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 C3H8 et le butane C4H10. 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 m3 par minute si la pression dans le réservoir atteint 27 bar.
Quelques propriétés des gaz butane, propane et GPL :

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  :

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 : Lv = 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 (VB) et le propanre (VP) liquéfiés dans le réservoir quand celui-ci contient 80 L de GPL ?
Le GPL est un mélange à 50 % de butane et de propane :
VB=VP = 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.

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.




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.










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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