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Comment fonctionne un volant d'inertie pour récupérer l'énergie cinétique ?

La Nissan GT-R LM Nismo est le dernier exemple en date de la manière dont un système purement mécanique peut être développé pour accomplir la tâche d'hybrider une voiture sans faire appel à l'électricité. Mais avant d'aborder les avantages et les inconvénients d'un système purement mécanique, comment fonctionne un système à volant d'inertie dans ces cas-là ? Aujourd'hui, c'est à notre tour de vous le dire.

Et pour faire l'explication de manière efficace, nous utiliserons un peu de mathématiques, très simples de toute façon (n'ayez pas peur), où nous travaillerons avec des énergies.


Prenons l'exemple de la Nissan GT-R LM Nismo de Lucas Ordoñez qui dévale la ligne droite du Mans avant d'atteindre la chicane "Forza Motorsport", là où se trouve le piège à vitesse. Ici, la GT-R LM Nismo atteint 335 km/h.

À ce moment-là, son énergie cinétique (mesurée comme la moitié de la masse multipliée par la vitesse au carré) est de (la moitié de 880 kilogrammes multipliée par 93 mètres par seconde au carré) 3,805 MJ. Pour passer la chicane, la voiture doit réduire sa vitesse à 105 km/h. La voiture doit donc avoir une énergie cinétique de (une moyenne de 880 kilogrammes multipliée par 29 mètres par seconde au carré) 0,37 MJ.

Il n'est pas nécessaire d'avoir une maîtrise en physique pour comprendre que la voiture doit réduire son énergie de 3,805 MJ à 0,37 MJ. En d'autres termes, 3,435 MJ doivent être dissipés. De plus, il doit être effectué dans un temps et sur une distance très courts (à la distance de freinage la plus faible possible). Mais pour l'instant, oublions le temps que met la voiture à réduire son énergie et le nombre de mètres qu'il lui faut pour le faire, car ces facteurs ont trait à la puissance de freinage et non à l'aspect qui nous préoccupe actuellement.


Pour réduire l'énergie cinétique de la GT-R LM Nismo, plusieurs faits physiques doivent être utilisés en même temps :

  • Frottement aérodynamique : chaque voiture, par le simple fait de frotter contre l'air, ralentit. Il perd de l'énergie cinétique. Si tu retires ton pied de l'accélérateur, la voiture perd de la vitesse, non ? Lorsqu'une voiture roule à une telle vitesse et avec autant d'ailerons que les voitures du Mans, une grande partie de l'énergie est perdue de cette façon. Ainsi, lorsque Lucas lève son pied droit, une partie de l'énergie de la voiture est perdue en déplaçant l'air.

  • Frottement contre le sol : le frottement des roues contre l'asphalte est également une perte d'énergie. Cette énergie est convertie en chaleur dans le pneu et dans la route. C'est une quantité relativement faible qui est perdue de cette façon, mais cela peut aussi être ressenti dans n'importe quel appareil à roues.

  • Les freins : Le système de freinage fait décélérer les roues, qui essaient de tourner plus lentement qu'elles ne tournent. De cette façon, l'énergie cinétique de la voiture, qui est convertie en énergie cinétique de rotation dans les roues, est à son tour transformée en friction entre le disque de frein et les plaquettes de frein, qui est à son tour transformée en chaleur. Dans une chaleur très intense, en fait. Il s'agit, avec le frottement aérodynamique, du principal facteur contribuant au freinage de la voiture, et de l'endroit où la plus grande partie de l'énergie est dissipée.


  • Le système de volant d'inertie : Mais la différence avec une voiture classique réside dans l'aspect du volant d'inertie. Comme dans le cas des freins, le principe utilisé pour soustraire l'énergie cinétique avec le volant d'inertie est d'essayer de réduire la vitesse de rotation des roues en résistant au volant d'inertie. La beauté du système à volant d'inertie est qu'au lieu de convertir l'énergie de rotation des roues (et donc l'énergie cinétique du véhicule) en chaleur, comme le font les disques et les plaquettes, il stocke cette énergie captée dans un corps rotatif.

Le règlement du Mans, tel que décrit par l'ACO, permet de récupérer jusqu'à 8 MJ d'énergie à chaque tour et de les stocker pour une utilisation ultérieure lors de l'accélération. Comme vous pouvez le voir, rien que pour le premier freinage, 3,435 MJ entrent en jeu, donc comme vous pouvez l'imaginer, sur un circuit avec autant de freinages à haute vitesse que Le Mans, il est "facile" d'atteindre ce chiffre de 8 MJ.

Le problème est que, même si on le souhaite, toute l'énergie de chaque freinage ne peut pas être "stockée" dans le système de volant d'inertie. Comme je l'ai dit plus haut, en plus du système de volant d'inertie, trois autres éléments entrent en jeu. Deux sont fixes (frottement avec l'air et frottement contre le sol) et nous ne pouvons pas les modifier dans une large mesure pour réutiliser l'énergie qu'ils perdent.

Les freins sont toujours dans le rouge, même s'ils sont soutenus par le KERS.

En revanche, le couple freins - volant d'inertie peut être combiné. L'idée est d'essayer d'utiliser le volant d'inertie pour réduire autant que possible la vitesse du véhicule, et de n'utiliser les freins qu'en tant que soutien supplémentaire, puisque l'énergie que nous soustrayons au véhicule lors du freinage au moyen des freins ne peut pas être utilisée ultérieurement.


Comment le volant d'inertie stocke-t-il l'énergie ?

Mais comment le volant d'inertie capte-t-il l'énergie ? Quelle quantité d'énergie pouvons-nous capter avec lui ? Il s'agit de deux aspects essentiels dans cette affaire.

Le fonctionnement du volant d'inertie est assez simple. Il s'agit essentiellement d'un volant d'inertie en fibre de carbone et en métal, pesant environ 8,5 kilogrammes, qui tourne autour de son axe.

Volant d'inertie Torotrak Flybrid en fibre de carbone

C'est là qu'un autre aspect de la physique entre en jeu. De la même manière qu'un corps se déplaçant à une certaine vitesse possède une énergie, lorsqu'un corps tourne sur un axe, il possède également une énergie, appelée énergie cinétique de rotation.

C'est l'énergie qui fait que lorsqu'un corps commence à tourner sur lui-même, il veut rester en rotation de façon permanente, à moins que cette énergie ne soit supprimée.

Imaginez que la roue d'une moto ou d'un vélo tourne librement. Imaginez que vous voulez l'arrêter en l'attrapant avec vos mains. Si vous appliquez vos mains sur le pneu pour l'arrêter, vous allez vous brûler. Cette chaleur qui atteint vos mains est l'énergie cinétique de rotation de la roue, qui s'est transformée en friction dans vos mains, et à son tour, s'est transformée en chaleur. Vous comprenez ?

Eh bien, c'est en gros le principe de l'énergie cinétique de rotation. À l'intérieur du corps du système de volant d'inertie, nous avons ce cylindre en fibre de carbone qui tourne. Quelle quantité d'énergie peut-il stocker ? Cela dépend de la vitesse à laquelle on peut le faire tourner, et du moment d'inertie polaire du volant d'inertie.

Je vous ai parlé du moment d'inertie polaire pour une autre raison, mais en gros, c'est le nombre qui nous indique la tendance d'un corps à continuer à tourner autour d'un axe. Plus la masse est éloignée de l'axe, plus le volant d'inertie a un "moment d'inertie polaire" élevé, et donc plus il stocke d'énergie dans sa rotation. C'est pourquoi les volants d'inertie sont conçus avec la quasi-totalité de leur poids concentré sur l'extérieur du cylindre.

Fondamentalement, la quantité d'énergie qui peut être stockée est le résultat de la multiplication du moment d'inertie polaire par la vitesse de rotation maximale que l'on peut donner au volant d'inertie sans qu'il se brise, divisée par deux.

Système de volant d'inertie Torotrak Flybrid à double parallélisme pour la GT-R LM Nismo de Nissan.

Dans le cas de la Nissan GT-R LM Nismo, deux volants d'inertie Torotrak parallèles sont utilisés. Chacune a une masse de 8,5 kilogrammes, capable de tourner à 65 000 tours par minute. Compte tenu des caractéristiques du système, Torotrak affirme que le système est capable de stocker jusqu'à 400 kJ d'énergie par volant d'inertie. Si vous multipliez par deux (puisque vous avez deux volants d'inertie en fonctionnement), vous obtenez un total de 800 kJ de capacité de stockage. D'après ce que nous avons pu constater, Nissan a essayé de pousser ce système plus loin, et d'avoir jusqu'à 1 200 kJ (1,2 MJ) dans cette paire de volants d'inertie, mais c'est là qu'il y a eu des problèmes de fiabilité.

Comment le volant d'inertie capte-t-il l'énergie lors du freinage ?

Eh bien, vous savez, d'après ce que j'ai expliqué plus haut, comment le volant d'inertie stocke l'énergie. Mais comment capter l'énergie des roues ? Eh bien, c'est assez simple.

Lorsque Lucas appuie sur le frein, le volant d'inertie est immobile à ce moment-là. Il est relié par une série d'engrenages et d'embrayages aux roues avant. Les roues avant essaient de faire tourner le volant d'inertie et l'accélèrent progressivement. Plus le volant d'inertie est accéléré, plus la vitesse de rotation des roues est réduite, et donc plus la voiture est lente. En d'autres termes, la voiture est ralentie en accélérant le volant d'inertie.

De cette façon, la voiture peut éliminer jusqu'à 1,2 MJ de son énergie lors du freinage, le tout étant transformé en énergie cinétique stockée dans les volants d'inertie, qui tournent à ce moment-là à 65 000 tours par minute.

Comme nous vous l'avons dit plus haut, pour faire passer la GT-R LM Nismo de 335 à 105 mph, 3,435 MJ doivent être évacués. Comme seulement 1,2 est stocké dans le volant, le reste (2,235 MJ) doit être dissipé par les freins et la friction de l'air et du sol. C'est là que les freins entrent en jeu.

L'un des grands problèmes de ces voitures est de combiner de façon magistrale, par le biais de commandes électroniques, quelle partie du travail de freinage est effectuée par les disques de frein, et quelle partie est transférée au volant d'inertie, et en même temps de faire en sorte que la voiture freine de façon prévisible pour le conducteur, c'est-à-dire qu'elle freine toujours de la même façon et avec la même course de pédale, qu'il n'y ait pas de différences notables et de touches étranges qui compliquent la vie des conducteurs comme Lucas. C'est vraiment l'une des parties les plus compliquées du système.

Mais combien de temps le volant d'inertie peut-il stocker de l'énergie ?

Mais maintenant, vous vous demandez probablement... combien de temps dure un volant d'inertie ? Si vous avez déjà donné de la force à une roue de vélo pour la faire tourner librement, vous aurez remarqué que, tôt ou tard, elle finit par s'arrêter, n'est-ce pas ? Elle s'arrête principalement en raison de deux facteurs. L'un est le frottement avec l'air, et l'autre est le frottement de ses roulements (le frottement qu'il a quand il tourne dessus, voyons).

Le frottement des roulements ne peut jamais être complètement éliminé, mais les systèmes de volant d'inertie comme le Flybrid de Torotrak utilisé par Nissan utilisent un système de roulement spécial, bien lubrifié, qui réduit considérablement le frottement à des valeurs négligeables.

Mais le grand défi est la friction avec l'air, surtout à des vitesses de rotation de 65 000 tours par minute (plus de mille tours en une seconde !). À ces vitesses, la partie la plus extérieure du cylindre se déplace à une vitesse linéaire équivalente à la vitesse du son dans l'air conventionnel. Si la friction avec l'air pouvait se produire à ces vitesses, la fibre de carbone fondrait sous l'effet de la simple friction avec l'air.

Torotrack stocke le volant d'inertie dans un cylindre étanche dont l'air a été retiré. Étant dans le vide, le volant d'inertie ne subit pas la décélération de l'air, de sorte que l'énergie peut être stockée pendant des minutes sans que le volant d'inertie ne décélère pratiquement, bien qu'il finisse par s'arrêter à cause de la friction des roulements.

Et quand il s'agit d'accélérer ?

Une fois sorti de la chicane, lorsque Lucas appuie sur la pédale d'accélérateur, la voiture va essayer de récupérer l'énergie cinétique jusqu'à ce qu'elle atteigne à nouveau plus de 300 km/h. Une partie de cette énergie cinétique provient du moteur à combustion qui, en brûlant de l'essence, produit de l'énergie qui est transférée aux roues, ce qui accélère progressivement la voiture et lui fait gagner de l'énergie.

Mais d'un autre côté, lorsque Lucas appuie sur la pédale, l'électronique de contrôle du volant d'inertie réengage les engrenages et embrayages internes du système de volant d'inertie, pour l'associer aux roues avant. Ce qu'il fait maintenant, c'est transférer ces 1,2 MJ stockés dans le volant d'inertie et les rediriger vers les roues pour leur faire gagner de la vitesse de rotation, et donc, faire gagner de l'énergie à la voiture.

Cette énergie d'accélération supplémentaire est "gratuite", dans la mesure où elle a été gagnée au freinage et où elle aurait autrement été dégagée sous forme de chaleur dans les freins, ce qui permet d'économiser du carburant. En fait, nous réutilisons jusqu'à 30 % de l'énergie de freinage, ce qui signifie une réduction immédiate de la consommation de carburant.

La quantité de puissance que le système à volant d'inertie est capable de fournir dépend de la vitesse à laquelle il est capable de transférer l'énergie stockée aux roues. L'idée originale de Nissan était d'avoir un système à plusieurs volants d'inertie capable de déverser l'énergie stockée en une seule fois pour atteindre près de 2 000 chevaux, mais la réalité des limites physiques du système actuel a fait que, pour l'instant, le système se limite à 600 chevaux et 1,2 MJ de puissance, comme nous vous l'avons dit précédemment.

Des problèmes ?

Vous pourriez penser que, compte tenu de ce que vous avez vu, le système à volant d'inertie semble beaucoup plus simple et logique qu'un système électrique à batterie ou à condensateur, et c'est en quelque sorte le cas.

C'est un système plus efficace sur le plan énergétique (vous économisez la conversion de l'énergie cinétique en électricité, puis de l'électricité en énergie cinétique à nouveau), qui utilise mieux l'énergie captée. Il pèse et occupe moins de volume qu'un système de stockage d'énergie à piles ou à condensateurs de capacité équivalente, et lors de sa manipulation, il ne présente aucun risque tel que des décharges à haute tension.

Un autre avantage est qu'il s'agit d'un système qui ne se détériore pas avec le temps comme le font les batteries ou les condensateurs.

La plupart des problèmes rencontrés lors du développement de la GT-R LM Nismo sont dus à la mise au point du système de volant d'inertie.

Mais les inconvénients viennent d'autres fronts. Comme nous l'avons dit précédemment, lorsque la voiture commence à freiner, le volant sera pratiquement immobile, et il accélérera. En cas d'accélération, le volant aura une vitesse de rotation élevée et devra décélérer pour transférer la vitesse aux roues.

Ce gradient, cette différence de vitesse de rotation entre les roues et le volant d'inertie, est rendu possible grâce à une boîte de vitesses constituée d'un variateur. Ce variateur doit être ajusté en permanence pour que le processus d'accélération ou de décélération soit cohérent et, pour ne rien arranger, il doit travailler en parallèle avec un second variateur et un second volant d'inertie. En d'autres termes, il y a une orgie d'engrenages qui tournent à l'intérieur de l'appareil, et ils doivent tous s'accorder, comme une montre suisse, avec une extrême précision, régis par l'électronique qui, en outre, doit être capable de déterminer le couple que les roues avant peuvent supporter sans perdre l'adhérence ou se bloquer, et quelles sont les exigences du pilote en matière d'accélération ou de freinage.

C'est ce dernier aspect, celui de faire fonctionner tous les mécanismes en coordination, au même moment et de manière organisée, qui génère réellement les problèmes. En fait, c'est cet aspect que Nissan doit encore peaufiner avec Torotrak. C'est à cause des problèmes d'adaptation de ces engrenages et de ces systèmes que Nissan a du mal à capter et à utiliser 8 MJ par tour au Mans. C'est la raison pour laquelle, pour l'instant, elle a renoncé à utiliser l'essieu arrière comme moteur et a décidé d'adopter une stratégie plus économe en énergie.

Cependant, lorsque Torotrak et Nissan parviendront à faire fonctionner le dispositif comme le prévoit la théorie, en ajustant ses paramètres, nous serons face au système le plus efficace compte tenu du règlement actuel de l'ACO pour Le Mans. Et nous pourrions alors être surpris par les résultats.

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