session 2015 - Eduscol
Dès que le sujet vous est remis, assurez-vous qu'il soit complet. Le sujet ...
exploiter le moteur thermique à son rendement optimal. 1. .... Puissance
maximale absorbée par les « consommateurs » d'énergie (climatisation, direction
assistée, confort,?) ...... EXAMEN. BREVET DE TECHNICIEN SUPÉRIEUR.
SPÉCIALITÉ : ...
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BREVET DE TECHNICIEN SUPÉRIEUR
MOTEURS À COMBUSTION INTERNE
Session 2015
E 4 - ÉTUDE DES CONSTRUCTIONS
Durée : 6 heures Coefficient : 4
Documents et matériels autorisés :
- Guide du dessinateur (ou documents équivalents)
- Matériel du dessinateur (té, équerre, compas, ...)
Moyens de calculs autorisés :
Calculatrice électronique de poche, y compris calculatrice programmable et
alphanumérique à fonctionnement autonome, non imprimante, conformément à la circulaire N° 99-186 du 16 novembre 1999.
Dès que le sujet vous est remis, assurez-vous qu'il soit complet.
Le sujet comporte 21 pages numérotées de la façon suivante :
- Page de garde : 1 page
- Dossier technique : de 1 à 11
- Dossier d'étude : de 12 à 17
- Dossier des documents réponse : de 18 à 21
Les candidats rédigeront les réponses aux questions posées sur feuilles de copie ou, lorsque cela est indiqué sur le sujet, sur les documents réponse prévus à cet effet.
Tous les documents réponse sont à remettre en un seul exemplaire en fin d'épreuve.
DOSSIER TECHNIQUE
Ce dossier contient 10 documents numérotés de DT1 à DT10
DT1 : Présentation du système Hybride page 2/21
DT2 : Plan densemble de la transmission de puissance page 3/21 DT3 : Schéma cinématique de la transmission 1ère génération page 4/21
DT4 : Principe de fonctionnement du système Hybride page 5/21
DT5 : Fonctions de service page 6/21 DT6 : Caractéristiques du véhicule Hybride page 7/21
DT7 : Caractéristiques de la chaîne silencieuse page 8/21
DT8 : Schéma cinématique de la transmission 3ème génération page 9/21
DT9 : Équilibre statique de larbre 8+9 et Guidage en rotation page 10/21
DT10 : Liaison moyeu cannelé page 11/21
TECHNOLOGIE HSD DU VÉHICULE HYBRIDE
I - Présentation du système et de ses modes de fonctionnement
1.1 - Introduction
Dans le contexte actuel d'économie des énergies fossiles et de réduction des émissions de gaz nocifs, le système de propulsion hybride constitue une alternative intéressante à la propulsion classique par moteur thermique seul car il permet de réduire la consommation.
La spécificité de la solution retenue sur la Prius consiste à :
récupérer l'énergie du véhicule lors du freinage ;
exploiter le moteur thermique à son rendement optimal.
1. 2 - Architecture du système hybride HSD 1ère génération
Comme le montre la figure ci-dessous, la technologie hybride de Toyota, nommée HSD (Hybrid Synergy Drive), associe un moteur thermique à essence et sa transmission à deux machines électriques et une batterie de puissance.
Le schéma de principe ci-dessous met en évidence les deux machines électriques (le moteur électrique et la génératrice) reliées au moteur thermique par un train épicycloïdal.
DT1
Ensemble de la transmission de puissance 1ère génération Figure 2
Schéma cinématique de la transmission de puissance 1ère génération
Caractéristiques de la transmission :
Train épicycloïdal : Pignon 2 lié à la génératrice GE Z2 = 20 dents ;
4 satellites rep 4 Z4= 16 dents ;
Couronne 3 liée au Moteur électrique ME Z3= 52 dents ;
Porte satellite 1 lié au moteur Thermique MT.
Transmission : 5 : pignon moteur pour chaine Z5 = 36 dents pas 1/2" ;
6 : pignon récepteur pour chaine Z6 =35 ;
7 : roue dentée Z7 =30 ; mn=2.5 (=20° ;
8 : roue dentée Z8 =44 ;
9 : pignon arbré Z9 =26 ; mn= 3 ; (= 18° ;
10 : couronne différentiel Z10= 75 ;
11 : satellite différentiel ;
12 : arbre de sortie roue gauche ;
13 : arbre de sortie roue droite. DT3
1. 3 - Principe de fonctionnement
À partir de la position de la pédale d'accélérateur et de la vitesse du véhicule, le calculateur détermine la vitesse de rotation optimale du moteur thermique et la consigne d'ouverture du papillon des gaz. La puissance en sortie du moteur thermique est transmise, grâce à un train épicycloïdal, à la chaîne silencieuse et à la génératrice.
Un asservissement en vitesse de la génératrice permet de contrôler la vitesse de rotation du moteur thermique. Le répartiteur de puissance gère les échanges de puissance électrique entre la génératrice, le moteur électrique et la batterie.
Le moteur électrique entraîne la chaîne silencieuse, seul ou en complément du moteur thermique. Il récupère également l'énergie cinétique ou potentielle du véhicule lors des phases de ralentissement. Les chaînes d'énergie et d'information permettent de percevoir l'organisation des différents composants du HSD.
1.4 - Présentation des modes de fonctionnement
La gestion optimale des modes de fonctionnement du système hybride permet doptimiser la consommation d'énergie chimique. La vitesse du moteur thermique est asservie (par le biais d'un asservissement de la vitesse de la génératrice) à des valeurs optimales définies par le calculateur.
Le moteur est ainsi exploité à son rendement maximal.
Tableau 1
ModeCommentaires
Mode 1 :
tout électrique
Le moteur électrique entraîne le véhicule en puisant
lénergie électrique dans la batterie.
Le moteur thermique est généralement arrêté.
Mode 2 :
hybride
Le moteur thermique entraîne le véhicule. La puissance du moteur thermique en fonctionnement se répartit dans le train épicycloïdal entre
la puissance directement transmise aux roues ;
la puissance transmise à la génératrice qui recharge
la batterie.
Mode3 :
récupération
dénergie
Le moteur électrique, entraîné par le véhicule, récupère une partie de lénergie cinétique et la convertit en énergie électrique qui recharge la batterie.
Mode 4 :
mode mixte
Le moteur électrique et le moteur thermique entraînent le véhicule, lors de fortes accélérations. Dans ce mode, le moteur électrique est alimenté non seulement par lénergie délivrée par la génératrice mais aussi par la batterie.
DT4
1.5 - Caractérisation des fonctions de service en phase d'utilisation
Le Cahier des Charges, tableau 2, caractérise les fonctions de service du système HSD
.
Tableau 2
Fonctions de serviceCritèresNiveauxFS1 : permettre au combustible dentraîner le véhiculeRéduction de la consommation par rapport aux véhicules traditionnels comparables
40%Consommation en cycle mixte4,3 litre aux 100 kmVitesse maximale170 km/hTemps daccélération de 0 à 100 km/h10,9 sTemps daccélération de 50 à 80 km/h4,4 sPuissance maximale du système hybride110 kW à 85 km/hFS2 : respecter lenvironnementRéduction des émissions nocives de CO240% en dessous des normes européennesFS3 : être commandé par le conducteurPositions du sélecteur
Enfoncement des pédalesPM / MA / Mar
Accélérateur / freinFS4 : sadapter à la vitesse du véhiculeVitesse de passage du mode tout électrique au mode hybride (démarrage du moteur thermique)
50 km/hFS5 : alimenter en énergie les composants auxiliairesPuissance maximale absorbée par les « consommateurs » dénergie (climatisation, direction assistée, confort,
)
4 kW maxiFS6 : récupérer lénergie cinétique du véhicule au freinage Pourcentage de lénergie cinétique récupérable 70%
1.6 - Courbes de fonctionnement
DT5
2. Caractéristiques du véhicule Hybride Tableau 3
Composants
Caractéristiques
Réducteur + différentiel
Rapport de transmission : K = ÉR/ÉS = É10/É5
Où ÉS est la vitesse de rotation de l arbre de sortie du train épicycloïdal par rapport au châssis.
On considère ÉS >0.
Rendement réducteur + différentiel :(R = 0,9
Train épicycloïdal de répartition de puissance
Voir schéma cinématique (figure3) liant É1/0, É2/0 et É3/0
Rendement Train épicycloïdal : (T = 1
Moteur Électrique (ME)
Le moteur électrique de 104 kg est un moteur synchrone (triphasé) à aimant permanent. Il est alimenté sous 500 V triphasé alternatif à fréquence variable. On admet un rendement de 95 % et un facteur de puissance (cos() de 0,8 à pleine puissance.
Vitesse de rotation notée ÉME, telle que :
ÉME 1200 tr/min ;
Couple maxi de 400 Nm constant de 0 à 1200 tr/min.
Moteur Thermique
essence (MT)
Le moteur thermique est un 4 cylindres de 1497 cm3 (1,5 l). Il fonctionne au sans plomb 95 ou 98. Le rendement au régime optimal est de (MT=35% (incluant le rendement thermodynamique).
Vitesse de rotation notée ÉMT, telle que :
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Sur le document réponse DR3 proposer une solution de la conception de lensemble 8+9 et de son guidage en rotation par rapport au carter.
5.21 La fonction guidage en rotation sera réalisée par 2 roulements à billes (35*72*17).
5.22 La roue dentée 8 sera rapportée sur le pignon arbré 9 en liaison encastrement dont la solution technologique est à définir sur le dessin DR3. Faire des coupes ou des sections nécessaires pour définir certaines formes.
5.23 Indiquer les conditions fonctionnelles (jeux, ajustements).
DOSSIER RÉPONSE
Ce dossier contient 3 documents numérotés de DR1 à DR3
DR1 : Courbes de puissance page 19/21
DR2 : Transmission 3ème génération page 20/21
DR3 : Conception page 21/21
DR1 : Caractéristiques dynamiques relevées expérimentalement :
Figure 7
La vitesse du véhicule V en km/h :
La puissance électrique consommée ou générée par le moteur électrique PME en kW :
La puissance mécanique fournie par le moteur thermique PMT en kW :
Consommation spécifique en g/kWh Figure 8
Courbe isopuissance
DR2 : Transmission 3ème Génération
EXAMEN : BTS M.CI. Épreuve : E4 - Étude des constructions Sujet N°02ED14 - page PAGE 1/21
CODE ÉPREUVE :
1406MOEDCEXAMEN
BREVET DE TECHNICIEN SUPÉRIEURSPÉCIALITÉ :
MOTEURS À COMBUSTION INTERNESESSION :
2015SUJETÉPREUVE : E4 - ÉTUDE DES CONSTRUCTIONS Durée : 6hCoefficient : 4SUJET N°02ED1421 pages
Figure 1
D.T.1
DT2
Figure 3
Figure 4
Figure 5
Caractéristiques du pignon Pas de la chaine : pNombre de dents : ZAngle au centre : 2( = 360°/ZDiamètre primitif : d = p/sin (Rapport des fréquences de rotation NA/NB = ZB/ZA
DT7
Coordonnées des points :
Origine : A (0 ; 0 ; 0)
B (26 ; -77.8 ; 0)
C (60 ; 0 ; 32)
D (89 ; 0 ; 0)
D.T.14
Section S1
Question 2.1
TempsPhaseMode Vitesse0 à 4 sDémarrageTout électrique De 0 à 50 km/h4 à 18 s18 à 34 s34 à 38 sPlus de 38 s
Train épicycloïdal 1
AB= 30
AD = 78
BC= 24
Échelle des vitesses :
1 cm(1 m/s
DR3 : Conception Échelle 1/1
