Combustion de
l'octane, aide au freinage, amélioration de la visibilité.
Bac St2id 2015
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Réduction du
niveau de pollution.
Pourquoi les véhicules hybrides restent-ils les plus performants en ce
qui concerne l’émission de dioxyde de carbone en 2012 ?
Le
recours au moteur électrique en complément du moteur thermique permet
d'augmenter le rendement global du véhicule et donc permet des
économies de carburant et la limitation des rejets de gaz à effet de
serre.
La combustion de
l'octane.
Cette partie se propose de vérifier la production de dioxyde de carbone
par kilomètre parcouru pour le véhicule étudié. Lors d’une combustion
complète de l'octane, il se forme 2 produits : le dioxyde de carbone et
l'eau. Après avoir déterminé la formule brute de l'octane, écrire et
équilibrer l’équation chimique de sa combustion complète dans le
dioxygène de l’air.
C8H18
+12,5 O2 ---> 8CO2
+9 H2O
Expliquer la différence entre une combustion complète et une combustion
incomplète.
Lors d'une combustion
complète, il se forme uniquement du dioxyde de carbone et de l'eau ;
lors d'une combustion incomplète, il se forme en plus du monoxyde de
carbone et des hydrocarbures imbrûlés.
Pour la suite des questions, on considérera la combustion comme étant
complète.
Sachant que la masse volumique de l’octane est de 750 g.L-1,
montrer que la masse d’octane m1 consommée par km (pour une
consommation moyenne) vaut 48 g.
Consommation moyenne aux
100 km : 6,4 L soit 6,4*750 = 4800 g ou 48 g d'octane au km.
Montrer que la masse m2 de CO2 produite par km
est d’environ 148 g.
Quantité de matière
d'octane : m1 / M(octane) = 48 / (8*12+18) =0,421 mol.
Quantité de matière
de CO2 : 8*0,421 = 3,368 mol ;
masse de CO2
: 3,368 M(CO2) = 3,368*44 ~148 g.
Evaluer l’impact financier pour le client. 400 €.
La réduction des
gaz toxiques.
Pour limiter la production de gaz toxiques (monoxyde de carbone,
hydrocarbures, oxydes d’azote), il est indispensable de maintenir lors
de la combustion un rapport air / carburant bien défini. Le mélange
optimal est de 14,7 g d’air pour 1,00 g de carburant.
Une sonde dite « lambda », placée en début de ligne d’évacuation des
gaz d'échappement, mesure la concentration résiduelle en oxygène.
L’information qu’elle envoie au calculateur permet d’ajuster les
proportions du mélange en modifiant la quantité de carburant injectée.
On note lambda (l)
le rapport de la masse d’air admise sur la masse d’air nécessaire.
Que vaut le rapport lambda (l) lorsque la composition du mélange est
optimale ?
Le mélange est
stoechiométrique et l = 1.
On dit que le mélange (air + carburant) est pauvre si l > 1, riche si l < 1. Expliquer ce que cela signifie.
l > 1 : l'air est en excès, le carburant est en
défaut ; l < 1 : l'air est en défaut, le carburant est en
excès.
Le document
suivant donne la valeur de la tension envoyée par la sonde au
calculateur en fonction du rapport l. Compléter le tableau.
Proportion
du mélange (g)
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Qualité
du mélange
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l |
Tension
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Correction
sur le
carburant injecté
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Air
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Carburant
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14,7
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1
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optimal
|
1
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0,4 V
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maintien
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16,1
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1,00
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pauvre |
16,1 / 14,7 ~1,1
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0 V |
hausse |
14,7*0,9
~13,2
|
1,00
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riche
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0,9
|
0,9 V |
baisse
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.
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L’aide au
freinage.
Distance d'arrêt
et freinage du véhicule.
Il est généralement admis qu'il faut environ une distance de 25 m pour
immobiliser par temps
sec un véhicule roulant à une vitesse v de 45 km.h-1. Dans
cette partie, on cherche à vérifier
cette affirmation.
Exprimer l’énergie cinétique EC du véhicule en
fonction de sa masse m et de sa vitesse v. Calculer EC pour
un véhicule de masse m = 1,00.103 kg.
Ec =
½mv2 avec v = 45 /3,6 = 12,5 m/s.
Ec
= 0,5*1,00 103 *12,52 =7,81 104 J.
Le véhicule ralentit sous l’action exclusive de son système de
freinage. Cela se traduit par une variation d’énergie cinétique du
véhicule égale au travail résistant du couple de freinage WF
exercé sur les roues du véhicule, selon la relation : Ec finale
-Ec
initiale = WF.
Pourquoi le travail WF est-il
qualifié de « résistant » ?
Ce travail est négatif,
la vitesse du véhicule diminue jusqu'à s'annuler.
Pour une rotation des roues d’un angle q (exprimé en radians), le
travail WF peut s’écrire :
WF = - C.q,
C étant le moment du couple de freinage (exprimé en N.m).
En supposant que C = 1,81.103 N.m, calculer la distance DF
de freinage, jusqu'à l'arrêt du véhicule, pour des roues de rayon 29 cm
et vérifier que ce résultat est compatible avec le graphique donné dans
le document.
WF = - C.q = -7,81 104 ; q = 7,81
104 /(1,81.103)
=43,16 radian soit 43,16 / 6,28 =6,87
tours
DF
= 6,87*3,14*2*0,29 ~12,5
m.
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Le
système d'aide au freinage.
Le système antiblocage des roues (ABS) a été commercialisé en Europe
sur les voitures à partir de 2004. Son rôle est de limiter le
glissement des roues afin que le véhicule conserve sa stabilité et sa
capacité directionnelle pendant le freinage.
Compréhension du
problème.
Justifier que la valeur du coefficient de glissement vaut :
- 100 % si la roue est bloquée, - 0 % si la roue adhère parfaitement à
la chaussée.
g = (1-Rw /v) *100 ; w vitesse de rotation de la roue de rayon R
et v vitesse du véhicule.
w =0 si la roue est bloquée
et g = 100 % ; Rw /v = 1 pour une adhésion parfaite et g =
0%.
Quel coefficient de
glissement faut-il choisir pour avoir un bon compromis entre le moment
du couple de freinage et la capacité directionnelle de la voiture ?
Justifier la réponse.
Le moment du couple de
freinage et la stabilité directionnelle doivent être importants : g ~18
%.
Pour illustrer son fonctionnement du système ABS, nous nous placerons
dans le cas d’un véhicule roulant à 90 km.h-1 et dont le
conducteur effectue un freinage d’urgence en appliquant à la pédale de
frein une force d’intensité F1 = 50 N.
Montrer que l’intensité F2 de la force transmise par la
pédale de frein au piston du maître-cylindre vaut 450 N.
L1 = 270 mm ; L2 = 30 mm.
F1L1
= F2L2 ; F2= F1L1 / L2 = 50*270/30 =450 N.
Calculer la pression p engendrée
à l’entrée circuit hydraulique. Diamètre du piston : D = 20 mm.
Surface du piston S = pD2/4 = 3,14 *(20 10-3)2/4
=3,14 10-4 m2 ; p = F2/S
= 450 /(3,14 10-4)=1,43 106
Pa ~ 14 bar.
Justifier le rôle du dispositif d’assistance au freinage
(servofrein) intercalé entre la pédale de frein et le maitre-cylindre,
sachant que la pression p doit atteindre 70 bars lors d’un freinage
d’urgence.
A une pression de 70 bars correspond une
force F2 ~450*5 ~2,3 103 N ; soit F1 ~2,3 103 / 9 ~ 2,5 102 N ; cela dépasse les
forces de l'homme ou de la femme.
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L’amélioration
de la visibilité.
Un conducteur peut être soumis à de nombreuses distractions : trafic
intense, conditions climatiques défavorables, état des routes,
fatigue... Le détecteur de pluie réduit la charge du conducteur ce qui
lui rend la conduite plus confortable.Dans cette partie concernant la visibilité, nous nous limiterons à
l’étude du détecteur de pluie.
Indiquer sur quel principe
fonctionne la détection de pluie sur le pare-brise d’un véhicule.
Le capteur de pluie utilise des diodes émettant un faisceau infrarouge ; ce dernier se réfléchit sur la surface extérieure de la vitre. D'autres diodes reçoivent cette lumière infrarouge réfléchie.
Si le pare-brise est sec, la réflexion est totale. En présence d’eau,
la réflexion est partielle, la quantité de lumière réfléchie est donc
moins importante (les gouttes d'eau absorbant une partie de la lumière
émise).
Compléter le document en y
positionnant les domaines de l’infrarouge et de l’ultraviolet.
Choisir, parmi les modèles proposés , un couple
de diodes (émettrice / réceptrice) qui conviendrait pour le détecteur
de pluie. La réponse devra être justifiée.
Les diodes émettrice ( modèle 3) et réceptrice ( modèle C) fonctionnent dans l'infrarouge ( l > 800 nm).
La diode émettrice produit un pinceau de lumière qui, après avoir
traversé un élément optique, vient frapper la face externe du
pare-brise sous un angle d'incidence i1 = 45°. L'élément optique évite
une déviation du faisceau lors du passage de l'air dans le verre. Montrer qu’il n’y a réflexion totale
que lorsque le pare-brise est sec.
Il existe un angle d'incidence limite au delà duquel le rayon réfracté n'existe plus. On parle de réflexion totale.
Par temps sec : sin i1 L = nair / nverre =1 / 1,5 =0,667 ; i1 L ~42 °. Pour i1 = 45°, il y a réflexion totale.
Par temps de pluie : sin i1 L = neau / nverre =1,33 / 1,5 =0,887 ; i1 L ~62 °. Pour i1 = 45°, il y a réflexion partielle et réfraction.
En réalité, le pinceau de lumière subit plusieurs réflexions sur le
pare-brise avant d’atteindre la diode réceptrice. Compléter le document en représentant, quand ils existent,
les rayons réfractés.
Etat du pare-brise
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Réflexions
sur le pare-brise
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Intensité lumineuse
réçue par la diode réceptrice
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Balayage des
essuie-glaces
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Sec
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réflexion totale
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Maximale
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Arrêt
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Quelques gouttes
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Réflexions partielle et totale
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Moyenne
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Lent
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Pluie forte
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Réflexion partielle
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Minimale
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Rapide
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.
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