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Introduction au moteur en F1

24 juin 2006

Avec une puissance dix fois supérieure à celui d’une voiture de série classique, un moteur de Formule 1 permet des performances incroyables. Composés d’environ 5000 pièces, ces moteurs sont très complexes et doivent pouvoir fonctionner à de très hautes températures. Seuls les moteurs athmosphériques à quatre temps sont autorisés. La cylindrée est actuellement limitée à 2,4 litres, tous les moteurs doivent avoir 8 cylindres (ni plus ni moins) et 5 soupapes par cylindre au maximum, la section normale de chaque cylindre doit être circulaire, la turbo compression est interdite. Ces moteurs développent entre 770 et 840 cv et sont en alliage d’aluminium. Les régimes de fonctionnement avoisinent aujourd’hui les 20000 tr/min.

Le moteur Renault RS25 F1
Le moteur RS25 utilisé par Renault F1 lors de la Saison 2005

Le Fonctionnement

Le Fonctionnement d’un moteur de Formule 1 est sensiblement le même que celui d’une voiture de série. Nous ferons donc, pour commencer, une introduction au fonctionnement du moteur à 4 temps.

Un moteur se compose principalement de pistons, de cylindres, de soupapes, de bougies et d’un vilebrequin. Décomposons ensemble les fameux quatre temps correspondant à un cycle moteur complet.

L'admission dans un cycle à 4 temps

1er temps

Le cycle commence à un point mort haut, quand le piston est à son point le plus élevé. Pendant le premier temps où le piston descend (admission), un mélange d’air et de carburant est aspiré dans le cylindre via les soupapes d’admission.

La compression dans un cycle à 4 temps

2nd temps

La soupape d’admission se ferme, puis le piston remonte (compression) et comprime le mélange carburant-air.

La détente dans un cycle à 4 temps

3ème temps

Le mélange air-carburant est alors enflammé par une bougie d’allumage, aux environs du deuxième point mort haut (remontée complète du piston).L’expansion des gaz portés à haute température lors de l’explosion force alors le piston à descendre pour le troisième temps (détente). Ce mouvement est le seul temps moteur (produisant de l’énergie directement utilisable).

L'échappement dans un cycle à 4 temps

4ème temps

Lors du quatrième et dernier temps (l’échappement) les gaz brulés sont évacués du cylindre via la soupape d’échappement par la remontée du piston.

Animation illustrant le régime de fonctionnement du moteur à 4 temps

Le mélange air-essence se produit dans le cylindre. L’essence est d’abord introduite dans le cylindre puis l’injecteur injecte de l’air directement dans le cylindre. Il faut une étincelle pour enflammer le mélange air-essence comprimé contenu dans les cylindres. C’est le rôle des bougies. Elles sont fixées sur la partie supérieure de chaque cylindre. La bougie est essentiellement constituée de deux électrodes entre lesquelles le passage du courant à haute tension produit un arc électrique, fournissant ainsi l’étincelle qui enflamme le mélange contenu dans la chambre de combustion. Les soupapes sont commandées par un arbre à cames entrainé par le vilebrequin. Elles pourront s’ouvrir jusqu’à 3000 fois par minute. La puissance du moteur est transmise aux roues par l’intermédiaire du vilebrequin, du volant moteur et par la suite, de la transmission : un système hydraulique ou mécanique utilisé pour transmettre la puissance du moteur à l’arbre moteur. A la sortie des cylindres, les gaz de combustion sont évacués par des tubulures et par le pot d’échappement, muni de chicanes, dans lesquelles la température des gaz baisse et leur détente s’épuise. Ainsi, on diminue considérablement la pression et le bruit de sortie des gaz d’échappement à l’arrière du véhicule.

Les matériaux utilisés

Certains composants sont issus des céramiques afin de réduire l’inertie des parties en mouvement. Ces matériaux sont à la fois solides et légers ce qui signifie qu’il faut moins d’énergie pour les mouvoir, cela contribue donc à réduire la consommation tout en rendant les moteurs plus performants. Un matériau similaire à la céramique, le beryllium, a longtemps été utilisé, mais sa sécurité a été remise en question : il a été interdit par la FIA en 2001.
Pour la saison 2006, les pistons doivent être obligatoirement en alliage à base d’aluminium, le vilebrequin en alliage à base de fer, les arbres à cames en alliage à base de fer et formés d’une seul pièce de métal. Le carter moteur et la culasse doivent quant-à-eux être conçuts à base d’aluminium.
Le moteur se doit d’être léger afin d’ajuster au mieux le centre de gravité de la voiture mais il doit aussi être très rigide, étant le seul élément reliant le train arrière au châssis. Il doit être capable de supporter à la fois la charge aérodynamique de l’aileron arrière et les contraintes entraînées par les virages et les bosses.
Les moteurs de F1 sont conçus pour tourner beaucoup plus vite que les moteurs de série. On peu penser légitimement, que faire tourner un moteur 2 fois plus vite double la puissance fournie par celui-ci. Malheureusement, lorsque le nombre de tours augmente, les frottements et frictions internes augment par la même occasion, qui fragilisent le moteur. Un moteur normal ne survivrait pas dans ces conditions. Des matériaux exotiques comme la céramique, mentionnée ci-dessus, sont employés afin de réduire le poids et la taille des moteurs. Les matériaux exotiques peuvent réduire la masse, et sont aussi moins sensibles et moins susceptibles de se dilater avec la chaleur mais ont des inconvénients qui limitent leur utilisation. Par exemple, des pièces en acier et en fibres de carbone ne se dilateront pas de la même manière, ce qui provoquera des disfonctionnements ou des casses si on les utilise conjointement. Mélanger ces matériaux avec des matériaux ferreux peut donc poser problème.

Cet article constituait une brève introduction au moteur à 4 temps, nécéssaire à la compréhension de la suite. Je vous invite désormais, à porter votre intention sur les articles suivants, traîtants chacun un point particulier du moteur d’une Formule 1.

Articles classé dans : Moteur

29 Commentaires Ajoutez le votre.

  • 1. Raphaël  |  01 août 2006 à 10:22

    j’ajouterai juste que dans le moteur nous avons aussi du carbone du titane de l’alu et de l’acier léger la céramique très peu car beaucoup trop fragile la distribution est pneumatique et non mécanique

  • 2. SYLVIE  |  06 août 2006 à 9:35

    Bonjour, c’est une très belle idée de consacrer du travail tel que le votre, contribuant ainsi à prendre encore plus de plaisir à regarder un sport que l’on comprend mieux !

    Mais quel dommage de laisser autant de liens vides, je n’ai en effet pu atteindre que la partie “moteurs” ce qui me fait d’autant plus regretter le reste (j’ai souvent un oeil sur “F1 CLASSEMENT” qui a également une rubrique technique très abordable (mais un second site en complément comme le votre n’aurait pas été de trop !). Bon courage, il faut s’y mettre, car vous avez la chance d’avoir F1 ACTION NET qui vous a conseillé comme lien. SYLVIE.

  • 3. MEHDI  |  29 août 2006 à 21:34

    Salut, je pense qu’il est bon de préciser qu’actuellement, dans un moteur de F1, les soupapes ne sont plus rappélées par des ressorts, mais par “de l’air comprimé”.
    En effet, des ressorts supporte difficilement les contraintes et surtout le rythme imposé a se niveau.
    Salutations.

  • 4. abdallah  |  07 septembre 2006 à 20:01

    votre site est fort interressant mais pouviez-vous rajouter l’évolution du véhicule

  • 5. Dodd  |  10 septembre 2006 à 14:08

    L’augmentation de la température d’échappement jusqu’à 1000°C conduit les ingénieurs à utiliser des échappement en composite céramique qui de plus diminue dans le rapport de 1 à 6 la le pods de la ligned’échappement ( gain de plusieurs kilos)On pense que la FIA à l’intention d’interdire ce matériau pour des raisons de coûts permettant à toutes les écuries de l’utiliser. Avez- vousdes infos à ce sujet? Merci.

  • 6. bela jado  |  11 octobre 2006 à 15:02

    la f1 consiste a conduire une voiture bizarre appelé formule 1

  • 7. Jeannot CICUTTA  |  18 octobre 2006 à 4:50

    Je suis effectivement déçu par le peu d’infos sur les moteurs de F1. Je comprends que la compet oblige à maintenir des secrets techniques mais … Par exemple des infos de base sur le dispositif air comprimé qui remplace les ressorts de soupapes, sur un schéma de base dont sont constitués les pistons, et j’en passe, ne me paraissent pas du luxe pour des passionés.

  • 8. Clément  |  06 mars 2007 à 16:14

    BONJOUR A TOUS. SI certains d’entre vous auraient des informations sur la distribution dans un moteur 4temps, ou encore sur la temperature, la pression dans la chambre de combustion etc, je suis preneur. MERCI

  • 9. Maximecv  |  08 mars 2007 à 21:03

    Bonjour
    Où exactement utilise-t-on de la céramique dans les moteurs de F1 (ou dans d’autres) ? Pistons, échappement, pièces de friction ???

  • 10. claret  |  23 mars 2007 à 15:32

    j’aime bien vos petite animation

  • 11. said  |  31 mars 2007 à 22:18

    thank you very much for this cite can you give me the mny information

  • 12. hamza  |  03 juin 2007 à 14:54

    ce que vous avez fais , c’est du bon boulot , vraiment votre site web est super et il contient plusieurs informations importantes sur la f1

  • 13. Mokhtar  |  12 juin 2007 à 14:41

    Trés interessant,
    Bonne continuation!

  • 14. Thiébauld  |  05 juillet 2007 à 1:16

    L’air arrive dabord dans le cylindre et l’essence ensuite par l’intermédiaire de l’injecteur.Et non pas ce qui a était dis plus haut.

  • 15. jocelyn  |  23 juillet 2007 à 21:37

    Felicitation votre site est au top, je suis mécanicien spécialisé dans l’éléctronique et je trouve toutes ses valeurs et ces données fantastiques!!!! A quand de tels technologies pour nos véhicules! Bon courage et bonne continuation.

  • 16. Joëlle  |  21 août 2007 à 20:22

    Bonjour!
    Je cherche des mécaniciens qui seraient spécialisés dans les voitures de course (genre F1). Je travaille pour série de livres signés Annie Groovie publiés à la Courte Échelle et je signe une chronique sur divers métiers super cools! Le métier de mécaniciens pour voiture de course m’intéresserait!

  • 17. benabdi  |  22 août 2007 à 22:14

    formation sur le tour

  • 18. belmekki  |  09 septembre 2007 à 16:55

    bonjour, je vous demande des informations sur les prix des matieres pour la construction de f1 merci

  • 19. damien  |  30 septembre 2007 à 22:24

    ecuse moi raphael mais la distribution n’est pas pneumatik mis au contraire mécanik.
    le moteur est entrainé par une “cascade de pignons”

  • 20. frnck  |  02 octobre 2007 à 23:28

    bonjour,passioné de tout chiffres ayant rapports aux moteurs et aux performances qu’ils permettent,
    est il possible a quelq’un de me donner les temps d’acceleration d’une formule 1 de 0 a 100km/h
    de 0 a 200, de 0 a300 km/h .idem pour le couple d’un moteur de f1 actuel qui je crois et inferieur a 40 nm ?
    est il vrai qu’a l’epoque des turbo les voitures de qualifs avaient pres de 1500 ch ?
    est il possible qu’en qualifs ces voitures atteignaient les 300 km/h en 9 secondes?

  • 21. chafik  |  29 octobre 2007 à 22:47

    merci boucoup pour ce chema

  • 22. ~vive formula 1~  |  20 février 2008 à 2:10

    WOW! je vais utiliser lexperience pour un projet a mon ecole. bravo continuer comme sa.

  • 23. cool-f1  |  22 février 2008 à 0:09

    wow continuer comme sa si vous avey le temps pourier menvoyer des informations svp

  • 24. Issa Jawad  |  29 février 2008 à 17:59

    Une chance que vous avez créé ce site! Parce que à mon école nous faisons un projet qui se nomme l’expo-science. Si vous pouvez m’envoyer de l’information envoyer le moi sur mon email. Merci!

  • 25. bibs  |  25 avril 2008 à 22:10

    Que des compliments, alors moi aussi !!! Bravo et merci.

    Et une question concernant les ressorts de soupape remplacés par un dispositif pneumatique :
    la soupape pourrait-elle être activée entièrement de façon pneumatique ? Ainsi, on n’aurait plus besoin d’arbre à cames.

    Et qui fournit la pression pneumatique ? Y-a-t-il un compresseur ? Cela doit être gourmand en énergie !

    Encore bravo et merci.

    Michel

  • 26. jérém'  |  02 mai 2008 à 17:41

    Salut à tous je suis un grand fan de mécanique et notamment de F1
    je suis mécanicien automobile

    et oui c’est vrai que à l’époque des F1 suralimentées par un turbo compresseur elles atteignaient 1500 ch lors des qualifs
    notamment Renault avaient été les premiers à essaient, mais, les turbo ne possédaient pas de languette de sécurité
    donc il y avait casse du moteur car le turbo monter en rotation et le moteur n’était pas fait pour supporter de telles conditions.
    Et aujourdh’ui, les soupapes sont commandées par air pneumatique ce qui est avantageux pour la fermeture car la pression qui règne dans la chambre de combustion est très très élevé et l’air est mis sous pression par un petit compresseur mais celui-ci n’est pas gourmand en énergie ni encombrant.

    Voila tout pour plus de renseignement sur la constitution du moteur ou autre vous pouvez me poser des questions je vous y répondrait sans soucis

  • 27. Mounir  |  28 mai 2008 à 20:55

    C’est bien beau tt cela, mais comment expliquer qu’un moteur de 2,4 Ltr seulement, atmosphérique en plus, arrive à développer 10 fopis plus de puissance qu’un moteur de même cylindrée (ou plus) d’un véhicule classique ??

  • 28. Jean-Paul  |  22 juin 2008 à 14:26

    840cv maxi la puissance d’une F1 donc c’est pas 10 fois plus car le jour ou il existera par exemple une Audi 2′4 litres a 84cv vous m’appelez dessuite :D
    Et pour cette différence de puissance avec une même cylindrée cela s’explique par plusieurs facteur tels que le bridage éléctronique de nos voitures de série, la qualité des matériaux utilisés, réglages, et la petite magie de la F1 ;)

  • 29. rob_master51  |  01 août 2008 à 12:37

    C’est surtout dû à la rotation très élevée du moteur (20 000 tr/min) comparé au 8 000 tr/min d’une Audi. Jean-Paul, le “bridage électronique” ne sert qu’à limiter la vitesse de pointe du véhicule ( 255 km/h sur Audi, BMW, etc…)

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