Mesure du Cx

Profitant d’une période météo favorable, j’ai effectué des mesures par 21°C et absence de vent.

Les données sont lues sur le bus can et en effectuant des mesures à plusieurs vitesses constantes pendant au moins 500 mètres, on obtient la consommation énergétique en fonction de la vitesse. De plus sur ce bus can on peut lire la puissance mécanique fournie.

On obtient au passage le rendement de la chaîne électrique à basse puissance, de 0,6 à 7kW électriques, soit de 10 à 80 km/h.

RendementMg2aBassePuissance

Le rendement de 83% correspond aux 10+7% de pertes. On a donc les pertes depuis la sortie des accus jusqu’aux roues. 10% de pertes dans MG2 et son électronique de puissance et 7% de pertes dans la transmission, essentiellement la réduction de 4,1 entre MG2 et les roues. Je pense que la chute de la courbe est simplement due à la prise en compte de la consommation fixe de la voiture de l’ordre de 250 Watts.

Avec la vitesse et la puissance mécanique on peut approfondir l’étude.

Tout d’abord on cherche à obtenir la force constante de roulement. Pour cela il faut regarder à très basse vitesse, vers 0-10 km/h la force nécessaire. Le couple converge vers une valeur constante au fur et à mesure qu’on s’approche de l’arrêt. J’ai obtenu un couple de 35Nm au niveau des roues AV (Cf courbe jaune ci-dessous). Soit une force de 113 N. Pour situer l’ordre de grandeur, on doit pousser la voiture avec une force d’au moins 11daN (environ 11kgf) pour qu’elle roule.

CoupleVitesse

La courbe bleue donne l’énergie au km en Wh/km. Utile pour connaître l’autonomie sur une charge d’accus.

La courbe jaune donne le couple aux roues AV. C’est la somme du couple résistant des pneus et de celui pour déplacer l’air.

La courbe rouge divisée par 10 donne la puissance électrique en kW. Il faut 7kW électriques à 80 km/h.

Cette force de 113 N permet d’obtenir le coefficient de roulement sur ce bitume sachant que la voiture a une masse d’environ 1450kg soit retenu arrondi 14500N: 0,00764. C’est excellent, ce sont des pneus toyo nano2 gonflés entre 2,8 et 2,9 bars. Ce coefficient (Crr) tient compte aussi bien des pneus que du revêtement du sol (sec) que des petits frottements dans la transmission. Il varie entre 0,006 et 0,012 pour un pneu tout seul. Ce Crr varie fortement en fonction de la température du pneu. Certaines études ont montré une variation du simple au double en passant de 40°C à 0°C. Je n’ai malheureusement pas mesuré la température des 4 pneus lors des tests. Ceux de l’avant sont un peu plus chauds. Il faut toutefois s’attendre à une température des pneus de l’ordre de 25 à 30°C ayant peu roulé avant et ma voiture sortant de son garage.

Ensuite on peut obtenir le Cx. Aux mesures de couple on retire le couple fixe de 35Nm, il ne reste plus alors que le couple dû à l’aéro qui augmente théoriquement en fonction du carré de la vitesse.

La surface frontale retenue est de 2,15m². Officiellement 2,1 m², mesuré 2,2 m² mais j’ai replié un des deux rétroviseurs. La grille frontale était entièrement bloquée. Ceci diminue la surpression de l’air sous le châssis.

L’air était à 21°C, donc masse volumique 1,20 kg/m3. Période anticyclonique, altitude 155m. Temps sec.

Ceci nous permet d’utiliser la formule de résistance de l’air 1/2 Ro sCx V² et de modifier le Cx pour superposer parfaitement la courbe de force aéro mesurée avec celle théorique. Dans un tableur on additionne les différences à différentes vitesses et on modifie le Cx pour avoir un total des écarts le plus faible possible.

ComparoMesureTheorique

En final on obtient le Cx : 0,22 et le sCx 0,48.

La répartition entre force aéro et pneus est:

1/3 aéro  à 50 km/h

1/2 aéro à 72 km/h

En extrapolant:

2/3 aéro à 100 km/h

3/4 aéro à 120 km/h.

et peut-être 21 kW électriques consommés à 130 km/h.

On a donc une diminution du Cx de 14,6% par rapport à une prius 2 d’usine. Un gain de 22% de conso à 70 km/h.

Historiquement, en 2013 j’avais mesuré 11% d’amélioration du Cx par la méthode du coast-down, en comparant au même endroit le même jour les données avec une autre prius 2. En 2014 un gain de 18,5% de la conso à 70 km/h constant. Les améliorations aérodynamiques faites depuis, surtout les carénages de dessous, ont donc été bénéfiques.

Dépose/remontage carénages de dessous.

Tous les 2 ans ma Prius doit passer le contrôle technique.

J’ai donc dû démonter tous les carénages.

J’ai profité de ce démontage total des carénages pour revoir un peu leurs fixations de façon à rendre le prochain plus facile et à améliorer un peu l’écoulement de l’air. La traverse arrière est faite maintenant comme celle de devant de deux cornières de 20mm qui forment un T assez plat (c’est le mini, plus est mieux à cause du débattement de soit la suspension avant soit de la traverse du train AR). Cette traverse est maintenant fixée avec 2 boulons de 6×40 mm ce qui permet de la descendre. Il n’y a donc ainsi plus de creux entre les plaques centrales et arrières à cet endroit.

A l’avant j’ai ajouté une patte alu pour éviter que la plaque de carénage passe partiellement sous la cornière (et se coince dans cette position, donc plus basse que la normale), à cause du débattement de la suspension, à un endroit situé sur la traverse alu (2 cornières), dans l’angle arrière du passage de roues. Un point qui reste difficile est la fixation des 2 plaques avant, sous les moteurs. J’ai dû inventer des fixations en me servant de 2 trous du « faux châssis ». Il faut soutenir ces plaques sinon elles descendent trop bas et augmentent la surface frontale. J’ai aussi amélioré l’écoulement au niveau des plaques arrières avec une surface plus plate, auparavant il y avait une légère double courbure sans doute néfaste. La plaque située autour du pot de détente a été un peu rigidifiée à l’aide d’une cornière faite en polypropylène dont une face a été coupée et repliée à 90°. J’ai également ajouté une petite cornière alu de 10mm fixée sur la traverse de l’essieu arrière. Ainsi on peut avoir autant de points de fixation des plaques contre cette traverse, évitant que les plaques ne pendent trop bas.

La dépose/repose des carénages de dessous est assez longue, je ne dispose pas d’un pont ni d’une fosse et procède en montant tantôt l’essieu avant, tantôt l’arrière sur une rampe qui doit lever d’au moins 15cm les roues.

 

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.

BlocageGrille

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:

Carenarge_ar_non_montecarenage_ar_patte

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.

Carenage_passage_de_rouesAr

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.

Enjoliveur_fixation

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.

Prius_usine_dessous

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:

Sans_carenage

Avec_carenage_central

Carenage_avant_et_central

Vue de l’arrière vers l’avant:

Carrenage_ar

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:

carenagear_avant_apres

Les 6 pattes de soutien sur les côtés:

6pattes

 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:

Carenage8d

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 vas 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…