Moteur à explosion
: comparaisons
essence, diesel, GPL. BTS AVA 2017 .
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I.
Comparaison
énergétique et environnementale de différents carburants.
Le GPL est un mélange à 50 % de deux hydrocarbures de la famille des
alcanes : le propane C 3H 8 et le butane C 4H 10.
Il est utilisé en bicarburation avec l'essence ou le diesel. Le
réservoir contenant le GPL est le plus souvent sous forme torique et
logé dans l'emplacement initialement prévu pour la roue de secours.
Les
dimensions du réservoir étudié sont : diamètre 700 mm, hauteur 250 mm.
Il peut contenir 80 L de GPL liquide à la température de 15°C. La phase
gazeuse occupe le reste du réservoir. La pression de celle-ci est de 5
bars. Un groupe de sécurité permet d'évacuer le gaz avec un débit de 18
m 3 par minute si la pression dans le réservoir atteint 27
bar.
Quelques propriétés des gaz
butane, propane et GPL :
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Température
d'ébullition °C
|
Masse
volumique des gaz liquéfiés kg L-1 à 15°C
|
Butane
|
0
|
0,585
|
Propane
|
-44
|
0,515
|
GPL
|
-25
|
0,550
|
Tableau comparatif :
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Essence
|
Diesel
|
GPL
|
Masse
volumique r kg m-3
|
0,740
|
0,850
|
0,550
|
Rejet
CO2 kg par litre de combustible brûlé
|
2,28
|
2,67
|
1,66
|
| Rejet
CO2 kg par kg de combustible brûlé |
3,08
|
3,14
|
3,01
|
Pouvoir
calorifique inférieur PCI en MJ kg-1
|
47,3
|
44,8
|
46,0
|
Prix
moyen du litre en €
|
1,35
|
1,14
|
0,76
|
Le PCI est la quantité d'énergie libérée par la combustion complète
d'un kilogramme de combustible.
Le GPL est puisé dans le réservoir à l'état liquide avec un débit moyen
de 0,15 L / min. Il est ensuite vaporisé en recevant l'énergie fournie
par le liquide de refroidissement du moteur.
Enthalpie de vaporisation massique du GPL liquide : L v = 370
kJ kg -1.
1.1.
Calcul de la masse volumique moyenne du GPL dans le réservoir.
1.1.1. Quels sont
les volumes occupés par le butane (V B) et le propanre (V P)
liquéfiés dans le réservoir quand celui-ci contient 80 L de GPL ?
Le GPL est un
mélange à 50 % de butane et de propane :
V B=V P = 80 / 2 = 40
L.
1.1.2.
Calculer la masse volumique du GPL en kg L-1 en supposant
que la masse du GPL liquide mGPL dans le réservoir est de
44,0 kg. La comparer à celle proposée dans le tableau comparatif.
rGPL
= mGPL / V = 44,0 / 80,0 = 0,550
kg L-1, valeur identique à
celle du tableau..
1.2. Puissance
nécessaire pour vaporiser le GPL..
1.2.1.
Calculer l'énergie Q nécessaire pour vaporiser le GPL contenu dans le
réservoir.
Q = mGPL Lv = 44,0 x370 =1,628 104 ~1,63 104 kJ.
1.2..2. En déduire
la puissance thermique P que le liquide de refroidissement doit fournir
au GPL pour le vaporiser.
Durée de vidage du réservoir :
Dt = V
/ qv avec V = 0,080 m-3 et qv = 0,15 10-3
/ 60 = 2,5 10-6 m3 s-1.
Dt
= 0,080 /(2,5 10-6 )= 32000 s.
P = Q / Dt = 1,63
107 / 32000 ~510 W.
1.3. La
combustion du GPL.
1.3.1. Ecrire les
deux équations des réactions chimiques qui correspondent aux
combustions totales du butane et du propaane dans le dioxygène.
C3H8 +5O2 ---> 3CO2 +4H2O.
2C4H10
+13O2 ---> 8CO2 +10H2O.
1.3.2.
Calculer les quantités de matière de butane (nB) et de
propane ( nP) dans le réservoir plein.
Butane :
masse = 40x 0,585 = 23,4 kg.
M(butane) = 58 g/mol ; nB = 23,4 x1000 / 58 = 403,44 ~403 mol.
Propane : masse = 40x 0,515
= 20,6 kg.
M(propane) = 44 g/mol ; nP = 20,6 x1000 / 44 = 468,18 ~468 mol.
1.3.3.En déduire
les quantités de matière de CO2 rejetées par la combustion
du butane ( nB CO2) et du propane (n P CO2)
contenus dans le réservoir. Vérifier que la quantité de matière totale
de CO2 émise par la combustion du GPL est proche de nCO2
= 3000 mol.
nB CO2=
4 nB = 4 x403,44 ~1614 mol.
nP CO2= 3 nP
= 3 x468,18 ~1405 mol.
nCO2 = 1614 +1405
~3000 mol.
1.3.4. Calculer la
masse de CO2 totale rejetée par la combustion du GPL contenu
dans le réservoir. En déduire la masse de CO2 en kilogramme
par litre de combustible brûlé et la comparer à celle indiquée dans le
tableau.
3000 x M(CO2 ) 3000 x44 = 132 000 g = 132 kg.
132 / 80 = 1,65 kg L-1.
Cette valeur est comparable à celle du tableau ( 1,66 kg /L).
1.3.5. Quel
problème écologique est posé par l'accumulation de CO2 dans
l'atmosphère ? Le GPL, sur ce plan, est-il plus écologique que
l'essence ou le diesel ?
Le dioxyde de carbone contribue à l'effet de serre et au réchauffement
global de l'atmosphère. Le GPL libère moins de CO2 que
l'essence ou le diesel par litre de carburant brûlé. Il est donc plus
écologique.
1.4. Comparaison des différentes
motorisations.
Consommations moyennes en L / 100 km parcourus pour les différentes
motorisations :
essence : 6 L ; diesel : 4 L ; GPL : 7 L.
En utilisant les résultats précédents, vos connaissances er le calcul
de la consommation en litre et du prix de revient pour un kilométrage
annuel de 15000 km pour les trois carburants, faites une étude
comparative en citant un avantage et un inconvénient pour chaque type
de carburant.
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Essence
|
Diesel
|
GPL
|
Consommation
(L)
|
6x150=900
|
4*150=600
|
7x150=1050
|
Prix
€
|
1.35
x900=1215
|
1,14x600=684
|
0,76
x1050=798
|
Rejet
CO2 kg
|
900x2,28=2052
|
600x2,67=1602
|
1050x1,66=1743
|
Avantages
|
la
plus onéreuse
|
le
plus économique
|
économique
|
Inconvénients
|
le
pot catalytique
trait bien les rejets
|
émission
de particules fines
|
Problèmes
de stockage( danger, diminution du volume utile
|
..
|
....
.....
|
II Etude
du système de régulation de la température.
Seul un tiers de l'énergie libérée par la combustion du carburant est
transformée en énergie mécanique. Le reste est transféré thermiquement
au milieu extérieur.
Le liquide de refroidissement récupère l'énergie des pièces soumises à
de hautes températures pour l'évacuer dans l'atmosphère.
Données concernant le véhicule : essence ; cylindrée : 1,8 L ;
puissance maximale : 70 kW ; volume de liquide de refroidissement : 6,5
L.
Le liquide de refroidissement est assimilé à un mélange de 50 % glycol
et 50 % d'eau.
Tfusion = -37°C ; Tébullition : 107°C.
Masse volumique ( kg m-3) : à 70°C : 1050 ; à 90°C :1040.
La température du liquide de refroidissement à l'entrée du
radiateur est de 90°C et celle de sortie de 70°C.
2.1.
Pour chacun des paramètres ci-dessous, indiquer s'ils ont une influence
importante sur la mise en route du ventilateur lors de l'utilisation
d'un véhicule au cours d'une montée à vitesse constante. Préciser dans
quel sens ces paramètres influent en supposant que tous les autres
paramètres restent constants et donner une brève explication physique
qui justifie cette influence.
Vitesse de la
montée : à grande vitesse, l'échauffement des pièce croît et le
ventilateur est davantage sollicité.
Température
extérieure : l'énergie thermique est plus facilement évaquée à
basse température et le ventilateur est moins sollicité.
Propreté du
radiateur : un radiateur propre facilite le transfert thermique
par convection et le ventilateur est moins sollicité.
Masse transportée
: l'énergie mécanique est plus importante avec un véhicule plus
chargé ; l'énergie thermique à évacuer est plus grande, ce qui
sollicite davantage le ventilateur.
Usure des pneus
: la résistance au roulement est plus faible avec des pneus usés. L'énergie thermique est plus
faible et le ventilateur est moins sollicité.
Chauffage de
l'habitacle en marche : l'énergie thermique à évacuer est
moindre et le
ventilateur est moins sollicité.
2.2. On souhaite
estimer le débit du fluide de refroidissement dans le radiateur.
2.2.1. A l'aide des
courbes des capacités thermiques massiques, proposer une valeur
cohérente de la capacité massique moyenne que l'on peut utiliser pour
ce liquide de refroidissement.
Capacité thermique
massique : de l'eau ~4,2 ; du glycol ~ 2,7.
La masse volumique du mélange eau glycol à 50 % est proche de celle de
l'eau.
Cp mélange ~ (4,2 +2,7) / 2 =3,4
kJ kg-1 K-1.
2.2.2. En supposant que la
capacité thermique massique du mélange soit égale à 3,4 kJ kg-1 K-1,
calculer la quantité d'énergie qui doit être cédée par un litre de
liquide de refroidissement pour abaisser sa température de 90°C à 70°C.
Q = m Cp Dq
=1,0 45x3,4 x(70-90)~-71 kJ L-1.
2.2.3.
En supposant que le radiateur doit être en mesure d'évacuer environ 20
% de la puissance du moteur, évaluer le débit nécessaire de la pompe de
refroidissement.
Puissance à évacuer : 70 x0,20 = 14 kW .
Débit = puissance à évacuer / | Q| = 14 / 71 ~0,20 L s-1.
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III.
Rendement et pertes d'un
moteur " à explosion" à carburateur.
3.1. Quelle est la nature de
l'énergie contenue dans les hydrocarbures.
Energie chimique.
3.2. Quelle est la nature de
l'énergie libérée par la combustion du mélange air-carburant ?
Energie thermique.
3.3. Donner la
définition du rendement h
de ce moteur à essence. Puis en utilisant le diagramme donner une
valeur approchée de ce rendement.
h
=énergie mécanique utile / énergie mise en jeu dans la combustion.
h = 2,5 / 6,25 =0,40 ( 40 %)
3.4.
Calculer approximativement le pourcentage d'énergie perdue à cause du
carburant imbrûlé.
0,3 / 6,25 =0,048 ( 4,8 %)
IV
Optimiser la combustion grâce à la sonde lambda.
Lorsque le mélange air / essence est idéal ( mélange stoechiométrique),
la proportion d'air, notée l
est égal à 1.
Un capteur, la sonde lambda, mesure la teneur en oxygène des gaz
d'échappement.
Lorsque l =1, la
tension aux bornes de la sonde est égale à 0,45 V.
On donne la tension uM mesurée aux bornes de la sonde lambda.
4.1 Déterminer les valeurs entre
lesquelles cette tension oscille et donner une valeur approchée de
l'amplitude crête à crête.
La tension oscille entre 0,1
et 0,8 V. L'amplitude crête à
crête est de 0,8-0,1 = 0,7 V
4.2. Déterminer la fréquence moyenne
de l'oxscillation de la tension.
T = 3,3 /10 = 0,33 s ; f = 1 /T = 1 /0,33 ~3 Hz.
Cette tension est mise en forme puis analyse par le boîtier
électronique qui pilote le temps d'injection afin de maintenir
constante la composition des gaz d'échappement, condition indispensable
à leur traitement par le pot catalytique.
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Pour
réaliser cette mise en forme on a le choix entre deux montages :
- un comparateur à un seuil qui compare la tension uM à une
tension fixe de 0,45 V. A la sortie, il délivre une tension VH
lorsque UM est supérieure à 0,45 V et une tension VB
lorsque UM est inférieure à 0,45 V.
- un comparateur à deux seuils. La tension de sortie de ce dernier
bascule à la tension VH lorsque UM devient
supérieure à 0,50 V et bascule à la tension VB lorsque UM
devient inférieure à 0,40 V.
On se propose de comparer la tension de sortie de ces deux montages
lorsqu'ils sont soumis à l'entrée à la tension UM
représentée ci-dessus.
4.3. Représenter la tension de
sortie VS1 du comparateur à un seuil et la tension de sortie
VS2 du comparateur à 2 seuils en concordance avec la tension
uM aux bornes de la sonde. Les instants de basculement
devront être repérés graphiquement.
4.4. Indiquer le montage le plus
pertinent en argumentant.
Le montage à deux seuils permet de lisser les irrégularités.
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