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.
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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)
Qualité
du mélange
l Tension
Correction sur le
carburant injecté
Air
Carburant
14,7
1
optimal
1
0,4 V
maintien
16,1
1,00
pauvre 16,1 / 14,7 ~1,1
0 V hausse
14,7*0,9 ~13,2
1,00
riche
0,9
0,9 V baisse
.





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.





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.

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
Réflexions
sur le pare-brise
Intensité lumineuse
réçue par la diode réceptrice
Balayage des
essuie-glaces
Sec
réflexion totale
Maximale
Arrêt
Quelques gouttes
Réflexions partielle et totale
Moyenne
Lent
Pluie forte
Réflexion partielle
Minimale
Rapide

.



  

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