Technique : Les carburants, contribution essentielle aux économies (Partie 1)

La puissance d’un moteur naît de la qualité de sa combustion. Sur un moteur turbo, l’optimisation du rendement vient aussi de la souplesse d‘utilisation du moteur sur une très large plage de régimes et de réglages. En F1, enflammer le mélange air-essence et le brûler le plus rapidement possible est une préoccupation permanente. Si le carburant de la pompe est du prêt-à-porter, celui de la F1 est du sur-mesure. Total le formule et une fois celui-ci testé et validé par Renault Sport F1, l’homologue auprès de la FIA, le produit et l’achemine sur tous les circuits.

Une règlementation stricte

Le règlement technique « carburant » de la Formule 1 est strict. Il encadre la formulation en limitant la part des hydrocarbures entrant dans la composition du produit final. Une monoplace de F1 doit rouler avec un carburant qui possède un profil proche du super sans plomb de la pompe et répondre à des contraintes draconiennes. Sauf sur un point essentiel : l’indice d’octane n’est pas limité. Malgré une apparente rigidité, une marge de manoeuvre subsiste donc. Elle permet aux chercheurs de faire la différence. Car si les ingrédients qui entrent dans la composition du carburant F1 sont réglementés, et leurs proportions encadrées, la recette, elle, est « presque » libre...

Optimiser l’injection

Les nouveaux propulseurs F1 sont à injection directe : le carburant est injecté directement dans la chambre de combustion comme sur un moteur diesel moderne. Le régime maximum est limité à 15 000 tr/min. Mais en réalité la combinaison entre la recherche de fiabilité, la limite en débit de carburant et le fonctionnement en mélange pauvre, va imposer aux motoristes un fonctionnement dans une zone proche de 11 000 tr/mn. Néanmoins, ce nouveau moteur, du fait de l’injection directe, doit être alimenté par un carburant se vaporisant très rapidement.

Cette injection est initiée pendant la phase de compression juste avant l’allumage et le temps moteur. Elle est gérée électroniquement afin d’être aussi rapide que précise. La haute pression d’injection favorise la vaporisation pendant que le jet d’essence pénètre dans les gaz frais, mais
cette vaporisation peut également être favorisée par la qualité du carburant.

Les jets doivent être très courts pour se vaporiser rapidement sans mouiller trop fortement les parois des pistons ou les chemises des cylindres. Auparavant, l’injection indirecte en amont de la soupape laissait plus de temps et des conditions de température et de pression plus clémentes.

Stabiliser la combustion

L’entraînement d’un moteur électrique sur l’axe du turbocompresseur par les gaz d’échappement, afin de générer de l’électricité, est une technologie novatrice en termes de récupération d’énergie. Elle n’est efficace qu’à la condition d’être capable de passer la plus grande quantité de gaz à la plus grande vitesse possible sur la turbine chaude du turbo placée dans la veine des gaz d’échappement. La solution ? Faire fonctionner le moteur à essence à injection directe comme un diesel, avec un important excès d’air et donc à richesse très faible. Outre une bonne vitesse de flamme, Total formule un carburant possédant une bonne stabilité de combustion en mélange pauvre.

En outre, il doit également garantir le refroidissement et le fonctionnement des pompes à essences : la pompe de gavage située dans le réservoir qui élève la pression de quelques bar et alimente la pompe à haute pression générant la pression d’injection.

Dompter le cliquetis

Le rôle du carburant se résume en peu de mots. Pour libérer la puissance, il doit permettre une combustion très rapide, donc être rapidement vaporisé de façon homogène. Après allumage, la propagation de la flamme doit être quasi instantanée mais sans générer de cliquetis. Or les moteurs turbo y sont particulièrement sensibles car ils possèdent de plus fortes charges thermiques que les moteurs atmosphériques. C’est l’un des défis de la saison.

Le cliquetis est une combustion incontrôlée, en régime de détonation, qui se propage à très grande vitesse dans la chambre de combustion. Ce phénomène « explosif » engendre des ondes de pressions qui se réfléchissent sur les parois, générant de très importantes oscillations de pression. Conséquences : des vibrations audibles, une destruction de la dynamique interne des gaz de la chambre de combustion et un transfert thermique entre les
gaz brûlés et le métal. En quelques secondes, un piston peut ainsi être percé ou détruit par fusion.

L’aérodynamique de la chambre de combustion, le débit des injecteurs, le dessin des bougies et l’électronique entrent en ligne de compte, tout comme la qualité du carburant. Nos chercheurs proposent ainsi un carburant présentant notamment un accroissement significatif de l’indice d’octane.

Contenu énergétique et densité

Il convient de formuler le carburant pour que les 100 kg autorisés par course contiennent
le maximum d’énergie utilisable par le moteur. Cette formulation sur-mesure pour le
propulseur Renault Energy F1-2014 possède ainsi quelques secrets… Sur les 100 kg de
carburant embarqués, un écart de densité de l’essence de 0,025 induit un écart de 5 litres
sur la contenance et la taille du réservoir ! Total formule donc ses carburants afin de répondre
aux exigences du propulseur Renault Energy F1-2014, mais aussi avec le souci de ne pas pénaliser la conception du châssis. Un seul objectif : trouver le meilleur compromis en densité pour satisfaire les besoins du châssis (taille du réservoir) et ceux du moteur, tout en assurant une très bonne résistance à la température. Un point crucial car les batteries de stockage sont intégrées sous le réservoir et participent activement à son réchauffement.

A suivre...