Du moteur au déplacement : la chaîne énergétique

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Classe(s) : Tle STI2D - Tle STL | Thème(s) : Du moteur au déplacement : la chaîne énergétique

Du moteur au déplacement : la chaîne énergétique

Un véhicule utilise de l’énergie électrique ou chimique, transformée en énergie mécanique pour se déplacer. Les moteurs thermiques, majoritairement employés, n’ont pas les mêmes propriétés que les moteurs électriques.

1Le transfert d’énergie

Dans un moteur à explosion, l’énergie chimique de combustion du carburant est transformée partiellement en énergie mécanique de rotation de l’arbre moteur (qui entraîne par un mécanisme complexe les roues) et aussi en énergie thermique (gaz de combustion, bloc moteur chaud).

Dans le cas des véhicules électriques, une grande partie de l’énergie chimique des batteries est convertie en énergie électrique, qui permet au moteur électrique (à l’aide d’un onduleur) de créer de l’énergie mécanique avec un rendement important.

A Le mouvement à vitesse constante

Lorsqu’un véhicule avance à vitesse constante, en ligne droite le moteur électrique ou mécanique a une cadence constante et fournit une puissance mécanique constante.

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L’objet se déplaçant à vitesse constante en ligne droite, est soumis à un ensemble de forces dont la somme vectorielle est nulle :

– son poids P ;

– la réaction normale du sol sur les roues RN ;

– la réaction tangentielle du sol sur les roues RT ;

– la traînée T.

La traînée s’oppose au mouvement, elle a un travail fortement négatif.

La réaction tangentielle du sol sur les roues RT travaille :

– de manière négative au niveau des roues libres ;

– de manière positive sur les roues motrices, ceci permet de faire avancer le véhicule, c’est la traction.

Le poids et la réaction normale ne travaillent pas lors d’un déplacement horizontal.

Dans ces conditions, un moteur ayant une puissance limitée, P = 20 kW serait suffisant. La consommation d’énergie chimique est constante au long de ce parcours. Certains facteurs entraînent une consommation accrue, par exemple :

– une fenêtre ouverte, qui génère une traînée plus élevée ;

– l’utilisation de la climatisation.

Le travail de la force de traction, qui s’exerce au niveau des roues motrices, compense exactement les travaux résistants des frottements et de la traînée.

Exercice résolu

Énoncé

Un véhicule avance toujours en ligne droite à vitesse constante mais il aborde maintenant une partie montante.

1. La valeur de la force poids est-elle modifiée ?

2. Pourquoi la consommation d’énergie chimique augmente-t-elle pour maintenir une vitesse constante ?

Corrigé

1. La valeur de la force poids n’est pas modifiée car la masse du véhicule ne varie pas.

2. La consommation d’énergie chimique augmente car le travail de la force poids est maintenant résistant : le moteur doit fournir de l’énergie mécanique supplémentaire pour compenser ce travail négatif du poids et maintenir une vitesse constante.

Inversement, en descente, le véhicule bénéficie du travail moteur de la force poids, sa consommation chute fortement. Il faut parfois freiner :

– de préférence en utilisant le frein moteur dans les moteurs thermiques, ou les freins classiques qui convertissent de l’énergie mécanique en énergie thermique (les disques ou les tambours de freins chauffent) ;

– pour les moteurs électriques, ce travail moteur du poids permet de générer de l’énergie électrique récupérable car ces moteurs sont réversibles : ils assurent ainsi une fonction de ralentissement mais pas d’arrêt complet du véhicule.

B Le mouvement à accélération constante

Lors d’une accélération, le travail de la force de traction doit non seulement compenser les travaux résistants mais en plus permettre d’augmenter la vitesse du véhicule : il faut donc fournir une puissance mécanique supplémentaire ; la consommation d’énergie chimique augmente fortement.

Le fait d’accélérer brutalement, de conduire de manière « sportive » augmente beaucoup la consommation et contribue à l’usure mécanique des pièces.

Lorsque la vitesse souhaitée est atteinte, la consommation devient constante.

2L’énergie consommée

A L’énergie stockée

1. Les moteurs thermiques : carburants combustibles

L’énergie chimique Echim est obtenue en multipliant la masse de carburant m par la capacité calorifique massique c (ou ΔH, enthalpie de combustion).

Echim = m.c où :  m : masse en kilogramme (kg)

  c : pouvoir ou capacité calorifique massique en joule par kilogramme (J.kg1),

  Echim : énergie chimique en joule (J).

Le pouvoir calorifique de différents combustibles rencontrés dans les transports l’habitat est donné dans le tableau ci-dessous :

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La combustion d’un kilogramme de combustible fossile fournit quelques dizaines de mégajoules. Une partie est convertie en énergie mécanique mais le reste est cédé au milieu extérieur sous forme d’énergie thermique.

Exercice résolu

Énoncé

On réalise le plein d’un véhicule en remplissant le réservoir avec 45 litres de super sans plomb 95, ayant le pouvoir calorifique massique de l’essence.

Donnée : masse volumique de l’essence ρ = 0,75 kg.L1.

1. Calculer la masse m de super sans plomb correspondant.

2. En déduire l’énergie chimique Echim pouvant être libérée par la combustion de ce volume d’essence.

Corrigé

1. La masse m est le produit du volume de super sans plomb par la masse volumique de l’essence : m = ρ.V soit m = 0,75 × 45 = 34 kg.

2. L’énergie chimique est Echim = m.c, soit Echim = 34 × 47 = 1,6 × 103 MJ = 1,6 GJ.

Il s’agit d’une énergie considérable.

2. Les moteurs électriques : les accumulateurs

La densité massique est une caractéristique importante d’un accumulateur. Elle correspond à la quantité d’énergie en wattheure par kilogramme (Wh.kg1) qu’il peut restituer par rapport à sa masse.

Pour trouver l’énergie stockée, exprimée en wattheure (Wh) dans un accumulateur chargé, il faut donc multiplier la masse m en kilogramme (kg) de l’accumulateur par la densité massique.

1 Wh  = 3 600 J

1 kWh  = 1 × 103 Wh

 = 3,6 × 106 J

Le tableau suivant présente les caractéristiques importantes de différents accumulateurs présents sur le marché : depuis l’accumulateur au plomb équipant la plupart des véhicules à moteur thermiques jusqu’aux accumulateurs utilisés dans les véhicules électriques. Les caractéristiques des accumulateurs (nickel-cadmium et nickel-hydrure métallique) sont données à titre de comparaison.

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Exercice résolu

Énoncé

Les caractéristiques techniques de la batterie de la Bluecar, véhicule électrique fabriqué par le groupe Bolloré, sont indiquées ci-dessous. Il s’agit d’une batterie lithium métal polymère.

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1. Vérifier que la valeur numérique indiquée pour l’énergie est cohérente avec les autres informations fournies.

2. Convertir cette énergie en mégajoule (MJ).

3. Comparer ce résultat avec l’énergie chimique pouvant être libérée par la combustion d’un plein d’essence : 1 × 109 J.

Corrigé

1. La masse de la batterie est m = 300 kg et la densité massique vaut 100 Wh/kg. Ainsi, l’énergie stockée vaut 300 × 100 = 30 000 Wh = 30 kWh. La valeur donnée est bien cohérente.

2. 1 kWh = 3,6 × 106 J, ainsi l’énergie stockée dans cette batterie vaut 30 kWh = 30 × 3,6 × 106 = 110 MJ.

3. 1,1 × 108 J < 1 × 109. L’énergie chimique stockée dans une batterie est bien plus faible que celle « stockée » dans un plein d’essence, elle en représente 11 %.

B La relation liant la puissance P et la variation d’énergie

La puissance P est le rapport de la variation d’énergie ΔE par la durée Δt :

P = ΔEΔt où :  ΔE : variation d’énergie en joule (J)

 Δt : durée en seconde (s)

 P : puissance en watt (W).

Un rendement, noté η, est le rapport de deux grandeurs ayant la même dimension. Ce sera souvent le rapport d’une puissance ou d’une énergie utile sur une puissance ou une énergie libérée.

Exercice résolu

Énoncé

Un véhicule réalise un parcours de 50 km en 30 minutes. Sa consommation est de 3,5 litres d’essence en roulant à vitesse constante.

1. Calculer l’énergie libérée Echim par la combustion de l’essence sur ce parcours.

2. En déduire la puissance chimique libérée dans le moteur.

Ce moteur a transféré une énergie mécanique Em = 36 MJ au véhicule.

3. Que vaut l’énergie utile ? L’énergie mécanique ou l’énergie chimique ? Calculer le rendement η correspondant à ce déplacement.

Donnée : Pouvoir calorifique de l’essence : ΔH = 47 MJ.kg1. Masse volumique de l’essence : ρ = 0,75 kg.L1

Corrigé

1. L’énergie libérée Echim est le produit de la capacité calorifique c par la masse d’essence. Il faut donc trouver la masse m d’essence correspondant à 3,5 litres en multipliant ce volume par la masse volumique de l’essence m = 0,75 × 3,5 = 2,6 kg.

Ainsi Echim = m.ΔH soit Echim = 2,6 × 47 = 123 MJ = 1,23 × 108 J.

2. La puissance chimique libérée dans le moteur est P = EchimΔt, où Echim = 1,23 × 108 J et Δt = 30 min = 1 800 s = 1,8 × 103 s. Soit P = 1,23×1081,8×103 = 68 kW.

3. L’énergie utile est l’énergie mécanique. Le rendement η est le rapport de l’énergie utile sur l’énergie chimique : η = EmEchim = 36×1061,23×108 = 0,29 = 29 %. Ce rendement est habituel dans le cas des moteurs à essence.

C La consommation et l’autonomie

Les consommations de carburant sont affichées dans les garages sur les véhicules neufs en vente. Elles correspondent à des consommations réalisées lors de tests simulant des conditions de circulation reproductibles sur les routes européennes, « urbaine », « extra-urbaine » et « mixte » selon le cycle NEDC (New European Driving Cycle).

Le test comporte un ensemble d’accélérations/décélérations et de paliers de vitesse sur une durée de 20 minutes (cf. graphe). La vitesse du véhicule doit être maintenue à tout moment du cycle dans un certain écart de tolérance autour de la consigne.

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Le véhicule doit commencer la procédure à froid à une température de 20 °C. La plupart du temps, les tests sont réalisés sur des bancs à rouleaux, équipés d’une machine électrique permettant de simuler la résistance qui serait rencontrée du fait de la trainée aérodynamique et de la masse du véhicule. Un système de soufflerie couplé au banc permet de fournir aux entrées d’air du moteur un débit représentatif de la vitesse pratiquée. Ce mécanisme permet d’effectuer un grand nombre d’essais au cours des phases de développement des véhicules et de leurs moteurs.

La consommation en cycle « urbain » correspond aux 800 premières secondes : une succession d’accélérations amenant la vitesse jusqu’à 50 km/h et de décélérations. La phase « extra-urbaine » est liée à la fin du cycle de 800 à 1 200 secondes, mais la vitesse est limitée à 120 km/h pendant une durée très courte. Le cycle mixte correspond à la consommation moyenne sur l’ensemble du test : la distance totale parcourue est de l’ordre de 11 km.

Exercice résolu

Énoncé

La page Internet www.fiches-auto.fr/articles-auto/consommation/s-439-citadines-qui-consomment-le-moins.php indique la consommation de différentes voitures essence citadines Citroën.

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1. Sur quel type de parcours la consommation est-elle la plus forte ? Pourquoi ?

2. Que signifie les indications 1.0, 1.0 i, 1.4… et les informations entre parenthèses (58 ch) ?

3. Quel véhicule est le plus sobre ? Comparer les consommations d’essence des quatre autres.

4. Le réservoir d’une Citroën C3 1,4 comporte 36 litres de super 95. Quelle distance pourra parcourir cette voiture en cycle « extra-urbain » ?

Corrigé

1. La consommation est la plus forte en ville (cycle urbain), car le conducteur est obligé d’accélérer, freiner et s’arrêter de nombreuses fois sur ce parcours.

2. Ces valeurs représentent la cylindrée totale des moteurs en litre, donc le volume intérieur des cylindres des différents moteurs. La valeur entre parenthèse correspond à la puissance du moteur en cheval vapeur : 1 ch = 736 W. Cette unité n’est pas pratique en physique mais elle persiste dans le domaine des moteurs. En général, plus la cylindrée est importante, plus la puissance est élevée. Actuellement, de nouveaux petits moteurs ont des puissances aussi élevées que des moteurs anciens plus gros et plus lourds.

3. La voiture la plus sobre est la Citroën AX 1,0. Les autres véhicules ont des consommations d’essence très proches.

4. La consommation d’une Citroën C3 1,4 en cycle « extra-urbain » (route) est de 5,7 L/100 km. La distance théorique pouvant être parcourue est donc le rapport du volume d’essence dans le réservoir par la consommation aux 100 km multiplié par 100. La distance vaut donc d = 36×1005,7 = 631 km.

On peut penser que l’on va parcourir de nombreux kilomètres avec un plein d’essence. Dans la réalité, on remarque que le véhicule consomme plus et présente donc une autonomie réduite par rapport aux données du constructeur. De nombreux facteurs tendent à accroître la consommation :

– un véhicule consomme plus au démarrage sur les 3 premiers kilomètres, ce qui correspond à la majorité des déplacements ;

– la circulation urbaine (elle est de moins en moins fluide et il y a de nombreux arrêts) ;

– une conduite sportive ou agressive ;

– l’utilisation de la climatisation, de barres de toit, les fenêtres ouvertes.

Les tests sont réalisés sur des bancs, dans des conditions découplées de la réalité : température de 20 °C, limitation de la vitesse à 120 km/h sur très courte durée, et sans dénivelé.

De nouveaux protocoles de test sont en cours de rédaction au sein de l’Union européenne afin de créer des scénarios plus proches de la réalité.

Les véhicules électriques sont moins sensibles à ces phénomènes en ville : les batteries ne délivrent du courant qu’en roulant. À l’arrêt, les moteurs électriques ne consomment rien. De plus, il est possible de recharger les batteries lors des freinages ou en descente. Cependant, lorsque la température diminue, les batteries peuvent être nettement moins efficaces.

3Le fonctionnement des moteurs

A Les moteurs à combustion

On détaille le fonctionnement d’un moteur 4 temps essence. Il y a 4 étapes essentielles :

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1. Admission : la soupape d’admission s’ouvre et le piston s’abaisse, ce qui crée une dépression. Le mélange air-carburant est aspiré dans le cylindre jusqu’à ce que le cylindre arrive au point mort bas. La soupape d’admission se ferme alors ;

2. Compression : le piston remonte jusqu’au point mort haut, le mélange est comprimé et s’échauffe ;

– 3. Explosion et détente : une étincelle créée au niveau de la bougie d’allumage enflamme le mélange, qui explose. La température et la pression augmentent, ce qui repousse le piston : c’est le temps moteur du cycle. Les gaz formés se détendent ;

4. Échappement : la soupape d’échappement s’ouvre et la remontée du piston chasse les gaz brûlés vers l’extérieur.

Différents systèmes électroniques permettent de contrôler et d’aider la combustion de l’essence : injecteur, sonde λ

Le rendement d’un moteur à combustion peut atteindre 50 % dans le cas de moteurs diesel de bateaux comportant une récupération de la chaleur de combustion. Dans le cas des moteurs diesel de véhicules routiers, ce rendement est de l’ordre de 45 %, et 30 % pour les moteurs à essence. Cependant, en raison de pertes liées à la transmission, aux périodes d’arrêt du moteur au ralenti, le rendement réel pratique d’une voiture ne dépasse guère 12 %.

Les moteurs à combustion ont un inconvénient majeur : ils génèrent de nombreux polluants atmosphériques.

B Les moteurs électriques

1. L’induction

Lorsqu’un aimant se déplace à proximité d’un circuit électrique, une tension est créée. Si le mouvement de l’aimant est périodique, la tension créée est elle aussi périodique.

Ce principe est à la base des générateurs de courant, comme par exemple la dynamo d’une bicyclette. Dans ce cas, l’aimant cylindrique et fixe (stator) entoure un bobinage mobile entraîné par la roue de la bicyclette. On obtient une tension (et un courant) dont la représentation est donnée ci-après :

– la tension obtenue est alternative ;

– les générateurs industriels sont des alternateurs géants : un rotor entraîné en rotation par une turbine devant un stator va créer des courants triphasés ayant des intensités très élevées. La turbine est actionnée par de la vapeur d’eau sous pression (centrales thermiques ou nucléaires) ou de l’eau (centrale hydraulique).

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2. Les forces électromagnétiques

Une barre cylindrique en métal peut rouler sur des rails métalliques qui servent de conducteurs électriques. Une longueur l de la barre métallique est traversée par un courant d’intensité I.

L’ensemble est placé dans l’entrefer d’un aimant en U, qui assure un champ magnétique uniforme.

La barre se déplace vers la gauche lorsque le courant circule dans le conducteur cylindrique en venant vers nous.

La force responsable de ce déplacement est la force de Laplace : elle est orthogonale à la direction du champ magnétique et à la direction de circulation du courant dans la barre métallique.

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3. Le moteur à courant continu

Ce moteur fonctionne de manière inverse à la création de courant par induction : il est possible de mettre en mouvement un circuit électrique traversé par un courant, placé dans un champ magnétique en utilisant la force de Laplace. Il est constitué :

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– d’une partie mobile : le rotor. Celui ci comporte des spires conductrices rectangulaires enroulées autour d’une armature en fer doux et alimentées en courant par des balais (contacts frottants) ;

– d’une partie fixe : le stator. Il contient des aimants permanents ou des bobines créant un champ magnétique.

Dans l’espace compris entre le rotor et le stator, les lignes de champ sont orthogonales à la surface du rotor car le fer doux de l’armature canalise les lignes de champ :

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– le courant dans la spire change de sens à chaque demi-tour lorsque la spire passe par la ligne verticale, ainsi les forces de Laplace qui s’exercent sur la spire changent aussi de sens et permettent un mouvement de rotation régulier ;

– la puissance des moteurs électriques varie de quelques dixièmes de watt pour les moteurs de jouets à quelques mégawatts pour les moteurs de trains électriques.

Le moteur permet donc la conversion d’énergie électrique en énergie mécanique grâce à la force de Laplace.

4. Le moteur à courant alternatif

Pour créer un courant alternatif à partir des batteries délivrant un courant continu, il faut utiliser un onduleur, comme dans le cas de l’électricité produite par les panneaux photovoltaïques. Pour entraîner de manière plus efficace les moteurs et avoir un meilleur rendement, on génère des tensions triphasées (ce qui crée un champ magnétique tournant).

La plupart des véhicules électriques utilisent des moteurs synchrones à aimant permanent ou avec un rotor comportant un bobinage dans lequel circule un courant continu. Leur fonctionnement est l’inverse de la dynamo. Un circuit électrique placé dans un champ magnétique se déplace. Ici le circuit électrique doit tourner, il constitue le rotor du moteur.

Cette pièce mobile est placée dans un stator comportant des bobines alimentées par des tensions triphasées, les bobines vont se comporter comme des aimants mobiles entraînant le rotor.

Le rotor, alimenté en courant continu, par un système de contacts glissants (bagues), crée un champ magnétique rotorique qui suit le champ tournant du stator avec un retard angulaire θ lié à la charge (plus la charge est importante, plus θ est grand).

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L’intérêt des moteurs électriques réside en trois points :

le rendement de ces moteurs est élevé (proche de 94 %), ils ne consomment de l’énergie que lorsqu’ils assurent la traction du véhicule ;

– ils sont réversibles, il est donc possible de récupérer de l’énergie lors du freinage ou dans les descentes et de recharger ainsi les batteries ;

leur entretien est très limité par rapport aux moteurs à combustion.

Cependant, l’autonomie des véhicules électriques est limitée par les batteries, dont le coût est élevé. D’autre part, la production d’électricité par les centrales thermiques ou nucléaires ne se fait pas avec un rendement important. Les moteurs à combustion ont encore de longues années de vie devant eux avant d’être détrônés par les moteurs électriques dans le domaine des transports, sauf dans le cas d’une augmentation rapide du prix des énergies fossiles, telles que le pétrole.

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