Bureau d’Études Monoplace 2L Hybride M. Castex et M. Noiret Mercredi 6 juin 2007 Romain CHANZY Frederik DE SMET Julie ROSTAGNI Antoine VINCENT

Sommaire Préliminaires Attelage mobile Problématique Vilebrequin Distribution Performances Haut et Bas Moteur Accouplement

Sommaire Préliminaires Attelage mobile Problématique Vilebrequin Distribution Performances Haut et Bas Moteur Accouplement

Présentation du sujet Préliminaires Destination du moteur : Formule Monoplace Cahier des charges 2L - 4 cylindres atmosphérique de 265 kW (360 ch) Apport de puissance en mode « hybride » de 30 kW Régime de rotation et architecture libre Longévité = 10 000 km (2x les 24H du Mans) Moteur porteur

Prédimensionnement Préliminaires On fixe dans un premier temps : Vitesse moyenne de piston : 26 m/s Régime maximale : 13 000 tr/min Calcul de la course : 60mm Calcul de l’alésage : 103mm Entraxe de bielle : 110mm D’où lambda : 3,67 Estimation du régime de puissance maximal Remplissage : 1,1 Padm : 1030 mbar Tadm : 30 °C Richesse : 1,2 1’999cm3 de cylindrée Pour 265 kW (CdC) Régime de puissance maximale : 11’500 tr/min

Choix de l’architecture (1) Préliminaires Choix de l’architecture (1) Deux types d’architecture possibles Ligne Ligne Vé Vé

Choix de l’architecture (2) Préliminaires Choix de l’architecture (2) Avantages du moteur en Vé Taille réduite Centre de gravité décalé vers le bas et vers le pilote Moteur plus court donc plus rigide Admission centrale Choix de l’angle de Vé Le plus proche possible de 180° : régularité d’allumage Supérieur à 110° : passage des échappements Angle retenue : 90° Plus grand angle respectant les contraintes spatiales

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Le Piston et son Axe Attelage mobile Doit être le plus léger possible Réalisé en Aluminium Hauteur de compression : 22mm Angle de jupe : 106° Masse avec la segmentation : 250g Seulement deux segments Segment part feu Segment racleur Complété par une gorge de décompression Présence d’embrèvements Axe standard Vérifie les critères d’ovalisation et de flèche Monté libre Masse : 89g

La Bielle Attelage mobile Matériau Dimensionnée en fatigue Acier 35 NCD 16 Dimensionnée en fatigue En compétition : FSF ≥ 2 Dans notre cas : FSF ≥ 4 Principales dimensions Entraxe : 110 mm Epaisseur : 19 mm Epaisseur du pied : 3 mm Surface de l’âme : 314,5 mm² Epaisseur de la tête : 4 mm

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Une longue Itération… Problématique Vilebrequin Trois Maillages distincts Cinq Critères d’Évaluation Un grand Vainqueur

Maillages et Allumages Problématique Vilebrequin Maillages et Allumages L4 + Intervalle d’allumage régulier + Parfaitement équilibré - - Longueur moteur V4_2T ++ Compacité (CdG opti) - Allumage irrégulier - - Galop et Lacet O1 (V90°) V4_4T ++ Compacité (CdG opti) - Allumage irrégulier - - Tamis et Pilon O1 (V90°)

Calculs des Efforts Problématique Vilebrequin Modélisation des Equations de la Dynamique Méthode de Superposition Diam. 45mm (Diam Logement 48 mm) Lu 18 mm G199 (sputter), Padm = 120 MPa Manetons Tourillons Diam. 50,8 mm (Diam Logement 54 mm) Lu 19,5 mm G81 , Padm = 60 MPa

Optimisation de l’Equilibrage (1) Problématique Vilebrequin Optimisation de l’Equilibrage (1) 1/ Masse rotative : ½ Tourillon + Bras (sup) + ½ Maneton 2/3 Bielle Obtenue par CAO puis injectée dans Matlab 2/ Masse Equilibrage : ½ Tourillon + bras (inf) Axe équilibrage Calculée pour 60 MPa fixés 3/ Masse Equivalente : Centre de Gravité (en y) Masse Manivelle Obtenue par CAO Diff. pour V4_2T = 8,2% (axes) Diff. pour V4_2T = 0,3% 4/ Taux d’Equilibrage :

Optimisation de l’Equilibrage (2) Problématique Vilebrequin Optimisation de l’Equilibrage (2) Vilebrequin L4 : Taux Equilibrage : 58,6 % Masse Manivelle : 2,9 kg Vilebrequin V4_2T : Taux Equilibrage : 33,2 % Masse Manivelle : 3,2 kg Vilebrequin V4_4T : Taux Equilibrage : 60,3 % Masse Manivelle : 3,8 kg Gain Masse Vilebrequin entier V4_2T / V4_4T = 1,27 kg

Vibration de Torsion Problématique Vilebrequin 1/ Vitesses Critiques : H6 H9,5 w1 = 77 921 tr :min W2 = 196 365 tr :min H7 Q7 = 11 132 tr/min Très grande Raideur des V4s 2/ Importances Couples Harmoniques : Différence d’harmoniques pour V4_4T g1324

À l’heure du Bilan, Problématique Vilebrequin La nouvelle star : Maillage V4_2T

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Algorithme de travail Distribution Dimensionnement des sections de soupape et conduits Géométrie soupapes et sièges, diamètre minimal de conduit Prédimensionnement des ressorts F0, k, mressort Loi de levée y, y’, y’’ Cinématique de la distribution Profil de came Efforts entre les différents éléments de la distribution Dynamique de la distribution Vérification des critères dynamiques Pression de Hertz Masse des ressorts, fréquence propres, analyse harmonique Dimensionnement des ressorts 20

Préliminaire Distribution Dimensionnement des soupapes, sièges et conduits Conservation du débit aspiré Taille maximale des sièges de soupape par géométrie de la chambre Prédimensionnement des ressorts Estimation de l’effort en place F0 et de la masse du ressort mressort 21

Distribution Lois de levée 22

Critère de vérification Distribution Critère de vérification 23

Bilan Distribution Soupape Linguet à rouleau Régime d’affolement Diamètre admission 44,68mm Diamètre échappement 31,65mm Longueur 10mm Linguet à rouleau Longueur 50mm Régime d’affolement Naff = 14573tr/min Ressort Raideur 26,1N/mm Effort en place 212N

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Introduction Performances Objectifs Modèle monocylindre Puissance maximale de 265 kW  14 bar à 11500 tr/min Plateau de couple entre 9000 et 11500 tr/min Différents maillages du vilebrequin  cas où les échappements se rejoignent assez loin Modèle monocylindre Entrée admission après le plenum Sortie échappement avant la jonction

Démarche Performances Optimisation de 14 paramètres Dimensions théoriques DOE Variation paramètre par paramètre

Valeurs initiales (1) Performances Dimensions théoriques à 11500 tr/min Admission Diamètre conduit commun et séparé 100 m/s Longueur totale admission onde de surpression entre PMB et RFA Échappement Diamètre conduit commun vitesse entre 100 m/s et la célérité Longueur totale échappement théorie: H=1,5  5 paramètres des 14

Valeurs initiales (2) Performances Plan d’expérience (DOE) Pourquoi DOE mesures partout dans le plan on cherche l’optimum global (vis à vis variation paramètre par paramètre) on cherche encore valeurs initiales Détermination des bornes pour chaque paramètre partant des valeurs théoriques, tuteur, logique Mesures 11500 tr/min 9500 tr/min  2 x 200 mesures

Optimisation Performances Variation paramètre par paramètre partant de la meilleure mesure DOE

Résultats (1) Performances 324 ch dès 10.000 tr/min 343 ch à 11.500 tr/min 218 Nm entre 8.250 et 11.250 tr/min 230 Nm à 10.500 tr/min

Performances Résultats (2) Régime de 11500 tr/min 84,7 bar 14,6° ATDC

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La Culasse Haut et bas moteur Réalise les performances du moteur Surface de la chambre de combustion optimisée Conduit d’admission le plus droit possible

Le Carter Cylindre Haut et bas moteur Bloc moteur taillé dans la masse Tout les perçages doivent être débouchant Tablature Close Deck Assure le maintien des fûts Rigidifie le bloc Chemises suspendues Evite de remplacer tout le bloc en cas d’incident Carter chapeau Primordiale pour la rigidité Récupération de l’huile

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Implantation Hybride Solution Choisie Accouplement 1/ Arbre Moteur + Suppression Accessoires (Dem., Alter.) - Convertisseur (fcts véhicule) - - Inertie Vilebrequin 3/ Arbre Secondaire BV ++ Pas d’Inerties sur A.P. + Régime de rotation plus faible 2/ Arbre Primaire BV - Pas suppression Accessoires -- Inerties sur Arbre Primaire Solution Choisie Destructif pour les Crabots Changement de Vitesses ALLONGE

Bureau d’Études Monoplace 2L Hybride Merci de votre attention, Bon Cocktail et Bonnes Vacances !