Comment les moteurs de F1 sont-ils si efficaces ?

Les moteurs des voitures de Formule 1 sont incroyablement efficaces. Ils développent plus de 1 000 chevaux alors qu’ils n’ont qu’une cylindrée de 1,6 litre. Nous savons donc qu’ils sont puissants, mais comment les moteurs de F1 parviennent-ils à être aussi efficaces ?

Les moteurs de F1 sont efficaces grâce à la recherche et au développement qui leur ont été consacrés au fil des ans. Un système hybride complexe contribue également à les rendre très efficaces grâce à la récupération de l’énergie. Les moteurs de F1 sont les moteurs de voiture les plus efficaces de la planète, atteignant un rendement thermique de 50 % (ou plus).

Ces moteurs incroyablement efficaces sont apparus avec les changements de réglementation des moteurs en 2014. Dans l’article ci-dessous, j’explique comment les moteurs de F1 sont devenus si efficaces et ce à quoi nous pouvons nous attendre au cours de la prochaine décennie de Formule 1.

Quel est le rendement des moteurs de F1 ?

On dit que les moteurs de F1 ont un rendement thermique d’environ 50 %. Les moteurs de F1 actuels sont non seulement les plus efficaces de l’histoire du sport, mais ils comptent aussi parmi les plus puissants, le système hybride leur permettant de produire plus de 1 000 chevaux.

Mais que signifie exactement l’efficacité thermique ?

Efficacité thermique

Lorsqu’une voiture de F1 brûle du carburant, celui-ci (sous forme d’hydrocarbures) est transformé en énergie thermique. Si vous pouviez capturer toute cette énergie et la transformer en travail mécanique utile, vous obtiendriez un rendement de conversion de 100 %. Lorsqu’une voiture de F1 descend une ligne droite à plein régime avec le maximum de carburant injecté dans le moteur, environ 54 à 56 % de l’énergie chimique du carburant peut être transformée en énergie mécanique pour faire avancer la voiture.

À l’époque du V8, avant les modifications apportées en 2014 à la réglementation des moteurs hybrides, les règles contrôlaient les performances des moteurs en limitant leur capacité et leur régime maximal. Cela a encouragé les équipes à développer des moteurs à forte puissance plutôt qu’à haut rendement. Les équipes se sont efforcées de maximiser la quantité d’air qu’elles pouvaient faire entrer dans leur moteur, sans tenir compte de la quantité de carburant qu’elles devaient brûler en même temps.

Il en résultait des mélanges air-carburant riches et des moteurs à haut régime, mais pas très efficaces. En fait, le rendement thermique des moteurs V8 utilisés jusqu’en 2013 avoisinait les 29 %.

Il fallait faire entrer autant d’air que possible, ajouter du carburant et le brûler. C’est ainsi que l’on pouvait augmenter la puissance. Les moteurs tournaient donc beaucoup plus vite, car plus de coups de feu signifiait plus de puissance ! Les équipes ont toujours essayé de faire tourner leurs moteurs plus vite, de survivre à ces hauts régimes, puis de réduire les pertes. Et elles utilisaient autant de carburant qu’elles en avaient besoin.

Mais avec l’introduction de la limite de débit de carburant en 2014, les équipes ne pouvaient plus procéder de la sorte.

Limites du débit de carburant

Vous pouviez mettre autant d’air que vous le souhaitiez, mais vous ne pouviez plus envoyer qu’une certaine quantité de carburant dans le moteur dans un laps de temps donné. Tout était donc une question d’efficacité, car les équipes ne pouvaient ajouter qu’une quantité limitée de carburant au moteur et devaient en tirer le plus d’énergie possible.

Cela a conduit à des mélanges pauvres d’environ 20:1 (air:carburant). La combustion à mélange pauvre n’est cependant pas une chose facile, car elle augmente le risque de cliquetis, qui perturbe le processus de combustion. Dans un moteur turbocompressé (comme ceux qui sont revenus en 2014), en raison des charges thermiques plus élevées, le risque est encore plus grand.

Pour pouvoir tirer le meilleur parti des mélanges pauvres et exploiter au maximum l’énergie du carburant, des systèmes de combustion entièrement nouveaux ont été mis au point. Bien entendu, le système hybride aide également le moteur d’une voiture de Formule 1 à fournir plus de puissance et à devenir plus efficace dans l’ensemble, mais je reviendrai plus en détail sur ce point après avoir abordé le moteur à combustion proprement dit.

Pourquoi les moteurs de F1 sont devenus si efficaces

Lors de l’introduction des règles 2014, les équipes de F1 ont concentré tous leurs efforts sur l’optimisation de la chambre de combustion ainsi que sur la dynamique du processus de combustion lui-même. L’injection directe étant désormais autorisée (sur les V8, seule l’injection par l’orifice était autorisée), les équipes avaient la possibilité de contrôler précisément la manière dont le carburant pénètre dans la chambre de combustion afin d’obtenir une combustion plus optimale.

Les équipes pouvaient désormais utiliser des injecteurs à haute pression dotés de nombreuses buses, ce qui leur permettait d’injecter de très petites gouttelettes sur une courte période. Elles aspiraient à placer ces gouttelettes exactement au bon endroit et au bon moment dans la chambre de combustion. Mercedes a introduit une nouvelle technologie appelée Turbulent Jet Ignition ou Pre Chamber Ignition (qui a joué un rôle important dans sa domination au cours des 8 années suivantes).

Techniques d’allumage Mercedes

Avec l’allumage par préchambre, 95 à 97 % du carburant est injecté normalement, mais il y a une petite préchambre avec une bougie d’allumage, et jusqu’à 5 % du carburant y est ajouté (maintenant avec un mélange riche) et allumé. Il se transforme en un jet à haute pression de gaz chauds qui pénètre dans le cylindre, enflammant le reste du carburant désormais bien mélangé de manière plus homogène dans tout le cylindre, avec plus d’air pour une quantité donnée de carburant.

Moins d’énergie est perdue sous forme de chaleur et plus d’énergie est convertie en travail, ce qui rend les moteurs Mercedes incroyablement efficaces (et donc mieux à même de produire plus de puissance à partir de la quantité désormais limitée de carburant qu’ils peuvent envoyer dans le moteur).

Ferrari a suivi en 2015, car son fournisseur Mahle travaillait déjà sur un tel système, et Renault a suivi en 2016. Mais Mercedes a pu conserver un avantage en matière de développement jusqu’en 2020. Ce processus de combustion est à l’origine des gains d’efficacité les plus importants. Mahle affirme que cette technologie améliore le rendement énergétique de 10 à 25 % et le rendement thermique de 10 % !

Optimisations supplémentaires

Avec des températures instantanées des gaz de 2600°C pendant la combustion (4712°F) et des températures d’échappement supérieures à 1000°C (1832°F), la combustion dans un moteur de F1 dégage beaucoup de chaleur. Le frottement est l’un des principaux responsables de la chaleur dégagée par un moteur, et de nombreux efforts ont été déployés pour optimiser les matériaux, les revêtements, les roulements, les lubrifiants et les joints d’étanchéité.

Divers matériaux et revêtements (principalement secrets) ont permis d’améliorer l’efficacité thermique et la réduction des frottements, et les huiles moteur et autres lubrifiants ont bien entendu fait l’objet de nombreux développements.

Les frottements au sein des composants électriques ont également été minimisés, et des technologies innovantes (et secrètes) ont été utilisées pour refroidir les rotors des aimants afin de réduire les pertes ohmiques dans les enroulements, tandis que le carbure de silicium a été amélioré pour être utilisé dans les onduleurs. Il y a eu beaucoup d’autres innovations plus modestes, et différentes équipes ont essayé différentes choses (avec des niveaux de réussite variables).

Grâce à toutes ces innovations et à de meilleures techniques de combustion, les équipes ont amélioré le rendement des moteurs de F1, qui est passé d’environ 29 % à environ 46 %. Mais l’une des parties les plus importantes de la révision des règlements a été l’introduction du groupe motopropulseur hybride. Ces composants hybrides ont permis d’augmenter le rendement du moteur de quelques pour cent supplémentaires.

Comment le système hybride aide les moteurs de F1 à être plus efficaces

Le système hybride d’une voiture de F1 se compose de nombreux éléments, mais le premier dont je parlerai est le MGU-H. Le MGU-H se trouve entre le compresseur et la turbine. Le MGU-H se trouve entre le compresseur et la turbine (qui aspire de grandes quantités d’air alimentant l’orifice d’entrée avec de l’oxygène à haute pression), de sorte que lorsque ces deux éléments tournent, le MGU-H fait de même.

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En plus de stocker l’énergie dans le réservoir d’énergie, de la déployer vers le MGU-K ou de faire tourner le compresseur pour réduire le décalage du turbo, le MGU-H peut être utilisé pour contrôler soigneusement le compresseur afin d’améliorer le couple délivré et la maniabilité. De cette manière, les équipes peuvent utiliser l’injection directe pour optimiser l’apport de carburant et le MGU-H pour optimiser l’apport d’oxygène. Le contrôle de la suralimentation et du comportement du moteur de cette manière a également permis de gagner en efficacité. 

Le MGU-H est coûteux et très complexe, ce qui signifie qu’il y a une forte probabilité que quelque chose se passe mal. C’est la raison pour laquelle le MGU-H devrait être supprimé des groupes motopropulseurs à l’avenir. En revanche, l’autre composant du système hybride est là pour rester : le MGU-K.

Le MGU-K

Il s’agit d’un groupe moteur-générateur situé à l’arrière de la voiture, qui permet de récupérer de l’énergie lors du freinage. Essentiellement, lorsque le conducteur décélère, l’unité transforme une partie de l’énergie cinétique perdue en énergie électrique et la renvoie vers le réservoir d’énergie (ou le MGU-H). L’unité peut également fonctionner comme un moteur, aidant à faire tourner les roues à l’accélération.

Ce composant contribue à rendre le groupe motopropulseur de la voiture plus efficace en tirant parti d’une partie de l’énergie cinétique qui aurait autrement été perdue en raison de la chaleur dégagée par les freins et les pneus. Cependant, même combinés au MGU-H, les composants hybrides ne représentent que quelques pour cent de l’efficacité globale, la majeure partie provenant du moteur à combustion lui-même.

Ce que l’augmentation de l’efficacité signifie pour les réservoirs de carburant

L’amélioration de l’efficacité des moteurs de F1 a eu pour effet secondaire intéressant de réduire considérablement la taille des réservoirs de carburant. Dans les règlements précédents, lorsque les voitures utilisaient encore des moteurs V8, les réservoirs de carburant étaient presque deux fois plus grands qu’aujourd’hui. Les voitures de Formule 1 modernes ont un réservoir de 115 litres et ne peuvent pas utiliser plus de 110 kilogrammes de carburant pour parcourir la distance de course d’environ 305 km.

Autrefois, les voitures de F1 utilisaient deux fois plus de carburant pour parcourir la même distance. Parcourir 305 km avec 115 litres de carburant peut sembler peu si l’on compare avec une voiture de route moyenne, mais il est important de se rappeler que ces pilotes ne conduisent pas leur voiture de manière efficace (même si le moteur lui-même est efficace). Au contraire, ils les conduisent aussi vite que possible pour obtenir le meilleur résultat dans la course !

Les moteurs de F1 sont-ils plus efficaces que les voitures de route ?

Les moteurs modernes de F1 sont plus efficaces que ceux des voitures de route. Si l’on compare le rendement thermique du moteur d’une voiture de F1 à celui d’une voiture de route moyenne, les moteurs de F1 sont parfois deux fois plus efficaces. Les voitures de route peuvent atteindre un rendement thermique de 20 à 25 %, alors que les moteurs de F1 atteignent 54 à 56 %.

Rendement thermique et rendement énergétique

Si l’on considère l’efficacité thermique, on constate que la voiture de route moyenne est encore plus mauvaise que la génération précédente de voitures de Formule 1. L’efficacité thermique d’une voiture de route moyenne n’est que de 20 %, soit nettement moins que les 54 à 56 % des voitures de Formule 1 modernes. Le rendement thermique est essentiellement une mesure de la puissance que le moteur peut produire pour une quantité donnée d’énergie qu’il consomme.

En termes de distance, une voiture de route moyenne peut rouler beaucoup plus loin qu’une voiture de Formule 1 en comparaison directe. Cependant, les voitures de F1 sont construites uniquement pour la vitesse et la performance. Plus vous roulez vite, plus vous consommez de carburant. Si une voiture de route devait rouler à fond, elle aurait du mal à parcourir les 305 km de la course avec 115 litres de carburant !

Fait marquant : aucune autre voiture ne peut obtenir autant de performances avec la même quantité de carburant qu’une voiture de F1.

Les moteurs de F1 sont-ils les plus efficaces ?

Les moteurs de F1 sont les moteurs à combustion les plus efficaces utilisés dans les voitures. Les moteurs de F1 atteignent des rendements thermiques supérieurs à 50 %, ce qui est bien plus que n’importe quelle autre voiture de route ou de course sur la planète.

Les moteurs de F1 deviendront-ils plus efficaces en 2026 ?

La question de savoir si les moteurs de F1 deviendront plus efficaces en 2026 dépendra de l’impact de la prochaine série de règlements sur les moteurs. De nouvelles réglementations sur les moteurs sont introduites tous les dix ans environ, et chaque changement s’accompagne de son propre lot de défis que les ingénieurs doivent relever.

Le prochain règlement sur les moteurs, qui entrera en vigueur en 2026, visera à rendre la génération actuelle de moteurs de F1 encore plus efficace. Les voitures seront plus dépendantes des systèmes hybrides, les composants hybrides fournissant une part encore plus importante de la puissance globale de la voiture. L’efficacité des moteurs devrait donc encore augmenter lorsque ces moteurs seront mis en place.

Carburants renouvelables

Outre l’augmentation de la puissance hybride en 2026, les équipes devront également utiliser des carburants 100 % renouvelables dans leurs voitures. Les voitures de Formule 1 utilisent actuellement du carburant E10, ce qui signifie que 90 % du mélange de carburant provient de combustibles fossiles et que les 10 % restants sont de l’éthanol.

En fin de compte, la combinaison de carburants renouvelables et d’une augmentation de la puissance hybride conduira à un sport automobile plus vert et plus respectueux de l’environnement, ce qui est l’objectif final de la Formule 1. Toutefois, il faudra beaucoup de travail aux ingénieurs pour y parvenir.

Le mot de la fin

Les moteurs de F1 comptent parmi les moteurs à essence les plus économes en carburant de la planète. Ils sont si efficaces grâce aux décennies de recherche et de développement qui ont permis au moteur à combustion de devenir le moteur automobile le plus efficace de la planète. Le groupe motopropulseur hybride contribue également à rendre l’unité de puissance plus efficace.