Système de freinage des véhicules, Bts Maintenance des Véhicules 2018.

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Partie 1. Freinage et pollution.
1. A quelle catégorie de polluants appartient la pollution émise lors du freinage ?
Les particules fines.
2. Les disques de frein sont composés de fonte. Le fer est l'élément de base de la fonte mais elle contient beaucoup d'autres éléments. Indiquer le nom de ce type de matériaux.
La fonte est un alliage contenant en particulier du carbone, du silicium.


Un disque de frein de référence B0986 peut être assimilé à une couronne en fonte FT25AL de masse volumique r = 7,2 g cm-3. Pour une couronne, le volume V est donné par la relation V = e p (R2ext-R2int) avec :
e : épaisseur du disque , Rext le rayon extérieur et Rint le rayon intérieur de la couronne.
2.2. Montrer que la masse de ce disque de frein est de 2,2 kg.
V = 1,1 x3,14(24,82-162)/4 = 310,19 cm3.
Masse : r V = 7,2 x310,19 = 2233 g ~2,2 kg.
3. Déterminer la masse de cuivre contenue dans un disque de frein de référence B0986.
Cette fonte contient 0,25 % de cuivre.
Masse de cuivre : 2233 x0,25 / 100 =5,58 g ~5,6 g.
4. Les particules de cuivre subissent une oxydation. Qu'est-ce-qu'une oxydation ?
Lors d'une oxydation, le cuivre réducteur cède des électrons à l'oxygène.
5. Cette réaction d'oxydation du cuivre par le dioxygène de l'air n'est pas observable à trmpérature ambiante, elle ne se produit que pour une température supérieure à 120 °C.
5.1. Expliquer pourquoi cette réaction d'oxydation peut avoir lieu lors d'un freinage d'une durée supérieure à une seconde.


Pour ce type de frein, la température du disque atteint 158°C au bout d'une seconde de freinage. L'oxydation peut donc de produire.
5.2. Ajuster les coefficients stoechiométriques de l'équation suivante.
4 Cu(s) + O2(g) ---> 2 Cu2O(s).
6. Lors d'un freinage sur une distance de 100 m, la masse de particules fines rejetées est d'environ 1,5 mg. la norme "Euro 6"  indique la valeur maximale de la masse de particules fines qui peuvent être émises par des véhicules neufs en parcourant un kilomètre dans des conditions de circulation standard. 5 mg / km pour des véhicules diesel et 4,5 mg / km pour les véhicules essence.
6.1. Justifier que l'émission des particules fines due au freinage ne peut être négligée dans la prise en compte  de la pollution produite par les véhicules.
Dans l'hypothèse d'un freinage de 100 m tous les 10 km parcourus, la masse de particules fines rejetées est d'environ 0,15 mg. Il faut donc prendre en compte les émissions de particules fines émises lors des freinages.
6.2. Le passage aux véhicules avec motorisation électrique permet-il d'éliminer cette pollution ? Justifier.
Cette pollution n'est pas éliminée, car ces véhicules électrique freinent de la même manière.

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Partie 2. Energie dissipée lors du freinage.
Une voiture de masse m = 2,1 t circule à la vitesse de 85 km / h. Le conducteur freine pour amener sa vitesse  à 60 km / h. La durée du freinage est de 3 s.
1. Quelle est l'énergie cinétique du véhicule avant freinage et après freinage ?

Vitesse initiale : 85 / 3,6 =23,61 m /s.
Energie cinétique initiale : ½mv2 = 0,5 x2100 x23,612 ~5,85 105 J.
Vitesse finale : 60 / 3,6 =16,67 m /s.
Energie cinétique initiale : ½mv2 = 0,5 x2100 x16,672 ~2,92 105 J.
2. En déduire la variation d'énergie cinétique de la voiture lors du freinage.
(2,92 -5,85) 105 = -2,93 105 J.
3. L'énergie thermique dissipée par les quatre disques est 150 kJ. Comparer cette valeur à celle trouvée et conclure.
L'énergie thermique représente environ 50 % de la variation d'énergie cinétique. Les disques de frein s'échauffent fortement.
4. En considérant que la température du disque est égale à la température de surface, déterminer l'élévation de température d'un des 4 disques de frein.

5. Donner deux méthodes permettant au conducteur de limiter l'élévation de température lors du freinage.
Lorsque l'épaisseur du disque augmente, l'échauffement est plus faible.
6. Citer un avantage que possèdent les voitures électriques ou hybrides équipées d'un système de récupération de l'énergie cinétique ( SREC) par rapport aux voitures à  moteurs thermiques quant à la quantité d'énergie dissipée dans les freins pour un même freinage.
Les voitures équipées d'un système SREC ne dissipent qu'une partie de la variation de l'énergie cinétique au niveau des disques  lors du freinage. L'élévation de la température des disques est moindre et en conséquence l'oxydation du cuivre est plus limitée.
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Partie 3. Système de récupération des microparticules.
Une société a eu l'idée d'installer un aspirateur à poussières des freins. Quelques données concernant cet aspirateur.
Densité des particules fines émises par le freinage : 3 µg par gramme d'air.
Débit d'aspiration d'air d'un aspirateur à poussière de freins d'une roue  : 20 L / s.
Température moyenne de l'air ayant refroidi les freins : 200 °C.
Pression de l'air ayant refroidi les freins P = 1,0 105 Pa.
Relation des gaz parfaits applicable à cet air : PV = m r T.
m : masse d'air en kg ; r = 287 J kg-1 K-1.
1. Calculer le volume d'air aspiré par le système d'une roue lors d'un freinage de 2 s.
V = 40L = 0,04 m3.
2. Montrer que m est d'environ 29 g.
m = PV / (rT) = 1,0 105 x0,040 /(287 x273 +200)) =0,0294 kg ~29 g.
3. Le rendement du système de récupération des particules fines est d'environ 95 %. En déduire la masse de particules fines récupérée par les 4 roues au cours du freinage.
Masse d'air 29,4 x4 = 117,6 g.
Masse de particules fines : 117,6 x3 = 352,8 µg.
Tenir compte du rendement : 352,8 x 0,95 ~335 µg.( 3,35 10-7 kg)
4. Pour un parc automobile mondial estimé à 1,7 milliard de voitures en supposant que le nombre moyen de freinage est de cinquante freinages par jour, calculer quelle pourrait être la masse de particules fines non rejetées grâce à ce système en une année.
3,35  10-7 x1,7 109 x 50 x365 ~1,04 107 kg.

 

Partie 4. Système de récupération de l'énergie cinétique.
1 . Légender les schémas suivants.

2. Indiquer les phases durant lesquelles la batterie fonctionne en générateur. En déduire si cette voiture hybride est plus économique en carburant pour des parcours sur autoroute ou en ville.
La batterie fonctionne en générateur durant les phases a et b.
Cette voiture hybride est plus économe en carburant car la batterie prend le relais du moteur thermique ( phases a et b).
3. Compléter les éléments de la chaîne énergétique avec les noms moteur synchrone, transmission mécanique et onduleur.

Les batteries transforment de l'énergie chimique en énergie électrique.
L'onduleur transmet de l'énergie électrique.
Le moteur synchrone transforme de l'énergie électrique en énergie mécanique.
Transfert d'énergie mécanique entre le système de transmission et les roues.
4. Les rendements des différents convertisseurs sont : moteur synchrone : 95 % ; transmission mécanique : 65 % ; onduleur : 93 %.
Calculer le rendement total de la chaîne de conversion d'énergie entre les batteries et les roues.
0,95 x0,65 x0,93 =0,57 ( 57 %).
5. Les deux demi-équations du mécanisme de décharge d'une battreie lithium-ion. sont :
sur l'électrode positive : Li+ +CoO2 +e- ---> LiCoO2.
sur l'électrode négative : LiC6 ---> Li+ +e- + C6.
5.1. En déduire l'équation de la réaction chimique lors de la décharge.
LiC6 +CoO2 --->LiCoO2 + C6.
5.2. En déduire l'équation chimique se déroulant lors de la charge des batteries.
LiCoO2 + C6 --->LiC6 +CoO2 .
6. Compléter le schéma simplifié en plaçant les appareils de mesure nécessaires pour déterminer les valeurs de la tension aux bornes de la batterie et de l'intensité du courant qu'elle débite lors de sa décharge.

7. Déterminer l'énergie maximale qu'il est possible de stocker dans les batteries étudiées. En déduire le volume des batteries et le comparer à celui d'un réservoir d'essence. Conclure.
Masse  30 kg ; énergie massique 0,8 MJ kg-1.énergie volumique : 1900 J cm-3.
30 x0,8 = 24 MJ = 2,4 107 J.
Volume des batteries : 2,4 107 / 1900 = 12632 cm3 ~12,6 L.
Le volume des batteries est inférieur à celui du réservoir d'essence. On libère de la place dans le véhicule.
8.  Les batteries sont totalement chargées. Le véhicule se déplace en ville en fonctionnant en tout électrique. Les batteries se déchargent à 90 %. Le rendement d'un véhicule hybride fonctionnant en tout électrique est de 55 %. Sur le même trajet, le rendement d'un véhicule à moteur thermique, de masse équivalente est de 13 %. Sachant que le pouvoir calorifique de l'essence est de 36 MJ L-1, calculer le volume d'essence qu'il faudrait utiliser sur ce même trajet.
Energie consommée : 2,4 107 x0,90 = 2,16 107 J.
Energie mécanique utile : 2,16 107 x 0,55 =1,188 107 J.
Energie libérée par l'essence : 1,188 107 / 0,13 =  9,14 107 J = 91,4 MJ.
Volume d'essence : 91,4 / 36 ~2,5 L.
5. Synthèse.
Comment l'évolution des technologies permet-elle de répondre aux enjeux sanitaires et énergétique liés au freinage ?
La voiture hybride équipéesd'un système de récupération de l'énergie cinétique et d'un aspirateur de pouusière au niveau des disques de frein, permet de limiter l'émission de particules fines et de diminuer la consommation d'essence. Néanmoins comment produire de l'électricité pour la recharge des batteries ( en évitant la construction de centrales tyhermiques utilisant les énergies fossiles).
La construction et le recyclage des batteries lithium-ion est loin d'être écologique.



  

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