L hybride à portée de main les fous du volant

XXème Olympiades de la physique L hybride à portée de main les fous du volant William Watzky Kenzo Peronace Maxime Morlet Professeurs encadrants: Nicole Adloff, Marc Isnardon Lycée Albert Schweitzer, Mulhouse Janvier 2013 1

Sommaire Introduction : le principe de fonctionnement du moteur hybride p 3 1. Visite de l usine Peugeot p 4 2. De la réalité au modèle p 6 3. Principes de base : conversion d énergie A) De l énergie thermique à l énergie mécanique p 6 B) De l énergie mécanique à l énergie électrique p 7 C) De l énergie électrique à l énergie mécanique p 8 D) Conclusion p 9 4. Le moteur de Stirling p 10 5. Les super-condensateurs p 13 6. L'expérience A) Etude du moteur de Stirling p 15 B) L expérience p 16 Conclusion p 18 Annexes p 19 2

Introduction : le principe de fonctionnement du moteur hybride L'objectif de l'expérience avec le moteur de Stirling est de montrer comment fonctionne un moteur hybride de façon générale et simplifiée. Mais avant de commencer, voici une petite définition du moteur hybride : Le moteur hybride est l assemblage d un moteur thermique et d un moteur électrique, entrant en action au démarrage jusqu à une vitesse de 50km/h. Lorsque la voiture a besoin de plus de puissance c est le moteur thermique qui prend le relais. Pendant les phases de grandes accélérations, les deux moteurs peuvent fonctionner en même temps. Par contre les phases de décélération (frein moteur) permettent de recharger la batterie du moteur électrique. Il existe cependant plusieurs type de moteurs hybrides, mais nous ne rentrerons pas dans les détails, car ils suivent tous le même principe de fonctionnement : ils arrivent à transformer de l'énergie thermique en énergie mécanique, de l'énergie mécanique en énergie électrique et de l'énergie électrique en énergie mécanique. En effet, il puise l énergie nécessaire au fonctionnement de la voiture dans le carburant. Cependant, l utilisation du moteur électrique reste limitée à une conduite plus douce. Moteur thermique Moteur électrique 3008 hybride Batterie du moteur électrique 3

1. Visite de l usine Peugeot Pour avoir plus d'informations sur le moteur hybride, et pour nous aider à réaliser notre expérience ou plutôt pour nous éclaircir la voie sur la réalisation de notre projet, nous avons eu l opportunité de visiter l'usine Peugeot, et plus particulièrement le domaine du moteur hybride. Lors de cette visite à l usine Peugeot d Ottmarsheim nous avons eu le privilège de voir la chaine de montage du train arrière de la 3008 hybride. En effet celui-ci est assemblé entièrement sur ce site. Le moteur électrique est fourni par le géant électrique allemand BOSCH. L assemblage est assisté par des machines mais le principal du montage est fait par les ouvriers qui s aident des machines pour soulever et fixer les pièces. Cela demande une grande précision car aucun de ces modèles ne doit comporter d erreurs et s il y en a, elles doivent être signalées au préalable. Nous avons également eu le droit à une vidéo explicative du fonctionnement de la voiture hybride. En effet il y a 3 modes de fonctionnement : Economique, donc utilisation du moteur électrique uniquement qui a une autonomie d environ 3km Sport, utilisation des deux moteurs en même temps ce qui permet une quadri motricité (quatre roues motrices) et plus de puissance Libre, donc tout est géré par le calculateur Même si le calculateur se charge de tout sur les 3 modes, seul le moteur thermique fonctionne : en économique, dès que l autonomie est épuisée, en libre, dès que la limite de vitesse est franchie (environ 50 km/h). Nous avons pu également monter dans une voiture hybride et il est vrai que le moteur électrique n émet aucun bruit, ce qui est du moins troublant. Moteur électrique (moteur synchrone) de la 3008 hybride 4

Stator Rotor moteur synchrone démonté Toutefois, avant de présenter notre travail, nous allons expliquer par l'intermédiaire de trois petites expériences les différents transferts d énergies réalisés par un système hybride. 5

2. De la réalité au modèle Notre expérience est une modélisation du moteur hybride de Peugeot. Le moteur de la voiture se met en marche grâce à la combustion de l essence. Dans notre modèle, le rôle du moteur est joué par un moteur de Stirling qui fonctionne grâce à la combustion de l alcool gélifié. Dans les deux cas, la chaleur permet de mettre en mouvement les pistons. La partie électrique du système de Peugeot, qui est constituée de deux parties, la machine synchrone et la batterie, est modélisée sur notre maquette par une machine à courant continu et les super-condensateurs. Tableau récapitulatif : Moteur hybride Peugeot Moteur thermique carburant gazole Machine synchrone Batteries Maquette de l expérience Moteur de Stirling Carburant éthanol Machine à courant continu Super condensateurs 3. Principes de base : conversion d énergie L énergie thermique est l une des énergies les plus importantes de notre expérience car c est elle qui nous permet de faire fonctionner le moteur de Stirling. C est la chaleur produite par le brûleur qui permet de mettre en mouvement ce moteur, et donc de produire assez d énergie électrique pour recharger les super-condensateurs par l intermédiaire d une génératrice. Ce sont tous ces transferts d énergie qui se produisent dans une voiture hybride. A) De l énergie thermique à l énergie mécanique Pour comprendre comment se fait ce transfert d énergie, on peut réaliser une petite expérience qui est la suivante : Il faut se munir d un cristallisoire contenant de l eau et fermé par un film cellophane. Il suffit ensuite de chauffer l eau pour observer que la cellophane se gonfle au fur et à mesure que la température 6 Conversion d'énergie thermique en énergie mécanique

augmente. Si on enlève la source de chaleur la cellophane se dégonflera. L explication de ce phénomène est très simple : Lorsque l on chauffe l eau, cela va augmenter la température à l intérieur du bécher. Cette augmentation de température entraine une augmentation du volume des gaz. Et si l on enlève la source de chaleur la température diminue, la cellophane se dégonfle, le volume des gaz dans le bécher diminue. On a donc réussi à transformer l énergie thermique apportée par le chauffage en énergie mécanique, représenté par le mouvement de va et vient de la cellophane et aussi en énergie thermique cédée au milieu ambiant : on a besoin pour cela de deux sources de chaleur, la source chaude (la chaleur apportée par le brûleur) et la source froide (air extérieur) conformément à la loi des gaz parfaits. B) De l énergie mécanique à l énergie électrique Après avoir obtenu une vitesse de rotation importante du volant du moteur de Stirling grâce à l énergie thermique, on peut transformer cette énergie mécanique en énergie électrique par l intermédiaire d une génératrice via une courroie. On aura, cette fois encore, recours à une petite expérience pour expliquer ce phénomène. Pour cette expérience on utilise : Un aimant et une bobine de cuivre. Le tout fixé sur un même dispositif sur lequel la Visualisation de la conversion d énergie mécanique en énergie électrique bobine de cuivre est reliée à une manivelle et l aimant sur un socle à proximité de la bobine. En branchant un voltmètre aux bornes de la bobine de cuivre et en faisant tourner celle-ci, on observe une tension à ses bornes. Cette fois en revanche l explication sera un peu moins simple à comprendre : En faisant tourner la bobine de cuivre dans le champ magnétique de l aimant une tension se créée à ses bornes, c est le phénomène d induction électromagnétique. 7

Notre génératrice est composée d une bobine de cuivre et d un aimant, donc grâce à l énergie mécanique délivrée par le moteur thermique et transféré à la génératrice, on crée un courant électrique qui est ensuite transféré aux super-condensateurs. Voilà comment passer de l énergie mécanique à l énergie électrique. C) De l énergie électrique à l énergie mécanique Après avoir chargé les super-condensateurs grâce à la génératrice, on va à présent pouvoir faire repartir le moteur avec ceux-ci. Pour illustrer ce passage d une énergie à une autre, on procède à l expérience du rail de Laplace : Le rail de Laplace consiste à déplacer une barre parcourue par un courant plongée dans un champ magnétique. Ce déplacement est rendu possible par la force de Laplace. Donc en imposant aux bornes du rail sur lequel se trouve la barre une tension, l aimant se déplace selon la règle des trois doigts de la main droite. Expérience du rail de Laplace Cela est exactement ce qu il se passe dans notre expérience : Les super-condensateurs se déchargent dans la génératrice Or la génératrice est composée d une bobine de cuivre plongée dans un champ magnétique créé par un aimant permanent. Donc la bobine de cuivre, qui est parcourue par un courant, va être soumise à un couple de forces (f 1 et f 2 ) et donc se mettre à tourner dans le champ magnétique créé par l aimant et donc permettra de faire repartir le moteur f 1 f 2 Et c est ainsi que l on passe de l énergie électrique à l énergie mécanique. 8 Principe de fonctionnement d un moteur à courant continu

D) Conclusion Ce sont tous ces phénomènes qui permettent d expliquer et de comprendre avec exactitude aussi bien notre expérience que le fonctionnement d une génératrice ou encore de beaucoup d autres phénomènes qu on n aurait jamais pensé à étudier, car faire de la physique c est apprendre en s amusant! 9

4. Le moteur de Stirling Principe du moteur de Stirling Le principe est relativement simple : le fluide principal qui produit le travail est de l air soumis à un cycle de transformations comprenant quatre phases : chauffage isochore (à volume constant), détente isotherme (à température constante), refroidissement isochore puis compression isotherme. Le but est de produire de l énergie mécanique à partir d énergie thermique. Au début, l air à l intérieur du moteur est chauffé par la combustion de l alcool dans le brûleur: sa température et sa pression augmentent : cela permet au gaz de se dilater et de pousser le piston de travail. Le gaz a donc transformé une partie de son énergie thermique en énergie mécanique ; l autre partie est perdue dans l environnement. Le gaz s est donc refroidi, sa température et sa pression diminuent ce qui entraine une dépression et donc le retour du piston à sa position initiale. Le cycle thermodynamique peut recommencer. Le moteur est relié à l aide d une courroie à une machine à courant continu. Machine à courant continu 10

Schéma du dispositif expérimental 1 Bac, pour l alcool à brûler 2 Raccord pour la mesure de la pression 3 Piston de travail (ou piston moteur) 4 Tige filetée (reliée au piston de travail) 5 Volant 6 un petit moteur électrique 7 Point de mesure 2 de la température (réservoir) 8 Piston de refoulement 9 Point de mesure 1 de la température (Matériel non représenté : un générateur) Détails du fonctionnement de la maquette La particularité pratique de la machine de Stirling est d'utiliser un piston de refoulement ("déplaceur") en plus du piston qui fournit le travail. Le rôle de ce piston de refoulement est de séparer la source froide et chaude, il n'est pas obligatoirement relié mécaniquement au piston. Ce piston de refoulement permet le passage du fluide (air). Le système thermodynamique est donc l'air ("machine à air chaud") contenu dans A et à l'extérieur de B (mais toujours dans une enceinte fermée) : l'air circule dans les enceintes (point de passage : O) mais l'ensemble est hermétique. Le volume d'air dans l'enceinte du piston B est constant alors que celui dans l'enceinte de A varie. Le piston de détente B assure aussi la régénération : il refroidit le courant de gaz chaud, accumule son énergie et la recède au gaz froid. O B A Il est à noter que les mouvements des pistons sont toujours décalés. 11

Variation de la pression de l air en fonction du temps dans la chambre du piston de travail Quelques applications. Même si le moteur de Stirling a peu de chance de supplanter le moteur à explosion dans la propulsion des véhicules classiques, il a peut-être un avenir dans les véhicules à carburants hybrides et à faible pollution. Il est déjà utilisé pour la propulsion de sous-marins car il est silencieux et sans vibration. Il a des applications biomédicales comme cœur artificiel. Il sert à la production d'électricité comme moteur de groupes électrogène dans des endroits peu accessibles avec comme source de chaleur le soleil ou la biomasse. Il est aussi utilisé dans un cycle qui n'est plus moteur mais pompe à chaleur ou réfrigérateur. Dans ce cas le travail est fourni et le "moteur" sert à refroidir une source. Le département de chimie du Palais de la découverte est doté d'un moteur de Stirling qui refroidit l'air à une température inférieure à -193 C pour le liquéfier. Enfin, il est utilisé dans la technologie spatiale comme source de courant, chauffé entre autres par des radio-isotopes. 12

5. Les super-condensateurs Un super-condensateur est un condensateur de technique particulière permettant d'obtenir une densité de puissance et une densité d'énergie intermédiaire entre les batteries et les condensateurs électrolytiques classiques. Ces composants permettent donc de stocker une quantité d'énergie intermédiaire entre ces deux modes de stockage, et de la restituer plus rapidement qu'une batterie. Un super-condensateur peut en effet se charger très rapidement et ainsi récupérer efficacement l'énergie cinétique lors du freinage ou tout simplement lorsque qu il a un apport en énergie électrique comme ici par la génératrice. De même, le super condensateur peut se décharger très rapidement pour apporter une grande puissance d'énergie en un court laps de temps. Il peut alors alimenter un moteur électrique pour le faire démarrer (système Start and Stop) ou pour augmenter sa vitesse de pointe. Comparaison condensateur/super-condensateurs : Caractéristiques Condensateur Supercondensateur Capacité (F) 10 ¹⁰ - 10 1 1000 Temps de chargedécharge 10 ⁶ - 10 ³ 1-30 (s) Densité d énergie (J/kg) 0,1 4-6 Nous avons associé les super condensateurs en série, mesuré de la tension totale ainsi que la tension aux bornes de chacun d eux : chaque condensateur supporte une tension de 2,3 V environ. En les associant en série nous pouvons donc les soumettre à la tension délivrée par la génératrice qui peut varier de 7,5 V à 4 V. En septembre, la tension aux bornes de la génératrice était de 7,5 V. Nous pouvons associer en série 4 super-condensateurs : 3,3F ; 4,7F ; 10F et 10F. La tension aux bornes de chaque condensateur se répartie toujours de la même manière quelle que soit l ordre d association des condensateurs, sans jamais dépasser 2,3 V par condensateur. En janvier, la tension aux bornes de la génératrice n est plus que de 4 V. Nous associons les condensateurs deux par deux : première association 3,3F + 10F deuxième association 4,7F + 10F. 13

Voir annexe p 22 pour le tableau de valeurs Charge et décharge d un condensateur : courbe rouge : charge d un condensateur, courbe rose : deux condensateurs identiques en série. E R C U C Conclusion : deux condensateurs en série se chargent et se déchargent plus rapidement qu un seul, et permettent donc d obtenir une puissance plus importante. 14

6. L'expérience A) Etude du moteur de Stirling Dans un premier temps, nous avons fait des mesures de tension aux bornes de la machine à courant continu, d'intensités, de vitesse de rotation du moteur de Stirling et de températures en fonction du temps, pour apprendre à connaître ce moteur. (Voir Annexe ) Mesures réalisées sur le moteur de Stirling. Principe de mesure de la vitesse de rotation du volant du moteur de Stirling : Un laser éclaire une photodiode. Un papier sur le volant du moteur de Stirling occulte la photodiode une fois par tour. E = 3V R = 1 k En mesurant la période du signal obtenu à l oscilloscope, on en déduit la durée d un tour. Photodiode éclairée i 0 et u 0 On remarquera par la suite que la vitesse de Photodiode non éclairée i = 0 et u = 0 rotation du volant du moteur est proportionnelle à la tension aux bornes de la génératrice lorsque celle-ci est couplée avec le volant. R u=ri 15

B) L expérience Nous avons branché la génératrice couplée par courroie au volant du moteur de Stirling à des super-condensateurs pour modéliser le fonctionnement d'un moteur hybride. Dans l'expérience, le moteur thermique de la voiture est représenté par le moteur de Stirling et le moteur électrique de la voiture par les super-condensateurs dans l'expérience. Grâce au brûleur, le moteur se met en route et recharge les supercondensateurs via la machine à courant continu. Nous avons branché les condensateurs en série pour avoir une tension totale plus importante et une décharge de leur énergie plus rapide. Lorsqu ils sont chargés, on retire le brûleur et on attend que le moteur s'arrête par lui-même. Puis on remet le brûleur en activant les super-condensateurs grâce à un interrupteur : le moteur de Stirling se remet en marche! Nous avons utilisé l interface Sysam et logiciel Latispro pour observer les variations de tensions, de charge et décharge des super-condensateurs au cours du temps, ainsi que la tension aux bornes de la machine à courant continu. Résultats : A partir du moment où on commence à chauffer, il faut environ 1min 45s pour que le moteur démarre, puis 1min 15s pour qu il atteigne son régime permanent de fonctionnement. En septembre les 4 condensateurs en série de capacité équivalente 1,4F, soumis à une tension de 7,5V permettent le redémarrage immédiat de la machine de Stirling. Début décembre la tension aux bornes des 4 condensateurs n est plus que de 5,5V. Il faut 4 min pour les charger. On arrive à redémarrer le moteur. Mi-décembre, cette tension passe en dessous des 5 V, et ne permet plus le redémarrage du moteur, il lui faut un petit coup de pouce. Janvier, modification du mode opératoire de charge des condensateurs : Charge successive par blocs de 2 : 3,3F + 10F durée de la charge environ 3min40 ; 4,7F + 10F durée de la charge environ 5min30s Association des 4 condensateurs en série, nous disposons de nouveau d une tension suffisante, 7,8 V, aux bornes des 4 condensateurs associés en série, donc d une puissance suffisante pour faire redémarrer la machine de Stirling. 16

Mesures de tensions aux borne de la génératrice (bleu) et des condensateurs (rouge).s On arrive donc à redémarrer le moteur avec les super-condensateurs. C'est comme si une voiture démarrait avec le moteur électrique, puis au bout d'un certain temps, le moteur thermique prend progressivement la place du moteur électrique. On a donc une économie d'essence et une réduction de pollution. Nous avons fait des mesures (voir document Excel). 17

Conclusion Notre expérience représente un moteur hybride de façon très simplifiée. En effet, nous n'avons pas les mêmes moyens que les industries automobiles et notre problème majeur pour pouvoir se rapprocher au plus près du moteur hybride était de pouvoir découpler la génératrice connectée aux super-condensateurs (découpler moteur thermique et moteur électrique) : nous n'arrivons pas à récupérer l'énergie perdue lors d'un freinage ou d'une décélération qui permettrait de recharger les super-condensateurs. Cependant le principe de fonctionnement de base a été expliqué, comme la conversion des différentes énergies. Le moteur hybride est une révolution pour l'automobile et il trouvera sa place dans notre monde, monde que nous voulons protéger de la pollution en réduisant les émissions de gaz à effet de serre, comme le CO2, rejeté par les voitures. Le moteur hybride a donc comme objectif principal de réduire ces émissions de gaz. Néanmoins, il reste encore des progrès à faire pour améliorer l'efficacité de ce moteur. Grâce à la science, à la physique, on peut contribuer à protéger notre planète. Ce projet que nous avons réalisé a été riche en expériences : il nous a permis de développer notre culture et nos connaissances scientifiques dans le domaine de la mécanique automobile principalement. De plus, le fait d'être libre dans les expériences et de prendre certaines décisions sur la réalisation de notre projet nous a permis d'acquérir une certaine autonomie et une ouverture d'esprit dans le domaine des moteurs. Il ne faut surtout pas oublier le soutien et l'aide apportés par nos deux professeurs que nous remercions, car sans eux, nous aurions été perdu et en grande difficulté, car sans nous faire le travail, ils nous ont éclairci la voie pour qu'on puisse réussir à réaliser notre projet malgré certaines impasses. "La voiture hybride, l'avenir de demain" 18

Annexes Résultats des expériences préalables I) Démarrage du moteur de Stirling à l aide du moteur électrique a) Puissance nécessaire au démarrage sur petit pignon (PP) Exp 1 Exp 2 I (A) 0,4 0,3 U (V) 4,4 4,7 P (W) 1,76 1,41 b) Puissance nécessaire au démarrage grand pignon (GP) Exp 1 Exp 2 I (A) 0,55 0,41 U (V) 5,3 5,7 P (W) 2,915 2,337 II) Vitesse de rotation du volant du moteur de Stirling III) Relation entre la tension aux bornes de la génératrice et la vitesse de rotation du volant du moteur de Stirling : on suppose une relation de proportionnalité 1 Tour à vide 55,8ms U (en V) T (en ms) 1 Tour avec GP= 80,5ms 1 Tour avec GP à vide 7,2 68,2 1 Tour avec PP= 133ms 1 Tour avec PP à vide 6,1 118 19

IV) Consommation d alcool et température des sources en fonction du temps Première expérience en g masse brûleu r plein= 102,8 masse brûleu r vide= 84,62 alcool gélifié= 18,18 Température source chaude Température source froide Temps 28min 11s 24 26,8 tentative de démarrage 29min 65 26,3 29min 34s 90 26,8 démarrage 30min 143,9 27,6 31min 202 33 32min 244 43,2 35min 259,1 59,7 arrêt à 35min 17s 36min 30s 247 61,4 démarrage au moteur avec GP 37min 14s 260 59,1 arrêt 37 min 35s 253 59,1 démarrage au moteur avec PP 39min 40s 260 27,2 42min 40s 248 57,7 branchement des supercondensateurs à 43min 10s 45min 210 55,5 arrêt du moteur à 44min 20s 20

300 250 200 150 100 50 0 28min 11s 29min 29min 34s Deuxième expérience 30min 31min 32min 35min 36min 30s 37min 14s 37 min 35s 39min 40s 42min 40s 45min Température source chaude Température source froide en g masse brûleur plein= 104,58 masse brûleur vide= 84,64 alcool gélifié= 19,94 Température source chaude ( C) Température source froide ( C) Temps lancement à la main à 59min 50s 1h 00min et 15s 113 27,9 démarrage, 1 tour= 72,2ms 1h 01min 00s 142 31,3 U= 6,3V 1h 02min 161,5 40,7 branchement des supercondensateurs à 1h 02min 15s, U=2,5 V 1h 03min 175 49,8 U= 5,1V 1h 04min 195 58,3 1h 05min 10s 200 66,9 1h 05min 30s 207 68,1 débranchement condensateurs, arrêt à 1h 05min 30s, U= 6,3V redémarrage condensateurs, U= 5,3V 1h 07min 10s 236 70 arrêt moteur, U= 5,7V 21

250 200 150 100 50 0 1h 00min et 15s 1h 01min 00s 1h 02min 1h 03min 1h 04min 1h 05min 10s 1h 05min 30s Température source chaude Température source froide 1h 07min 10s Numéro du supercondensateur MESURES DE TENSIONS AUX BORNES DES SUPER CONDENSATEURS ASSOCIES EN SERIE Mesures avec les super-condensateurs 2 par 2 : Capacité du Tension mesurée aux condensateur bornes du supercondensateur (F) (V) Energie disponible 1/2.CU*U (J) U1 10 1,6 12,8 U2 3,3 2,4 9,5 U1+U2 2,5 4,08 22,3 On inverse l'ordre des super-condensateurs U1 3,3 2,4 9,5 U2 10 1,6 12,8 U1+U2 2,5 4,06 22,3 Numéro du supercondensateur Mesures avec les super-condensateurs (les 4) : Capacité du Tension aux bornes du condensateur super-condensateur (V) (F) 22 Energie disponible 1/2.CU*U (J) U1 4,7 2,9 19,8 U2 10 1,4 9,8 U3 3,3 2,7 12,0 U4 10 1,5 11,3 U1+U2+U3+U4 1,4 8,6 52,8 On inverse l'ordre des super-condensateurs U1 4,7 3 21,2 U2 3,3 2,4 9,5 U3 10 1,5 11,3 U4 10 1,7 14,5 U1+U2+U3+U4 1,4 8,6 56,4

Mesures des tensions des super-condensateurs chargés par le moteur de Stirling Numéro du supercondensateur Capacité du condensateur (F) Tension aux bornes du super-condensateur (V) Energie disponible 1/2.CU*U (J) U1 4,7 1,7 6,8 U2 3,3 1 1,7 U3 10 0,9 4,1 U4 10 0,5 1,3 U1+U2+U3+U4 1,4 4,4 13,7 Essai du 20 janvier 2013 Redémarrage 4C en série Démarrage manuel Charge des condensateurs 3,3 F + 10 F Charge des condensateurs 4,7 F + 10 F Arrêt du moteur Charge des condensateurs 3,3 F + 10 F Charge des condensateurs 4,7 F + 10 F Redémarrage 4C en série En rose tension aux bornes de la génératrice En vert tension aux bornes des condensateurs, en charge les deux courbes sont confondues 23