8-10 Cellule moteur hélice (motoplaneurs)

Cellule, moteur et hélice

Moteurs à combustion interne

Pour le vol en Motoplaneur, seul le fonctionnement du moteur essence à 4 temps à allumage commandé sera détaillé dans ce chapitre. Il existe de nombreux type de moteur à combustion interne. Les planeurs à dispositif d'envol incorporés utilisent notamment des moteurs à 2 temps. Les motoplaneurs, objet de ce cours, utilisent principalement ces moteurs :

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  Les moteurs Rotax comme les modèles 912 (80ch), 912S (100ch), 914 (115ch)...etc

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  Les moteurs Limbach comme les modèles 1700 et 2000.

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  Les moteurs Stamo (marginal).

Point de vue pilote : Les commandes à dispositions du pilote permettent le contrôle du moteur. Les détails de chacune commande seront expliqués plus loin dans ce chapitre :

• La commande des gaz : Une commande réglable entre 0 et 100%, permettant d'ajuster la vitesse et la puissance du moteur
• La commande de démarreur : Un bouton qui permet de lancer le moteur pour le démarrer.
• La commande d'allumage/magnéto : Un interrupteur qui autorise la création de l'étincelle par la bougie. Allumage OFF = moteur OFF
• La commande de Starter : Permet d'injecter une quantité d'essence supplémentaire pour faciliter les démarrages à froid.
• La commande de réchauffage carburateur : envoi de l'air chaud pour éviter la formation de glaçon

Fonctionnement du Moteur à Combustion Interne :

• Moteur : Système capable de générer une force mécanique. Pour le vol en planeur, cette force sera transmise à l'hélice.
• Combustion : La force mécanique résulte de la combustion. Pour le vol en planeur, il s'agit de de combustion de l'essence et de l'oxygène de l'air.
• Interne : La combustion à lieu directement dans le moteur lui-même. Par opposition aux anciens moteurs à vapeur où la combustion avait lieu dans une chaudière externe.

Le fonctionnement du moteur à 4 temps enferme un mélange d'air et d'essence dans un cylindre pour le faire bruler avec une étincelle. L'augmentation de pression dû à la combustion permet de pousser un piston et de récupérer l'énergie mécanique, puis de faire tourner l'hélice. Les gaz brulés sont ensuite évacués à l'extérieur avant que le cycle recommence. Le cycle est composé de 2 ou 4 temps suivant la technologie du moteur :

• Cycle 2 temps ou Moteur à 2 temps. Il est souvent utilisé sur les planeurs à dispositif d'envol incorporé, ou les moteur anti-vache dit "turbo". Le temps de fonctionnement réduit de ces moteurs permet de tolérer la consommation élevée et le bruit élevé, au profit d'un faible poids. Ces moteurs sont des poids mort en permanence à bord des planeurs, le gain de masse est appréciable.
• Cycle 4 temps ou Moteur à 4 temps. Il est utilisé sur les motoplaneurs. Du fait du fonctionnement quasi-permanent du moteur sur ces aéronefs, le poids un peu plus important des moteurs à 4 temps est toléré compte tenu du gain appréciable de confort et de consommation réduite.

Cycle 4-temps à allumage commandé :
1) admission,
2) compression,
3) combustion,
4) échappement.

Pour la suite de ce cours, seul le moteur à 4 temps sera détaillé, mais les descriptions et termes évoqués sont semblables pour le moteur à 2 temps. Les cycles successifs d'un moteur à quatre temps sont :

1. Admission d'un mélange d'air et de carburant pulvérisé, préalablement mélangé et préparé par divers composants (carburateur ou système d'injection indirecte) : ouverture de la soupape d'admission et descente du piston, ce dernier aspire ce mélange dans le cylindre à une pression inférieure à la pression ambiante (de 0.4 à 0.9 bar, sauf dans le cas d'un turbo) ;
2. Compression du mélange : fermeture de la soupape d'admission, puis remontée du piston qui comprime le mélange jusqu'à 10 bar dans la chambre de combustion ;
3. Combustion et détente (souvent appelé "explosion" par abus de langage) : aux environs du point mort haut (PMH) : moment auquel le piston atteint son point culminant et auquel la compression est au maximum ; la bougie d'allumage, connectée à un système d'allumage haute tension, produit une étincelle ; la combustion initiée qui s'ensuit constitue le temps moteur ; les gaz chauds à une pression de 40 à 60 bar repoussent le piston, initiant le mouvement ;
4. Échappement : ouverture de la soupape d'échappement et remontée du piston qui chasse les gaz brûlés dans le collecteur d'échappement.

Les composants mobiles qui compose un cylindre sont décrits dans l'image ci-contre. La connaissance de ce vocabulaire est un plus :

• C - Vilebrequin,
• E - Arbre à cames d’échappement,
• I - Arbre à cames d'admission,
• P - Piston,
• R - Bielle,
• S - Bougie d'allumage,
• V - Soupape (rouge: échappement, bleu: admission),
• W - Circuit de refroidissement à eau,
• Structure grise - Bloc moteur

Les cylindres sont le cœur du moteur. Un moteur de motoplaneur en possède généralement 4, disposés à plat : On parle d'une disposition 4 cylindres à plat. Autour des cylindres, le moteur a besoin de plusieurs circuits ou équipement pour pouvoir fonctionner.

Le circuit carburant

Parmi tous les carburants aviation disponibles, les moteurs à pistons d'avions fonctionnent traditionnellement avec de l'essence aviation (Avgas 100LL et 110LL, anciennement avgas : abréviation de aviation gasoline.), un carburant similaire à l'essence automobile mais à plus fort indice d'octane*, contenant du plomb tétraéthyle, d'une formulation très peu agressive (pas d'alcools ni de solvants) et parfaitement asséché (pour éviter le givrage). En raison du coût élevé de l'essence aviation, les nombreux moteurs peu puissants des motoplaneurs peuvent fonctionner avec de l'essence automobile (mogas).

*Indice d'octane : appelé parfois taux d'octane, c'est un indicateur qui permet d'évaluer la capacité d'un carburant à résister au phénomène d'auto-allumage. Un mélange air/essence que l'on le comprime dans un cylindre à tendance à s'enflammer ou exploser spontanément tout seul, avant que l'étincelle de la bougie d'allumage survienne. Un fort taux d'octane indique un carburant qui résiste bien à l'auto-allumage, que l'on peut comprimer fortement sans risque d'explosion. Les moteurs performants avec des taux de compression élevés (généralement le cas des moteurs aéronautiques) ont besoin d'un carburant à fort indice d'octane. L'ajout de certains additif comme le plomb tétraéthyle contribue à l'augmentation de l'indice d'octane.

Par ailleurs, les moteurs à réaction utilisent du kérosène Jet-A, proche du gazole mais moins gras et dépourvu de paraffines. De rares moteurs d'avion à pistons fonctionnement au diesel, ces moteurs étant souvent capable d'accepter du kérosène Jet-A.

Prise d'échantillon de carburant dans un drain sous l'aile. Le colorant bleu indique que ce carburant est 100LL.

Le type de carburant utilisé doit se faire en accord avec les précaunisations du constructeur de l'aéronef, et en accord avec les consignes du propriétaire de l'aéronef. Les principales essences utilisés dans les motoplaneurs en Europe sont :

• Avgas 100LL : Il se prononce one hundred low lead. Le carburant est de couleur bleu clair, disponibles dans les pompes a carburants des aérodromes.
• Avgas UL91 : UL est l’abréviation pour Unleaded = sans plomb. C'est une essence spécialement conçue pour les avions légers, sans composés oxygénés dont l’éthanol, conçue pour préserver réservoirs et circuits de carburant. En effet, les alcools peuvent être nuisibles pour certains matériaux et présentent l’inconvénient de capter l’eau.
• SP 98 : SP pour Sans-Plomb. C'est une essence automobile avec un indice d'octane de 98. Elle très couramment utilisée pour les avions légers car de nombreux moteurs sont compatibles, elle est moins polluante et moins couteuse. La version SP-95 est plus rarement utilisée car le taux d'octane de 95 est souvent insuffisant pour les moteurs. Il convient dans tous les cas d'éviter les versions contenant plus de 5% d'alcool (version "-E5" acceptable, version "-E10" et "-E85" à évaluer très précautionneusement car souvent incompatibles).

Système carburateur ou injection

1. Carburateur : conception, utilisation, modes de fonctionnement dégradé, indications et alarmes
2. Injection : conception, utilisation, modes de fonctionnement dégradé, indications et alarmes
3. Givrage

Systèmes de refroidissement par air

1. Conception, utilisation, modes de fonctionnement dégradé, indications et alarmes

Systèmes de lubrification

1. Lubrifiants : types, caractéristiques et limitations
2. Conception, utilisation, modes de fonctionnement dégradé, indications et alarmes

Circuits d'allumage

1. Conception, utilisation, modes de fonctionnement dégradé

Richesse

1. Définition, caractéristiques de la richesse, instruments de contrôle, commandes associées et indications

Performances et gestion du moteur

1. Performances: influence des paramètres moteur, influences des conditions atmosphériques, limitations et systèmes d'augmentation de puissance
2. Gestion moteur: réglage de la puissance et du mélange en différentes phases de vol et limitations opérationnelles

Hélices

Hélices

1. Définitions et généralités
   1. Paramètres aérodynamiques, diamètre, torsion, pas,
   2. Types
   3. Mode d’utilisation
2. Hélice à vitesse constante : principe
3. Gestion du pas de l'hélice : principe
4. Dégivrage

Panne moteur ou arrêt moteur

1. Traînée due au fonctionnement en moulinet

Moments dus au fonctionnement de l'hélice

1. Réaction au couple
2. Effet asymétrique de sillage
3. Effet asymétrique de la pale