Le MGU-K (Motor Generator Unit - Kinetic) est un composant clé du groupe motopropulseur hybride utilisé dans les voitures de Formule 1 modernes. En tant que partie du système de récupération d'énergie (ERS) , le MGU-K capte l'énergie cinétique pendant le freinage et la stocke dans la batterie de la voiture, la déployant ensuite pour fournir une puissance supplémentaire au moteur. Ce système permet aux voitures de F1 de récupérer l'énergie qui serait autrement perdue et de l'utiliser pour améliorer les performances et l'efficacité, conformément à la volonté de la Formule 1 de favoriser la durabilité et l'efficacité énergétique. Les polymères jouent un rôle crucial dans la construction et la fonctionnalité du système MGU-K, en particulier dans des domaines tels que l'isolation électrique, la gestion thermique et l'intégrité structurelle. Examinons en détail le fonctionnement du système MGU-K et les domaines dans lesquels les polymères sont utilisés.
Présentation du système MGU-K
Le MGU-K fonctionne à la fois comme un générateur et un moteur . Lorsque la voiture décélère, le MGU-K agit comme un générateur, convertissant l'énergie cinétique de la voiture en énergie électrique. Cette énergie est stockée dans l' Energy Store (ES) , un pack de batteries hautes performances. Lors d'une accélération ou d'une conduite à grande vitesse, le MGU-K passe en mode moteur, utilisant l'énergie stockée pour fournir une puissance supplémentaire au moteur, améliorant ainsi les performances tout en réduisant la consommation de carburant.
Le MGU-K est relié au vilebrequin du moteur et peut générer jusqu'à 120 kW (161 ch) de puissance lors du freinage. Il s'agit d'un composant à grande vitesse et à forte contrainte qui fonctionne dans des environnements thermiques et mécaniques extrêmes, ce qui rend l'utilisation de matériaux avancés, notamment des polymères, essentielle pour son efficacité et sa fiabilité.
Comment les polymères sont utilisés dans le système MGU-K
1. Isolation électrique
Le MGU-K, étant un système à entraînement électrique, s'appuie fortement sur des polymères hautes performances pour l'isolation électrique. Le système comprend un stator et un rotor , où le mouvement du rotor génère de l'électricité. Pour éviter les courts-circuits et assurer un transfert d'énergie efficace, des matériaux isolants comme le PTFE (polytétrafluoroéthylène) et le polyimide (PI) sont utilisés pour isoler les enroulements électriques dans les unités moteur et générateur.
- Le PTFE est utilisé pour l'isolation des fils et le revêtement des enroulements du moteur et du générateur en raison de ses excellentes propriétés d'isolation électrique et de sa capacité à résister aux températures élevées. Il offre également une résistance aux produits chimiques et aux carburants, ce qui est essentiel dans l'environnement difficile d'un compartiment moteur de Formule 1.
- Les films polyimides , comme le Kapton , sont également utilisés comme isolants autour des composants électriques critiques. Ces films peuvent résister à des températures extrêmes (jusqu'à 400 °C) et offrent une excellente rigidité diélectrique, garantissant que les courants électriques circulent en toute sécurité dans le système sans causer de dommages.
2. Gestion thermique
L'un des plus grands défis du système MGU-K est la gestion thermique . La commutation constante entre les modes moteur et générateur, combinée au débit énergétique élevé, génère une chaleur importante. Pour garantir que le MGU-K fonctionne de manière efficace et fiable dans ces conditions, des polymères présentant une excellente résistance à la chaleur sont utilisés dans différentes parties du système.
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Le PEEK (polyéther éther cétone) est souvent utilisé pour les composants qui doivent résister à des températures élevées et à des contraintes mécaniques, tels que les boîtiers, les connecteurs et les supports internes du MGU-K. La stabilité thermique du PEEK garantit qu'il peut supporter la chaleur générée pendant la récupération et le déploiement de l'énergie sans se déformer ni perdre sa résistance. De plus, l'excellente résistance du PEEK à l'usure et à l'exposition aux produits chimiques le rend idéal pour ces environnements à forte contrainte.
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Des couches d'isolation thermique constituées de mousses polymères ou de polymères à base de silicone sont également utilisées dans et autour du MGU-K pour gérer la dissipation de chaleur. Ces matériaux aident à protéger les composants électroniques sensibles et empêchent la chaleur de rayonner vers d'autres systèmes critiques de la voiture, tels que la batterie et l'électronique de puissance .
3. Perte de poids
Les performances d'une voiture de F1 dépendent fortement du poids, et chaque gramme compte. Les polymères sont souvent choisis pour leur rapport résistance/poids élevé, ce qui permet aux ingénieurs de réduire le poids du système MGU-K sans compromettre la durabilité ou les performances. Des polymères légers tels que les polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) sont utilisés dans les composants structurels du MGU-K, tels que les boîtiers et les supports de montage .
- Les composants en PRFC offrent la résistance et la rigidité nécessaires pour protéger les mécanismes internes du MGU-K tout en maintenant le poids total du système à un niveau bas. Cela est crucial, car la réduction du poids du MGU-K améliore non seulement les capacités d'accélération et de virage de la voiture, mais permet également une meilleure efficacité énergétique.
4. Durabilité et résistance aux vibrations
Le système MGU-K est soumis à des contraintes mécaniques importantes, notamment des vibrations, des vitesses de rotation élevées et des forces générées lors du freinage et de l'accélération. Des polymères élastomères , tels que le silicone et les fluoroélastomères , sont utilisés dans des composants tels que les joints et les garnitures pour absorber les vibrations et maintenir l'intégrité structurelle du MGU-K.
- Les joints en silicone sont utilisés dans le MGU-K pour assurer la flexibilité et garantir que les composants critiques restent protégés contre la saleté, la poussière et la pénétration de fluides. Ces joints doivent pouvoir résister à des températures et des pressions élevées tout en conservant leur élasticité au fil du temps.
- Des matériaux d'amortissement des vibrations en polymères élastomères sont également intégrés au système MGU-K pour protéger les composants sensibles des vibrations intenses qui se produisent pendant la course. Cela évite l'usure prématurée des pièces internes et prolonge la durée de vie de l'unité.
5. Systèmes et fluides de refroidissement
Un refroidissement efficace est essentiel au fonctionnement du système MGU-K, car une surchauffe peut entraîner une perte de puissance et une défaillance potentielle du composant. Des tuyaux de liquide de refroidissement et des conduites de fluide à base de polymère sont utilisés pour transporter le liquide de refroidissement vers et depuis le MGU-K. Ces tuyaux sont souvent fabriqués à partir de matériaux tels que le PTFE ou l'EPDM (caoutchouc monomère éthylène-propylène-diène) , qui offrent flexibilité, résistance à la chaleur et durabilité chimique.
- Les conduites de refroidissement en PTFE sont privilégiées pour leur capacité à résister aux températures élevées et à leur résistance aux produits chimiques présents dans les liquides de refroidissement modernes. Ces tuyaux sont essentiels pour maintenir la température de fonctionnement optimale du MGU-K, garantissant ainsi son fonctionnement efficace tout au long de la course.
Avantages de l'utilisation de polymères dans le système MGU-K
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Hautes performances dans des conditions extrêmes : L'utilisation de polymères avancés permet au système MGU-K de fonctionner efficacement dans les conditions extrêmes de chaleur, de pression et d'exigences électriques des courses de Formule 1. Des matériaux comme le PEEK et le PTFE offrent la résistance thermique et chimique nécessaire pour résister à l'environnement difficile du compartiment moteur.
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Réduction du poids : en remplaçant les matériaux traditionnels par des polymères légers comme le CFRP et le PEEK , les ingénieurs peuvent réduire le poids global du système MGU-K, améliorant ainsi les performances de la voiture sans sacrifier la durabilité.
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Durabilité et fiabilité améliorées : les polymères tels que les fluoroélastomères et le silicone aident à protéger le système de l'usure, des vibrations et des contaminants environnementaux, garantissant ainsi que le MGU-K fonctionne de manière fiable tout au long de la course.
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Efficacité électrique : Les matériaux isolants hautes performances comme les films polyimide et le PTFE garantissent une circulation fluide et sûre des courants électriques, réduisant ainsi le risque de panne électrique et maximisant la récupération et le déploiement de l'énergie.
Conclusion
Le système MGU-K des voitures de Formule 1 représente un composant essentiel du groupe motopropulseur hybride de la voiture, captant et déployant l'énergie pour améliorer les performances et l'efficacité. Les polymères jouent un rôle essentiel dans la construction et la fonctionnalité de ce système, contribuant à l'isolation électrique, à la gestion thermique, à la réduction du poids et à la durabilité. En exploitant les propriétés uniques de matériaux comme le PEEK , le PTFE et le CFRP , les équipes de F1 sont en mesure d'optimiser les performances du MGU-K, garantissant ainsi son fonctionnement fiable dans les conditions intenses des courses de Formule 1. Alors que la technologie de la F1 continue d'évoluer, l'utilisation de polymères avancés dans les systèmes de récupération d'énergie restera un facteur clé pour repousser les limites des performances et de l'efficacité.