BILAN ENERGETIQUE

 

L'objectif que s'est fixé TIM est de parcourir une distance de 3600 Km avec un seul litre d'essence. Afin de mieux comprendre quels sont les énergies mises en jeu pour relever ce défi ambitieux, voici quelques explications.

Mais tout d'abord, quelques rappels sur les notions de base. Lorsqu'un solide de masse M est en mouvement de translation avec une vitesse V, il acquiert une énergie cinétique donnée par la relation suivante:

Ec = 1/2 . M . V²

Pour amener ce solide (à l'occurence la voiture) à la vitesse V, il faut donc lui fournir une énergie mécanique au moins égale à l'énergie cinétique Ec. Ainsi, pour une vitesse fixée, cette énergie sera d'autant moindre que la masse du véhicule sera faible. C'est ce qui justifie la recherche permanente d'un gain de masse de la structure de la voiture.

Le record de moindre consommation d'essence est lié bien entendu à l'économie d'énergie. Ceci implique une bonne connaissance des pertes d'énergie afin de les maîtriser pour les réduire autant que possible. Le but est de créer de l'énergie mécanique et de la conserver au maximum à partir d'une énergie fossille, l'essence. C'est le rôle du moteur qui convertit le pouvoir calorifique du carburant en mouvement de translation du piston puis en mouvement de rotation du vilebrequin. Bien que le moteur soit l'élément de la voiture qui est en grande partie responsable des pertes énergétiques par conduction thermique, il faut également tenir compte de toutes les autres pertes énergétiques causées par les divers frottements. En plus des frottements entre les divers organes mécaniques de transmission, si l'on se place d'un point de vue extérieur, on distingue principalement 2 types de pertes tout à fait quantifiables:

 

 

 

Le moteur doit apporter l’énergie nécessaire pour vaincre les pertes dues à la résistance au roulement et à l’avancement de la voiture. On peut dresser un bilan énergétique en 7 étapes:

 

1) Résistance au roulement

La résistance au roulement est la force qu’opposent les pneus au déplacement de la voiture ; elle est calculée à partir d’un coefficient de résistance au roulement Cr donné par le constructeur du pneu. Notre fournisseur, Michelin, nous fournit des pneumatiques avec un coefficient de roulement très faible de 1 pour 1000. Ceci signifie que pour 1000 N de charge transportée, 1.36 N sont perdus par frottement entre le pneu et la route.
Ainsi, on peut calculer la résultante de la résistance au roulement comme suit :

Fr = Cr . Poids = Cr . M . g


Où

- M est la masse totale du véhicule (pilote compris) c’est à dire 24 (Structure) + 45 (pilote) = 69 Kg.
- Fr = (1/1000) . 69 . 9,81 = 0,68 Newton

Lien vers la page de la mesure de la résistance au roulement

2) Résistance à l'avancement

La résistance à l'avancement ou résistance aérodynamique est donnée par la traînée que produit la voiture en mouvement ; elle se calcule grâce à la relation fondamentale suivante:

Tr = 1/2 . Cx . ro. S . V²


Où

  • Cx est un coefficient sans dimension mesuré en fonction du profil de la voiture égal à 0,12
  • ro est la masse volumique du fluide dans le quel est placé la voiture (ici l’air bien évidemment) pris égal à 1,19 Kg/m3
  • S représente le maître-couple c’est à dire la surface projetée correspondant à la section la plus importante du profil transversal de la voiture qui est de 0,29 m²
  • V est la vitesse moyenne du véhicule de 30 Km/h soit environ 8,33 m/s


On obtient ainsi une trainée de 1,44 N

 

BILAN

En ajoutant la résistance au roulement et la résistance à l’avancement, on doit vaincre un effort total de 2,12 N.

Cet effort sera majoré à 2,5 N pour tenir compte de l’influence du vent (supposé faible) et des fluctuations de vitesse autour de 30 Km/h (entre 25 et 35 Km/h) ainsi que des autres pertes induites par les frottements dans la transmission par chaine et les roulements à bille des roues où encore l’énergie cinétique résiduelle du moteur perdue à chaque arrêt moteur.


Remarque: on constate que la trainée augmente en fonction du carré de la vitesse ; donc plus celle-ci est élevée et plus la trainée sera grande. Le règlement nous impose une vitesse moyenne de 30 Km/h cette année contre 25 Km/h pour les années précédentes ce qui se traduit par une augmentation des pertes dues à la résistance aérodynamique.

3) Energie théorique nécessaire pour parcourir 3 600 km

Eth. = Force x déplacement

Eth. = 2,5 . 3 600 . 1 000 = 9 MJoules


Cette énergie va être produite grâce au pouvoir calorifique du carburant; l'énergie thermique contenue dans 1 litre d’essence est:

Ecarb. = pouvoir calorifique essence x densité essence

Ecarb. = 42 700 103 . 0,74 = 31,6 MJ/L

4) Rendement thermique du moteur

Rendement = Energie nécessaire / Energie produite (onéreuse)

Rendement = 9 / 31,6 = 28,5 %

5) Consommation spécifique du moteur

Pour 1 litre d’essence représentant une masse mcarb. = 0,74 kg, le travail mécanique produit est:

W = Eth. / Temps (3600s)

W = 9 000 / 3 600 = 2,5 KW/h


La consommation spécifique est donc:

Cs = mcarb. / W


Cs = 740 / 2,5 = 300 g / (KW/h)

6) Puissance mécanique moyenne nécessaire pour parcourir les 3 600 km à 30 Km/h de moyenne

P = Force x vitesse


P = 2,5 . 8,33 = 21 W

7) Temps de fonctionnement du moteur durant la course

Avec une puissance moyenne développée de 350 Watts (environ 0,5 ch), le moteur est environ 20 fois plus puissant que nécessaire. Pour consommer le moins possible, le moteur est mis en route et arrêté de telle sorte qu’il ne fonctionne que 5% du temps de la course, soit environ 2 minutes 30" pour parcourir les 7 tours de circuit à Nogaro...

 

Pour en savoir plus...

 

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