fronts de flamme dans le cylindre), qui est la conséquence de l’auto-inflammation du mélange air carburant.

Cliquetis / Délai d’auto inflammation :

Le délai d’auto inflammation est l’intervalle de temps θ entre le moment où le carburant est placé dans les conditions de température et de pression propices à l’auto inflammation et l’instant où apparaît le phénomène.

L’expression de l’intervalle de temps θ est :

θ = A * p^-n * exp(B/T)

Avec : A, B, n coefficients numériques caractérisant le comportement du carburant

(A influence de la richesse, B sensibilité à la température, n sensibilité a la pression)

T (°K) température thermodynamique

P (bar) pression

De cette expression on en déduit que le délai d’auto inflammation diminue quand p et T augmentent.

Plusieurs facteurs ont une influence sur cette auto-inflammation:

Dans le cas d’un taux de compression trop important, la pression et la température au point mort haut peuvent atteindre des valeurs limites (cf. ci-dessus). En effet, les gaz frais comprimés lors de la combustion peuvent atteindre la température d’auto-allumage. La pression augmente encore et peut dépasser les limites fixées par le constructeur. On peut alors assister à des ruptures du cylindre.

• L’avance à l’allumage a également un effet sur le cliquetis. La compression et la combustion sont deux facteurs qui provoquent une augmentation de la pression.
• La forme de la chambre permet également de limiter l’apparition du cliquetis. Suivant la place de la bougie et des soupapes, les gaz frais sont plus ou moins chauffés.
• Il est également possible de jouer sur le refroidissement du piston pour éviter le cliquetis.
• L’augmentation de la turbulence au sein du piston provoque une augmentation du taux de combustion, ce qui limite les points de surpression dans les gaz frais.
• Un facteur très important de l’apparition du cliquetis est la limite d’auto-inflammation du carburant. C’est l’indice d’octane qui permet de quantifier cela. Plus le carburant contient d’octane, moins il a de chance de subir une auto-inflammation lors de la combustion.
• Le cliquetis est un phénomène extrêmement important dans les moteurs. Il est un facteur limitant pour le motoriste. En effet, pour un moteur donné, le taux de compression ne peut être augmenté indéfiniment. A partir d’un certain taux limite, le cliquetis apparaît.

Le Cliquetis :

La combustion du mélange commence normalement après l’étincelle (1).

Le front de flamme se propage et son souffle repousse une partie du mélange contre les parois du cylindre et le sommet du piston. L’élévation de pression et de température devient tellement importante que le combustible coincé contre les parois atteint son point d’auto-allumage et s’auto enflamme à plusieurs endroits (2).

Les micros explosions qui en résultent produisent des vibrations dans le domaine acoustique (de l’ordre de 5 à 10 KHz). (3)

Elles sont très vives et peuvent rapidement créer des points chauds qui accentueront encore plus le problème.

En résumé, pour éviter le cliquetis, il faut laisser le temps à la déflagration de se propager, c’est-à-dire que la durée de propagation de la déflagration doit être inférieure au délai d’auto-inflammation

L’indice d’octane :

L’indice d’Octane d’une essence est sa capacité, en mélange avec l’air, à supporter une compression sans entraîner une auto-inflammation, donc sa résistance à l’auto inflammation. Il ne s’agit pas d’une grandeur physique.

Le taux de compression détermine le rendement du moteur : c’est le rapport entre le volume du cylindre lorsque le piston a été repoussé vers le bas par la détente des gaz, et le volume lorsque le piston est en haut du cylindre. Plus le taux de compression du moteur est élevé, plus celui-ci est performant. Toutefois, le phénomène de cliquetis ou autoallumage du carburant limite le taux de compression, et sa manifestation peut fortement endommager les différents éléments du moteur. Une solution consiste à augmenter l’indice d’octane du carburant.

L’indice d’octane est déterminé par la composition du mélange d’un produit détonant, le n-heptane (indice 0), et d’isooctane, très résistant à la détonation (indice 100). Un carburant d’indice 95 a le même comportement qu’un mélange à 95 p. 100 d’isooctane et 5 p. 100 de n-heptane. Pour accroître l’indice d’octane d’un carburant, on peut utiliser, dans le supercarburant plombé, du plomb tétraméthyl ou du plomb tétraéthyl. Pour les supercarburants sans plomb, on utilise des composés organiques, comme le méthyl tertiobutyl éther.

Un supercarburant est caractérisé par l’indice d’octane recherche (RON), mesuré dans des conditions de vitesse et d’accélération faibles, et l’indice d’octane moteur (MON), déterminé dans des conditions d’essais plus sévères.

Voici un extrait du cahier des charges concernant le carburant en Formule 1 :

19.3) Propriétés : Le seul carburant autorisé est l’essence possédant les caractéristiques suivantes :

Caractéristiques de distillation :

Article écrit et rédigé par YannL.

Pour comprendre comment les motoristes ont réussi à atteindre un tel niveau de performance, partons d’une formule de base connue de tous:

 En F1 les motoristes cherchent avant tout de la puissance (n’oublions pas que les paramètres comme la consommation ou la plage de fonctionnement restent importants). Pour ce faire ils n’avaient donc que deux possibilités. La première c’est l’augmentation du couple. Celui-ci étant directement fonction du remplissage il fallait trouver un moyen pour l’augmenter. Ce fut chose faite avec l’arrivée du turbocompresseur en F1 grâce à Renault. Avec des pressions à l’admission dépassant les 4 bars absolus il était “aisé” de dépasser les 1000ch. Avec la fin du turbo en F1 et les moteurs atmosphériques les ingénieurs se tournèrent vers la seconde solution: l’augmentation du régime. Cette seconde solution est loin d’être la plus simple et nous allons voir pourquoi tout au long de cet article.
I- PERMEABILITE

Nous allons maintenant découvrir ce qu’on appelle la perméabilité et pourquoi elle est fondamentale sur un moteur atmosphérique haute performance. Avant de voir qu’est ce que la perméabilité à proprement dit, revenons sur le remplissage. Le taux remplissage s’écrit:

 C’est le rapport de la masse de mélange effectivement introduite dans le cylindre (mréel) sur la masse de mélange correspondant à la Cylindrée unitaire dans des conditions normales de températures et de pression (mthéorique). En fonctionnement le taux de remplissage est généralement inférieur à 1. Ceci est du aux pertes de charges générées par le filtre à air, le conduit en lui-même, les soupapes mais aussi et surtout le papillon d’admission. C’est justement en faisant varier le remplissage par l’intermédiaire des pertes de charges générées par le papillon d’admission que l’on régule la puissance demandée (en agissant sur le remplissage). Le taux de remplissage peut toutefois être supérieur à 1 à des régimes bien précis grâce aux phénomènes d’ondes à l’admission (voir article “Suralimentation naturelle”). Ainsi un moteur délivre sa puissance maxi à pleine charge, c’est-à-dire à pleine ouverture papillon. Les pertes de charges sont alors réduites à leur minimum et la pression d’admission est égale à la pression atmosphérique, d’où l’appellation.
Voyons donc maintenant comment décrire le phénomène de pertes de charge à l’admission.

Pour mettre en évidence les pertes de charges à l’admission de façon mathématique une simple formule de Bernoulli suffit. Ecrivons celle-ci entre l’air libre et la chapelle de soupape, respectivement les points “Ext” et “Ch”:

On simplifie l’expression:

La pression extérieure étant égale à la pression atmosphérique on peut écrire:

Etudions maintenant le phénomène entre la chapelle de soupape et l’intérieur du cylindre en utilisant l’équation de continuité du débit massique entre le conduit et le cylindre:

 En simplifiant la vitesse instantanée du piston à sa vitesse moyenne qui s’écrit:

Avec  la vitesse moyenne du piston en m/s, C la course en mm et N le régime moteur en tr/min.

Si on remplace l’expression de la vitesse du piston dans la formule précédente on obtient:

On remplace l’écriture de la vitesse de l’air à l’admission dans l’équation de la perte de charge:

On pose: 

On obtient:

Cette expression porte une problématique aussi simple à mettre en évidence que complexe à résoudre. En effet on voit que les pertes de charges sont proportionnelles au carré du régime! Ainsi plus on va chercher à tourner vite pour aller chercher de la puissance et plus il sera difficile de remplir le cylindre et donc de garder un couple permettant de tirer profit de l’augmentation de régime. On retrouve ici notre point de départ qui était l’équation:

Les ingénieurs motoristes n’avaient dés lors qu’à se pencher sur leurs tables à dessins pour réduire au maximum les pertes de charges à l’admission afin de pouvoir aller chercher la puissance maximale.
Les solutions n’ont rien de révolutionnaire, mais comme souvent en F1 elles vont aller chercher l’extrême limite en terme de conception. Les conduits sont ultra courts et quasiment droits afin de réduire respectivement les pertes de charges linéaires et singulières. Les conduits sont oblong et non plus rond afin d’augmenter au maximum la section de passage. Un travail important est réalisé sur les papillons qui même en pleine ouverture génèrent une perte, qui aussi faible soit elle, n’en reste pas moins une perte. Toyota a d’ailleurs développé des papillons constitués d’éléments de parois de conduits mobiles! A pleine ouverture rien ne dépasse. Malheureusement impossible d’avoir des images, quoique les moteurs visibles par exemples au Salon de l’auto de Paris ne cachent pas ces détails.

II- MESURE DE PERMEABILITE
On sait maintenant ce qu’est le remplissage au sens large du terme mais voyons maintenant qu’est ce que la perméabilité. C’est tout simplement la capacité du moteur à laisser s’écouler facilement les gaz à travers le système d’admission. Plus une culasse est perméable et plus les gaz s’écoulent facilement, ce qui implique que les pertes de charges sont faibles.

La perméabilité définit en quelque sorte la qualité aérodynamique d’une culasse. Ainsi mesurer la perméabilité consiste tout simplement à mesurer les pertes de charges dans celle-ci pour différentes levées de soupapes.

Img 1: Banc de mesure aérodynamique pour culasse

Le banc ci-dessus permet de mesurer la perméabilité et de quantifier les améliorations liées par exemple à la modification du dessin de la tulipe de soupape ou des conduits. Ce banc est tout simplement une soufflerie dédiée à l’étude des conduits d’admission mais aussi d’échappement.

On peut également faire ces mesures de façon numérique en utilisant des logiciels de calcul tel Fluent ou Star CD. Toutefois la qualité des résultats n’est pas suffisante pour s’en contenter, la mesure directe sur banc reste plus que jamais d’actualité.

Img 2: Etude de l’écoulement des gaz sur un moteur conçu pour la course Marathon Shell (Etude réalisée au centre de calcul de l’ENI de Metz)

Regardons maintenant dans le détail quelle forme prend la section de passage de gaz à la soupape. Elle prend la forme d’une portion de cône. Bien évidemment ses dimensions changent avec la levée de soupape mais on peut facilement calculer la section de passage théorique.

Img 3: Forme prise par la section de passage minimale des gaz

Img 4: Détail de la section de passage des gaz

Grâce au banc de mesure présenté précédemment on peut recalculer une section débitante réelle. Cette section dite réelle prend bien évidemment en compte les phénomènes de pertes de charge. On calcule ensuite une section débitante théorique à partir des données géométriques. On finit par tracer des courbes qui présentent l’évolution de la section débitante réelle en fonction de la levée de soupape. Voici la comparaison des courbes théoriques et pratiques:

Graph 1: Evolution de la section débitante des gaz en fonction de la levée de soupape

On voit que la courbe théorique se décompose en deux parties. Logiquement plus la soupape décolle de son siège et plus la section de passage des gaz augmente et ce de façon linéaire, c’est la première partie. La section débitante atteint alors un maximum au delà du quel l’augmentation de la levée de soupape n’a plus d’effet sur la section débitante. C’est tout simplement le conduit et les pertes générés dans celui-ci qui définissent cette limite.

La première partie de la courbe est donc liée à la section de passage au niveau du siège de la soupape alors que la seconde partie est liée au conduit d’admission en lui même. On peut ainsi définir un coefficient de perméabilité du siège de soupape et un autre coefficient pour la perméabilité du conduit.

Graph 2: Evolution des deux coefficients en fonction de la levée de soupape

Grâce à une telle étude on peut non seulement mesurer mais aussi quantifier l’amélioration des performances inhérentes à une modification sur le conduit ou la soupape. Ce qui permet également de savoir quel point est pénalisant pour les performances et donc de le retravailler.

Mais revenons maintenant au moteur de F1. On l’a dit au début de cet article, pour obtenir des puissances au litre aussi importantes sur un moteur atmosphérique il était nécessaire d’augmenter le régime de fonctionnement. Mais l’augmentation de puissance n’est possible que si en plus de l’augmentation du régime on réussit à garder un certain niveau de couple. On l’a dit le couple est l’image du remplissage! Et si on reprend la formule de base des pertes de charges:

Avec j les pertes, λ le coefficient de perte de charges, ρ la masse volumique du fluide et V la vitesse du fluide.

On rappelle que les pertes de charges augmentent avec le carré de la vitesse d’écoulement! C’est pour cela que la perméabilité et donc le remplissage constituent un problème critique sur un moteur de F1.

Nous verrons dans la seconde partie de cet article comment on tire partie de ce travail sur la perméabilité au niveau de la conception des lois de levées de soupapes qui régissent en très grande partie les performances d’un moteur.
 

Pour être accessible au plus grand nombre de lecteurs, de nombreux points sont simplifiés ou passés sous silence. La démonstration est simple, voir simpliste pour les plus aguerris.

©Filipe MARINHO

La puissance d’un moteur au sens thermodynamique peut s’écrire sous la forme (en prenant pas en compte les rendements) :

On voit donc d’après cette formule que pour augmenter la puissance d’un moteur on ne peut qu’augmenter le débit de combustible, le PCI du combustible étant invariable. Pour augmenter le débit à un régime donné il faut donc trouver le moyen d’introduire plus de combustible, par conséquent plus de mélange dans un cylindre d’un volume donné.

On aborde maintenant la notion de taux de remplissage. Le taux de remplissage τ correspond au rapport de la masse demélange réellement introduite dans le cylindre Me sur la masse de mélange correspondant au volume du cylindre dans des conditions de pression et de température ambiante Mth.

Si on reprend la loi des gaz parfaits:

Cette formule montre que pour augmenter la masse d’air d’un volume il faut augmenter la pression ou diminuer la température.

Revenons maintenant aux moteurs. Si on part du principe que le dessin interne de la culasse a été optimisé au maximum afin de limiter les pertes de charges et que l’épure de distribution est elle aussi optimisée au maximum il suffit d’augmenter la pression de l’air à l’admission. C’est de ce constat qu’est venue l’idée de la suralimentation par compresseur mécanique ou turbocompresseur.

Lancé par Renault en F1, la turbosuralimentation permettait à des moteurs de 1,5l de cylindrée d’atteindre près de 1230ch. La pression de suralimentation dépassait alors les 4 bars. A cela on ajoutait des échangeurs qui permettaient de limiter la baisse de densité provoquée par la hausse de température inhérente à sa compression.

Plus tard la suralimentation fut interdite en F1 et le retour aux moteurs atmosphériques obligea les ingénieurs motoristes à trouver de nouvelles solutions pour améliorer le remplissage des moteurs.

A l’admission l’écoulement est instationnaire. Il en résulte des phénomènes de vibration de la colonne gazeuse dans le conduit d’admission qui influe grandement sur le remplissage. La vibration est caractérisée par la propagation d’une onde de pression dans le conduit d’admission. Une onde de pression étant purement et simplement un son, c’est pour cela qu’on parle de suralimentation acoustique.

Voici deux méthodes qui permettent de tirer avantage de ce phénomène vibratoire.

LA VIBRATION QUART D’ONDE

Les gaz ayant une inertie, l’ouverture et la fermeture répétée de la soupape d’admission ont pour effet de mettre en vibration la colonne gazeuse. Voici le détail de ce phénomène:

Plaçons nous en fin du cycle d’admission. La colonne gazeuse est en vitesse lorsque la soupape d’admission se referme violemment. Il y a dés lors l’apparition d’un phénomène de compression au niveau de la chapelle de soupape, qui engendre à son tour la formation d’une onde de pression qui remonte le conduit.

L’onde de pression arrive à l’extrémité du conduit et se transforme en onde de dépression qui redescend vers la soupape.

L’onde se réfléchit sur la soupape et repart vers l’extrémité libre.

L’onde de dépression arrivée à l’extrémité du conduit se transforme en une onde de pression qui redescend vers la soupape. C’est à ce moment qu’il serait intéressant d’ouvrir la soupape d’admission pour profiter de la grande différence de pression et ainsi améliorer le remplissage.

La CAO n’est pas récente en F1, la simulation numérique l’est elle un peu plus. Ces outils permettent d’optimiser les “performances” des pièces, de réduire leurs temps de développement et bien sûr de réduire les coûts.

Les logiciels de calcul de structures sont les plus répandus et les plus utilisés. Ils sont utilisés pour dimensionner et optimiser les pièces mécaniques. Très concrètement, dimensionner consiste à vérifier (par calcul) que la pièce dessinée ne va pas casser en fonctionnement. Optimiser, c’est améliorer des caractéristiques mécaniques de la pièce qui semblent s’opposer. En F1 c’est bien souvent rendre une pièce la plus résistante possible tout en étant la plus légère possible. Certains vont se demander “comment peut on rendre une pièce plus résistante tout en enlevant de la matière !”. C’est là tout l’art des ingénieurs ! La résistance d’une pièce n’est pas définie par la quantité de matière qui la compose mais par la répartition dans l’espace de celle-ci.

Prenons un exemple simple. Imaginons que vous devez optimiser le quotient masse/résistance d’une pièce travaillant en flexion pure. La solution la plus simple est de modifier la section de votre pièce pour que cette section ait un moment quadratique le plus important possible. Ca, c’est le cas le plus simple que l’on puisse rencontrer.

La flèche s d’une poutre en flexion pure s’écrit :

Avec s la flèche, l la longueur de la poutre, F la force appliquée sur la poutre, E le module de Young et Ia le moment quadratique de la section.

Ainsi une poutre ayant une section en I est particulièrement adaptée à la flexion car elle a un quotient moment quadratique de section sur masse de structure très important.

Dimensionner une pièce est en théorie assez simple. En effet, il suffit que la contrainte maximale dans la pièce soit inférieure à la limite élastique du matériau qui la constitue. Malheureusement dans la pratique c’est loin d’être aussi simple.

Déterminer le champ de contrainte interne dans la pièce est la première difficulté rencontrée. Alors que pour une géométrie simple (poutre en flexion) la mécanique des milieux continus permet de faire ce calcul simplement, cela est impossible dans le cas des pièces complexes. De plus il faut prendre en compte la température de fonctionnement de la pièce mais aussi le phénomène de fatigue. C’est la qu’entrent en jeu les logiciels de calcul de structures.

Pour comprendre le fonctionnement de ces logiciels prennons un exemple :

D’abord on commence par créer sa pièce sur un logiciel de CAO classique.

La seconde étape est ce qu’on appelle le maillage de la pièce. C’est tout simplement une discrétisation de la pièce en milliers de petites pyramides.

La troisième étape est la mise en place des conditions aux limites. Elles décrivent les contraintes cinématiques, mécaniques et thermiques auxquelles est soumise la pièce.

La quatrième étape correspond tout simplement au calcul. En fonction du nombre d’éléments qui constituent le maillage (un élément = une pyramide) le calcul peut durer de quelques heures à plusieurs jours.

La dernière étape est l’analyse des résultats. Le programme donne une masse conséquente de données mais les plus importantes sont le champ de contraintes et de déformations. C’est à partir de toutes ces informations et de leur analyse que l’ingénieur va décider d’enlever de la matière à un endroit où elle n’est pas nécessaire et d’en rajouter là où ça l’est.

Ce type d’outils permet d’optimiser les pièces au maximum en multipliant les essais virtuellement. Bien évidement il n’est pas possible de reproduire tous les phénomènes entrant en jeu dans le fonctionnement d’une pièce. La simulation n’est donc pas suffisante pour dimensionner et valider une pièce il est donc nécessaire de réaliser des tests “grandeur nature”.

©Filipe MARINHO

    L’épure de distribution théorique est très simple, elle considère que les soupapes s’ouvrent et se ferment instantanément au PMB et au PMH, ce qui est physiquement impossible. Ci-dessous un graphique présentant la différence entre une loi de levée théorique et pratique.

     Voyons donc maintenant l’épure réelle.
La différence avec la théorie a deux origines:
- Impossibilité d’ouvrir une soupape instantanément (accélération infinie)
- L’inertie des gaz qui aux vitesses atteintes dans les conduits est loin d’être négligeable et qui induit des problèmes de remplissage.

 

 

     Si on décrit le cycle en partant du PMH au temps admission voilà ce que cela donne:

     RFA, Retard Fermeture Admission: phase admission, le piston descend et aspire les gaz frais jusqu’au PMB. Le piston remonte alors que les gaz, grâce à leur inertie, continue de s’engouffrer dans le cylindre. Pour améliorer au maximum le remplissage, on profite de ce phénomène pour fermer la soupape d’admission plus tard.

     AOE, Avance Ouverture Echappement: on le voit sur le diagramme PV, en fin de détente il existe une pression résiduelle dans le cylindre. Afin d’éviter une re-compression et de favoriser l’évacuation des gaz on ouvre la soupape d’échappement légèrement en avance.

     RFE, Retard Fermeture Echappement: comme en fin d’admission, les gaz s’échappent à haute vitesse du cylindre, on profite alors de leur inertie pour vidanger au mieux le cylindre.

     AOA, Avance Ouverture Admission: on le sait les gaz ont une inertie, la mise en mouvement est donc difficile et gênante. On profite de la proximité entre les soupapes d’échappement et d’admission, et par conséquent des gaz d’échappement qui sont refoulés, pour aider à la mise en mouvement de la colonne gazeuse à l’admission.
 On constate que durant un angle AOA+RFE les soupapes d’échappement et d’admission sont ouvertes simultanément. Cela favorise le remplissage dans certaines phases mais peut également être nuisible dans les bas régimes.
Dans son principe une épure de distribution d’un moteur classique est similaire à celui d’une voiture. Ce sont les valeurs utilisées qui sont fondamentalement différentes. En effet, vu les vitesses de rotation atteintes par un moteur de F1 il est nécessaire d’anticiper et donc d’augmenter tous les angles de réglages. Ainsi une épure de distribution de F1 est plus semblable à celle d’un moteur de moto capable d’atteindre des régimes de rotation très élevés (15000 tr/min).
 On peut conclure que le diagramme réel de distribution a pour principal objectif d’améliorer le remplissage. Ce qui est loin d’être évident car ce qui fonctionne bien à un régime N peut être totalement inadapté à un régime N1 (généralement les moteurs appelés à tourner vite ont un fonctionnement laborieux à bas régime!).

                                                                                                                      ©Filipe MARINHO

 

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Ces deux parties sont aujourd’hui des éléments majeurs de la sécurité d’un pilote. En effet, ils protègent efficacement contre les ruptures des cervicales, le premier lors de chocs frontaux, et le second sur des chocs latéraux ou arrières.

Le système Hans

Rendu obligatoire en F1 à partir de 2003, ce système existait déjà bien avant de l’autre côté de l’Atlantique. Ce système ayant fait ces preuves, on commence à voir son apparition en rallye et n’est devenu officiel dans cette discipline qu’au rallye du Monté Carlos 2005.

De plus, il sera obligatoire dans tous les championnats, coupes et trophées FIA à partir de 2008, et dans toutes les épreuves inscrites au calendrier de la FIA pour 2009.

Mais qu’est ce qu’exactement ce système ?

En anglais, Hans signifie Head And Neck Safety (sécurité de la tête et du cou).

Le but premier de ce système est de retenir la tête du pilote lors de chocs frontaux et d’éviter ainsi la rupture de cervicale (efficacité de 80 %). Contrairement aux idées reçues, le Hans n’est pas efficace lors des chocs latéraux (lisez attentivement l’ensemble de l’article et vous comprendrez pourquoi), c’est donc pourquoi la FIA avait mis en place l’appui-tête.

La tête du pilote pourrait aussi être retenue par des sangles fixé au châssis, l’efficacité serait la même avec sans doute un peu plus de confort pour celui-ci. Le seul problème (et pas des moindres), c’est qu’en cas de crash, l’extraction rapide du pilote serait rendu difficile, voire impossible. De ce fait, il est interdit par la FIA…

Description des éléments

Le Hans est réalisé entièrement en fibre de carbone et c’est un corps plein. Son poids oscille entre 500g et 650 g suivant les versions. Il existe en 3 tailles (S, L et M). Il y a aussi 4 types d’inclinaison de l’armature allant de 10° à 40°.Les faibles angles sont conçu pour les positions de conduite type « rallye » et donc les angles importants pour les positions « semi couchées ». En F1, on peut bien sûr trouver des Hans sur-mesure. Le prix de Hans « grand public » se situe entre 900 € et 1300 €.

Sangles du Hans : les sangles sont au nombre de deux et sont fixées de chaque coté du casque grâce à des clips.

Col du Hans : c’est la partie où sont fixées les deux sangles. Lorsque le casque est en position, le col du Hans se trouve derrière celui-ci.

Armature du Hans : c’est la partie qui vient reposer sur les épaules et la cage thoracique du pilote. Pour plus de confort, celle-ci est donc recouverte d’un corps « souple » (mousse et tissu)

Description du fonctionnement

Sur ce schéma, on peut aisément comprendre le fonctionnement du Hans. Lors d’un choc frontal, la tête avance et donc les sangles se tendent, empêchant ainsi une amplitude trop importante. On voit aussi qu’à 56 Km/h, la tension sur le cou est divisée par 5, évitant une élongation des muscles. Le déplacement de la tête est divisé par 2. Pour info, j’ai connu un pilote qui avait crashé sa monoplace (c’était avant l’instauration du Hans), sa tête avait touché le volant et le casque s’était fêlé.

Maintenant regardez la photo.

Le pilote n’a aucun problème pour tourner la tête, les sangles étant trop longues pour être tendues correctement. Lorsque la tête est projetée sur le côté, lors d’un choc latéral, on a non pas un mouvement de rotation, mais un mouvement de translation ; les sangles se tendent encore moins étant donné qu’elles ne sont pas sur leurs axes de travail. La preuve est que lorsque des « petits » pilotes montent dans une monoplace très puissante, leurs cous souffrent à cause de la force centrifuge et leurs têtes viennent taper sur l’appui tête. Les mécanos rajoutent donc des morceaux de mousse entre le châssis et le casque du pilote afin d’amortir le choc et augmenter ainsi son confort.

Mais, me diriez vous, certains pilotes se plaignirent de ne pouvoir incliner leurs têtes correctement dans les virages (ex : Barrichello) ?

Vrai, mais dans un virage, le pilote ne fait pas que l’incliner, il la tourne aussi.

Essayer chez vous. Regardez bien les points d’ancrage sur le casque de Mister Coulthard.

Maintenant tourner la tête seulement. Faites de même en l’inclinant uniquement.

Déjà vous pouvez voir que, s’il y avait des sangles, le fait de tourner la tête les tendraient beaucoup plus.

Recommencer maintenant en la tournant puis en l’inclinant. Le mouvement est encore accentué et à ce moment, les sangles risquent d’être en « fin de course ». C’est pourquoi seuls les pilotes qui ont la réputation d’incliner fortement la tête dans les virages, à l’image de Barrichello, furent gênés.

Les pilotes se sont aussi plains de d’autres problèmes avec ce système, notamment de confort. Il y a aussi eu le cas Justin Wilson, pilote Minardi, où le Hans mal positionné lui aurait paralysé temporairement le bras droit.

Dernier point sur le Hans.

Contrairement à ce que certains sites spécialisés disent, le Hans n’est pas maintenu au pilote par les sangles d’épaule (regardez bien la photo).

Les armatures du Hans sont simplement posées sur les épaules du pilote.

Ce système prend toute son efficacité seulement lorsque le pilote se retrouvent sanglé dans son baquet, le harnais passant SUR les armatures.

Le Hans n’est donc solidaire du pilote que grâce aux ceintures de sécurité. Si celles-ci sont détendues, le Hans ne sera pas efficace.

Détails techniques du Hans, cahier des charges FIA :

http://www.fia.com/resources/documents/1342748455__FIA_Stand_8858_2002_Hans.pdf

L’appui-tête de protection

Les appuis-tête de protection ont vu le jour notamment à cause (ou grâce) la mort de A. Senna.

Ceux-ci sont communément appelés « bête à corne » dans la profession. Chez les anglais, ils sont tout simplement appelles headrest (appui-tête).

Le mot « bête à corne » vient tout simplement du fait de la forme de celui-ci.

Description de l’élément

Sur la photo, on peut distinguer assez facilement la bête à corne étant donné qu’elle est un peu plus foncée que le reste de la monoplace.

Cet élément est constitué d’une mousse à moyenne/forte densité et d’une épaisseur de 75mm. De plus, elle est mise à l’intérieur de quelques couches de carbone (Il est interdit de recouvrir cette partie d’un quelconque matériau (seule la peinture est autorisée) afin de pouvoir déceler une possible fissure après un choc.

Comme toutes pièces de la machine, la bête à corne est étudiée pour avoir une bonne incidence sur l’aéro.

Description de son utilisation

L’appui tête peut s’enlever facilement de la voiture afin de pouvoir extraire le pilote avec son siège. En effet, seulement deux pions la maintiennent vers l’arrière et l’avant est fixé par deux clips.

En utilisation normale, celui-ci ne l’enlève ni pour s’installer dans son baquet, ni pour en sortir rapidement.

Toujours en position de conduite normale, la tête du pilote ne doit pas venir reposer sur la bête à corne. Il reste environ 5 cm de chaque coté du casque y compris sur l’arrière.

En cas de choc arrière ou latéral, on comprend aisément que le casque ne peut pas effectuer de grands déplacements sur le côté ou vers l’arrière. C’est aussi pourquoi je dis que le Hans n’est pas efficace sur les shoots latéraux.

Détails sur la bête à corne

Tout à l’heure, je vous ai parlé des morceaux de mousse que l’on rajoutait entre l’appui tête et le casque de certains pilotes qui montaient dans des catégories beaucoup plus puissantes. Bien sûr, ce procédé est une solution temporaire quand le pilote a vraiment du mal.

Pourquoi : Tout simplement parce que les 5 cm qu’il existe de part et d’autres du casque sont là pour assurer la sécurité du pilote lors d’une extraction, pour que les commissaires puissent saisir la bête à corne sans bouger la tête de celui-ci. Cette solution n’est donc pas tolérée par la FIA pour un long terme, c’est au pilote de faire le nécessaire pour remédier au problème (musculation de la nuque).

Norme FIA sur les matériaux de l’appui tête : http://www.fia.com/resources/documents/1480704192__FIA_Stand_Headrest.pdf

]]> http://www.f1-technologies.fr/securite/2006/11/le-systeme-hans.html/feed/ http://www.f1-technologies.fr/securite/2006/09/la-securite-des-circuits.html http://www.f1-technologies.fr/securite/2006/09/la-securite-des-circuits.html#comments Sun, 24 Sep 2006 11:31:14 +0000 Damien MOSTEIRO Sécurité Circuits http://www.f1-technologies.fr/securite/2006/09/la-securite-des-circuits.html Pourquoi la sécurité passe d’abord par celles des circuits?
Tonneau d’Heidfeld au départ du GP des USA 2006,
Tout droit de Rosberg aux essais de Valence en début d’année,
Crash d’Alonso au gp des USA 2004 suite à un problème de pneus.
Accident de Schumacher à Silverstone en 99.
Crash de Klien en Australie 2006.

Quelques uns des dispositifs de sécurité les plus importants sont disposés autours des circuits. Des grandes zones de dégagements aident à freiner les voitures lors d’une sortie de piste et des murs de pneus absorbent l’énergie cinétique lorsque ça tape. Ces deux éléments jouent un rôle majeur dans la sécurité du sport auto de haut niveau.
Bien que la sécurité sur les circuits a été nettement améliorée ces dernières années, les organisateurs refusent de s’en satisfaire pleinement. L’ingénieur Williams Franck DERNIE n’est pas le seul à demander que “le développement des circuits reste un objectif prioritaire de la Formule 1 pour le futur.”

Si la voiture sort de la piste suite à une erreur du pilote au point de freinage ou suite à une défaillance technique, les zones de dégagements agissent comme des freins de secours. Les bacs à graviers font 25 cm de profondeurs et les gravillons sont de formes sphériques d’un diamétre compris entre 5 et 16 mm.

Ceux ci sont conçu pour générer autant de résistance que possible - comme le sable déposé sur les plaques de verglas - et réduisent ainsi la vitesse de la voiture en perdition aussi rapidement qu’efficacement. Cependant il y a souvent un problème pratique avec ce concept : avec une garde au sol de seulement 50 mm et un dessous de caisse totalement lisse, la voiture a tendance à “glisser” sur le bac à gravier sans être suffisament freinée.

Il y a cependant un risque que la voiture se cabre et parte en tonneau. Pour cela, les bacs à graviers sont de plus en plus en train d’être remplacé par des bandes rugueuses. L’avantage est que le pilote peut parfois récupérer le contrôle de sa voiture en perdition. En plus si la voiture part en toupis, elle ne pourra pas se “planter” dans un sol meuble : un autre atout pour la sécurité des pilotes. Le pilote Williams Mark WEBBER parlant à son sponsor Allianz, pense que les zones de dégagement en asphalte sont plus sûr, mais cite aussi un point important : ” la plupart des pilotes les exploitent et parfois les utillisent pour les dépassements. En gros, ils prennent un plus grand risque car les conséquences d’un tête à queue sont moins dramatiques.

Les zones de dégagements ne sont pas toujours justifiées sur tout le tour du circuit. Pour un angle d’impact de moins 30°, la FIA recommande une surface verticale lisse et continue. Théoriquement, les voitures glissent le long du mur ou du rail dissipant ainsi énergie et vitesse. Pour les angles plus importants, les bacs à graviers et murs de pneus sont indispensables. Un mur de pneu doit être au moins aussi haut que le mur de derrière ( qui fait au moins un mêtre) et doit être constitué de 2 à 6 rangées de pneus. Des pneus standards sont souvent utilisés mais ne doivent pas être trop vieux pour assurer une résistance suffisante lors d’un impact. Tous les pneus doivent être relié entre eux : la 1ère rangée est recouverte et renforcée par une bande de caoutchouc de 12 mm d’épaisseur. Normalement, le mur de pneu doit absorber 80% de l’énergie d’impact.

Sur quelques sections du circuit de Monaco, qui utilise 32 km de rails de sécurité et qui a très peu de zones de dégagements, des fûts remplis d’eau sont utilisés depuis 95 en remplacement des murs de pneus. Des “murs souples” ont été développé pour le banking d’Indianapolis, composés de plaques de matériaux synthétiques semblable à du polystyrène et fixé au mur par des câbles d’acier. Parce que c’est un système sans interruption, il agit comme un seul bloc dans le cas d’un impact : la voiture n’est pas éjectée et peut glisser le long de celui-ci et ainsi ralentir. Des murs à coussin d’air sont encore en cours de dévelloppement.

Quelque soit les systèmes utilisés dans les courses de F1, une chose est sûre : la course pour améliorer la sécurité sur les circuits ne sera jamais finie.

Bac classique :

Source : gp4racing.mecreant.org

Bandes rugeuses sur zone de dégagement du circuit Paul Ricard :

Source : paul-ricard.com

Murs à Indianapolis :

Les rails de Monaco :

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