PERFORMANCES DU VÉHICULE

PERFORMANCES DU VÉHICULE

Forces propulsives aux roues et forces de résistance

Pierre DUYSINX Université de Liège

Année académique 2010-2011

Références bibliographiques

„

T. Gillespie. « Fundamentals of vehicle Dynamics », 1992, Society of Automotive Engineers (SAE)

„

R. Bosch. « Automotive Handbook ». 5th edition.

2002. Society of Automotive Engineers (SAE)

„

J.Y. Wong. « Theory of Ground Vehicles ». John Wiley & sons. 1993 (2nd edition) 2001 (3rd edition).

„

W.H. Hucho. « Aerodynamics of Road Vehicles ». 4th edition. SAE International. 1998.

„

G. Genta. « Meccanica dell ’autoveicolo ». Levrotto &

Bella di Gualini. Torino 2000.

Plan de l’exposé

„ MOTEURS A COMBUSTION INTERNE

„ Moteurs 4 T

„ Moteurs 2 T

„ Courbes caractéristiques

„ Effet des conditions atmosphériques

„ MOTORISATION ELECTRIQUE

„ Chaîne de traction électrique

„ Moteurs DC

„ Moteurs AC

„ Courbes caractéristiques

„

Approximation des courbes caractéristiques des moteurs à piston

Moteurs à piston

Moteurs à pistons (essence & Diesel)

„

On distingue plusieurs variantes.

„

Carburants :

„ Essence, diesel, LPG, Gaz naturel, H₂, agro-carburants…

„

Cycles thermodynamiques:

„ Otto : allumage commandé (bougies) : SI

„ Diesel : allumage par compression (CI)

„

Injection du carburant

„ directe ou indirecte

„ Turbocompressé ou atmosphérique

„

Moteurs

„ 2 temps

„ 4 temps

Moteurs à 4 temps: Essence

„ Les quatre phases de fonctionnement du moteur définies par Beau de Rochas (1862):

„ Admission: aspiration d’air ou de mélange air / essence

„ Compression de l’air ou du mélange

„ Inflammation rapide et détente du piston

„ Echappement des gaz brûlés

A I

R

Combustion Products Ignition

FUEL

Fuel/Air Mixture

Moteurs à 4 temps : Diesel

„ Le moteur àallumage par compressionest souvent appelé moteur Diesel

„ Le cycle est semblable au cycle Otto excepté qu’il requiert un taux de compression élevé et un fort taux de dilution air fuel.

„ L’air est admis dans la chambre et comprimé. La température augmente et atteint un point tel que lorsque le carburant va être injecté dans le piston, il peut s’enflammer spontanément.

„ Pas d’obligation d’avoir une bougie ou d’avoir une proportion stochéométrique entre air et carburant.

Moteurs à 4 temps: Diesel

„ Temps 1: l’air (seul) est introduit dans le cylindre par la soupape d’admission

„ Temps 2: l’air est comprimé

„ Temps 3: le carburant est injecté et la combustion du mélange (grosso modo à pression constante) survient. La détente des gaz de

combustion produit un travail.

„ Temps 4: Les gaz sont expulsés du cylindre par la soupape d’échappement

Compression Stroke

Power Stroke

Exhaust Stroke Combustion Products

Intake Stroke

Air

Fuel Injector

Moteurs 2 temps

„ En vue de produire une puissance supérieure pour un même volume, une même masse et pour obtenir certaines

simplification des soupapes, Dugald Clerk a inventé le moteur 2 temps en 1878.

„ Le cycle est applicable à la fois aux moteurs à allumage commandé et aux moteurs à allumage par compression, même s’il est souvent utilisé avec les moteurs à allumage commandé.

„ Le cycle du moteur 2 temps comprend deux opérations comme son nom l’indique et le cycle thermodynamique est réalisé sur un tour de vilebrequin.

Moteurs à 2 temps: essence

„ Détente et temps moteur

„ Echappement des gaz brûlés

„ Compression de la charge fraîche et ignition

„ Admission de la charge fraîche dans le bas moteur

Intake(“Scavenging”) Exhaust

Expansion

Fuel-air-oil Fuel-air-oil

mixture compressed

Crank shaft Check valve

Exhaust port

Courbes caractéristiques des moteurs 4 temps

Courbes des moteurs à combustion interne

„ Si la pression moyenne restait constante lors de la course d’un piston, son travail vaudrait:

„ Le travail de n pistons sur un cycle:

„ Pour un moteur à k temps, le temps d’un cycle T1course =p_moyScourse=p_moy V₁

T

= p

V

n = p

V

t

= t

= k ¼ = !

Courbes des moteurs à combustion interne

„ La puissance en fonction de la vitesse de rotation:

„ Le couple en fonction de la vitesse de rotation P = !

k¼pmoyV

C = P

! = 1

k¼pmoyV

P = !

k¼pmoy V C = P

! = 1

k¼pmoyV

ω ω

Notion de pression moyenne indiquée

„ La pression moyenne indiquée pmi ou imep est une pression constante fictive qui produirait le même travail par cycle

thermodynamique en poussant sur le piston pendant toute la durée de la course du piston dans la phase d’expansion

„ La pmi ne dépend que faiblement de la vitesse de rotation, mais du travail du piston comme le couple

„ La pression pmi est un meilleur indicateur que le couple pour comparer les moteurs et leur design, car il est indépendant de la vitesse de rotation N et de la taille du moteur V_d.

R p p R

d i

d R i d

i

n U A imep n

N V W imep N

V n W V imep W

⋅

⋅

= ⋅

⋅

= ⋅

⋅ →

= ⋅

= 2

Puisque T ∝W_cycle alors imep∝T

Notion de pression moyenne effective

„ De manière similaire on définit la pression moyenne effective pme ou bmep comme la pression constante qui donnerait le même travail à l’arbre si elle agissait de manière constante durant le temps d’expansion

2 C

2

b R d

d d R

W C n bmep V

bmep V V n

π

π

⋅

= = ⋅ ⋅ → =

⋅

Pressions moyennes indiquée et effective

„ Ordre de grandeur pour la pression moyenne effective des moteurs actuels:

„ Moteurs à quatre temps:

„ Atmosphérique

„ Moteurs à allumage commandé: 850 – 1050 kPa

„ Moteurs à allumage compression: 700 – 900 kPa

„ Turbochargé

„ Moteurs à allumage commandé : 1250 - 1700 kPa

„ Moteurs à allumage compression : 1000 - 1200 kPa

„ Moteurs à deux temps

„ Moteurs à allumage commandé standard: idem 4 temps

„ Grand moteurs diesel 2 temps (e.g. bateau) ~1600 kPa

„ NB

„ Pme à couple maximum, manette des gaz ouverte

„ A puissance nominale, la pme est plus basse de l’ordre de 10 à 15%

Pressions moyennes indiquée et effective

11.0 12.7

427@5200 492@7000

5.707 V12

Lamborghini Diablo VT

11.4 12.4

398@4500 436@6250

5.474 V12

Ferrari 456 GT

11.6 13.1

268@6000 375@8250

3.496 V8

Ferrari F355 GTS

11.5 12.6

206@3950 190@5300

2.793 L6

BMW 328i

15.7 15.9

210@3500 210@5300

2.255 L4

Turbo Mazda

Millenia S

10.4 11.4

152@4900 150@5700

2.254 L4

Honda Accord EX

9.9 10.8

117@4000 122@6000

1.839 L4

Mazda Protégé LX

BMEP at Rated BP

(bar) BMEP at

Max BT (bar) Max Torque

(lb-ft@rpm) Max Power

(HP@rpm) Displ.

(L) Engine

type Vehicle

Moteurs à pistons (essence & Diesel)

„ Courbes caractéristiques de puissance et de couple en fonction de la vitesse de rotation

„ Bonne combustion et couple maximum sont obtenus pour un régime moyen

„ Lorsque la vitesse augmente, la pression moyenne effective diminue à cause des pertes dans les soupapes d’injection et le couple diminue.

„ La puissance continue à augmenter car la vitesse augmente

„ A haut régime, le pertes de pression augmente plus vite que la vitesse et la puissance

retombe à son tour.

„ A bas régime, le taux de dilution devient plus fort et la combustion est moins bonne donc le couple diminue.

Courbes de performance des moteurs essence et diesel (4 temps)

Gillespie, Fig. 2.1

Normalisation des performances

„ Diagrammes fournis par les fabricants représentent la puissance brute du moteur

„ Performance brute = performance avec équipement requis pour assurer le mouvement: ventilateur, pompe à eau, pompe à huile, échappement, filtre à air

„ On n’oubliera pas que la multiplication des accessoires modernes (air conditionné, direction assistée, système de freinage, alternateur électrique) amputent une partie non négligeable de puissance transmise aux roues.

Normalisation des performances

„ SAE (Society of Automotive Engineers, USA): puissance du moteur dépourvu de tous ses accessoires, réglages des paramètres (avance à l’allumage, carburateur) réajustés pour chaque régime. Puissance idéale théorique.

„ DIN (Deutsche Industrie Normen) et CE. Le moteur doit

entraîner tous ses accessoires, les réglages ne pouvant pas être modifiés en cours d’essai (réglages de série).

„ CUNA. Système italien compromis entre norme DIN et SAE: pas d’accessoire, mais réglages de série.

Consommation des accessoires

„ La consommation des accessoires qui se multiplient peut avoir un impact

significatif sur les

performances, spécialement pour les petits moteurs et les véhicules électriques

Effet des conditions atmosphériques

„ Les conditions atmosphériques (Température, pression, hygrométrie) affectent également les performances du moteur.

„ Conditions atmosphériques de référence:

„ T°=15.5°C = 520°R = 60°F

„ p= 101.32 kPa = 14.7 psi = 76 cm de Hg

„ Wong cite des formules de corrections proposées par Taborek (1956) dans lesquelles :

„ B_ala pression barométrique

„ T la température (en °R) à l ’admission d’air

„ B_vla pression de vapeur pour tenir compte de l ’effet de l’humidité

Effet des conditions atmosphériques

„ Pour un moteur essence

„ Pour les moteurs diesel l ’effet des conditions atmosphériques est plus compliqué:

„ Les conditions atmosphériques peuvent changer les performances de manière considérable (Wong Fig. 3.24)

T T B

B B

P P

0

0

( − )

=

T T B

B B

P P ^{a v 0}

0

0( − )

=

Effet des conditions atmosphériques

„ Norme EEC 80/1269 – ISO 1585 – JIS D 1001 – SAE J1349 pour le moteur à allumage commandé (essence)

„ Conditions standards (température T₀= 298 K et pression d’air sec p₀= 99 kPa)

„ Puissance corrigée

P P

= α

298 / ) (

) ( / 99

6 . 0 2 . 1

K T B

kPa p

A

B A

p PT a

=

= α =

Effet des conditions atmosphériques

„ Norme EEC 80/1269 – ISO 1585 – JIS D 1001 – SAE J1349 pour le moteur à allumage par compression (diesel)

„ Conditions standards (température T₀= 298 K et pression d’air sec p₀= 99 kPa)

„ Puissance corrigée

298 / ) (

) ( / 99

5 . 1 7 . 0

K T B

kPa p

A

B A

p PT a

=

= α =

P

P

= α

Exemples : Moteur Audi Diesel suralimenté

Alésage: 81 mm Course 95,5 mm 5 cylindres

Cylindrée totale 2,5 l

Exemples : Moteur BMW M5 suralimenté

Alésage: 93,4 mm Course 86 mm 6 cylindres

Cylindrée totale 3,5 l

Motorisations électriques

Voitures électriques

„ Les voitures électriques étaient très populaires (dominantes) entre 1905 et 1915 et elles ont connus un regain d’intérêt pendant toutes crises du pétrole

„ Malgré plusieurs tentatives, elles n’ont jamais connu de succès commercial

„ La motorisation électrique est constituée d’une batterie

(stockage ou source d’énergie électrique), une unité de gestion,

Voitures électriques

„

Avantages

„ Mode zéro émission

„ Faible niveau de bruit

„ Grand confort de conduite en situation urbaine

„

Désavantage

„ Faible autonomie(< 200 km)

„ Temps de charge (6 heures!)

„

Applications viables:

„ Véhicules ferroviaires où énergie électrique disponible via réseau

Bolloré BlueCar

Chaînes de traction électrique

„ Moteurs

„ DC shunt ou série

„ AC asynchrone monophasé, triphasé, synchrone monophasé

„ Batteries:

„ Acide Plomb,

„ Nickel – Cadmium

„ Ni – MH (métal hydrures)

„ Li Ions

„ Super capacités

„ Electronique de puissance

„ Hacheur

„ Convertisseur DC / DC

„ Onduleur

Courbes de performance des moteurs électriques

Moteurs électriques

Moteurs électriques

Performance des moteurs à courant continu (DC)

Electronique de puissance pour moteurs électriques

Principe de fonctionnement d’un hacheur de courant

Moteurs électriques

Moteurs électriques

Electronique de puissance pour moteurs électriques

Principe de fonctionnement d’un onduleur de courant

Moteurs électriques triphasés

Moteurs électriques triphasés

Principe de fonctionnement d’un moteur AC triphasé

Moteurs électriques

MOTEURS DC

„ Moteurs série ou à excitation séparée

„ Prix reste assez élevé (-)

„ Fiable (+)

„ Entretien (balais) (-),

„ Poids (-)

„ Régime max (-)

„ Rendement perfectible (-)

„ Hacheur (chopper) commandé en PWM

MOTEURS AC

„ Moteur asynchrone

„ Régime max important

„ Entretien, fiabilité

„ Poids

„ Rendement (~95%)

„ Moteur synchrone

„ Entretien, rendement fiabilité (+)

„ Coût (-), régime max (-)

„ Onduleur (inverter) à commande vectorielle (f,I,V)

DC motor: series and separated excitation

DC series motor DC motor with separated excitation

AC motors: induction vs synchronous

AC induction motor AC synchronous motor

Traction motor characteristics

„ At low speed: constant torque

„ Voltage supply increases with rotation speed through electronic converter while flux is kept constant

„ At high speed: constant power

„ Motor voltage is kept constant while flux is weakened, reduced hyperbolically with the rotation speed

„ Base speed: transition speed from constant torque to constant power regime

Traction motor characteristics

„ Speed ratio x = ratio between maximum rotation speed to base speed

„ X ~ 2 Permanent Magnet motors

„ X ~ 4 Induction motors

„ X ~ 6 Switched Reluctance motors

„ For a given power, a long constant power region (large x) gives rise to an important constant torque, and so high vehicle acceleration and gradeability. Thus the transmission can be simplified.

Approximation des courbes

caractéristiques des moteurs à piston

Caractéristiques du moteur IC

P( ) ω

ω C( ) ω

?

Ajustement des courbes de puissance et de couple

„

Deux types d’ajustement

„ Ajustement de type puissance

„ Ajustement de type polynomial

„

Données:

„ Puissance nominale (maximale)

„ Couple maximal

P

= P

!

= !

C

= C

!

= !

.

Approximation de type puissance

„ On recherche une courbe de la forme

„ Données

„ Soient

!1 =!nom P1=Pmax

!2 =!Cm a x P2=Cmax!Cm a x

d C d!

¯¯

¯¯

!2

= 0 P = P¹¡Aj!¡!1j^b b>0

A = P¹¡P²

b =

!₁

!₂

¡ 1

P

¡

Approximation de type puissance

„ Puissance maximale en P₁: OK

„ Couple maximal en ω₂:

„ Couple donné en ω₂:

P(!2) =P²=Cmax!Cm a x

d C d!

¯¯

¯¯_!

2

= d(P=!) d!

¯¯

¯¯_!

2

= 0

a = P¹¡ P²

j!₁¡!₂j^b

P = P

¡ ( P

¡ P

)

¯ ¯

¯ ¯

!

¡ !

!

¡ !

¯ ¯

¯ ¯

b

Approximation de type puissance

„ Maximum du couple en ω₂:

„ La dérivé de la puissance donne

„ Ce qui conduit à la condition d C

d!

¯¯

¯¯_!

2

= !2 dP d!

¯¯

!2¡ P²

!₂² = 0 P²=!2

dP d!

¯¯¯

¯!2

dP d!

¯¯

¯¯

!2

=¡a bj!1¡!2j^b¡1sign(!1¡!2) (¡1) =a b(!1¡!2)^b¡1

P²=!₂ a b(!₁¡!₂)^b¡1=b !₂ P¹¡ P²

!1¡!2

Approximation de type puissance

„ Soit la valeur de l’exposant

„ On trouve une courbe de la forme

b =

!₁

!₂

¡ 1

P1

P2

¡ 1

P

P¹ = 1¡ µ

1¡P² P¹

¶¯¯

¯¯

¯ 1¡!^!1

1¡^!!²1

¯¯

¯¯

¯

b

C = P=!

Approximation de type puissance

„ Exemple: moteur Peugeot XV3 943 cm³

„ On trouve

P1 = 33;85kW µa n₁ = 6000tr=min C2 = 67;81kN:m µa n₂ = 3000tr=min

!1= 628;30rad=s

!2= 314;15rad=s P2=C2!2= 21;30kW

P²=P¹ = 0;6293

!2=!1= 0;5

b=

!1

!2 ¡1

= 2¡1

= 1;698

Approximation de type polynôme

„ Approximation générale:

„ Puissance

„ Couple

P(!)=P^max' Xn

i=0

ai(!=!nom)ⁱ

C(!)=C¹' Xn

i=0

ai(!=!nom)^i¡1

Approximation de type polynôme

„ Approximation cubique

„ Détermination des coefficients

P(!)=P¹=a0+a1(!=!1) +a2(!=!1)²+a3(!=!1)³

P(0) = 0 e P(!₁) =P^max.

a0= 0

a1+a2+a3= 1

P(!2) =P2=Cmax!Cm a x

d C d!

¯¯

¯¯

!2

= 0

a

n

+ a

n

+ a

n

= P

= P

a

+ 2 a

n

= 0

n₂=!₂=!₁,

Approximation de type polynôme

„ Approximation quartique

„ Détermination des coefficients

„ Idem que cubique avec en plus condition sur la maximum de la puissance en ω₁:

P(!)=P1 = a₀+a₁(!=!₁) +a₂(!=!₁)²+a₃(!=!₁)³ +a₄(!=!₁)⁴

a₁+ 2a₂+ 3a₃+ 4a₄ = 0

Approximation de type polynôme

„ Approximation quartique

„ Détermination des coefficients

P(!)=P1 = a₀+a₁(!=!₁) +a₂(!=!₁)²+a₃(!=!₁)³ +a4(!=!1)⁴

a1+a2+a3+a4 = 1 a1+ 2a2+ 3a3+ 4a4= 0

a1n2+a2n²₂+a3n³₂+a4n⁴₂=P²=P¹ a2+ 2a3n2+ 3a4n²₂ = 0

n₂=!₂=!₁,

Exemple: 2.0 HDI PSA

Exemple: 2.0 HDI PSA

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

x 10⁴ Caractéristique moteur

Vitesse moteur [min^-1]

Puissance moteur [W]

Cubique Type Puissance

Exemple: 2.0 HDI PSA

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

0 50 100 150 200 250 300 350

Couple moteur

Vitesse moteur [min^-1]

Couple moteur [N.m]

Cubique Type Puissance