Formule 1

Formule 1

La Formule 1 a toujours été et reste l'expression de valeurs fondamentales de Ferrari, mais également un véritable centre de recherche technologique. Il faut toujours garder à l'esprit que les idées et solutions explorées peuvent être transférées des voitures de course (conçues dans le respect de réglementations de plus en plus strictes et fabriquées sur mesure pour les pilotes) aux plus belles routières du monde. La formule Ferrari est une plate-forme qui permet d'étudier trois thèmes : l'introduction de la technologie hybride, l'évolution de la consommation de carburant au cours des 10 dernières années et l'impact de la simulation sur le développement aérodynamique.

Simulation

Au cours des 20 dernières années, l'aérodynamique est le facteur qui a eu la plus forte influence sur les performances des véhicules de Formule 1 et qui leur a permis de se distinguer progressivement de leurs équivalents routiers. Mais il a surtout conduit à une augmentation inexorable et inacceptable des coûts. En effet, l'obligation de réduire les coûts a introduit progressivement plusieurs restrictions allant de la taille des modèles utilisés dans les souffleries au nombre d'heures de fonctionnement de ces installations. En parallèle, les progrès technologiques réalisés, notamment dans le secteur informatique, ont jeté un éclairage nouveau sur l'étude de l'aérodynamique (la dynamique des fluides), ce qui a ouvert de nombreuses possibilités d'amélioration des connaissances sur le comportement aérodynamique d'un véhicule et donc sur son efficacité. En quelques mots, elle permet de rendre un véhicule plus rapide et d'augmenter ses chances de gagner. Pour comprendre l'impact de cette technologie, il suffit de se reporter au Tableau 1, qui illustre l'augmentation de la puissance de calcul dans ce secteur sur les 15 dernières années.

Tableau 1
Année UC RAM GdV**
1997 3 1 Go 0,3
2002 > 100 > 30 Go > 1
2007 > 1000 > 180 Go > 100
2012 > 5000 > 1 To > 700

** GdV: nombre d'essais individuels réalisés dans une soufflerie
en une semaine

Le tableau illustre l'ampleur de l'augmentation de la puissance disponible et démontre qu'il est logique que l'aérodynamique soit devenue un élément clé, compte tenu également des restrictions imposées par les réglementations dans d'autres secteurs, à commencer par le gel du développement des moteurs.

Pour vous aider à comprendre à quel point le développement de l'aérodynamique a été rapide, nous nous sommes intéressés en particulier à un élément du véhicule, la partie combinant l'aile avant et le nez, sur une période de 4 ans au cours de laquelle les réglementations ont très peu évolué (2009-1012.) L'appui aérodynamique à régime constant (300 km/h) exercé sur cet élément a augmenté d'environ 40 %, comme indiqué dans le Tableau 2.

 
Table 2
Année Véhicule Appui
2009 F60 6.000 N
2010 F10 7.500 N
2011 F2011 8.000 N
2012 F2012 8.500 N

 

 

 
 

Évolution de la consommation de carburant sur la période 2003-2013 : efficacité et réglementations

La décennie qui a marqué la transition des V10 aux V8 a été particulièrement animée pour les ingénieurs chargés de la conception des moteurs de Formule 1. Les modifications des réglementations techniques et sportives ont dessiné trois orientations principales : normalisation de quelques paramètres clés, restriction du développement des éléments structurels du moteur avant le gel total de cette activité, prolongation de la durée de vie de chaque unité d'environ 350 kilomètres en 2002 à 2 500 aujourd'hui.

Tous ces éléments ont également influé sur la consommation de carburant, qui a baissé d'environ 10 %. Cette optimisation de la consommation s'est traduite par une amélioration des performances, en particulier à partir de 2010, où les ravitaillements en carburant pendant la course ont été proscrits.

Dans ce secteur, le soutien de Shell, partenaire de longue date de la Scuderia, a d'ailleurs été essentiel et la société a largement contribué au développement de la puissance du moteur, après l'interdiction de tous les développements destinés à l'amélioration des performances. Le graphique ci-dessous illustre l'évolution de la consommation spécifique de carburant, qui a été plus récemment influencée par d'autres facteurs, tels que l'introduction de la technologie KERS, l'utilisation des gaz d'échappement pour augmenter l'appui aérodynamique et les changements attendus à compter de 2014 avec l'arrivée d'un nouveau groupe motopropulseur. On observera l'année prochaine une forte baisse de la consommation de carburant, car le projet de moteur sera basé sur l'efficacité : l'introduction d'un débit maximal fixe de carburant, l'e-turbo, l'injection directe et l'augmentation de puissance générée par la technologie KERS joueront un rôle décisif dans l'augmentation de l'efficacité globale du groupe motopropulseur.

FERRARI F1 POWERUNIT SPECIFIC FUEL CONSUMPTION HISTORY
 
 

De la technologie KERS au système ERS

La technologie hybride a fait ses débuts en Formule 1 en 2009 avec l'introduction de la technologie KERS, un système de récupération d'énergie cinétique au freinage sur l'essieu arrière, qui était initialement en option. Ferrari a immédiatement relevé le défi, et l'expérience acquise pendant 5 années de développement (dont une année d'utilisation sur piste en 2010) s'est révélée extrêmement utile, à la fois pour le transfert de technologie aux routières et pour les réglementations applicables au nouveau groupe motopropulseur de 2014.

D'après les réglementations techniques, la puissance maximale disponible par tour est de 60 kW pour une énergie totale de 400 kJ. L'architecture du système inclut un moteur électrique combiné à un moteur thermique, équipé d'une unité de contrôle électronique et d'un bloc-batterie. Le poids, la capacité à réitérer des performances, les dimensions compactes, l'installation dans la voiture, ainsi que les exigences évidentes de fiabilité et de sécurité du pilote et de l'équipe, sont les paramètres clés d'évaluation de la viabilité du projet, puisque ses gains de performance sont fixés par les réglementations. Au cours de cette période de 5 ans, des résultats significatifs ont été obtenus en termes d'efficacité globale, qui peuvent être résumés comme suit :

  • -10% en volume
  • -20% en poids
  • -40% en coût unitaire
  • -90% en coût par course
  • 100% de disponibilité pour nous en qualification et en courses

L'introduction de la technologie KERS s'est accompagnée d'autres effets collatéraux, tels que des avancées dans la miniaturisation de composants électriques et électroniques, le développement de systèmes avancés de stockage d'énergie, la formation du personnel aux aspects techniques et à la gestion en termes de sécurité, qui développent généralement le savoir-faire de la société.

En 2014, l'introduction d'un V6 1 600 ch pouvant atteindre 15 000 tr/min, avec injection directe, e-turbo et KERS, sera une véritable révolution dans le monde de la Formule 1. L'élément « hybride » proviendra donc de la combinaison d'énergie thermique issue de la turbine et d'énergie cinétique, dérivée du désormais classique système KERS. Les réglementations exigent un débit de carburant maximum de 100 kg/h et une quantité maximum de 100 kg de carburant par course. Par ailleurs, l'extension de la durée de vie des moteurs pour chaque pilote autorise uniquement 5 moteurs par an contre 8 actuellement, et la limite devrait passer à 4 par la suite.

Le système « hybride » sera constitué d'un moteur pour la récupération d'énergie cinétique (MGUK) et d'un autre pour l'énergie thermique (MGUH), tous deux liés à un bloc-batterie d'un côté et à un moteur de l'autre.

La puissance maximum utilisable sur un tour que le MGUK peut générer sera limitée à 120 kW pour une énergie totale de 4 MJ, soit deux fois la puissance actuelle et dix fois l'énergie globale actuelle. La puissance qui pourra être stockée correspondra quant à elle à la moitié de ces valeurs. En revanche, la quantité d'énergie utilisable produite par le MGUH sera illimitée. Cela signifie que si jusqu'à présent le système KERS peut faire la différence grâce à son efficacité, à l'avenir il sera non seulement efficace, mais il pourra également atteindre des performances exceptionnelles. En ce qui concerne les temps au tour, la nouvelle technologie devrait permettre de gagner environ 3 secondes tandis que la puissance maximale sera similaire aux niveaux actuels (environ 750 ch.)


Le schéma suivant présente l'architecture du groupe motopropulseur de 2014 :

POWER UNIT ENERGY FLOW
 

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