Un moteur de Formule 1 c'est 100 kg de technologie. Il est régi par des règles draconiennes car il doit supporter mille explosions en une seconde. La FIA stipule que les moteurs doivent être des quatre temps de 3 litres de cylindrée avec pas plus de 10 cylindres ayant chacun pas plus de cinq soupapes. Avec ceci, le piston d'une F1 a la taille d'un piston de Fiat 500. Tous les motoristes essaient d'obtenir un bon compromis poids - puissance puis d'intégrer au mieux le moteur au châssis de la voiture.
Dans le premier chapitre nous avons abordé le terme d'angle ouvert du moteur. Actuellement c'est un paramètre important du moteur qui n'est pas réglementé, l'intérêt étant de baisser le centre de gravité du bloc moteur (Fig. 1.6).
Figure 3.6 - L'angle ouvert de 111° du Renault 2001
L'un des développements les plus importants de la saison 2001 a été l'arrivée du moteur Renault à 111°, une architecture peu conventionnelle. Dessiné par Jean Jacques His, ce bloc joue sur l'intégration dans la monoplace un grand rôle au niveau dynamique et aérodynamique. La Figure 3.1 montre clairement que l'élargissement de l'angle influe sur les dimensions générales du bloc, en augmentant la largeur mais en diminuant la hauteur donc en abaissant le centre de gravité, facteur décisif dans la conception d'un F1. Sur la figure du haut sont représentés les angles des différents moteurs évoluant durant la saison 2001 : 72° pour Mercedes, 80° pour Honda et 90° pour BMW.
Le taux maximum que peut générer un moteur, c'est-à-dire sa puissance est le produit entre le mélange d'oxygène et la masse calorifique d'essence brûlant lors d'une explosion ; ce qui donne :
Puissance théorique maximale : K1 X [taux de mélange théorique de O2]
X [apport calorifique théorique d'essence brûlée]
En réalité, la chaleur dégagée par la combustion dépend de plusieurs facteurs, le plus important étant le rapport de compression et les pertes de chaleur dues au système de refroidissent du moteur. C'est pourquoi le choix des matériaux est très important afin de limiter est contrôler tous les effets négatifs.
En prenant compte de tous ces paramètres l'équation de la puissance devient :
Puissance réelle : K1 X [taux de mélange théorique de O2]
X [apport calorifique théorique d'essence brûlée]
X [rendement thermique] X [rendement volumétrique]
X [rendement mécanique]
Le mélange théorique d'oxygène est fonction du volume d'air comprimé par le moteur pour un cycle, ainsi l'on obtient le nombre de tours minutes (rpm). L'équation décrivant les performances du moteur devient :
Puissance réelle : K1 X [volume d'air comprimé] X [rpm]
X [apport calorifique théorique d'essence brûlée]
X [rendement thermique] X [rendement volumétrique]
X [rendement mécanique]
Une fois le mélange bien maîtrisé, il y peu de paramètres que l'on peut faire évoluer significativement par rapport à la concurrence en F1. Comme nous l'avons vu pour l'angle d'ouverture, le paramètre sur lequel on va se pencher est le rapport alésage/course, qui détermine le régime de rotation de l'attelage mobile (rpm).Dans les tours/minute élevés l'inconvénient est l'accélération des pistons en mouvement qui soumis à une puissante pression d'inertie devient un frein a l'augmentation de la vitesse de rotation. Jusqu'à un certain point, la réduction du ratio alésage/course favorise la vitesse de rotation. En théorie, plus un moteur à essence tourne vite, plus il est puissant.
Le descriptif suivant résume pour une même course de piston les différents alésages et leurs plages de vitesses de rotation respectifs :
Ø 91 mm : 17 100 - 17 600 tr/min
Ø 92 mm : 17 300 - 17 800 tr/min
Ø 93 mm : 17 500 - 18 000 tr/min
Ø 94 mm : 17 700 - 18 200 tr/min
Ø 95 mm : 17 900 - 18 400 tr/min
Ø 96 mm : 18 100 - 18 600 tr/min
Ø 97 mm : 18 300 - 18 800 tr/min
Ø 98 mm : 18 500 - 19 000 tr/min
Ce descriptif suit une loi clairement établie où il est possible de déterminer le rapport alésage/course, le plus petit étant de 0,51, choisi afin de privilégier le couple et la combustion optimale (moyennant une bonne chambre de combustion).
Dans cette guerre aux tours/minutes glanés c'est BMW qui tient le haut du pavé avec 19 050 tr/min atteint à Imola en 2002 avec un rapport de 0,41. Avec des pistons de Ø 97 mm la combustion devient difficile à cause de la non homogénéité du mélange, la solution étant de rajouter une bougie de plus.
En septembre 2002 à Imola on a pu comparer les régimes moteurs (Fig. 1.7) en sachant qu'une différence de ±10° de la température de l'air génère une marge d'erreur de 250 tr/min.
Figure 1.7 - La course aux régimes élevés lors des essais du samedi 14 septembre italien
Les relevés télémétriques à pleine charge furent de 19 050 tr/min pour BMW, de 18 650 tr/min pour Mercedes, de 18 600 pour Ferrari, de 18 500 tr/min pour Toyota, de 18 300 tr/min pour Ford, de 18 200 tr/min pour Honda et de 17 450 pour Renault.
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