ETUDE THEORIQUE ET CONCEPTIONDE LA VOITURE HYBRIDE

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GENERALITE ET PRESENTATION DE VOITURE HYBRIDE

Généralité de voiture hybride

Les particules et les gaz à effet de serre ont toujours été un handicap écologique pour la voiture conventionnelle (voitures équipées d’un moteur à combustion interne et une seule source d’énergie le gazole ou essence), d’où l’idée de passer à l’hybridation en introduisant une motorisation électrique en plus de la motorisation thermique. L’objectif étant de combiner les avantages de la voiture électrique (zéro pollution en ville) et les prestations d’une voiture thermique traditionnelle (en termes d’autonomie). Les voitures qui contiennent une source électrique parmi leurs sources d’énergie sont appelées voitures hybrides. Les pluparts des voitures hybrides sont équipées de deux types de motorisation. Le principal objectif de la conception de la voiture hybride est d’économiser l’énergie. L’ajout d’un moteur électrique à un moteur thermique conventionnel à essence ou au gazole permet d’économiser de l’énergie de plusieurs façons de la mode de fonctionnement.
Il existe des différentes architectures. Elles présentent les potentialités suivantes :
• Une baisse des émissions polluantes par le choix d’une motorisation thermique plus petite ainsi que par des conditions de fonctionnement plus favorable à la mise en œuvre d’un post-traitement ;
• Une baisse de la consommation par un accroissement du rendement de fonctionnement de ces voitures. Cette dernière potentialité sera plus difficile à concrétiser car elle nécessite une optimisation de l’ensemble des organes du véhicule pour une utilisation en mode hybride.

Concept de voiture hybride.

Un peu historique…. la voiture hybride est presque aussi vieille que l’automobile à moteur thermique. Des prototypes furent crées non pour abaisser la consommation et la pollution mais dans l’optique d’aide le moteur thermique a fourni des performances correctes ou pour augmenter l’autonomie d’une voiture électrique. Au début du XXéme siècle, la technologie électrique était plus en plus avancée que celle homologie thermique. Les premières voitures hybrides montrées au grand public sont les voitures développées par l’établissementPieper de Liege (Belgique) et par la compagnie de voitures électrique de Vendovelli et Priestly (France) en 1899 au salon de paris, soit déjà plus d’un siècle. En plus d’être les précurseurs des voitures hybrides, ils sont également les premiers avoir mis en place un démarré électrique sur une automobile.
Malheureusement, les voitures hybrides qui étaient difficiles à contrôler, ont été rapidement concurrencées par les moteurs en allumage commandé [10]. Les progrès en électronique dans le milieu des années 60 ont poussé les chercheurs à reconsidérer l’utilisation des voitures hybrides. Mais par manque de pratique et de recul sur cette technologie, les chercheurs ont préfèrés de s’orienter vers la voiture électrique avec batteries et machine électrique modernes.
Vers les années 1990, lorsqu’il est clair pour les constructeurs que la voiture électrique ne verra jamais son objectif d’atteindre une densité volumique d’énergie comparable au voiture traditionnelle, la voiture hybride est remise à l’ordre du jour. Tous les constructeurs (ou presque) se mettent alors en tête de construire des prototypes permettant de réduire la consommation et la pollution. On peut citer Dodge aux U S A avec l’Intrepid ESX 1, 2 et 3 ou encore Renauld en France avec la Next ainsi que Toyota au Japon….
Mais toutefois, les constructeurs se heurtent à un problème majeur ; comment convaincre les consommateurs d’acheter une voiture ayant les mêmes performances pour un prix parfois double d’une voiture traditionnelle ?
Le Japon, est un seul pays qui semble néanmoins avoir un engouement certain pour tout type de voiture nouveau, de Japon. Toyota a en effet jugé dès 1985 que le futur de l’automobile passerait par l’électronique et l’électricité embarquée avec une voiture hybride. En 1989, il ouvre un centre de recherche dédié. Après des longues années d’études, laPrius est présentée et commercialisée au public japonais en 1997. Aujourd’hui, elle se vend internationalement [10].
Définition – la condition nécessaire pour qu’une voiture soit qualifiée d’hybride est d’avoir deux sources des énergies natures de différentes. Or comme la précise [9], cette définition n’est pas appropriée car une voiture traditionnelle peut être assimilée à une voiture hybride (batterie et réservoir de carburant).
La définition qui semble la plus appropriée est celle exposée par l’International Energy Agency (IEA) dans un rapport technique [13] : « Une voiture hybride a un groupe motopropulseur dans lequel l’énergie peut être transmise par au moins deux dispositifs de conversion d’énergie différents (exemple du moteur à combustion interne, de la turbine à gaz ,du moteur Stirling, machine électrique ,du machine hydraulique, de la pile à combustible…) tirant l’énergies d’au moins deux dispositifs de stockage d’énergie différents (exemple du réservoir à carburant, de la batterie, du volant d’inertie ,du supercondensateur,…). Au moins un des flux, le long duquel l’énergie peut circuler d’un dispositif de stockage d’énergie aux roues est réversible, tandis qu’au moins un flux est irréversible. Dans une voiture hybride de dispositif de stockage d’énergie réversible fournit l’énergie électrique ».
Cette définition a néanmoins un point faible. Elle exclue les solutions intermédiaires où un dispositif de conversion d’énergie ne participe pas à la traction de la voiture, avec toutefois la possibilité d’avoir d’autres fonctionnalités contribuant à une réduction de la consommation (exemple du micro-hybrid ou Stop/Start hybrid).

Présentation de voiture hybride.

Dans ce rapport, nous nous sommes concentrés sur les voitures hybrides, et plus précisément sur ceux équipées d’un moteur thermique avec réservoir de carburant et d’un moteur électrique avec batteries (ou tout autre stockeur d’énergie électrique).

Classifications des voitures hybrides.

Plusieurs possibilités sont envisageables pour classer les différents types des voitures hybrides. On peut cependant les séparer en deux catégories. :
• Hybridation de la voiture (rapport entre la puissance du moteur thermique par rapport à la puissance du moteur électrique) ;
• Architecture employée.

Classification par hybridation de la voiture.

Cette classification est surtout utilisée par les constructeurs et équipementiers. Elle ne prend pas en compte l’architecture de la voiture mais plutôt les fonctionnalités qu’elle peut réaliser en fonction de son taux hybridation. Cette classification se distingue par quatre niveaux : le micro hybrid, le mild hybrid, le full hybrid et le plug-in hybrid. Les fonctions et différences de chacun de ces hybrides sont définies dans le tableau (2-1) ci-après.

Classification par l’architecture employée.

Cette classification est la plus utilisée et la plus détaillée. Elle permet de mettre en évidence les couplages mis en jeu. Le choix dans ce rapport s’est porté sur trois principales appellations:
Les voitures hybrides à moteurs en série,
Les voitures hybrides à moteurs en parallèle, Les voitures hybrides en dual (mixte).
La voiture hybride à moteurs en série :
L’hybride série est de plus simple des voitures hybrides. Ce type de voiture équipe d’une propulsion intégralement électrique qui peut être assurée une ou plusieurs moteurs électriques. L’énergie provient généralement d’une batterie, d’un groupe électrogène (moteur thermique, génératrice électrique) ou les deux simultanément. Dans cette structure, le groupe électrogène fournit généralement une puissance moyenne. Les pics puissance sont quant à eux assurés par le dispositif de stockage d’énergie. En effet, le moteur thermique qui n’est pas couple directement aux roues peut travailler dans une plage de fonctionnement optimale. Ceci permet de réduire la consommation et la pollution.
L’architecture d’une voiture hybride à moteur en série consiste à augmenter l’autonomie d’une voiture électrique par l’ajout d’un groupe électrogène (moteur thermique et génératrice électrique). Cette architecture nécessite un moteur électrique relativement puissant car il assure à lui seul l’intégralité de la propulsion. Le taux d’hybridasation est donc généralement élevé.
La voiture hybride à moteur en parallèle :
Dans une structure hybride parallèle, le moteur thermique fournit sa puissance aux roues comme pour une voiture traditionnelle. Par contre, c’est le moteur électrique qui recharge la batterie. Le moteur thermique est mécaniquement couplé à un moteur électrique qui permet de l’assister.
La particularité de son couplage lui donne aussi le nom d’hybride parallèle addition le couples ou addition de vitesses selon la structure et la conception du voiture.
La structure en addition de couple additionne les couples de la moteur électrique et du moteur thermique afin de propulser la voiture (ou pour recharge les batteries). Cette connexion peut se faire par courroies, poulies, ou engrenages (Technologie nommée hybride parallèle double arbre). Le moteur électrique peut être également placé sur l’arbre reliant la transmission au moteur thermique (Technologie appelle parallèle simple arbre) [9].
La structure addition de vitesse additionne les vitesses du moteur thermique et du moteur électrique. La vitesse résultante est liée à la transmission. Ce type de couplage permet d’avoir une flexibilité importante au niveau de vitesse. Cette structure est principalement avantageuse pour les moteurs ou le rendement énergétique est plus sensible aux vitesses qu’aux couples. La connexion est réalisée mécaniquement par un train planétaire (appelé également train épicycloïdal), ou électriquement. L’architecture présentée ci-dessous (figure 2-2) possède une transmission mécanique (embrayage et boite des vitesses) placée en aval du couplage mécanique. Selon le choix de l’emplacement de cette connexion les modes de fonctionnement est différent (Tableau 2- 3) [9]
Les voitures hybrides en dual (mixte) :
La structure hybride en dual (mixte) n’est rien d’autre qu’un hybride parallèle spécifique. Mais de par sa complexité, une dissociation entre cette architecture et la structure hybride parallèle parait judicieuse. Cette architecture résulte d’une combinaison entre l’hybridation parallèle à addition de couples et addition de vitesses. Là encore diverses possibilités de conceptions existent, la plus connue étant celle utilisée par la constructeur Toyota. Le premier moteur et le second réalisent respectivement l’addition de vitesses et l’addition de couples [10].
A basse vitesse, afin de ne pas faire fonctionner le moteur thermique dans une plage de fonctionnement à mauvaise rendement, le mode tout électrique est requis. Lors de la forte accélération ou à haute vitesse, le moteur thermique est allumé afin de fournir une puissance supplémentaire. Ce type de structure est également appelé hybride à dérivation de puissance car l’énergie mécanique est prélevée sur une machine et fournie à une autre[10].
La Synthèse des diverses architectures est présentée sur le tableau(2-3) et nous montre les avantages et inconvénients des différentes voitures hybrides selon l’architecture.

Principaux modes de fonctionnement des voitures hybrides.

Les voitures hybrides disposant de plusieurs sources d’énergie pour assurer leur propulsion. On distingue trois principaux modes de fonctionnement possibles. D’une façon très générale, on peut les résumer de la manière suivante :

le mode thermique pur :

Correspond à une propulsion intégralement assurée par le moteur thermique. Les performances en termes de consommation et de pollution sont alors identiques à celle d’une voiture conventionnelle (voiture à propulsion thermique).

le mode électrique pur :

Ce mode correspond à une propulsion intégralement assurée par le moteur électrique. La voiture est alors dite ZEV (Zéro Emission Vehicle) et les performances en termes de dynamique et d’agrément de conduite sont similaires à celle d’une voiture électrique. Ce mode conduit à plus ou moins long terme à la décharge des batteries.

le mode hybride

Correspond à une propulsion assurée par les deux moteurs simultanément. Plusieurs cas de figures sont envisageables. En traction, l’énergie nécessaire à la propulsion de la voiture peut être délivrée soit par les deux moteurs, soit par le moteur thermique seul. Le moteur électrique est alors utilisé pour recharger les batteries en roulant. En freinage, le moteur électrique récupère une partie de l’énergie cinétique du véhicule ainsi qu’un supplément délivré par le moteur thermique.
Une fois l’architecture sélectionnée, le choix des technologies et le dimensionnement des composants sont essentiels car ils déterminent non seulement les performances dynamiques du véhicule (accélération maximale, vitesse maximale, etc.) mais aussi la consommation moyenne du véhicule et ses émissions de polluants. Généralement, ces choix sont des compromis entre performances dynamiques, consommations et émissions, et bien sur, coût de fabrication.
Cependant, tous ces choix ne peuvent être effectués uniquement au regard de critères purement techniques. Les attentes des consommateurs, les différentes utilisations possibles de la voiture hybride sont également des facteurs à prendre en compte dans la problématique générale des voitures hybrides.

Avantages et inconvénients des voitures hybrides.

Les systèmes hybrides font de plus en plus parler d’eux. En effet, ils se répandent petit à petit sur le marché commercial. Nous trouvons certes de nombreux avantages, mais quelques points restent tout de même améliorer.
Les avantages sont divers. On trouve le point le plus important, qui est l’économie de carburant, ce qui nous même aux faibles émissions en ce qui concerne la pollution, mais on trouve aussi comme point positif une conduite agréable et performance.
On se demande, de nos jours, combien de réserve de pétrole dispose-t-on ? La seule réponse à donner est qu’il faut gérer la consommation de carburant. Les systèmes hybrides jouent un rôle primordial dans cette perspective. En effet, cette technologie combine intelligemment les moteurs électriques et thermiques. On a alors une consommation de carburant faible. Prenons un exemple : une voiture hybride X aurait la puissance d’un calibre supérieur tout en consommant comme une cylindrée de taille inferieure. Le conducteur peut aussi gérer sa propre consommation grâces à la combinaison des moteurs (conduit basse de vitesse usage de moteur électrique, donc pas de pollution).
Les hybrides appartiennent à la catégorie la plus basse des machines polluantes. On a donc affaire à un système propre, qui pourrait résoudre de nombreux problèmes comme la pollution. Les émissions de CO2 diminuent fortement avec une telle technologie, ainsi que les autres substances contenues dans les gaz d’échappement. La combustion est elle aussi plus efficace et des éléments purifient ces gaz d’échappement.
Les systèmes hybrides ont une très bonne autonomie. Les batteries se rechargent lors de l’utilisation du moteur thermique. En effet, lorsque la voiture fonctionne sur moteur en essence, ce dernier produit de l’énergie qui passe ensuite dans la batterie principale par biais d’un générateur. Le système de freinage veille aussi à la recharge car une partie de l’énergie cinétique est transformée en énergie électrique. La conduite est agréable avec une accélération linéaire et puissante. On assiste aussi à une réduction du bruit, qui en fait des voitures quasi -silencieuse. Il ne faut pas non plus d’oublier la souplesse au démarrage grâce à l’utilisation du moteur électrique.
Pour finir, le crédit d’impôt pour l’achat d’une voiture propre va augmenter, tandis que les propriétaires d’automobiles très polluantes paieront leur carte grise plus chère.
Le point majeur des inconvénients, ou plutôt point à améliorer, est le prix d’une voiture hybride. Celui-ci reste bien élevé comparé aux automobiles « Classiques ».
Cependant on pourrait assimiler cette dépense à un effort financier qui sera compensé par l’économie en consommation de carburant.
L’utilisation de la pièce supplémentaires, comme la batterie, hybride en font une voiture plus lourde. Hors de la ville, le moteur électrique est peu ou moins utilisé. Enfin, le bruit quasi-silencieux, émis par une voiture hybride, peut s’avérer dangereux pour les piétons qui n’entendront arriver d’une voiture.

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE I : ETUDE THEORIQUE ET CONCEPTIONDE LA VOITURE HYBRIDE
Chapitre 1:ANALYSE DES POLLUTIONS CAUSEES PAR L’EXPLOITATION DES L’AUTOMOBILES A
MOTEURS THERMIQUES
1.1. VOITURE HYBRIDE : POURQUOI HYBRIDE ?
1.2 DIFFERENTES ORIGINES DES POLLUTIONS DEGAGES PAR LES MOTEURS
THERMIQUES DES L’AUTOMOBILES
1.2.1 Origines des pollutions ;
1.3. ANALYSE DES GAZ D’ECHAPPEMENTS DES MOTEURS THERMIQUES
1.3.1. Emission des polluants.
1.4. EFFETS DES POLLUANTS
1.4.1. Effets des polluants sur l’homme
1.4.2. Effets des polluants sur l’environnement.
1.5. DIFFERENTES MESURES DEJA PRISES POUR RESOUDRE LES PROBLEMES DE POLLUTION DUE AUX AUTOMOBILES.
CHAPITRE 2 : Étude théorique de la voiture hybride
2.1 GENERALITE ET PRESENTATION DE VOITURE HYBRIDE
2.1.1 Généralité de voiture hybride
2.1.2 Concept de voiture hybride.
2.2 Présentation de voiture hybride.
2.2.1 Classifications des voitures hybrides.
2.2.2 Principaux modes des fonctionnements des voitures hybrides.
2.2.3 Avantages et inconvénients des voitures hybrides.
2.2.4 PERSPECTIVE DE VOITURE HYBRIDE.
2.3. PRESENTATION ET MODELISATION D’UNE VOITURE HYBRIDE EN SERIE 32
2.3.1. Présentation de voiture hybride à moteur en série.
2.3.2. Principe de fonctionnement de la voiture hybride à moteurs en série ; 33
2.3.3. Flexibilité de la chaîne cinématique hybride série.
2.4.1. Modélisation du groupe électrogène
2.4.2. Modélisation de traction de la voiture
2.6 CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT DES ORGANES DES TRANSMISSIONS MECANIQUES.
2.6.1 EXIGENCES FONCTIONNELLES DU VEHICULE
2.6.2 DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS PRINCIPAUX DE MOTEUR
2.6.3 Calcul les éléments de réducteur ;
2.6.4 Calcul des éléments des différentiels mécanique.
2.6.5 DIMENSIONNEMENT DES DEMI-ARBRES DES ROUES MOTRICES
PARTIE III : IMPLICATION PEDAGOGIQUE MOTEURS THERMIQUES
Chapitre 1 : GENERALITES SUR LES MOTEURS THERMIQUES
1.1 Introduction
1.2 Classification de moteur thermique:
Chapitre 2 :MOTEURS 4 TEMPS (EN ESSENCE).
2.1 Principe de fonctionnement d’un moteur en quatre temps
2.1.1 Définition du cycle à 4 temps
2.1.2 Déroulement du cycle
2.2 Etude thermodynamique du moteur
2.2.1 Généralité
2.2.2 Diagramme théorique
2.3 Système de distribution du moteur
2.3.1 Généralités
2.3.2 Définition de la distribution
2.3.3 Réalisation de l’épure de distribution
2.4 Système d’injection
2.4.1 Principe de fonctionnement
2.4.2 Avantages du système d’injection
2.4.3 Différents systèmes d’injection
2.5 LES DISPOSITIFS ANTI-POLLUTION EXERCICES D’APPLICATIONS
Conclusion
BIBLIOGRAPHIQUE

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