Le fonctionnement du moteur thermique : exercices de Bac pro

Voici, dans le désordre, cinq éléments d'un véhicule à moteur thermique :

• A. le vilebrequin
• B. les roues
• C. le piston
• D. la boîte de vitesses
• E. la bielle

Question 1. Classe ces éléments dans l'ordre où le mouvement se transmet, depuis la pression des gaz jusqu'au déplacement du véhicule.

Question 2. Précise ce qui, dans ce système, transforme un mouvement de va-et-vient en mouvement de rotation.

Un cylindre a un alésage (diamètre) $D = 80\ \text{mm}$ et une course $C = 90\ \text{mm}$. On rappelle que le volume balayé par le piston, ou cylindrée unitaire, se calcule par :

$V_u = \frac{\pi \times D^2 \times C}{4}$

Calcule $V_u$ en $\text{cm}^3$.

Le moteur de l'exercice précédent a 4 cylindres identiques, de cylindrée unitaire $V_u = \dfrac{\pi \times 8^2 \times 9}{4}\ \text{cm}^3$.

Question 1. Calcule la cylindrée totale $V_t = 4 \times V_u$ en $\text{cm}^3$.

Question 2. Exprime-la en litres, sachant que $1\ \text{L} = 1000\ \text{cm}^3$.

Dans un moteur, le piston va du point mort haut au point mort bas pendant que le vilebrequin tourne d'un demi-tour. Le bouton de manivelle, point où se fixe la bielle, décrit un cercle de rayon $r$ autour de l'axe du vilebrequin. On admet que la course du piston est alors égale au diamètre de ce cercle :

$C = 2 \times r$

Le rayon de manivelle mesure $r = 45\ \text{mm}$.

Question 1. Calcule la course $C$ en millimètres.

Question 2. Explique pourquoi un vilebrequin dont le rayon de manivelle est plus grand donne, à alésage égal, une cylindrée plus grande.

Le rapport volumétrique $\varepsilon$ compare le volume total du cylindre, piston au point mort bas, au volume de la chambre de combustion, piston au point mort haut :

$\varepsilon = \frac{V_u + V_c}{V_c}$

Un cylindre a une cylindrée unitaire $V_u = 450\ \text{cm}^3$ et un volume de chambre $V_c = 50\ \text{cm}^3$.

Calcule $\varepsilon$.

Le moteur fournit un couple sur son arbre de sortie.⁶ À un régime de $N = 4000\ \text{tr/min}$, on mesure un couple $C_m = 150\ \text{N·m}$. On rappelle :

$\omega = \frac{2\pi N}{60} \quad (\text{rad/s}) \qquad P = C_m \times \omega \quad (\text{W})$

Calcule la puissance $P$ en kilowatts.

Pendant un tour de vilebrequin, le piston effectue un aller et un retour, soit un trajet égal à deux fois la course. Sa vitesse moyenne vaut donc :

$v_m = \frac{2 \times C \times N}{60}$

avec $C$ en mètres et $N$ en tr/min. La course est $C = 90\ \text{mm}$ et le régime $N = 4000\ \text{tr/min}$.

Question 1. Calcule $v_m$ en m/s.

Question 2. Explique pourquoi un moteur à course longue est plus sollicité mécaniquement, à même régime.

Le carburant brûlé apporte au moteur une puissance de $P_{carb} = 190\ \text{kW}$ sous forme d'énergie thermique de combustion.⁵ La puissance mécanique disponible sur l'arbre de sortie est $P_{u} = 57\ \text{kW}$. On définit le rendement :

$\eta = \frac{P_u}{P_{carb}} \times 100\ (\%)$

Question 1. Calcule le rendement $\eta$.

Question 2. Calcule la puissance perdue, notée $P_{perdue}$, et indique sous quelle forme elle est surtout évacuée.