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L'atelier de Formula 
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#41 - Le Docteur
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Message L'atelier de Formula
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Dans ce topic on va parler de mécanique, en rapport à la Formule 1 et au reste bien entendu. Comment marche un turbo, l'histoire du pneu, les trains roulants, l'aérodynamisme, etc etc ....

-SOMMAIRE-
  • 1 - Le turbocompresseur
  • 2 - L'Ă©chappement (Prochainement)
  • 3 - La boite de vitesse
  • 4 - Le moteur 4 temps

-AUTRES PAGES TECHNIQUES-

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Dernière édition par formula80 le Sam 7 Déc 2013 13:24, édité 1 fois.



Mar 26 Nov 2013 12:48
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#41 - Le Docteur
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L’atelier de Formula – Le turbocompresseur


2014 marque un changement dans le règlement technique pour les moteurs en Formule1 : Le retour du turbo ! Égérie des années 70-80, la motorisation turbo refait son apparition aujourd’hui dans des soucis écologiques et économiques. Détesté dès son annonce par certains fans, elle semble attirer de nouveaux constructeurs comme Honda pour 2015. Mais avant tout, ça marche comment un turbocompresseur ?

1 – Une histoire fumante
Tout commence avec le principe de suralimentation, au début du 20ème siècle. En décembre 1902, Louis Renault dépose un brevet pour « un dispositif augmentant la pression des gaz admis dans les cylindres des moteurs à explosion, consistant à intercaler un ventilateur ou un compresseur. ». La base est là, il faudra attendre 1905 pour que le turbocompresseur soit conçu pour un moteur à explosion, par l’ingénieur suisse Alfred Büchi.

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La Renault RS01, première Formule1 à turbo.

La première fois qu’on entend parler du turbo en Formule1 c’est en 1977, ou Renault s’engage en championnat du monde avec la RS01 équipé, déjà à l’époque, d’un V6 turbo de 1500 cc de cylindrée. La fiabilité n’était pas au rendez-vous - ce qui vaudra le surnom de « Yellow Tea Pot » par ses casses mécaniques laissant s’échapper une fumée blanche - et la voiture développait tellement de couple que sa conduite était délicate. Il aura fallu attendre le Grand prix de France 1979 pour que Jean-Pierre Jabouille décroche sa première victoire au volant de la RS10, mais personne ne prenait le risque de franchir le pas, conservant ses moteurs V8 ou V12 classique. Il faudra attendre 1981 pour que Hart développe un quatre cylindre équipé du turbo, suivi par BMW et Ferrari en 1982, et par d’autres constructeurs comme Alfa Romeo, Tag Porsche, Honda et autres. Il sera banni pour 1989. Le turbo ne disparait pas complétement du sport automobile, il sera toujours présents en rallye ou en circuit, et l’est toujours aujourd’hui.


2 – Le principe de fonctionnement

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Schéma de fonctionnement d’un turbocompresseur

Certains d’entre vous ont dû se poser la question quand je disais du turbo : « Souffler, c’est triché ! » Bah oui, utiliser un turbo permet de donner un coup de pied au cul à un moteur atmosphérique.
Normalement, l’air (Frais) entre dans le moteur par le biais du filtre à air avant de passer dans le collecteur d’admission qui le distribuera à chaque cylindre du moteur. S’en suit ensuite les quatre temps moteurs avec la sortie des gaz (Chaud) d’échappement, passant dans le collecteur, et la ligne avec le catalyseur et le silencieux. C’est le principe du moteur atmosphérique.
Le principe d’un moteur à turbo est différent, car on place notre pièce en entrée et sortie de notre moteur.

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Circuit de montage du turbo sur le moteur

Dans ce cas, la turbine est placée après le collecteur d’échappement, les gaz chauds passant dedans l’entrainant à grande vitesse. Celle-ci est reliée par un axe à un compresseur, qui lui est placé à l’entrée du circuit d’admission d’air. Le compresseur est une centrifugeuse aspirant et comprimant l’air admis, en l’envoyant dans le collecteur puis dans le moteur. Il se peut aussi que les gaz soient refroidis par l’eau. Ceci s’explique par la compression des gaz, ceux-ci chauffent et peuvent entrainer du cliquetis (Aussi appelé auto-allumage, la bête noire du motoriste qui fait beaucoup de dégâts). Un gaz chaud est moins dense que quand il est froid car il contient moins de molécules d’oxygène pour un même volume.

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Circuit de montage du turbo sur le moteur avec intercooler

Grace à cette technique, on brûle moins de carburant, les gains pour le turbo sont faibles. Le rendement du moteur en dépend par la température de l’air et des gaz d’échappement. Les performances du moteur seront excellentes si la différence des températures est élevée, mais la température de l’air admis est aussi importante, car s’il est trop chaud, le moteur peut se dégrader en performance et en rendement.
En fait, la quantité du mélange air/carburant augmente légèrement, et la puissance du moteur augmente tout en diminuant la consommation de carburant. On obtient donc la puissance d’un moteur de cylindrée supérieure, en réduisant les pertes mécaniques qui sont liées aux grandes cylindrées. Un V6 turbo peut avoir la puissance d’un moteur V8 ou V10 atmosphérique.
L’avantage qu’apporte le turbo également est qu’il soit compacte et léger – Enfin quand vous l’avez dans la main on peut se poser des questions – mais il ne fonctionne qu’à haut régime. En effet, à bas régime vous n’aurez pas de puissance, mais le haut régime lui permettra de donner toute la puissance qu’il propose. C’est ce qu’on appelle le temps de réponse. On peut accroitre la puissance d’un moteur turbo, grâce à une soupape appelé wastegate. Celle-ci permet de dévier les gaz d’échappements de la turbine du turbo et de passer directement dans l’échappement, et ainsi de régulariser la vitesse de rotation de la turbine. Cela permet de préserver également le turbo, et surtout de réduire son temps de réponse pour un fonctionnement plus rapide.


3 – Attention c’est chaud !
Le problème du turbo, c’est qu’il est fragile. Il a deux contraintes : L’axe de la turbine constamment en friction, et la température généré par les gaz d’échappements. Et pour le préserver, il se veut qu’il partage le même système de lubrification d’huile avec le moteur. Mais cela à un inconvénient lors de l’arrêt du moteur, car vu que la pompe à huile n’est plus entrainée, le turbo n’est plus lubrifié correctement. L’huile présente entre l’axe et le palier de la turbine va chauffer (En atteignant à 1000°C et plus) excessivement et va se crée du résidu solides qui va produire à la longue un jeu dans l’axe. Et vu qu’elle est encore entrainée, la turbine peut casser par ses contraintes thermiques et mécaniques importantes. Attendez-vous à voir de la fumée blanche en 2014 si les équipes n’y pensent pas, ce qui serait idiot de leur part.
Une solution existe ! En reposant les axes sur des roulements à billes, la fiabilité est augmentée dans le temps, et les risques de casses sont réduits.


4 – Il tourne il tourne, le turbo !
J’ai pu voir que certains d’entre vous était surpris sur la vitesse de rotation suite aux déclarations de Martin Whirtsman … « Whitmarsh !!! » Oui Whitmarsh. Je les confonds tous les deux.
Donc si le moteur tournera à un régime limité à 15 000 tr/min, le turbo tournera quant à lui dix fois plus vite. Son régime moyen peut être compris entre 100 000 et 200 000 tr/min. Par un point aérodynamique, cela s’explique par la taille de la turbine, car si elle est petite, plus elle réagira tôt et plus la puissance de moteur maximale baissera. On peut calculer sa taille par le « trim ». Admettons, par le schéma :

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Calcul et mesure du « trim »

Si le repère D vaut 20, cela donnerait :
TRIM = (20/100)²x100 = 4
Et si le repère F vaut 40, cela donnerait :
TRIM = (40/100)²x100 = 16

Il y a aussi une spécification du turbo, appelé TGV. Cela ne veut pas dire Turbo à Grande Vitesse, mais Turbine à Géométrie Variable. Il permet de réguler la circulation des gaz d’échappement au niveau de l’entrée de la turbine, en ajustant ainsi le débit afin d’optimiser la puissance de la turbine en fonction de la charge demandée. Ceci est le compromis entre un petit turbo fonctionnant à bas régime, et un turbo plus gros qui fonctionne à haut régime, mais aura un temps de réponse important. Le système permet donc de rendre la plage d’utilisation du moteur plus grande.

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Turbo avec Turbine à Géométrie Variable


5 – Aujourd’hui dans l’automobile
Si la Formule1 se met au V6 Turbo, c’est pour mieux se rapprocher de l’automobile actuelle. Aujourd’hui, les moteurs de petites cylindrés sont maintenant équipés de turbo pour augmenter leur puissance et rendement, comme le moteur 1.0l ecoBoost de Ford développant 100 ch, équipé de trois cylindres. Ceci permet de développer les caractéristiques d’un moteur 1.6l classique. Moins gros, plus économe, et plus puissant, plus dans l’époque d’aujourd’hui. Si sur le papier cela à l’air ridicule, mais ce type de moteur commence à se banaliser dans les véhicules de milieu de gamme. Dans le haut de gamme les V6 ou V8, voir V10 sont équipés d’un turbo. Il est encore rare de trouver aujourd’hui des V10 ou V12 atmosphériques.

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Jeu 28 Nov 2013 13:54
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J'ai enfin pris le temps de tout lire. Bien fait le dossier merci, j'ai approfondis certaines connaissances ^^ Pourquoi n'as-tu pas parlé des points faible du turbo ? Je pense surtout au temps de latence (turbo lag)

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Mar 3 DĂ©c 2013 17:41
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fisico_6403 a Ă©crit:
Pourquoi n'as-tu pas parlé des points faible du turbo ? Je pense surtout au temps de latence (turbo lag)

C'est ce que j'appelle le temps de réponse, que je cite (Enfin je crois ^^).

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Mar 3 DĂ©c 2013 19:12
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Intéressant tout ça mais mon cerveau fatigué n'a pas tout assimilé :mrgreen:

Sinon, petite anecdote :

Citation:
On peut accroitre la puissance d’un moteur turbo, grâce à une soupape appelé wastegate. Celle-ci permet de dévier les gaz d’échappements de la turbine du turbo et de passer directement dans l’échappement, et ainsi de régulariser la vitesse de rotation de la turbine. Cela permet de préserver également le turbo, et surtout de réduire son temps de réponse pour un fonctionnement plus rapide.

Renault en 1986 retirait carrément ces wastegate et leurs moteurs arrivaient à faire un run de qualif sans casser (lancement, tour rapide, décélération), ce qui aidait un peu ce cher Ayrton à taper quelques chronos. Prost voyant ça a demandé à ce que l'on fasse pareil avec le TAG Porsche, Dennis a refusé avant de le prévenir que c'est Prost qui payerait la facture du moteur en cas de casse. Et à peine le tour de lancement fini que le Porsche cassait... :mrgreen:

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Mar 3 DĂ©c 2013 20:38
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C'est vrai qu'a l'age d'or des turbos en F1, la puissance des turbos étaient modifiés pour les qualifs, pour qu'ils donnent le maximum. A prendre avec des pincettes, mais certains atteignait pas loin des 1000 CH (Source d'un ancien prof du lycée).
Et aussi les pilotes, avant d'entrer dans un virage, accélérait plus tôt par rapport au temps de réponse du turbo, et faisait donc pour la plupart du pied gauche (Ou du talon pointe aussi).

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Mar 3 DĂ©c 2013 21:32
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J'ai bien aimé.

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Mar 3 DĂ©c 2013 21:47
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formula80 a Ă©crit:
A prendre avec des pincettes, mais certains atteignait pas loin des 1000 CH (Source d'un ancien prof du lycée).


C'est le chiffre qui circule le plus sur les Internets.


Mar 3 DĂ©c 2013 22:00
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On parle de 1100 ch pour le BMW de l'Ă©poque.

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Mar 3 DĂ©c 2013 22:18
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Moteur qualif ou moteur course ?

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Mer 4 DĂ©c 2013 13:31
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benoit_sokal a Ă©crit:
Moteur qualif ou moteur course ?


qualif bien sur.


Mer 4 DĂ©c 2013 20:23
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Citation:
5 – Aujourd’hui dans l’automobile
Si la Formule1 se met au V6 Turbo, c’est pour mieux se rapprocher de l’automobile actuelle. Aujourd’hui, les moteurs de petites cylindrés sont maintenant équipés de turbo pour augmenter leur puissance et rendement, comme le moteur 1.0l ecoBoost de Ford développant 100 ch, équipé de trois cylindres. Ceci permet de développer les caractéristiques d’un moteur 1.6l classique. Moins gros, plus économe, et plus puissant, plus dans l’époque d’aujourd’hui. Si sur le papier cela à l’air ridicule, mais ce type de moteur commence à se banaliser dans les véhicules de milieu de gamme. Dans le haut de gamme les V6 ou V8, voir V10 sont équipés d’un turbo. Il est encore rare de trouver aujourd’hui des V10 ou V12 atmosphériques.


pourquoi ce moteur est-il contesté dans ce cas ?


Jeu 5 DĂ©c 2013 18:26
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Parce que y'en a qui sont nostalgique du genre "c'Ă©tait mieux avant" et que si on les Ă©coutait, les F1 seraient toujours en aluminium avec des freins en acier et un levier en bois sur les mĂŞmes 6 circuits de consanguins. :mrgreen:

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Ven 6 DĂ©c 2013 00:06
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En tous cas c'est ce dont a besoin FF1, à savoir des dossiers de qualités qui pourraient être mit en avant pour promouvoir notre Forum 8-)

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Exactement. 8-)

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Ven 6 DĂ©c 2013 00:31
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Yassence a Ă©crit:
Parce que y'en a qui sont nostalgique du genre "c'Ă©tait mieux avant" et que si on les Ă©coutait, les F1 seraient toujours en aluminium avec des freins en acier et un levier en bois sur les mĂŞmes 6 circuits de consanguins. :mrgreen:


je me sens visé :mrgreen:


Ven 6 DĂ©c 2013 09:58
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Yassence a Ă©crit:
Parce que y'en a qui sont nostalgique du genre "c'Ă©tait mieux avant" et que si on les Ă©coutait, les F1 seraient toujours en aluminium avec des freins en acier et un levier en bois sur les mĂŞmes 6 circuits de consanguins. :mrgreen:

Si seulement. Image :vieuxcon:

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Sam 7 DĂ©c 2013 03:26
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Vraiment interessant, j'ai pris ltemps de lire aussi, et t'as répondu à pas mal de mes interrogations sur le turbo, merci m'sieur ! 8-)

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A quand les prochains articles ?

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Mer 15 Oct 2014 12:03
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Message Re: L'atelier de Formula
JohanneDelannoy a Ă©crit:
A quand les prochains articles ?

Coming soon :wink: Pour le deuxième dossier ce sera sur le fonctionnement du moteur 4 temps.

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