Pourquoi les voitures de Formule 1 utilisent-elles des moteurs avec de nombreux cylindres volumétriques?

Quel est l'avantage pour la Formule 1 d'utiliser des moteurs comme un V8 de 3,0 L ou un V8 de 2,4 L?

J'ai lu cette discussion sur Reddit sur pourquoi il n'est pas pratique de mettre de petits moteurs à plusieurs cylindres dans des voitures de production. Coût principalement, en raison des nombreux composants supplémentaires et de meilleure qualité qui doivent y entrer.

Tout simplement parce que les équipes de course peuvent se permettre de produire des moteurs comme ça, quel est l'avantage d'utiliser ces moteurs au lieu de moteurs 6 ou 8 cylindres avec une cylindrée plus élevée?

La réponse à la raison pour laquelle les équipes de F1 utilisent une certaine cylindrée et un certain nombre de cylindres n'est pas technique; il est régi par les règles du sport.

Vous pouvez voir l'histoire des moteurs F1 ici . De la même source, pour 2014/2015:

Turbines simples de 1,6 litre à six cylindres avec récupération d'énergie et restrictions de carburant pour remplacer les V8 de 2,4 litres à aspiration normale, efficacité du carburant pour augmenter de 35%, puissance des systèmes de récupération d'énergie pour doubler, puissance globale pour rester à environ 750 ch. ).

Les moteurs de voitures de course et de route hautes performances ont souvent un plus grand nombre de cylindres par rapport à la capacité globale, par rapport aux moteurs conçus pour optimiser les coûts et la fiabilité par rapport aux performances ultimes.

Les raisons pour lesquelles les moteurs à cylindres multiples produisent plus de puissance pour la même cylindrée sont:

1. Alésage plus petit x course = pistons plus petits + bielles plus petites + vilebrequin plus léger = moins de masse à accélérer à chaque course = accélération plus rapide / RPM max plus élevé = plus de puissance = vitesse de pointe plus élevée + accélération plus rapide.
2. Plus de cylindres = plus de soupapes = taux de débit de carburant plus élevé = plus grande puissance de sortie.

Les inconvénients des moteurs multicylindres comprennent:

1. Plus grande complexité de fabrication.
2. Dépenses plus importantes.
3. Difficulté accrue d'entretien et intervalles plus courts entre les services.
4. Plus grande complexité et difficulté de configuration et de réglage du moteur pour optimiser les performances.
5. Fiabilité et robustesse réduites.

De nos jours, il y a des règles de fiabilité assez strictes en Formule 1 et il y a des pénalités pour les équipes qui doivent remplacer trop de moteurs en une saison afin de contrôler les coûts, mais en règle générale, le moteur de voiture de course idéal est celui qui se désintègre immédiatement après avoir traversé la ligne d'arrivée!

Bien sûr, il est impossible de concevoir un moteur aussi précisément, mais historiquement, vous constaterez que les moteurs de course sont extrêmement solides lorsqu'ils sont utilisés dans leur enveloppe de conception prévue (par exemple, une reconstruction complète toutes les quelques dizaines de kilomètres, abandonnée après quelques milliers de kilomètres) mais ont tendance à exploser spectaculairement s’ils dépassent l’enveloppe, même légèrement. (par exemple, si sous-entretenu, sur-revved etc.)

La raison en est une combinaison d'économie de poids + d'essayer d'extraire la puissance de sortie maximale absolue et également le résultat du compromis entre ces deux objectifs et la fiabilité. Le succès des voitures de course peut dépendre de la moindre marge. Si votre voiture est constamment 0,1 seconde plus rapide que son rival le plus proche sur une piste particulière, cela équivaut à une avance de 5 secondes à la fin d'une course de 50 tours. C'est pourquoi les concepteurs de voitures de course tenteront d'utiliser tous les moyens possibles à leur disposition pour rendre leurs voitures un tout petit peu plus rapides.

Le poids est également extrêmement important sur une voiture de course. Vous pourriez penser qu'économiser 1 gramme de poids sur un composant ne ferait aucune différence, mais si vous pouvez économiser 1 gramme sur chacun des 1000 composants d'une voiture, alors vous avez économisé un total de 1 kilogramme, ce qui sur une course légère voiture, peut faire une augmentation mesurable des performances. Sur une voiture de course, un moteur V16, pourrait bien être plus cher, plus compliqué et moins fiable que le même V8 de capacité, mais toutes choses étant égales par ailleurs, s'il pèse 2% de moins et produit 2% de puissance en plus et qu'il est suffisamment fiable pour terminer les courses, et l'équipe a le budget pour la construire et la gérer, puis (si la réglementation le permet), ils vont l'utiliser.

Le moteur n'est pas le seul composant d'une voiture de course, mais c'est l'un des plus importants pour déterminer les performances ultimes de la voiture. En Formule 1, le coût et la complexité supplémentaires des moteurs multicylindres sont largement compensés par leur avantage en termes de performances par rapport à une même cylindrée droite 4 par exemple.

Dans la Formule 1 moderne, il existe de nombreuses réglementations complexes, régissant la conception du moteur, la fiabilité, la récupération d'énergie, la consommation de carburant, le poids total des voitures, etc., etc. En général, un moteur à plusieurs cylindres bien conçu et construit offrira une puissance identique, mais avec moins de cylindres.

En plus de la réponse de @Andrew Kerr: pour une cylindrée donnée, l'ajout de cylindres augmente la puissance de crête.
Mais cela augmente également les pertes dans plusieurs domaines:

• plus de pièces mobiles signifie plus de friction.
• des cylindres plus petits signifient que le rapport entre le volume et la surface du mur diminue, donc les pertes de chaleur augmentent.
• il y a une perte potentielle de fiabilité des pièces mobiles supplémentaires
• plus de cylindres signifie souvent aussi un bloc moteur plus long, ce qui rend difficile la construction d'un bloc qui ne fléchit pas lorsqu'il est utilisé comme pièce structurelle (comme c'est généralement le cas en Formule 1).
• avec plus de 12 cylindres, il devient difficile de construire un vilebrequin suffisamment solide. Certains moteurs à 8 cylindres en ligne utilisaient un engrenage au milieu du vilebrequin pour transmettre la puissance à l'embrayage et à la boîte de vitesses.

Cela signifie qu'il existe un nombre optimal de cylindres pour une capacité donnée. En 1989, la Formule 1 a interdit les moteurs turbocompressés et a rendu obligatoire un moteur atmosphérique de 3,5 litres. Le nombre de cylindres était limité à 12.
Plusieurs fabricants ont utilisé des ordinateurs pour trouver le nombre optimal de cylindres et construit des moteurs V10. Il s'avère qu'à cette capacité, un V12 serait moins puissant qu'un V10.

Oh, et la raison n ° 1 de ne pas utiliser de moteurs à plusieurs cylindres dans les petites voitures: la consommation de carburant augmente avec le nombre de cylindres.

Et plus précisément à la dernière partie de la question:

Tout simplement parce que les équipes de course peuvent se permettre de produire des moteurs comme ça, quel est l'avantage d'utiliser ces moteurs au lieu de moteurs 6 ou 8 cylindres avec une cylindrée plus élevée ?

La Formule 1 et les autres classes de course ont une limite stricte de déplacement. Ceci est fait pour limiter la puissance du moteur, ce qui est fait pour maintenir les performances en dessous des limites de conception des circuits qu'ils utilisent (plus une voiture de course est rapide, plus vous avez besoin pour agrandir les zones de ruissellement).