Optimisation de l’efficacité énergétique des moteurs de Formule 1 par contrôle des transferts thermiques

Le but de ce travail est de prendre connaissance, d’analyser et de comparer les différentes technologies d’isolation thermique existantes et/ou en développement, afin de pouvoir, par la suite, adapter et transposer la solution optimisant au mieux le rendement et les performances des moteurs de Formule 1 (F1). Les pertes de chaleur représentent environ 1/3 de l’énergie injectée dans un moteur ther- mique. Dès lors, la réduction de celles-ci est au centre des attentions depuis les années 80 et a poussé au développement des moteurs dits “adiabatiques”, tels que les moteurs à revêtement céramique. Ces revêtements possèdent une faible conductivité et une haute capacité thermique, ce qui confère aux parois de la chambre de combustion une isolation thermique importante mais implique une température élevée et constante sur l’entièreté d’un cycle (incluant la phase d’admission). Par conséquent, le rendement volumétrique baisse, tout en favorisant l’apparition de cliquetis. Des recherches plus récentes ont démontré de nombreux avantages concernant l’utilisation de matériaux alliant à la fois faible conductivité et faible capacité thermique. Cela en- gendre des variations rapides et importantes de la température des parois de la chambre de combustion, qui tend désormais à suivre la température transitoire des gaz. Cette tech- nologie porte le nom d’isolation thermique par oscillation de température (“Temperature Swing”) et a pour effet de diminuer les pertes de chaleur durant la phase de combustion, tout en empêchant le réchauffement des gaz à l’admission, ce qui améliore le remplissage. Plusieurs matériaux, procédés de fabrication et propriétés physiques (tels que l’épais- seur, la porosité, l’état de surface, l’opacité, etc. . . ) ont été analysés, afin de choisir une méthode d’isolation adaptable aux moteurs de F1 et de maximiser le gain en performance. Ensuite, un outil de simulation a été développé afin de modéliser ce type d’isolation et de pouvoir évaluer ses bénéfices. La modélisation d’une couche de revêtement en “Silica- Reinforced Porous Anodized Aluminum” (SiRPA), adaptée aux besoins et aux spécificités d’un moteur de F1, montrent qu’une épaisseur comprise entre 50 et 100μm génère des gains multiples et améliore les performances globales de la voiture. Ceux-ci entrainent une diminution du temps au tour s’élevant pratiquement à un dixième de seconde