Power Unit : son fonctionnement en détail

Power Unit Renault
Power Unit Renault
Depuis 2014, la FIA impose l’utilisation d’un moteur 1.6 litres ainsi qu’un système de récupération d’énergie. L’ensemble de ce système est appelé « Power Unit ». Mais la technologie utilisée en F1 est bien plus complexe que celle utilisée dans les voitures hybrides ordinaires. En effet, il s’agit non seulement de récupérer l’énergie cinétique comme dans une voiture hybride classique, mais aussi récupérer l’énergie thermique, ce qui est inédit dans le monde de l’automobile. Cet article va détailler le fonctionnement de chacun des composants ainsi que leur rôle et leur importance dans les phases d’accélération et de freinage.

1)Composition globale du Power Unit:

Comme vous l’aurez compris, le Power Unit se divise en deux parties : une partie qui récupère l’énergie cinétique et une autre qui récupère l’énergie thermique.

a)Récupération de l’énergie cinétique

Le système actuel de récupération d’énergie cinétique est une évolution du KERS (Kinetic Energy Recovery System) utilisé en F1 de 2009 à 2013. Ce système fonctionne de la même façon que sur une voiture hybride standard, c’est-à-dire qu’un moteur électrique transforme l’énergie cinétique en énergie électrique.
L’énergie cinétique est l’énergie correspondant au mouvement de la voiture. La formule de l’énergie cinétique est la suivante : Energie cinétique = 0.5*masse de la voiture *vitesse^2
Ce qui veut dire que pour diminuer l’énergie cinétique, il faut diminuer la vitesse. Sur une voiture traditionnelle, la seule façon de diminuer l’énergie cinétique est de la transformer en chaleur grâce aux freins. Autrement dit, l’énergie est dissipée en chaleur et perdue dans les freins.
Un système hybride permet de récupérer cette énergie grâce à un moteur/générateur. Un moteur électrique récupère l’énergie dissipée au freinage pour entrer en rotation et « fabrique » de l’électricité. Cette électricité est ensuite stockée dans la batterie, et sera utilisée en assistance lors de l’accélération.
L’ensemble de ce système moteur/générateur est appelé “MGU-K” (Motor Generator Unit – Kinetic).

b) Récupération de l’énergie thermique

La réelle innovation de ce Power Unit vient de la récupération de l’énergie thermique. Il s’agit de récupérer l’énergie thermique générée à la sortie du moteur. La chaleur des gaz d’échappement à la sortie de la chambre de combustion du moteur est normalement perdue par l’intermédiaire des tubes d’échappement. Le système de récupération d’énergie thermique, une unité de moteur/générateur, réutilise cette énergie thermique pour générer de l’électricité. Cette unité est appelée « MGU-H » (Motor Generator Unit – Heat).


2)Les différentes phases d’utilisation


a) Freinage

Le flux d’énergie est semblable à celui d’une voiture hybride classique: le MGU-K récupère une partie de l’énergie cinétique perdue lorsque la voiture freine, et stocke de l’électricité dans la batterie. La puissance maximale en sortie du MGU-K est 120kW et la quantité d’énergie autorisés à être stockée est de 2 mJ par tour. La voiture doit freiner environ 16,7 secondes par tour pour atteindre cette charge maximale.

freinage


b)Accélération en sortie de virage (avec l’aide du MGU-K)

La voiture peut accélérer plus fortement en sortie de virage grâce à la puissance apportée par le MGU-K qui est ajoutée à la puissance en sortie du moteur thermique.

acceleration sortie virage


c)Pleine accélération (avec l’aide du MGU-K et du MGU-H)

Le turbocompresseur utilise son compresseur pour envoyer de l’air comprimé dans le moteur. En pleine accélération, l’énergie d’échappement envoyé à la turbine peut augmenter à un point tel qu’elle dépasse la quantité d’air que le compresseur peut accepter pour alimenter le moteur.

Le MGU-H convertit l’énergie des gaz d’échappement en excès en électricité, et l’envoie ensuite au MGU-K. Il n’y a pas de limite sur la quantité d’électricité que le MGU-H peut générer, donc l’énergie à la sortie du MGU-K peut être ajouté à la sortie du moteur sans se soucier des règles relatives à la quantité d’électricité que la batterie peut recevoir ou envoyer. L’énergie fournie par les gaz d’échappement inutilisés peut être utilisé pour accélérer plus fortement.

En pleine accélération, la batterie peut également envoyer de l’électricité au MGU-K. De cette facon, la voiture peut accélérer en atteignant le maximum de puissance en sortie du MGU-K, c’est-à-dire 120KW.

Full-acceleration (with MGU-K and MGU-H Power-assistance)


d)Corriger le décalage du turbo

Dans les moteurs turbo, lorsque le pilote appuie sur la pédale d’accélération après un freinage ou une décélération, le flux de gaz d’échappement augmente en décalé. En effet, pour augmenter les gaz d’échappements, il faut déjà que le moteur accélère, ce qui veut dire que le turbo est toujours décalé par rapport à ce que veut le pilote. Ce décalage s’appelle le « retard turbo » ou « décalage turbo ». Le MGU-H corrige ce décalage en utilisant un moteur pour alimenter le compresseur, sans avoir besoin de la turbine à attendre pour le gaz d’échappement.

J’espère que cet article vous aura apporté quelques connaissances sur le moteur assez complexe utilisé aujourd’hui en F1. N’hésitez pas à partager vos questions, remarques ou tout autre avis sur les moteurs de F1 ou sur cet article.

Pour plus d’infos sur ce moteur, je vous conseille cette vidéo faite par les ingénieurs de chez Renault :

Crédit à Honda pour les animations moteur.

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  • Boggart

    Bravo explications simples pour les non connaisseurs comme moi, beau site bien réalisé 👍😉

  • Denis

    Merci pour ces explications intéressantes particulièrement pour le MGU-H dont je n’avais pas bien saisi le principe.

    • Si vous avez d’autres questions techniques, n’hésitez pas à les poser. J’essaierai d’y répondre dans un nouvel article 🙂

      • Patrick Vidot

        Merci de préciser la tension U max de la batterie autorisée en F1.