Qu'est-ce que l'ERS en F1 ?

Qu’est-ce que l’ERS sur une voiture de F1 ?

L’ERS est le système de récupération d’énergie d’une voiture de F1, composé principalement du réservoir d’énergie, du MGU-K et du MGU-H. L’ERS permet aux pilotes de bénéficier d’un surcroît de puissance d’environ 160 CV pendant environ 33 secondes par tour, en utilisant l’énergie récupérée du freinage par récupération et des gaz d’échappement.

Le groupe motopropulseur d’une voiture de F1 est l’ensemble des composants qui font avancer la voiture. La plupart des gens pensent qu’il s’agit simplement du moteur de la voiture, mais il s’agit en fait d’une unité de puissance, ou PU, car elle est composée de plusieurs éléments vitaux qui travaillent ensemble pour donner à la voiture une énorme quantité de puissance, environ 1000 CV.

Le groupe motopropulseur est constitué de nombreux composants différents, mais les principaux à prendre en compte sont le moteur, le turbocompresseur et les MGU-H et MGU-K. Nous en parlerons plus précisément dans des sections ultérieures, mais MGU est l’abréviation de Motor Generator Unit (unité moteur-générateur), tandis que le H est pour Heat (chaleur) et le K pour Kinetic (cinétique).

Taille du moteur

Depuis 2014, les moteurs utilisés dans les voitures de F1 sont des V6 hybrides de 1,6 litre. Ce sont des moteurs à combustion interne, ou ICE, et ils fonctionnent à l’aide d’un système traditionnel à 4 temps que l’on trouve sur votre voiture normale. Avec quelques composants supplémentaires, comme des bougies d’allumage spéciales et des systèmes d’injection de carburant précis, il aspire le carburant et l’air dans les cylindres, les comprime et les enflamme, et rejette les gaz d’échappement.

Là où le groupe motopropulseur diffère de celui de votre voiture de route, c’est dans la puissance qu’il peut fournir aux voitures. Ils sont capables de fournir plus de 1000 chevaux, ce qui est une puissance énorme pour une voiture qui pèse moins d’une tonne. Le moteur lui-même produit environ 700BHP, le reste de la puissance étant fourni par les groupes moto-générateurs que cet article va vous expliquer.

Stockage de l’énergie

Ces unités génèrent et utilisent l’énergie qui est stockée dans un magasin d’énergie supplémentaire (ES) ou un système de stockage d’énergie (ESS), qui est essentiellement une grande batterie lithium-ion. Son poids est réglementé entre 20 et 25 kg. Elles sont également réglementées en ce qui concerne la quantité d’énergie qu’elles peuvent stocker et fournir.

Les batteries de la F1 fonctionnent en prenant l’énergie générée par les MGU-K et MGU-H et en la stockant jusqu’à ce que le pilote ait besoin de l’utiliser. À ce moment-là, il suffit d’appuyer sur un bouton pour qu’une partie de cette énergie soit redirigée vers le turbocompresseur et les roues arrière afin d’augmenter la puissance jusqu’à environ 160 ch.

Cette augmentation de puissance peut être utilisée pendant environ 33 secondes par tour, ce qui représente évidemment un avantage considérable pour les pilotes. Le MGU-K est utilisé pour récupérer l’énergie « perdue » des roues lors de la décélération et la transmettre au réservoir d’énergie pour une utilisation ultérieure. La MGU-H fonctionne de manière similaire, bien qu’elle soit liée au turbocompresseur.

La MGU-K peut récolter 2MJ par tour et déployer 4MJ par tour, tandis que la MGU-H peut récolter une quantité illimitée, mais ne peut déployer que 2MJ par tour. L’énergie de la MGU-H peut être utilisée pour alimenter la MGU-K ou être envoyée dans le magasin d’énergie.

Turbocompresseur

Le turbocompresseur est un composant clé de ces moteurs, et il est lui-même composé de deux parties principales. La première partie est la turbine, qui est reliée à la porte d’échappement du moteur. Les gaz d’échappement du moteur s’écoulent de la sortie d’échappement vers la turbine et font tourner la turbine, qui est reliée par un arbre à un compresseur.

Ce compresseur tourne avec la turbine, aspirant de l’air supplémentaire et poussant cet air dans le moteur. Cela augmente la quantité d’oxygène disponible pour être envoyé dans le moteur, ce qui permet au moteur de brûler plus de carburant plus rapidement pour plus de puissance. Le MGU-H est fixé au turbocompresseur et fonctionne de la même manière que le MGU-K pour envoyer l’énergie  » perdue  » vers le réservoir d’énergie.

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Comment les voitures de F1 récupèrent-elles l’énergie ?

Les voitures de F1 récoltent l’énergie grâce au système de récupération d’énergie, composé du MGU-K dans les freins et du MGU-H dans le turbocompresseur. Ces groupes moto-générateurs récupèrent l’énergie perdue au freinage sous forme d’énergie cinétique et de chaleur perdue dans les gaz d’échappement, avant de la renvoyer vers le réservoir d’énergie.

Énergie résiduelle

Nous avons déjà mentionné le mot énergie à plusieurs reprises, et plus particulièrement l’énergie résiduelle. Ce mot a été mis entre guillemets pour une bonne raison. En effet, le groupe motopropulseur de la voiture ne peut être efficace que dans une certaine mesure, car il perd beaucoup d’énergie à chaque étape en raison de la friction, qui produit de la chaleur qui se perd dans l’atmosphère. Ce phénomène est commun à tous les équipements mécaniques et constitue un défi pour les ingénieurs.

Ainsi, l’énergie perdue en question n’est pas gaspillée pour le plaisir, car elle est au contraire inévitable lorsqu’il s’agit de moteurs à combustion. La deuxième idée à retenir concerne la première loi de la thermodynamique. Celle-ci stipule que l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais seulement transformée. En fait, elle ne peut que passer d’une forme à une autre, et non être « fabriquée » ou « perdue ».

Nous devons donc examiner ce qui se passe avec l’énergie contenue dans une voiture lorsqu’elle roule. Le moteur utilise du carburant et de l’oxygène pour générer de l’énergie mécanique par combustion. L’énergie chimique du carburant et de l’oxygène est brûlée, et l’énergie mécanique des pistons est convertie en énergie cinétique dans les roues, faisant avancer la voiture.

Perte de chaleur

À chaque étape du processus, de la chaleur est générée, qui est une autre forme d’énergie. Elle est due au frottement des composants les uns contre les autres, ainsi qu’à un sous-produit de la combustion elle-même. Mais une grande quantité de chaleur est générée au niveau des roues en particulier, notamment lorsque la voiture freine intensément. C’est le frottement entre les plaquettes et les disques de frein qui ralentit la voiture.

Il en résulte une grande quantité d’énergie thermique « perdue ». Il est important d’en tenir compte pour la MGU-K. Le MGU-K et le MGU-H utilisent tous deux la chaleur, ou l’énergie thermique, pour fournir de l’énergie au réservoir d’énergie. Pour ce faire, ils convertissent l’énergie thermique en énergie électrique au moyen d’un système de moteur. D’où le nom d’unité moteur-générateur.

Le moteur

Un moteur est un composant électrique qui tourne lorsqu’il reçoit une entrée d’énergie. Dans le cadre d’un circuit, cette énergie d’entrée est de l’énergie électrique, et le moteur tourne en la convertissant en énergie cinétique. Ces moteurs peuvent être utilisés pour faire tourner des objets tels que des roues ou des turbines. Cependant, en faisant tourner le moteur mécaniquement, on peut aussi retransformer l’énergie cinétique en énergie électrique.

C’est ce qu’on observe avec la dynamo commune que vous avez peut-être sur votre vélo. Essentiellement, lorsque les roues tournent, le moteur de la dynamo tourne, ce qui, par le biais d’une électronique complexe que nous espérons simplifier ci-dessous, fournit de l’énergie à un autre appareil électronique, comme la lampe de votre vélo. Cette énergie peut également être stockée, ce qui est la base des MGU.

L’électronique d’une voiture de F1

Dans la dernière section, nous avons donné quelques explications de base sur l’énergie et certains concepts communs liés aux unités moteur-générateur que nous allons enfin aborder plus en détail. Mais comment le moteur de ces unités transforme-t-il l’énergie cinétique, ou rotative, du moteur en énergie électrique, qui peut ensuite être stockée pour une augmentation de puissance ultérieure ?

Comprendre le moteur

Comme nous l’avons dit, le moteur peut tourner sous l’effet de l’énergie électrique ou de l’énergie cinétique ou mécanique. Pensez à un ventilateur sur votre bureau qui vous garde au frais en été. Vous l’allumez et l’énergie électrique fait tourner les pales du ventilateur. Mais vous pouvez aussi les faire tourner avec vos mains, même lorsque l’électricité est coupée.

Ce qui se passe avec les deux MGU d’une voiture de F1 est un processus similaire. Ils contiennent tous deux des moteurs, comme leur nom l’indique, et ces moteurs peuvent être mis en rotation par l’apport d’énergie électrique provenant du stock d’énergie, comme un moteur traditionnel. Ils peuvent également être utilisés comme une dynamo, en utilisant l’énergie cinétique externe pour faire tourner les moteurs, puis en convertissant cette énergie en électricité.

Générer du courant

La manière dont ils procèdent est assez complexe. Essentiellement, le moteur est constitué de fils et d’aimants. Lorsque des fils sont placés dans un champ magnétique rotatif, du courant peut être généré dans les fils, même s’ils ne sont pas connectés à une source d’alimentation. Ce champ magnétique rotatif est créé par la rotation du moteur, qui est entraîné par des forces externes qui sont différentes pour la MGU-H et la MGU-K.

Le mouvement d’un rotor peut donc être utilisé dans le sens inverse pour générer de l’énergie électrique, ou simplement de l’électricité, à partir de l’énergie cinétique. Il s’agit d’un concept essentiel pour les deux MGU. Voyons d’abord comment cela fonctionne pour la MGU-H, et nous espérons que cela commencera à avoir plus de sens si ce n’est déjà fait.

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Qu’est-ce que le MGU-H d’une voiture de F1 ?

La MGU-H d’une voiture de F1 est l’unité moteur-générateur-chaleur. Le MGU-H est relié au turbocompresseur, et lorsque les gaz d’échappement le traversent, une turbine de générateur tourne, envoyant de l’énergie électrique au magasin d’énergie. Cette énergie peut ensuite être utilisée comme générateur pour faire tourner le turbo et augmenter la puissance du moteur.

Le turbocompresseur fonctionne en utilisant les gaz d’échappement pour faire tourner une turbine. Celle-ci fait tourner un compresseur qui augmente l’admission d’air du moteur, ce qui accroît la puissance de sortie. Le turbocompresseur a besoin que le moteur fonctionne à plein régime afin de fournir suffisamment de gaz d’échappement pour faire tourner la turbine.

Lorsque le conducteur relâche l’accélérateur, le moteur cesse de travailler aussi intensément et il y a beaucoup moins de gaz d’échappement qui sortent de la vanne de décharge. Cette quantité n’est pas suffisante pour faire tourner la turbine, et le compresseur s’arrête également de tourner. Ce n’est pas grave, car le moteur n’a pas besoin de puissance supplémentaire lorsque le conducteur décélère. Le problème se pose lorsqu’il remet le pied à terre.

Le retard du turbo

Lorsque la voiture recommence à accélérer, la turbine a besoin d’une ou deux secondes pour se mettre à niveau avec les gaz d’échappement qui lui sont fournis, de sorte que le compresseur ne fournit pas instantanément l’air supplémentaire au moteur. Ce délai entre le moment où le conducteur appuie sur la pédale d’accélérateur et celui où le moteur reçoit le surcroît de puissance dû à l’air supplémentaire fourni par le compresseur est appelé décalage du turbo.

C’est là que le MGU-H entre en jeu. Lorsque le conducteur appuie sur la pédale d’accélérateur, la turbine subit toute la force des gaz d’échappement qui sortent du moteur. Le compresseur ne peut pas tourner plus vite, il faut donc réguler la turbine. On y parvient en évacuant une partie des gaz d’échappement de la turbine.

Plus de conversion d’énergie

Le MGU-H est situé entre la turbine et le compresseur, et cet excès de gaz d’échappement est envoyé à travers lui. Le MGU-H est équipé d’un moteur qui tourne lorsque les gaz d’échappement le traversent, convertissant l’énergie cinétique des gaz d’échappement chauds en énergie électrique grâce au processus décrit ci-dessus, les aimants du moteur générant de l’électricité dans le câblage.

Cette énergie est envoyée au système de stockage d’énergie. Lorsque le conducteur relâche la pédale d’accélérateur, les gaz d’échappement cessent de passer par le MGU-H, et lorsqu’il appuie à nouveau sur l’accélérateur, le système de stockage d’énergie envoie de l’électricité directement au compresseur pour le faire tourner immédiatement.

Élimination du décalage du turbo

Cela signifie qu’il n’y a pas de délai entre le moment où le conducteur appuie sur la pédale d’accélérateur et celui où le compresseur tourne, ce qui signifie que le MGU-H élimine le décalage du turbo. Cela signifie que le conducteur peut bénéficier d’une forte augmentation de puissance immédiatement. Il n’y a pas de limite à la puissance que la MGU-H peut générer, bien que l’ESS soit toujours limité dans la quantité d’énergie qu’il peut envoyer à l’unité de puissance à chaque tour.

Une chose à noter à propos de ces deux unités est le fait qu’il s’agit de pièces de technologie très avancée, et qu’elles sont donc chères à construire. Le MGU-H est l’une des pièces les plus chères de la voiture, et il est prévu qu’il soit retiré des moteurs lorsque les règlements changeront en 2026.

Qu’est-ce que le MGU-K d’une voiture de F1 ?

Le MGU-K d’une voiture de F1 est le Motor Generator Unit Kinetic. Il est relié aux roues arrière de la voiture et récupère l’énergie perdue lorsque la voiture décélère. Son moteur tourne pour générer de l’énergie électrique au freinage, et il peut alors déployer environ 160 CV aux roues arrière lorsque cela est nécessaire.

Le MGU-K est le plus complexe des deux systèmes. Comme nous l’avons dit, lorsque des fils sont placés dans un champ magnétique rotatif, un courant est produit. Plus le moteur tourne vite, plus le courant est produit. Le MGU-K est composé d’un moteur, similaire au MGU-H. Dans ce cas, cependant, il est relié au vilebrequin, qui transforme le mouvement du piston du moteur en mouvement de rotation des roues.

Lorsque les roues tournent, le moteur de la MGU-K tourne, ce qui signifie que les aimants tournent. Maintenant, lorsque la MGU-K est en mode moteur, elle prend de l’énergie électrique dans le réservoir d’énergie et la convertit en énergie cinétique, tout comme la MGU-H le fait avec le compresseur. Cela fournit un surcroît de puissance aux roues.

En cas d’accélération

La MGU-K est en mode moteur lorsque la voiture accélère, contrairement à la MGU-H, qui est en mode générateur lorsque la voiture accélère. Elle prélève les gaz résiduels du moteur et stocke leur énergie cinétique sous forme d’énergie électrique dans l’ESS. En mode moteur, l’augmentation de la puissance de l’ESS s’ajoute à l’énergie mécanique du moteur qui entraîne les roues en permanence.

Maintenant, lorsque l’on relâche l’accélérateur ou que l’on freine, le MGU-K passe en mode générateur. Lorsque la voiture décélère, les roues continuent de tourner, et ce, dans le même sens que lorsqu’elles accélèrent. La différence réside dans le fait que le moteur de la MGU-K cesse d’être entraîné par l’énergie électrique de l’ESS.

Récupération de l’énergie résiduelle

Au lieu de cela, le moteur continue à tourner uniquement grâce à l’énergie de rotation des roues. Cela signifie que le moteur tourne sans source d’énergie électrique, et que les aimants du moteur qui continue à tourner tournent, ce qui entraîne le retour du courant vers le système de stockage d’énergie. Cela se produit lors de la décélération ou du freinage, en utilisant l’énergie « gaspillée » perdue par le ralentissement des roues.

L’énergie électrique est renvoyée vers le système de stockage d’énergie, ce qui équivaut à une puissance maximale d’environ 160 chevaux. Cependant, la manière dont il procède est assez compliquée. Essentiellement, l’électricité est générée par le MGU-K parce que la rotation des roues entraîne la production de courant dans la direction opposée à celle dans laquelle le moteur « préférerait » tourner.

Essentiellement, lorsque la MGU-K est en mode moteur, elle prend l’énergie électrique de l’ESS et l’envoie aux roues en faisant tourner le moteur dans une certaine direction. Cette direction est celle qui offre le moins de résistance et permet donc le transfert le plus efficace de l’énergie de l’ESS aux roues, et donc la plus grande puissance.

Résistance

Cependant, lorsque le MGU-K est contraint de travailler dans le sens inverse, en prenant l’énergie cinétique des roues pour la transformer en énergie électrique, il est obligé d’envoyer du courant dans l’autre sens. Il préférerait tourner dans le sens opposé aux roues, car cela générerait moins de résistance dans le circuit. Au lieu de cela, il est essentiellement obligé de travailler contre lui-même.

Cette résistance supplémentaire que le moteur doit surmonter pour générer le courant nécessite beaucoup d’énergie cinétique. Heureusement, il peut prendre cette énergie cinétique des roues, ce qu’il fait très rapidement. En cas de décélération, par exemple lorsque le conducteur freine, les roues « perdent » leur énergie cinétique en raison de la friction, ce qui les ralentit, ainsi que la voiture.

Pas assez par lui-même

Le MGU-K récupère une partie de cette énergie « perdue » tout en contribuant à ralentir la voiture plus rapidement. La MGU-K n’offre pas suffisamment de résistance à elle seule pour arrêter complètement la voiture, car il faudrait un énorme moteur et une grande batterie pour stocker l’énorme quantité d’énergie électrique qu’elle produirait. Mais le ralentissement de la voiture n’est pas son objectif principal.

Son objectif principal est plutôt de faire ce que fait le MGU-H, c’est-à-dire récupérer l’énergie cinétique autrement « gaspillée » par les roues en décélération et la transformer en énergie électrique, qui peut ensuite être envoyée au magasin d’énergie. De là, elle peut être envoyée à la fois au compresseur du turbocompresseur ou aux roues elles-mêmes lorsque l’on appuie sur l’accélérateur, ce qui donne à la voiture cette augmentation massive de puissance.

Nos conclusions

Le système ERS d’une voiture de F1 est utilisé pour récupérer ce que l’on peut appeler l’énergie perdue, et l’utiliser pour donner à la voiture une augmentation de puissance de plusieurs centaines de CV à chaque tour. Il est constitué de nombreux composants différents, qui font tous partie du groupe motopropulseur de la voiture. Les deux principaux composants sont le MGU-H et le MGU-K.