Moteur-châssis : un équilibre délicat

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Moteur-châssis : un équilibre délicat

Message par Modena49 le Mer 17 Fév - 9:57:00

Moteur-châssis : un équilibre délicat
Par Nicolas Carpentiers


Pour relever le défi de l’efficacité énergétique, Mercedes, Ferrari, Renault et Honda ont chacun emprunté des voies différentes, en accordant une importance plus ou moins grande au châssis. Ce devrait encore être le cas la saison prochaine. F1i passe en revue des philosophies sensiblement différentes, et s’interroge sur le potentiel de développement du V6 Honda.
© Mercedes AMG
Après avoir soupesé toutes les options possibles, les quatre motoristes actuellement présent en Grand Prix ont choisi une architecture particulière pour leur V6 hybride, trouvant chacun à leur façon un compromis entre les exigences du groupe propulseur (où doivent être conciliés besoins thermiques et électriques) et les contraintes aérodynamiques.
UNE AUDACE MAÎTRISÉE
Référence depuis deux saisons, Mercedes sépare son turbocompresseur en deux éléments placés de part et d’autre du V6 : le compresseur, installé à l’avant du bloc, et la turbine, située à l’arrière. Autour de l’arbre qui relie ces deux éléments se situe le MGU-H, implanté dans le “V” formé par les deux bancs de cylindres. Même s’il n’explique le succès des Flèches d’argent, ce dessin joue un rôle essentiel dans les performances bolides argentés. La position antérieure du compresseur présente en effet des avantages autant pour le moteur que pour le châssis. D’un point de vue thermique, le compresseur en aluminium et les conduits sont montés à l’avant du V6, loin des 1000 °C de la turbine et des pots d’échappement brûlants. Situé dans une zone moins chaude que sur le Renault et dans un espace moins confiné que sur le Honda, le compresseur Mercedes peut se satisfaire d’un intercooler plus petit (puisque l’air compressé a moins besoin d’être refroidi). Ensuite, cette localisation permet de loger l’intercooler dans la monocoque elle-même, grosso modo entre le moteur et le pilote, ce qui dégage l’intérieur des pontons et réduit d’autant le blocage du flux d’air.
Andy Cowell (Mercedes) : “Toutes les pièces [du V6 hybride] sont positionnées exactement là où le moteur veut qu'elles soient placées et exactement là où le châssis entend qu'elles soient situées.”
Tout en étant extrêmement innovants, les motoristes de Mercedes ont trouvé un compromis dans une architecture satisfaisant aux exigences du châssis et du moteur :
“Nous sommes vraiment partis d’une feuille blanche, en passant en revue toutes les architectures qui pouvaient être utilisées pour la suralimentation, avant d’aboutir à cet assemblage séparé [du compresseur et du turbo], a expliqué aux journalistes invités à Brixworth Andy Cowell, le directeur de Mercedes High Performance Powertrains. Pour une multitude de raisons – parmi elles, celle qui me fait le plus sourire, c’est quand ceux qui voient le moteur demandent : ‘Mais il où est le turbo ?’ C’est celle qui me fait le plus sourire, parce que [le turbocompresseur] est enfoui dans le moteur à combustion, et que toutes les pièces sont positionnées exactement là où  le moteur veut qu'elles soient placées et exactement là où le châssis entend qu'elles soient situées.”
En tant que constructeur, au contraire, Mercedes a pu travailler très en amont sur des concepts, des innovations et combiner les efforts pour atteindre la meilleure solution d’ensemble, en étant inventif sur l’architecture, voire même radical sur la compacité du système de récupération de l’énergie cinétique :
“Le module de l’ERS comporte les machines électriques, la batterie et les systèmes de contrôle, explique Cowell. Là encore, notre question a été : ‘N’interférons pas avec la voiture : comment pouvons-nous glisser au mieux ce nouveau groupe propulseur dans l’architecture existante de la voiture ?’ Enfouir le turbo et être agressif sur le packaging de l’ERS nous a beaucoup aidé.”



CLASSICISME ORIGINEL…
Renault a conservé – et conservera pour 2016 – son architecture classique, où le compresseur est accolé à la turbine. Sur le V6 français, le turbocompresseur forme un ensemble compact, situé à l’arrière du moteur. Cette architecture présente des qualités et des défauts (détaillés [url=http://adf.ly/246619/]ici[/url]), qui seront désormais davantage scrutés à la lumière de leur impact sur le châssis. Directeur de la technologie de l’écurie, Bob Bell coordonnera les travaux des départements châssis (Enstone) et moteur (Viry-Châtillon), comme il l’a fait chez Mercedes entre 2011 et fin 2013, avec méthode, sans chercher l’originalité à tout prix, selon les vœux de Cyril Abiteboul :
“Pour éviter les problèmes, nous avons demandé à Enstone d’être plutôt conservateur dans les solutions et dans l’approche, et ce sera pareil à Viry pour le moteur. Nous savons ce que nous avons à faire, mais nous n’allons pas nous précipiter pour introduire des choses qui ne seraient pas prêtes. Nous devons être prudents de ce point de vue.”
Externe au V6, le turbocompresseur peut être, au besoin, redessiné ou redimensionné sans obstacle structurel majeur.
… OU RETROUVÉ
Le cas de Ferrari est intéressant. En 2014, le V6 transalpin était équipé d’un turbo de dimensions réduites, afin de créer un ensemble ramassé à l’arrière de la monoplace, dans le but –­ jamais atteint – de compenser la perte de puissance par une efficacité aérodynamique supérieure. Or, une petite turbine produit en général moins de puissance et davantage de contre-pression, ce qui pénalise la puissance du moteur à haut régime (les wastegates étant souvent ouvertes). En forçant un peu le trait, le rendement intrinsèque de V6 avait été sacrifié au profit d’une plus grande finesse aérodynamique.
En concevant le moteur 2015, Maranello a rééquilibré l’importance respective du moteur et du châssis, augmenté la taille de la turbine et redessiné des tubulures d’échappement plus conventionnelles. Sur le 059/4, la turbine entraîne plus puissamment l’axe de rotation sur lequel le MGU-H récupère l’énergie cinétique grâce à l’expansion des gaz d’échappement. D’où un déploiement d’électricité plus élevé. En une saison, la Scuderia est parvenue à corriger le tir en renonçant à une architecture extrêmement compacte.
Sur son “power unit” 2016, le Cheval cabré abandonnerait plusieurs de ses particularités afin de s’aligner, encore davantage, sur des solutions éprouvées par ses concurrents. Pour installer des trompettes d’admission variables (déjà en place chez Mercedes et Renault), l’intercooler serait déplacé : il quitterait l’intérieur du “V” pour être remplacé par deux échangeurs plus petits, selon Giorgio Piola (l’un serait situé au-dessus du réservoir, comme sur les W05 et W06, l’autre sur le flanc droit du moteur). Le MGU-K serait également repositionné. Installé l’an passé derrière le bloc thermique, il serait désormais implanté sur le flanc gauche du V6 (comme sur tous les autres moteurs), avec l’objectif d’amincir l’arrière de la monoplace. Enfin, l’embrayage serait monté sur le bloc thermique plutôt que sur la boîte de vitesses, comme chez Mercedes et Honda.



© XPB Images
UNE SOLUTION RADICALE… ET RESTRICTIVE ?
Comme Mercedes, Honda a scindé son turbocompresseur, mais en allant nettement plus loin. Sur le RA615H, le trio compresseur – MGU-H – turbine a été miniaturisé pour être implanté à l’intérieur du V (et non à l’avant et à l’arrière du bloc moteur, comme sur les PU106A et B). Or, une petite turbine produit – à régime identique – moins de puissance qu’une grande turbine et entraîne plus faiblement l’axe de rotation sur lequel le MGU-H récupère l’énergie cinétique (comme détaillé [url=http://adf.ly/246619/]ici[/url]).
Ce sont ces contraintes d’encombrement – drastiques et décidées d’un commun accord avec McLaren – qui ont imposé un tel sous-dimensionnement. Une approche délibérément radicale, hors des sentiers battus, au service de la finesse aérodynamique, comme l’avait développé Ron Dennis il y a un an à Jérez.
“Le moteur fait partie intégrante de notre philosophie de ‘taille zéro’. L’arrière de la voiture est incroyablement compact. [L’ingénieur en chef] Peter Prodromou et son équipe ont tiré pleinement profit du degré de détail, et la précision de l’assemblage dépasse tout ce que l’équipe avait réalisé jusqu’alors. […] Dans n’importe quel sport, si vous êtes largué, vous devez accélérer plus fort que vos adversaires, sinon vous ne les rattraperez jamais. Avons-nous pris certains risques techniques calculés ? Oui. Cela s’explique par les technologies que nous sommes les premiers à exploiter, et vous allons redoubler nos efforts pour en tirer profit.”
Ron Dennis : “Dans n’importe quel sport, si vous êtes largué, vous devez accélérer plus fort que vos adversaires, sinon vous ne les rattraperez jamais. Avons-nous pris certains risques techniques calculés ? Oui. Cela s’explique par les technologies que nous sommes les premiers à exploiter, et vous allons redoubler nos efforts pour en tirer profit.”
Réduire la taille du turbocompresseur permet de rendre le bloc moteur plus court, ce qui permet d’amincir considérablement le capot arrière dans la zone dite de la “bouteille de Coca-Cola” (forme inventée par Alan Jenkins sur les McLaren des années 1980). Plus l’arrière est étroit, plus l’air circule vite sur les surfaces générant de l’appui et moins l’aileron arrière est perturbé. Toute la question est de savoir si les gains aérodynamiques espérés sont suffisants pour compenser les éventuelles limitations de puissance dues à la miniaturisation des pièces du moteur.
Cette situation rappelle les difficultés rencontrées l’an dernier par Ferrari sur son groupe propulseur, dont le turbocompresseur avait été miniaturisé, au bénéfice supposé de l’aérodynamique (afin d’obtenir un ensemble ramassé à l’arrière de la F14 T) mais de fait au détriment de l’efficacité intrinsèque de la turbine. La perte de puissance du moteur n’ayant pas été compensée par une aérodynamique plus performante, les motoristes de Maranello avaient pragmatiquement augmenté la taille de la turbine sur le V6 2015. Opération facilitée par la localisation de celle-ci à l’arrière du moteur, dans un espace moins confiné que celui délimité par les deux rangées de cylindres, comme c’est le cas sur le moteur Honda.



COINCÉ PAR LE “V” 
Honda a confirmé à [url=http://adf.ly/246619/]F1i [/url]vouloir augmenter la taille du turbocompresseur sur son propulseur 2016, tout en conservant la philosophie de la “taille zéro”. Or les motoristes japonais n’ont pas la marge de manœuvre qu’avaient leurs homologues italiens à l’arrière de leur moteur. L’angle du “V” formé par les deux rangées de cylindres étant fixé par le règlement (90°), les ingénieurs japonais vont devoir trouver d’autres moyens pour gagner de la place au cœur du V6 afin d’y loger un turbo qui ne pourra pas être considérablement agrandi.
Or Andy Cowell a admis la semaine dernière à Brixworth que Mercedes avait augmenté la taille de son turbocompresseur : “Deux domaines vont s’améliorer : l’efficacité du moteur à combustion va s’améliorer d’année en année, et l’efficacité du turbo va progresser elle aussi. Ce qui signifie que la taille de la turbine va croître aussi longtemps qu’elle ne vole pas [de puissance au] moteur.”
Si la taille optimale de la turbine (que Mercedes doit approcher) est supérieure à ce qui peut être situé à l’intérieur du “V”, est-il possible de compenser cette limitation par des gains aérodynamiques ? L’architecture actuelle du V6 Honda, séduisante sur le papier, ne risque-t-elle pas à moyen terme  d’être un carcan ? A fortiori lorsqu’on sait, comme l’a expliqué Cowell, que la taille du turbocompresseur n’est qu’un des termes de l’équation. Même si l’on récupère beaucoup d’énergie grâce à une turbine volumineuse, il faut encore transmettre celle-ci efficacement, avec le minimum de pertes, au jusqu’au vilebrequin.
Andy Cowell (Mercedes) : “Ce qui signifie que la taille de la turbine va croître aussi longtemps qu’elle ne vole pas [de puissance au] moteur.”
Pour rattraper l’énorme avance de Mercedes, l’ambitieux tandem McLaren-Honda a pris des risques techniques et osé des solutions inédites. Les motoristes japonais ont dû s’y reprendre à plusieurs reprises pour cadrer avec le cahier des charges châssis/aéro imposé par leur partenaire de Woking.
Cette primauté accordée à l’aérodynamique souligne – et rappelle – la difficulté de trouver le juste équilibre entre les impératifs imposés par le châssis et les exigences du moteur. Entre 2011 et 2013, Renault avait conçu un V8 à la fois puissant et capable de générer beaucoup de gaz, se pliant au souhait d’Adrian Newey, qui voulait introduire un diffuseur soufflé sur la Red Bull. Les motoristes de Viry étaient parvenus à satisfaire l’exigence – contre-nature de leur point de vue – de l’ingénieur britannique, au profit de l’efficacité d’ensemble (sans réelle gratitude de la part de leur partenaire).
© Renault
UN PRÉCÉDENT PAS SI ANCIEN
Cependant, les cas où la primauté accordée au châssis a porté ses fruits restent rares. Pour son retour en Grand Prix, sous les couleurs Benetton en 2001 et sous le signe du Losange l’année suivante, Renault avait développé un V10 ouvert à 111° en vue d’abaisser le centre de gravité de la monoplace, sous la houlette de l'ingénieur Jean-Jacques His.
Techniquement séduisant, le défi s’était révélé désastreux sur le plan des résultats. Renault a, depuis, tiré les leçons de ses erreurs. Mais avant que les problèmes de vibrations ne se révèlent insurmontables et poussent le constructeur à revenir à une architecture plus conventionnelle en 2003 (année du moteur unique par course), la recherche de l’originalité était revendiquée :
“Si nous devions refaire ce choix, nous le referions, avait répondu Patrick Faure en juin 2001 à la question de savoir si Renault regrettait son audace technique. Nous avions un choix à faire. Soit nous construisions un moteur Supertec et nous nous battions pour la troisième ligne, sans aucun espoir de vaincre McLaren et Ferrari. Soit nous nous lancions avec une architecture totalement nouvelle, en acceptant de rencontrer davantage de difficultés.”
Cela ne vous rappelle rien ?
© Honda http://www.f1i.com/z-flux-rss/moteur-chassis-un-equilibre-delicat/4/





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