Aérodynamique, blocage de grilles

Parmi les améliorations possibles, limiter fortement l’entrée de l’air dans le compartiment moteur est une des plus simples et efficace. Il faut ensuite monitorer les températures du moteur thermique et de l’électronique. Ceci est effectué par mon ordinateur de conduite relié au bus can via un dongle canusb.

Le principe est de placer un écran devant la grille frontale. Il y a deux niveaux de grilles sur les prius. Une petite supérieure et une plus grande inférieure.

Pour ma part, utilisant essentiellement le mode 100%ev j’ai complètement bloqué la partie supérieure et fortement celle inférieure. Il ne reste qu’une fente de 3x40cm placée devant le radiateur de l’électronique, qui est en-dessous de celui du thermique. Car autant le thermique doit avoir au moins 50-65°C pour avoir un rendement correct, et ne pas dépasser 92°C sinon les 2 ventilo électriques entrent en action, pour l’électronique la température doit rester basse.. Sauf exception en hiver avec des températures négatives, il y a toujours intérêt à refroidir l’électronique mais pas forcément toujours MG2.

Il faut noter que sont reliés sur le même circuit les moteurs électriques et les composants de l’électronique de puissance (IGBT). Ils échangent donc des calories. Les IGBT changeant très vite de température contrairement aux MG. Par ailleurs, en mode 100%ev MG2 fournit des calories au moteur thermique. Celui-ci sert de radiateur et d’accumulateur de calories !

Il est d’ailleurs amusant de constater que si on doit démarrer le thermique, celui-ci peut avoir été préchauffé par les pertes électriques. J’ai ainsi eu un démarrage avec conso d’été alors qu’on était en automne.

J’ai bloqué la partie inférieure avec du polypropylène alvéolaire (le même qui est dessous le châssis) fixé par 2 vis agglo qui ne servent qu’a l’arrêt, en roulant la pression de l’air plaque le polypropylène contre la grille de la Prius. Il est rigidifié par deux fil de fer insérés verticalement pour résister à la pression de l’air.

La partie supérieure est bloquée par de petits morceaux de plexiglas de 0,8mm fixés sommairement par du fil de fer…

Fin janvier 2015:

Les températures extérieures sont entre 0 et 5°C pour mes trajets. J’ai testé la fermeture de l’entrée d’air inférieure. Il n’y a pas de changement notable concernant les températures du liquide de refroidissement de l’électronique, ni de montée anormale des températures des igbt. Je suppose donc qu’en fait l’air continue de circuler dans le compartiment moteur, il y a quelques centaines de Watts à évacuer. Il y a également des échanges thermiques à travers les tôles et l’air ambiant. De plus il y a des fentes au niveau des raccords capot/carrosserie, phares/carrosserie. Il y a aussi deux trous d’échange au niveau des axes des roues AV. Aucun carénage à ce niveau et l’ouverture dépasse de très loin le simple besoin de place pour permettre à l’arbre de transmission de bouger en fonction des oscillations de la suspension et du braquage des roues. L’autre trou permet la commande braquage et laisse passer la barre anti-roulis. Il se peut que ces trous servent l’été à évacuer l’air qui entre dans le compartiment moteur. Il est probable que cette conception modifie aussi l’écoulement de l’air le long des portières. Je me demande d’ailleurs si les traces de boue ne remontent pas plus haut depuis sur les portières, en quelque sorte une absence de soufflage latéral au niveau de leur évacuation qui se fait à la périphérie des roues dans les passages de roues. Car je n’ai pas bouché ces trous de passage d’arbre etc.. mais en bloquant l’entrée d’air frontale on diminue la quantité d’air qui sort par les passages de roues.

Enfin il reste une évacuation d’air au centre en bas, au niveau du début de la ligne d’échappement que je laisserai, même en mode 100%ev. En mode essence c’est évident, la température est importante à proximité de cette partie. C’est à la sortie du moteur que la température des gaz est la plus élevée, le pot de détente arrière pouvant rester froid sur petits trajets au point qu’il est possible de le toucher avec la main sans même ressentir de chaleur. Par contre l’intérieur du catalyseur proche du thermique est de plusieurs centaines de °C.

La fermeture de l’entrée d’air ne peut qu’élever un peu la température des différentes huiles/graisses. Cela doit diminuer un chouia la conso énergétique l’hiver.

Il y a donc plusieurs stratégies pour le blocage de grille. Eté et hiver. De plus l’idéal serait d’avoir des volets coulissants sous le pot d’échappement avec 2 positions: 100%Ev et hybride essence. Mais c’est une région qui se salit et il y a donc un risque de blocage par le boue et autres cailloux, débris… Bien que la boue se dépose dans le prolongement des roues (avec une sensible dispersion latérale), donc le centre qui aurait ce volet coulissant serait très peu concerné.

Aérodynamique, carénages de passage de roues AR

Parmi les points à améliorer il y a les passages de roues AR. Comme ces roues ne sont pas directrices on peut les enfermer dans un carénage placé très près d’elles. Laisser au moins 15 mm entre le pneu et la tôle, dans les virages le pneu se rapproche, soit il se déforme, soit le train arrière se déplace latéralement soit les deux.

J’ai utilisé de l’aluminium de 1mm d’épaisseur:

Les 4 pattes seront repliées à 90° et serviront à la fixation. Elle auront des encoches en forme de U qui viendront se coincer dans 4 vis. Il y a soit des vis existantes dans le passage de roue soit j’en ai ajouté une tout en arrière dans le carénage noir placé derrière les roues. Le carénage est mis en place en le faisant tourner sur lui même, le passage de roue ayant une forme semi-circulaire. Il est bloqué ensuite par une vis de 6mm qui permet de pincer la tôle acier de la carrosserie tout en avant et tout en bas. Chaque carénage a une masse d’environ 900 grammes.

Si je n’ai pas fait un carénage qui descend plus bas c’est parce qu’il faut l’écarter du pneu et il dépasse alors de la carrosserie. Il augmente alors la surface frontale. Je ne suis pas convaincu que le bilan serait positif.

L’air décroche sur l’arrière au niveau de la partie inférieure de ces carénages. L’angle de fermeture est trop important. Le bas du pare-choc arrière de la prius se referme trop. L’angle du carénage noir d’origine est certainement meilleur là. On pourrait ajouter un meilleur guidage sous la forme d’un « volet » qui de plus se terminerait avec une arrête vive. Il pourrait être fixé sur les carénages noirs et sur celui du passage de roue. Les carénages noirs doivent pouvoir être prolongés plus bas avec bien sûr un risque accru de toucher sur route très inégale (genre descente de trottoir)

A noter que la boue n’est plus évacuée sur le côté de la carrosserie. On la retrouve donc en partie dans les passages de roues et il est préférable de l’évacuer de temps en temps.

Le gain au niveau consommation énergétique suite à une mesure est de 1,5% en ayant déjà les enjoliveurs de roues pleins, à 70 km/h.

Aérodynamique, enjoliveurs de roues

De série les prius sont équipées de jantes en alliage magnésium-alu sur lesquelles des enjoliveurs en plastique sont clipsés par un anneau de pression. La forme est spécifique aux prius.

C’est une région qu’il est facile d’améliorer. Il suffit de fixer une pièce plate ou légèrement bombée. On a ainsi un meilleur écoulement de l’air qui « fait le tour » de la voiture et on diminue le brassage de l’air qui est réalisé par la rotation des roues.

J’ai utilisé des tôles d’aluminium de 0,5mm d’épaisseur d’une masse de 270 grammes par roue. Coupées en cercle,  réalisé des encoches sur toute la périphérie qui sont ensuite repliées sur les enjoliveurs plastiques d’origine. On peut ensuite remettre cet ensemble comme auparavent.

J’avais lissé ces enjoliveurs en les plaçant sur une roue AV et en la faisant tourner en mode électrique. Mais, finalement la laisser brute donne un bon résultat aussi, à condition de n’avoir aucune marque sur la tôle. Le résultat n’est pas rigoureusement lisse, les enjoliveurs d’origine ayant 7 rayons en saillie et un trou entre.

Le gain des 4 enjoliveurs pleins à la place de ceux d’origine sur la conso énergétique mesuré à 70 km/h et 25°C est de 4%.

Il est possible de diminuer encore les pertes aéro. Les rayons des roues, de par leur épaisseur, brassent l’air à l’intérieur des roues. En plaçant un simple disque contre l’intérieur de ces rayons, on éviterait ce brassage. Bien sûr ce genre de conseil concerne les conducteurs éco. Ceux qui roulent au frein et n’anticipent pas les arrêts/ralentissements doivent laisser un large passage de l’air pour refroidir les disques/plaquettes/liquide hydraulique…Ce n’est pas mon cas, à plus de 150 000 km dont plus de 50 000 km par le précédent propriétaire, les disques de freins AV ne sont qu’a moitié usés et encore moins ceux AR.

Améliorations aéro, dessous

L’aérodynamique du dessus d’une prius est excellent. L’arrière redescend doucement aidant les filets d’air à se reformer derrière.

Par contre sous le châssis il y a de nombreuses améliorations possibles. Visiblement l’accès rapide pour des interventions des mécanos a été privilégié. Le point le plus mauvais se situe au niveau de la traverse de l’essieu arrière, il y a un grand trou entre elle et la roue de secours, elle même n’est pas du tout profilée sur son arrière. L’autre gros point à améliorer est l’écoulement de l’air sous les moteurs, à l’avant. C’est à l’avant que l’air doit être bien guidé, il est en surpression à cet endroit du nez jusqu’aux environs de l’axe des roues AV et en sur-vitesse ensuite.

En bleu les carénages usine. Le plus étrange est celui situé à côté de la roue de secours. Sa surface est faite d’une multitude de pointes de plastique. Pour les autres de profonds puits servent à la fixation au châssis. Il y a aussi des dizaines de trous d’évacuation de l’eau. Malgrès ces précautions la boue et les petits cailloux s’y accumulent.

Pour l’arrière il n’y a pas trop de choix possible, il faut placer le carénage sous la traverse de l’essieu arrière. Il doit suivre les mouvements de celle-ci de façon à ne pas pendre ce qui augmenterait la surface frontale. L’angle final à la sortie au niveau du pare-choc AR est de 9 degrés par rapport à l’horizontale. Hauteur par rapport au sol à cet endroit 31 cm. L’angle fictif depuis le point le plus bas est de 6,5 degrés.

J’ai utilisé du polypropylène alvéolaire de 3mm qui est utilisé habituellement en remplacement du carton ondulé. Par exemple pour des affiches publicitaires. Très léger mais rigide dans une direction, résistant à l’eau. J’ai utilisé des plaques de 80x120cm.  Il y a plus de 3 1/2 plaques dans la longueur et 2 côte à côte.

Une des difficultés est d’inventer des points de fixation. Pour cela j’ai ajouté deux petites traverses en alu, une vers l’arrière fixée sur des écrous utilisés par toyota pour tenir les déflecteurs des roues AR. L’autre est fixée sur l’arrière des pare-boues avant. Aucun trou n’a été percé dans la tôle, tous dans du plastique. Les plaques sont fixées aux traverses. Sur la traverse située sur l’avant d’une plaque à l’aide de liens en plastique zip, et fixées par de petites vis agglo 4×16 sur les carénages noirs existants. Il faut faire très attention de bien fixer les bords d’attaque des plaques, et soit les aligner bout à bout soit les superposer de façon à ce que l’air ait tendance à les plaquer. Il faut ajouter en plus des petites pattes en se fixant sur des éléments existants. J’ai ensuite vissé directement dans ces pattes alu de 0,5mm d’épaisseur les vis agglos (4x16mm), la tôle assurant le rôle d’écrou. On peut insérer dans les plaques des tiges métalliques. Par exemple pour en réunir deux bout à bout on insère plusieurs tiges dans les 2 plaques.

Pour les plaques du centre il existe 6 fentes visibles aux bords de la carrosserie entre les roues AV et AR. Très pratiques on insère une feuille d’alu repliée en deux de par exemple 4x4cm x 2 qui soutient alors le bord des plaques centrales.  Celles-ci étant alors tenues en avant par une traverse alu (liens en plastique) ces 4 soutiens de côté et deux rangées de vis 3×16 (5 vis en tout). Derrière elle une plaque la prolonge sur environ 65cm avant de rejoindre la traverse arrière. Cette prolongation dispose des 2 soutiens latéraux restants sur les 6 disponibles avant de rejoindre la roue AR. Cette plaque prolongation est fixée aussi sur une plaque centrale percée de 7 trous, pièce d’origine (anti-écartement/rapprochement de la carrosserie) chevauchant le pot d’échappement. Les plaques centrales sont également fixées sur leur arrière sur cette plaque centrale à 7 trous, qui n’est pas centrée dans l’axe de la voiture.

Vue depuis l’avant vers l’arrière, sans carénage, avec un carénage central, et avec carénages avant et central:

Vue de l’arrière vers l’avant:

Le dessous arrière avant carénage et après, dernière version avec la partie transversale fixe et les deux plaques longitudinale qui coulissent dessus. De plus une des plaques a été rigidifiée par une petite cornière en alu, en 3 mm le polypropylène alvéolaire n’est pas assez rigide sur un telle longueur:

Les 6 pattes de soutien sur les côtés:

 Il faut bien sûr se méfier des sources de chaleur. Pot d’échappement et catalyseur. Bien fixer les plaques pour qu’elles ne puissent jamais entrer en contact avec une source chaude. Au moins 1 à 2 cm d’air. L’air doit circuler pour éviter une poche de surchauffe qui peut être très dangereuse. Si on observe attentivement le dessous de châssis d’origine, on constate qu’il y a une dissymétrie concernant la circulation de l’air le long du pot d’échappement. Sur le côté qui précède la partie du pot qui tourne d’abord à 90° puis rejoint l’arrière, le châssis laisse passer plus d’air. Ceci afin d’éviter que le réservoir soit surchauffé par la proximité du pot qui le longe perpendiculairement à l’axe du véhicule. L’autre moitié du réservoir n’est pas à proximité de ce pot.

Photo cliquable des 8 pièces de carénages de dessous après une bonne année d’utilisation et nettoyage L’arrière a été revu depuis et englobe plus le pot de détente:

On voit bien les 2 traverses en alu ainsi que les découpes pour passages de roues AV, suspension arrière, ligne d’échappement. Ici le carénage au-dessous du réservoir du carburant est valable en mode 100%ev. En mode thermique il doit trop limiter la circulation de l’air chaud. Prudence à cet endroit.

Je ne dispose, hélas, d’aucune soufflerie. Il y a en effet des modifications dont les conséquences ne sont pas forcément positives. Par exemple de série il y a juste devant les roues de petits déflecteurs. A l’avant leur rôle est de limiter la quantité d’air qui doit « survoler » le gouffre situé derrière la roue et qui est nécessaire pour pouvoir braquer. Mais les traces laissées par la boue sur les carénages horizontaux à cet endroit montrent que l’air est très dévié, à mon avis trop. On gagne d’un côté et on perd d’un autre. D’autant plus qu’après avoir été dévié cet air se retrouve en surpression et va revenir à la pression atmosphérique plus loin, mais sans être guidé. Pour l’instant j’ai retiré ces déflecteurs et préféré guider au maximum les filets d’air, y compris au niveau des triangles inférieurs de suspension ce qui explique la découpe particulière à cet endroit.

Globalement le carénage du dessous va accélérer l’air sous la voiture (en fait ne va plus le freiner autant) et on devrait retrouver plus d’air à la sortie sous le pare-choc arrière. La forme de la grande zone turbulente qui est derrière la voiture devrait être modifiée et être globalement moins perturbée dans sa partie inférieure. Cette grande zone turbulente devrait donc être plus petite. Ceci expliquerait le gain en Cx. Tout carénage a des impacts locaux, là où il est, et derrière lui. Le blocage de grille avant a des conséquences sur le carénage de dessous de châssis. En présence de blocage de grille, le carénage de dessous reçoit moins d’air. Il y a donc moins de surpression sur l’avant et donc moins de vitesse d’air ensuite.

Les carénages peuvent avoir un impact sur les forces verticales. Bloquer la grille frontale va diminuer le soulèvement car moins d’air va re-sortir sous le châssis. Dévier l’air devant les roues peut aussi diminuer le soulèvement, il y a en effet une nette surpression devant les pneus, un peu en forme de coin au niveau du sol assez large, une vingtaine de centimètres, 4 fois, une par roue. Ajouter un carénage de dessous va accélérer l’air au centre du véhicule. Il va se produire moins de force verticale de soulèvement (La quantité d’air ne changeant presque pas, s’il va plus vite, sa pression va forcément baisser ce qui diminue la force de soulèvement sous le châssis.). Ces forces peuvent avoir un impact sur la stabilité directionnelle sur route et peut être un peu sur la distance de freinage.

Il reste pas mal d’améliorations possibles: déflecteur derrière les roues guidant l’air pour l’aider à revenir à la pression normale sans turbulence. Ceci est fait de série au niveau des roues AR, sur une faible hauteur toutefois. Mais que se passe-t-il quand on a un vent latéral ? Petits carénages au niveau des amortisseurs AR qui dépassent des carénages de dessous de châssis. Sur la carrosserie boucher toutes les fentes, surtout celles qui sont en travers de la circulation d’air (jonction toit-hayon). Améliorer l’écoulement au niveau des montants des vitres latérales. Améliorer l’écoulement au niveau des essuie-glace, quand ils sont au repos. Guider l’air à la sortie du pot de détente arrière (il descend trop bas). Guider mieux l’air au niveau des poignées de portières. Prolonger le béquet arrière supérieur jusqu’au pare-choc… Améliorer l’écoulement de l’air au niveau des passages de roues AV source de beaucoup de turbulences de forme complexe (Vortex). Je pensais réduire l’espace entre carrosserie et pneu sur la partie supérieure du pneu, là où il est le plus éloigné du plan de la carrosserie. A l’inverse dans sa partie inférieure le pneu est en saillie. Fixer un mini miroir sur le rétroviseur gauche quand il est replié ? plus un miroir juste contre la vitre latérale, à l’intérieur et mettre une caméra AR…etc…

Mode ev en hiver

Sur le trajet de 140km qui est effectué presqu’entièrement de nuit en ce moment, l’aller a été réalisé par une température moyenne de -3°C, à vitesse légèrement réduite à certains endroits délicats, vu que la météo annonçait un risque  de brouillard givrant.
Comme elle était bien froide, seulement 5°C au départ, j’ai mis de suite le chauffage à « fond ». Enfin à 700 Watts
Il ne fallait pas retirer ce chauffage et la ventilation sur le pare-brise, sinon la buée arrivait.
L’air devait sortir des buses à environ 14°C (alors que lors d’un trajet précédent c’était 24°C) bien que venant en ligne directe de l’extérieur, il n’était pas question d’utiliser la position air recyclé, la buée venait très vite. Juste assez pour empêcher la buée et ne pas avoir de sensation de froid sur la figure. Dehors c’était par endroits blanchi mais finalement pas eu de brouillard givrant. Ca n’a pas glissé non plus sur les 3-4 ponts que j’emprunte, qui enjambent la Sarthe, un des endroits priviligiés pour la formation du verglas. Le plus froid a été dans une forêt à -4°C.
A l’arrivée, les accus A123 étaient à un minuscule 13°C. Plus pour les LG. Pas habitué à de telles valeurs si basses.

On peut même se poser la question d’isoler thermiquement les packs d’accus. D’ailleurs l’entrée d’air frontale pourrait être refermée. Le capteur de température sur le circuit de refroidissement de l’électronique indiquait comme d’habitude +5 à +6°C par rapport à dehors. Donc une valeur très basse. Clairement là il faudrait chauffer toutes les huiles et graisses. Le thermique n’est monté qu’à 8°C, soit +3°C par rapport au départ. Il faut rappeler qu’il sert de radiateur en mode 100%Ev.

Le retour le soir a été totalement différent. Sans doute parce que ma Prius a été garée au soleil durant la journée. En effet aucun besoin de ventilation, pas de buée, rien. Juste un peu de chauffage pour le confort. Avec 2°C de température extérieure.

Enfin au niveau conso c’est passé de justesse. Plus de 15kWh. On s’approche des 110 Wh/km en sortie d’accus, soit +23% par rapport au mini fin Aoüt. J’ai bien vidé les accus, jusqu’à 2,5V pour les plus bas ! Le mini prévu par le fabricant est 2v. Il faut dire qu’en hiver vue la résistance interne la tension chute nettement plus que l’été quand on consomme. De plus j’ai la malchance d’avoir une côte à gravir aux deux extrémités de mon trajet.
La prochaine fois je chargerai les LG à 4,2 volts au lieu de 4,1. Pour mémoire à 4,24 volts on dispose de 16,6 kWh utilisables. Mais plus on s’approche de 4,3 volts et plus vite les accus vont vieillir. Donc 4,2V doit permettre de vider plus de 16 kWh.
Sans doute je préchaufferai les A123, disons 10-15°C; leur résistance interne à bondi au ciel ce qui empêche une partie des échanges entre LG et A123 et bien sûr augmente les pertes thermiques.
Là j’ai été prudent et évité les grosses puissances. Pas de mode 25 kW continu dans certaines côtes (mode qui existe même en mode 100%Ev…, on peut en effet dépasser les 3-4 secondes de ce qui semblait un boost, très simplement)

Comme je dispose d’environ 6h45 pour tout recharger, j’ai ajouté une deuxième alim pour recharger les LG. Donc 4h15 à 700 Watts (au lieu de 350W) puis 2h30 à 1600Watts. Pour les A123 4h15 à 2kW.

Au niveau financier on est arrivé à 3000€ d’économisés en 3 ans sur la différence de prix entre essence à 5,2 L/100km (conso d’un utilisateur lambda de P2) et le coût de l’électricité. De plus je vais espacer plus les vidanges, 20 000km est très raisonnable, vu que le thermique ne sert presque plus.