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Comment le règlement a permis de réduire de 30% la

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Comment le règlement a permis de réduire de 30%
la consommation en F1 ?
Nicolas Espesson
Ingénieur Piste
Sommaire
 La constitution d’un V6 de F1
 Les principaux point du règlement
 Les 4 principales phases d’utilisation
 Le management de l’énergie
 La gestion de la consommation
22/03/2016 Nicolas ESPESSON – Conférence CNAM - Comment le règlement a permis de réduire de 30% la consommation en F1 ?
Les composants
+ WASTE GATE
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Les différentes règlementations
2005
Cylindrée
Configuration moteur
2006
2007
2008 à 2013
2014-2015
<3.0L
<2.4L
=1.6L
10 cylindres
V8 à 90°
V6 à 90°
Moteur thermique
Atmosphérique
(Mono) Turbo
Débit essence
libre (≈155kg/h)
100kg/h
libre (≈150kg)
100kg
Indirecte (<100bar)
Directe (<500bar)
Consommation/course
Injection
libre
Régime maxi (tr/min)
19 000
interdit
MGUK
E(kJ/tour) / P(kW)
MGUH
E(kJ/tour) / P(kW)
Balance de freins Av/Ar
Boite vitesses
Masse moteur
libre
18 000
15 000
≥2009
oui
400kJ/tour
60kW
4MJ/tour de la batterie
120kW
interdit
oui
interdit
non limitée
mécanique
Brake by wire
7 rapports (+MA)
8 rapports (+MA)
95kg mini
145kg mini
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Règlementation
 Essence
100 kg / course
 100 kg/h maxi
 Moteur thermique
 15 000 tr/min maxi
 Systèmes de récupération d’énergie
 MGUK : +/- 120kW maxi
 Pas de limitation pour le MGUH
 Eswing < 4MJ
 Batt  Kmax = 4MJ / lap
 K  Battmax = 2MJ / lap

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Passage de rapports
1ère
2nde
3ème
4ème
5ème
6ème
7ème
Régime (tr/min)
8ème
Puissance (kW)
optimum
30 0
40 00
Vitesse (km/h)
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Les différentes phases moteur
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Freinage
 Conditions :
Pédale = 0%
 Pression Frein > 0
 Utilisation du MGUK :
 Mode récupératif à -120kW
 Recharge de la batterie
 Utilisation du « Brake By Wire »

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Charge partielle
 Conditions :
1% < Pédale < 99%
 Utilisation MGUK :
 Le moteur thermique est capable de réaliser la demande de couple:
 MGUK = 0
 MGUK en mode recharge  la consommation augmente = Overload
 Le moteur thermique n’est pas capable de réaliser la demande de couple:
 MGUK en décharge ponctuellement:
 Pour compenser le retard des actionneurs
 Pour masquer le manque de suralimentation
 Pour économiser de l’essence
 Utilisation du MGUH :
 Relance du turbo / Permet de compenser le « turbo lag »

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La pleine charge
 Richesse de puissance maxi :


Pour un débit d’air donné
Pour un débit d’essence donné
≈ 1.12
≈ 0.85
CSE ( g / kWh ) 
Puissance et CSE = f(Richesse)
Débit Carburant (g/h)
Puissance Vilebrequin (kW)
CSE (g/kWh) / Puissance (kW)
140%
Puissance
V8 Atmo
CSE
100%
V6 Turbo
60%
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3 Richesse (-)
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La pleine charge
↗ PMIHP
↘GBR  ↗ avance à l allumage)
Ln(P/Padm) = Ln(V/V0)
4.5
Course
Quali
4
3.5
Ln(P/3.18)
3
2.5
2
1.5
Meilleure PMIBP
1
4.5 bar
3.18 bar
2.5 bar
0.5
0
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Ln (V/V0) 2.5
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Dimensionnement du MGUH
 Puissance compresseur :



Débit d’air
= Ks x Qfuel / Richesse
= 1730 kg/h
RPM  PSural 
Cylindrée


 RDVL
Débit d’air moteur =


2
 R  Tplenum 
PSural= 3180 mbarA
Puissance compresseur
 Puissance Turbine :

Puissance turbine
C p  Qair  ( PiC
=
= 75 kW
 1

 1)  Tambiant
compressor
1
= C p  Qair  essence (1  PiD

)  TExhaust  turbine
 La récupération du MGUH est imposée par la turbine… avec d’importantes conséquences:



75kW  Pturbine = 75 + 75 =150kW
PiD = 4.50
ΔPmoteur= -1320mbar
35kW  Pturbine = 75 + 35 = 110kW
PiD = 2.82
ΔPmoteur= +360mbar
RDVL=1; Cyl= 1.6L; RPM=10500rpm; Tplenum=50°C ; Tambiant=25°C ɳcomp=ɳturbine=75% ; Texhaust = 850°C; Ks=14.7 ; Qfuel=100kg/h
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La pleine charge « course »
 Conditions :
Pédale = 100%
 Moteur thermique:
 Débit d’essence maximum
 Au plus proche du cliquetis
75kW
 Utilisaion du MGUK :
4.5bar
 120kW en décharge
 Utilisation du MGUH :
 Mode récupératif avec waste gate fermée
120kW
 Permet de fournir une partie de l’énergie consommée par le MGUK



75kW venant du MGUH
45kW venant de la batterie
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45kW
La pleine charge « Qualif »
 Conditions :
Pédale = 100%
 Qualif / Dépassement en course
 Utilisation de l’ICE:
 Débit d’essence maximum
 Au plus proche du cliquetis
 Utilisation du MGUK:
2.5bar
 120kW en décharge
 Utilisation du MGUH:
 Régulation de la suralimentation via la waste gate
 ≈ 0kW
 Performance du moteur thermique (↘CPE)
 Consommation d’énergie électrique
Les 120kW viennent de la batterie
0kW
120kW
120kW
H=0
H = 75kW

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La gestion de l’énergie
 Circuit de Barcelone
 8 pleines charge
 8 freinages
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La gestion de l’énergie
Pleine charge : 600m
8.7sec
Vitesse initiale : 125km/h
Récupération K : 180kJ
Récupération H : 650kJ
1.5s x 120kW
180kJ
=========
830kJ à dépenser
650kJ (≈ 8.7s x 75kW)
8.7s x 120kW = 1044kJ
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Overload
Secteur « témoin »:
Pleine charge : 600m
8.7sec
Vitesse initiale : 125km/h
Récupération K : 180300kJ
Récupération H : 650kJ
=========
950kJ à dépenser!
300kJ
Les inconvénients:
 Consommation !
650kJ (≈ 8.7s x 75kW)
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Solutions possibles
 Secteur témoin de 600m (≈ 8.7sec)
Comment dépenser 830kJ le MGUK
830kJ ≈ 6.9s x 120kW ≈ 8.7s x 95kW
Pour être rapide, il faut dépenser
l’énergie le plus rapidement possible!
150
MGUK (kW)
120
90
60
MGUK 120
MGUK 120/0
MGUK 95
MGUK 0/120
30
0
0
100
200
400
500
Distance (m) 600
Delta laptime
0.25
0.20
Time delta (sec)
300
ref = 120kW
120kW - 0kW
95kW constant
0kW - 120kW
0.15
0.10
0.05
0.00
0
100
200
300
400
500
Distance (m) 600
-0.05
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Gestion de la consommation
Stratégie de “Lift Off”
300
0.04
Vitesse
0.03
250
0.02
Overload + Lift Off
0.01
Delta t
0.00
150
MGUK
100
-0.01
Lift off
-0.02
Accélérateur
Essence
50
-0.03
-0.04
0
-0.05
0
100
200
300
400
500
600
700
Distance (m)
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Ecart (s)
200
Electricité
Vitesse véhicule (km/h)
Charge
partielle
standard
Conclusions
La diminution de la consommation entre le V8 et le V6 provient de:
 Une combustion en mélange pauvre qui génère un meilleur rendement.
 L’utilisation d’un MGUH  +75kW électriques réinjectés sur le MGUK.
 Une énergie récupérée par le MGUK supérieure pendant :


Freinage: récupération de plus d’énergie « gratuite ».
Charge partielle: l’overload permet de recharger la batterie pendant ces phases.
 Profondeur de batterie augmentée permet plus de puissance sur un tour « Qualif ».
22/03/2016 Nicolas ESPESSON – Conférence CNAM - Comment le règlement a permis de réduire de 30% la consommation en F1 ?
Merci pour votre attention
Nicolas ESPESSON
Ingénieur Piste
Renault Sport Racing
Nicolas.espesson@renaultsportf1.com
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