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Principes de la mécanique

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Principes de la mécanique

Message par italoman le Lun 26 Nov - 16:47

Les bases du moteur – Episode 1

Je vous propose à partir d’aujourd’hui une série d’articles sur les bases du moteur à combustion interne. Certaines choses que beaucoup d’entre vous connaissent déjà, d’autres non. L’idée est ici d’échanger, de répondre aux questions et de faire évoluer les articles au fur et à mesure, en fonction des demandes. L’objectif n’étant pas de faire un dossier sur une technologie précise mais des articles courts mais concrets qui intéressent un maximum de personnes.

Retour donc dès maintenant sur le cycle 4 temps !

Le cycle théorique

Le cycle dit de « Beau de Rochas » (imaginé et breveté en 1862 par Alphonse Eugène Beau) se décompose en 4 temps. Il peut être représenté de la façon suivante sur un diagramme Pression (en ordonnées) – Volume (en abscisse).

Le rapport volumétrique est le rapport entre le volume maxi de la chambre de combustion et le volume mini : V2/V1



On part du point 0.

Le piston est au PMH (Point Mort Haut), c’est à dire à son point le plus haut. Le volume de la chambre de combustion est donc minimal (V1). Il n’est pas nul et est égal à un volume appelé volume mort. Les soupapes d’admission et d’échappement sont fermées.



Première phase – L’admission (0 -> 1)

Les soupapes d’admission sont ouvertes, le piston descend et vient aspirer les gaz frais (air+carburant dans le cas d’un moteur à injection indirecte / air uniquement dans le cas d’un moteur à injection directe)



Une fois la phase d’admission finie, les soupapes d’admission sont fermées et le piston est au PMB (Point Mort Bas) et le volume de la chambre de combustion est V2 (V1 + cylindrée unitaire).

Deuxième phase – La compression (1 -> 2)

Les soupapes d’admission et d’échappement sont fermées, le piston remonte et vient comprimer le mélange air+carburant . Le volume diminue. La pression et la température du mélange augmentent.



Une fois la phase de compression finie, le piston est au PMH et le volume est V1.

Troisième phase – La combustion (2 -> 3) / détente (3 -> 4)

La bougie d’allumage initie la combustion. Le front de flamme qui se propage dans la chambre entraîne une forte augmentation de la température et de la pression (point 3). Les gaz ainsi montées en température et en pression se détendent ensuite en poussant le piston vers le bas, jusqu’au PMB (point 4). C’est la partie du cycle où l’on récupère du travail sur le vilebrequin via la bielle.





Quatrième phase – L’échappement (4 -> 5 -> 0)

Une fois au PMB, les soupapes d’échappement s’ouvrent et font chuter la pression dans la chambre de la pression résiduelle des gaz (après la combustion, les gaz ne se sont pas détendus « à fond ») jusqu’à la pression atmosphérique. On se retrouve donc au point 5.

Le piston remonte jusqu’au PMH et pousse les gaz brûlés vers l’échappement (point 0)



L’énergie récupérable sur le vilebrequin est directement liée à l’aire définie par les points 1-2-3-4-5.

Malheureusement, la réalité est quelque peu différente et on verra la prochaine fois quels sont les écarts qui séparent un cycle théorique d’un cycle réel.



Source : http://blogautomobile.fr
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Re: Principes de la mécanique

Message par Gordini le Lun 26 Nov - 16:52

matfakarniiich :pleur4:

Valery sort du corps de Mouad
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Re: Principes de la mécanique

Message par italoman le Lun 26 Nov - 17:02

Module M17 touSSa :hehe: Badr d’après l'article la différence mentionner doit certainement se focaliser sur le cycle réel et ses avances magiques, tu te rappelle gordini ? happy

Ne vous inquiétez pas les amis étape après étape on finira par cerner la donne et avoir tous nos clés a outils dans les coffres.

Des vrais bricoleurs quoi !
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Re: Principes de la mécanique

Message par Cheikh-E36 le Lun 26 Nov - 18:51

Merci Italomen, l'idée de ce topic est parfaite, c'est ce qui manquait. :merci:
J'ai pas très bien saisi certains concepts, prépares-toi aux questions après. :mrgreen:
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Re: Principes de la mécanique

Message par DJ le Mar 27 Nov - 2:49

Merci Italomen :merci: pour l'instant c'est du basique :mrgreen: mais très intéressant :super:
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Re: Principes de la mécanique

Message par Aréna le Mar 27 Nov - 3:07

très bonne idée Mouad :super:
on compte sur toi pour partager avec nous régulièrement ce genre d'articles.

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Re: Principes de la mécanique

Message par Gordini le Mar 27 Nov - 9:38

italomen a écrit:Module M17 touSSa :hehe: Badr d’après l'article la différence mentionner doit certainement se focaliser sur le cycle réel et ses avances magiques, tu te rappelle gordini ? happy

Ne vous inquiétez pas les amis étape après étape on finira par cerner la donne et avoir tous nos clés a outils dans les coffres.

Des vrais bricoleurs quoi !

et le Cycle a 5 temps :mrgreen:
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Re: Principes de la mécanique

Message par italoman le Mer 28 Nov - 12:40

5 temps !!! je ne me souviens pas ptet que j'ai zapper la leSSon happy

Merci a vous les amis :merci: on continueras inchallah :)
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Re: Principes de la mécanique

Message par italoman le Sam 26 Jan - 14:49

Salut a tous hello

Je vous présente la suite du cours en sa deuxième partie, mais chose que j'ai pas compris et que vous allez le constater certainement c'est l'écart fulgurant du niveau entre les deux épisodes (DJ t'es servi happy ) du simple principe et hop au niveau de l'ingénierie en thermodynamique ! bref je vous présente la deuxième partie :merci:

Les bases du moteur – Episode 2 – Parlons consommation

Connaissez-vous la zone d’utilisation optimale de votre moteur ? 1500 tr/min, 3000 tr/min, pied au plancher ?

Je vous préviens : cet article s’adresse un peu moins aux débutants que le précédent.

Le graphique ci-dessous est un graphique qui exprime la consommation spécifique de carburant en fonction du régime moteur et de sa charge.

La consommation spécifique effective (CSE) ou brake specific fuel consumption (BSFC) in english qu’est ce que c’est ?

Il s’agit de la consommation en carburant relative à la puissance produite. La CSE s’exprime en g/kW.h : on a bien la consommation de carburant en g/h divisée par la puissance en kW. En fait, la CSE est directement une image du rendement et permet de comparer facilement les moteurs. Ex : pour fournir une puissance de 50 kW (68 ch), un moteur qui a une CSE de 280 g/kW.h a un meilleur rendement qu’un autre qui a une CSE de 290 g/kW.h. En effet, pour fournir la même puissance, il a besoin de plus de carburant.

Le graphique est constitué d’iso-valeurs, c’est à dire que chaque courbe de couleur correspond à une valeur et tout ce qui est entouré par cette courbe a une valeur inférieure à la valeur. Par exemple tout ce qui est dans la courbe rouge 240 a une valeur inférieure à 240 g/kW.h.

Le régime moteur est exprimé sur l’axe des abscisses en tr/min.

Sur l’axe des ordonnées vous avez ce qu’on appelle la pression moyenne effective (PME) est un indicateur de la charge du moteur et correspond à la pression qu’il faudrait maintenir lors de la course motrice (un cycle moteur est constitué de 4 courses : admission – compression – combustion/détente – échappement) pour fournir le travail que fournit le « vrai » moteur pendant un cycle complet. Cette donnée est très utile puisqu’elle permet de s’affranchir de la cylindrée du moteur. Exemple : avec une PME de 10 bar, un moteur d’une cylindrée de 2,0 l fournit un couple de 159 N.m et un moteur d’une cylindrée de 1,4 l fournit un couple de 111 N.m.

Pour plus d’informations sur la PME, vous pouvez jeter un oeil sur la page Wikipedia : http://fr.wikipedia.org/wiki/Pression_moyenne_effective

L’unité de la PME est habituellement le bar (c’est une pression). Ici on a des kN/m2 qui sont égale à 0.01 bar c’est à dire que 1000 kN/m2 équivaut à 10 bar.

Pour ce moteur, on voit que le max de PME est atteint à 4500 tr/min et a une valeur de 11,2 bar : il s’agit bien d’un moteur Essence atmosphérique.



Une fois que tout cela est ok, que peut-on dire de ce graphique ?

Beaucoup de choses. Notamment on peut délimiter la zone où le rendement du moteur est maximal et donc où il fait bon fonctionner. Attention, même si tous les moteurs du même type (par type j’entends essence atmosphérique / essence suralimenté / mazout suralimenté) ont des cartographies de CSE du même type, chaque moteur a ses spécificités.

Dans le cas de ce moteur, on voit une zone opti pour les faibles régimes (entre 1750 et 3500 tr/min) et pour des chaques moyennes et élevées (> 7 bar de PME). On peut noter deux points opti : 2000 tr/min et 7,5 bar de PME et 3000 tr/min et 9 bar de PME.

A 2000 tr/min, la PME max est de 10 bar : on peut donc dire que le point opti (7,5 bar) est à 75% de charge. Attention cependant, on ne peut plus faire directement le lien entre la charge du moteur et l’enfoncement de la pédale d’accélérateur. En effet, on pourrait penser (et c’était le cas dans le bon vieux temps) qui si l’on enfonce la pédale d’accélérateur de 50%, on demande au moteur de fournir 50% du couple dont il dispose à ce régime. Dans la réalité, tout ceci est bien travaillé pour que la voiture reste agréable à l’utilisation. Pour les faibles régimes par exemple, en fonction des voitures, vous pouvez vous retrouver avec le moteur qui donne tout son couple alors que vous n’avez enfoncé la pédale que de 50%.

Comment un moteur régule-t-il sa charge ?

En effet, vous savez tous que lorsque vous appuyez sur l’accélérateur, la voiture accélère. En fait, lorsque vous êtes à une vitesse donnée et en fonction du rapport de boîte que vous avez enclenché, votre moteur tourne à un certain régime : c’est physique et tout ceci ne fait qu’un. Lorsque vous appuyez sur l’accélérateur pour brûler de la gomme ou tout simplement avancer dans la circulation, vous venez augmenter la charge de votre moteur. Vous passez par exemple de 10% de charge à 100% de charge. Pour un moteur essence atmosphérique, cette modification se fait par l’ouverture du papillon. Le boîtier papillon sert en fait de bouchon à l’entrée du moteur : plus on l’ouvre, plus d’air peut être enfermé dans le cylindre lors de la phase d’admission. Plus on enferme d’air, plus on peut injecter de carburant et donc plus on peut générer de couple. Donc on appuie sur l’accélérateur, le papillon s’ouvre, on fournit du couple qui permet d’accélérer la voiture et donc d’augmenter le régime moteur.

Pourquoi les consommations sont très élevées dans les zones de faible charge (sur le bas du graphique ?)

Vous avez donc bien compris que lorsque l’on est pied au plancher, le papillon est entièrement ouvert. Par contre dès que l’on relève un peu sa semelle, il se ferme et crée ce qu’on appelle une perte de charge. C’est un peu comme si vous avez une seringue et que vous bouchez l’ouverture : vous avez plus de difficulté à la remplir en air que si vous ne l’avez pas bouchée. Vous devez fournir plus d’énergie pour aller jusqu’au bout. C’est exactement le même phénomène avec un moteur : vous devez pomper l’air : ce sont les pertes par pompage. Elles sont d’autant plus élevées que le papillon est fermée. C’est la raison pour laquelle on des valeurs de CSE très élevées sur la bas du graphique 400, 500 g/kW.h, voire plus sur les lignes inférieures. Le rendement du moteur est très mauvais sur cette zone, et ceci quel que soit le régime. Plus on monte en charge, plus le rendement s’améliore.




Papillon fermé

Et pour les faibles régimes ?

Lorsque le moteur tourne à un faible régime, les durées de chaque temps du cycle sont assez longues : aaaadmission – coooompression – cooombustion – déteeente – échaaaappement. Les échanges thermiques qui ont lieu entre les différents milieux qui composent un moteur ont donc le temps de se mettre en place. L’un d’eux, le plus important est l’échange entre les gaz de combustion et le cylindre pendant la combustion. Lorsque la combustion a lieu, l’objectif est de récupérer un maximum de l’énergie dégagée (par l’intermédiaire de la pression et de la température) sur le piston. Si du temps est disponible, on va avoir plus de pertes thermiques aux parois. On va récupérer de l’énergie dans le liquide de refroidissement, mais moins sur le vilebrequin.. C’est l’une des raisons pour lesquelles, à faible régime, on a des valeurs de CSE quasiment constantes pour des charges moyennes. Par exemple à 1000 tr/min, on voit que l’on est à 280 g/kW.h de 4 bar de PME à la charge maximale.

Et pour les hauts régimes ?

Les pertes de charge (engendrées par le papillon) ainsi que tous les frottements mécaniques évoluent en fonction de la vitesse. Pour les pertes de charges il s’agit de la vitesse des gaz et pour les frottements mécaniques il s’agit de la vitesse entre les pièces. Plus le régime moteur est élevé, plus les pertes sont grandes et plus le rendement est faible. Pas une grande surprise donc !

Pourquoi le rendement maximal ne se trouve pas à pleine charge ?

C’est vrai, après tout, je vous disais précédemment que plus le papillon est ouvert, moins les pertes de charges sont importantes. De plus, si l’on se trouve à un régime moyen, ni trop faible ni trop élevé on devrait avoir un rendement record.

Malheureusement ce n’est pas le cas pour deux principales raisons :

- vous connaissez peut-être le phénomène de cliquetis dans un moteur essence. Il s’agit de l’auto-inflammation du carburant lorsque ce dernier est soumis à certaines conditions de pression/température. Le carburant peut s’enflammer avant que le front de flamme provoqué par la bougie l’atteigne. Ce n’est pas bon car pas du tout maitrisé. En plus de dégrader la qualité de la combustion, ce phénomène peut engender des ondes de pression néfastes au moteur et peut même détruire la chambre de combustion. Malheureusement, il est très difficile d’éviter ce phénomène qui apparait aux faibles et moyens régimes pour des charges élevées. Bref pour éviter ce phénomène, on a recours à la dégradation d’avance à l’allumage. En effet, pour tirer le maximum de la combustion, il faut correctement caler le pic de pression causé par la combustion avec le mouvement du piston. Si l’on a du cliquetis, on est obligé de décaler la combustion afin de réduire le pic de pression. En procédant de la sorte, on dégrade le rendement. D’où les CSE plus élevées au dessus de la zone optimale.



Piston après cliquetis violent

- autre chose, sur toute la pleine charge, on augmente volontairement la richesse du mélange pour tirer le maximum du moteur. La richesse du mélange correspond au rapport entre la masse d’air et la masse de carburant présentes dans la chambre de combustion. En fonctionnement normal (pour un moteur essence), on fonctionne en mélange dit stoechiométrique : on est à richesse 1. Lorsque l’on augmente la richesse (par exemple jusqu’à 1,1) ca signifie qu’on met 10% de carburant de plus qu’il ne faudrait. Cette technique permet de tirer les derniers N.m et d’avoir les performances maximales. Si l’on injecte du carburant « inutile », il est donc normal que la consommation et les CSE augmentent sur toute la zone de pleine charge.

Au bilan

Chaque moteur a sa carto de CSE, il n’existe pas de zone optimale pour tous les moteurs. Cependant, certains phénomènes physiques sont communs à tous les moteurs et permettent d’expliquer certaines tendances : faibles charges, faibles régimes, hauts régimes, fortes charges. J’ai essayé de les résumer ici, même s’il manque beaucoup de choses pour compléter le tout !

Pour info, voici les courbes de couple / puissance du moteur ci-dessus. Etant donné que j’ai trouvé cette courbe sur le web, je n’avais pas la cylindrée : j’ai donc pris l’hypothèse qu’il s’agit d’un moteur 2L.



Si vous avez un moteur essence atmosphérique, il n’y a pas de doute : la zone de rendement maximal se trouve sur un régime faible/moyen et une forte charge. A vous de le trouver.

Pour information vous trouverez une cartographie CSE pour un moteur turbo Diesel. Quelques remarques, par rapport à un moteur Essence : un moteur Diesel est dépourvu d’un papillon (ou du moins il n’est pas utilisé pour contrôler la masse d’air enfermée dans le cylindre). Le couple que fournit un moteur Diesel est contrôlé par la quantité de carburant injectée dans le cylindre. Les pertes par pompage sont donc plus faibles sur un moteur Diesel que sur un moteur Essence. On retrouve tout de même une tendance qui montre que plus la charge est élevée, meilleure est la CSE. On peut considérer que la force de frottement à un régime est constante quelle que soit la charge (ce qui n’est pas totalement vraie) : plus la charge est élevée, plus l’impact des frottements est faible.

On note également que le point de meilleure rendement ne se trouve pas non plus à pleine charge. On ne peut pas considérer qu’il y ait de l’enrichissement comme pour un moteur Essence mais on fonctionne tout de même à des richesses plus élevées qu’à des charges plus faibles pour aller chercher les performances.

Globalement, on notera que les valeurs de CSE sont plus faibles pour ce moteur Diesel que pour le moteur Essence du dessus.





Source : blogautomobile.fr
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Re: Principes de la mécanique

Message par Tanabe le Dim 27 Jan - 7:27

Rhoo le B-Series de Formula Nippon :coeur: :coeur: :coeur: :coeur:

En tout ca smerci pour ce topic bien instructif comme il faut!!
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Re: Principes de la mécanique

Message par italoman le Lun 28 Jan - 14:09

Pas de quoi Hashi-kun :) et pour le Honda-power c'est vraiment très étonnant de voir un moulin dit de série puisse pointer son bout de nez et de réussir le défit surtout pour les exigences du sport auto et surtout du niveau de la formule japonaise. btw il y a un cas similaire celui du petit Fire 1108cc ! oui oui il est pris dans la 750 Motor Club une formule british !



Formule lowcost :mrgreen:
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Re: Principes de la mécanique

Message par spooks le Mar 29 Jan - 1:12

très intéressant ce topic , merci italoman :merci: pour ces info surtout continue à nous instruir

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Re: Principes de la mécanique

Message par italoman le Mer 6 Fév - 13:39

:merci:

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Re: Principes de la mécanique

Message par italoman le Sam 16 Fév - 16:34

Les bases du moteur – Episode 3 – Véhicule, moteur et rapports de boîte.



Certains d’entre vous s’étaient interrogé sur ce que représentait les courbes noires. Quelques explications ci-dessous.

Tout d’abord sachez que CD162 correspond à la seconde génération de la Ford Mondeo et CD132 à la troisième génération. Ces deux voitures sont équipées du même moteur (je ne sais pas si c’est la réalité mais on va faire l’hypothèse ici !), dont la consommation spécifique est caractérisée par la cartographie ci-dessus.



On trouve donc 4 courbes sur ce graphique :

CD162-4th Gear : la 4ème vitesse de la CD162
CD132-4th Gear : la 4ème vitesse de la CD132
CD162-5th Gear : la 5ème vitesse de la CD162
CD132-5th Gear : la 5ème vitesse de la CD132

Ces courbes représentent les points de fonctionnement du moteur (régime / couple) pour plusieurs vitesses du véhicule (de 0 à 200 km/h) et pour un rapport de boîte donné.

Par exemple, imaginons que l’on soit dans la CD162 et en 5ème :

Lorsque l’on est à 100 km/h, le moteur tourne à environ 2600 tr/min avec une PME (charge) de 3,3 bar
Lorsque l’on est à 140 km/h, le moteur tourne à environ 3700 tr/min avec une PME de 5,3 bar
Lorsque l’on est à 180 km/h, le moteur tourne à environ 4700 tr/min avec une PME de 7,9 bar

Que peut-on dire en regardant ces courbes ?

- La première chose que l’on peut affirmer est que la voiture CD132 a subit des modifications qui font qu’elle nécessite plus de puissance que la CD162 pour rouler à une même vitesse. Ces modifications peuvent être une masse plus élevée (sûrement), un moins bon SCx, des diamètres de roues différents, …

Si on roule à 130 km/h par exemple :

le moteur de la CD162 fonctionne à 3400 tr/min et 4,75 bar de PME (qui donne en couple 76 N.m), soit une puissance de 27 kW (37 ch)
le moteur de la CD132 fonctionne quant à lui à à 3700 tr/min et 5 bar de PME (qui donne en couple 80 N.m), soit une puissance de 31 kW (42 ch).

La CD132 nécessite bien 15% de puissance pour avancer à la même vitesse (130 km/h) que la CD162.

- On peut également affirmer que les deux voitures ne sont pas équipées des mêmes rapports de boîte de vitesse

Par exemple pour rouler à 180 km/h en 5ème, le moteur de la CD162 tourne à 4700 tr/min et celui de la 132 à 5100 tr/min. On peut donc dire que la CD132 à une 5ème plus courte que la 162.
Même remarque pour le 4ème rapport : pour rouler à 160 km/h, le moteur de la CD162 tourne à 5600 tr/min tandis que celui de la CD132 tourne à 5800 tr/min.

Cette remarque est tout à fait cohérente avec la remarque précédente. En effet, pour une voiture plus lourde, il est nécessaire d’avoir des rapports de boîte plus courte pour conserver un certain agrément de conduite et assurer des décollages dans toutes les conditions.

Comment ça se passe au niveau de la consommation ?

Comme vous pouvez vous en douter, les deux constats vont dans le mauvais sens pour la CD132 : elle nécessite plus de puissance que la CD162 pour rouler et ses rapports de boîte sont plus courts.

A 130 km/h et en 5ème :

la CD162 nécessite 27 kW (calcul fait précédemment). On lit sur le graphique la consommation spécifique du moteur sur ce point de fonctionnement : on se situe à environ 270 g/kW.h. Etant donné la vitesse de la voiture, la masse volumique de l’essence, on arrive à une consommation de 7,5 l/100 km.
la CD132 nécessite quant à elle 31 kW. La consommation spécifique lue sur la cartographie nous donne également 270 g/kW.h. En faisant le même calcul que précédemment, on arrive à une consommation d’environ 8,6 l/100 km.

Imaginons maintenant que vous voulez rouler à 130 km/h en 4ème :

avec la CD162, c’est 4500 tr/min et 3,5 bar de PME (56 N.m) ce qui nous donne 27 kW (même valeur qu’en 5ème : c’est normal puisqu’on souhaite que la voiture roule à la même vitesse). Sur ce point de fonctionnement, la CSE est de 315 g/kW.h, ce qui donne une consommation de 8,7 l/100 km.
avec la CD132, c’est 4700 tr/min et 4 bar de PME (64 N.m) ce qui nous donne 31 kW. Sur ce point de fonctionnement, la CSE est de 310 g/kW.h, ce qui nous donne une consommation de 9,9 l/100 km.

Source : blogautomobile.fr

Cours très constructif, qui montre bien l'importance de la transmission :merci:
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