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Rendement moteur thermique, chaîne énergétique de la voiture électrique, Bts AVA expert 2009 |
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Combustion du carburant. L'essence étudiée est constituée principalement d'octane C8H18. Ecrire et équilibrer l'équation de la réaction de combustion complète de l'octane dans le dioxygène en la mamenant à 2 moles d'octane. 2 C8H18 (l) + 25 O2(g) = 16 CO2(g) = 18 H2O(g) Expliquer l'expression " combustion complète". Une combustion complète ( le dioxygène est en excès) conduit au dioxyde de carbone et à de l'eau ; une combustion incomplète ( le dioxygène est en défaut ) peut donner du monoxyde de carbone et du carbone ( solide). Etude du pouvoir calorifique de l'essence. On utilise pour cela, une bombe calorimétrique, placée dans un calorimètre contenant une grande quantité d'eau distillée. Une bombe calorimétrique doit être étalonnée avant chaque mesure. l'étalonnage s'effectue en réalisant la combustion d'un corps dont le pouvoir calorifique est connu. On utilise généralement de l'acide benzoïque dont le pouvoir calorifique est de 26453 J g-1. Pour différentes masses d'octane, on a relevé l'élévation de température au sein du calorimètre.
La combustion de 1 g d'acide benzoïque fournit une élévation de température de 2,61 °C. Déterminer la masse d'octane correspondante à partir de la courbe. Par comparaison
déterminer le pouvoir calorifique de
l'octane. La combustion de 0,59 g d'octane fournit 26453 J
; la combustion de 1 g d'octane fournit : 26453/0,59 = 44836 J g-1
~45 kJ
g-1.
On considère une voiture ayant un réservoir d'un volume V= 40 L et roulant à 100 km/h sur une route plane. On considère que le pouvoir calorifique de l'essence est 44 kJ g-1. La masse volumique de l'essence est r = 0,80 kg/L. Calculer la masse des 40 L d'essence. m = Vr =40 *0,8 = 32 kg. Calculer en kJ et en kWh la quantité d'énergie thermique Wth que peuvent fournir ces 40 L d'essence. 32 kg = 32 103 g ; Wth =32 103 *44 =1,408 106 ~1,41 106 kJ. Wth =1,408 106 / 3600 =3,91 102 kWh ~3,9 102 kWh. On fait tourner le moteur à 3000 tr /min sur un banc d'essai jusqu'à consommation totale de l'essence du réservoir. Le moteur tourne ainsi pendant 5 h avant de s'arrêter. On donne la courbe de puisance mécanique fournie par l'arbre en fonction de la vitesse de rotation de ce moteur. Déterminer la puissance mécanique Pméc développée par ce moteur tournant à 3000 tr/min.
En déduire l'énergie mécanique Wmec ( en kWh) produite pendant 5 h de fonctionnement. Wmec =Pmec * durée en heure = 28 *5 = 1,4 102 kW. Calculer le rendement hmth de ce moteur thermique. hmth =Wmec /Wth =140/391 =0,358 ( 36 %). Le rendement réel global est de 18 %. Déterminer la valeur ( en kWh) de l'énergie mécanique Wm- utile réellement utilisée par la voiture lors de la consommation de 40 L d'essence. Wm- utile =Wth *0,18 = 391*0,18 = 70,38 kWh ~ 70 kWh.
le schéma de principe de la chaîne énergétique d'un véhicule électrique est représenté ci-après :
Les véhicules électriques ne possèdent pas de boîtes de vitesse. Le moteur asynchrone alimente directement le différentiel. On supposera que le rendement global de l'ensemble " onduleur machine asynchrone différentiel " est égal à 75 %. Calculer en kWh, l'énergie Wbat que le bloc batterie doit fournir à cet ensemble pour fournir aux roues une énergie de 70 kWh proche de Wm-utile calculée ci-dessus. Wbat = Wm-utile / 0,75 = 70 / 0,75 = 93,3 ~ 93 kWh. On utlilise des batteries Lithium Ion Polymère ( LIPo) : densité massique énergétique de 100 Wh / kg ; densité volumique énergétique de 120 Wh/L. On précise que la densité massique correspond au rapport de l'énergie stockée par la masse du produit ou du dispositif et que la densité énergétique volumique correspond au rapport de de l'énergie stockée par son volume. Calculer la masse mBat et le volume VolBat de batterie nécessaire pour fournir cette énergie. Comparer ces résultats à la masse et au volume du réservoir d'essence. mBat = Wbat / densité massique =93 103 / 100 = 9,3 102 kg. Masse de 40 L d'octane : 32 kg, 29 fois plus faible que la masse des batteries. VolBat = Wbat / densité volumique =93 103 / 120 = 7,7 102 L, 19 fois plus grand que le volume de 40 L d'octane.
Pour deux fonctionnement, on relève les courbes d'une des tensions simples à l'entrée de la machine asynchrone. La tension est visualisée à l'aide d'une sonde différentielle atténuatrice 1/100. Pour les fonctionnements 1 et 2 : Mesurer les périodes T1 et T2 puis en déduire les fréquences f1 et f2.
T1 = 0,030 s ; f1 = 1/T1 = 1/0,015 = 66,7 ~67 Hz. T2 = 0,015 s ; f2 = 1/T2 = 1/0,030 = 33,3 ~33 Hz. Mesurer les amplitudes des tensions v1 et v2 que l'on notera Vm1 et Vm2. Tenir compte de la sonde 1/100 : Vm1 = 3,6*100 = 360 V = 3,6 102 V ; Vm2 = 1,8*100 = 180 V = 1,8 102 V. Calculer les rapport V1/f1 et V2/f2 ; V étant la valeur efficace d'une tension simple et f la fréquence de cette tension. Comparer ces rapports. On précise que la valeur efficace d'un signal carré est égal à sa valeur maximale. V1/f1= 360 / 66,7 = 5,4 ; V2/f2= 180 / 33,3 = 5,4. Ces rapports sont égaux.
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