8-10 Cellule moteur hélice (motoplaneurs)

Cellule, moteur et hélice

Moteurs à combustion interne

Pour le vol en Motoplaneur, le fonctionnement du Moteur essence à 4 temps à allumage commandé sera détaillé dans ce chapitre. Il existe cependant de nombreux autres types de moteur à combustion interne. Par exemple, les planeurs à dispositif d'envol incorporé utilisent notamment des moteurs à 2 temps car le compromis poids/puissance/bruit/consommation leur est plus favorable dans le cas d'un moteur qui fonctionne très peu. Dans le cas des motoplaneurs, le moteur à 4 temps est un meilleur compromis. Les principaux types de moteurs utilisés par les motoplaneurs sont :

• 

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

• 

  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 de ces commandes 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 avec le démarreur électrique.
• La commande d'allumage/magnéto : Un interrupteur qui autorise la création de l'étincelle par la bougie, et donc permet le fonctionnement du moteur.
• La commande de Starter : Permet d'injecter une quantité d'essence supplémentaire pour faciliter les démarrages lorsque le moteur est froid.
• La commande de réchauffage carburateur : envoi de l'air chaud dans le carburateur pour éviter la formation de glace.

Fonctionnement du Moteur à Combustion Interne :

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

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

Pour son fonctionnement, le 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 pour le transmettre à l'hélice. Les gaz brulés sont ensuite évacués à l'extérieur avant que le cycle recommence. Les 4 temps du moteur sont :

1. Admission d'un mélange d'air et de carburant, préalablement mélangé (par un carburateur ou système d'injection) : Lors de ce temps, la soupape d'admission est ouverte et le piston descend, ce dernier aspire par dépression le mélange air-essence dans le cylindre (la pression est alors 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 le piston remonte et comprime le mélange (jusqu'à 10 bar dans la chambre de combustion à puissance maximale) ;
3. Combustion et détente (souvent appelé "explosion" par abus de langage) : au moment où le piston atteint son point culminant (point mort haut (PMH)) et auquel la compression est au maximum ; la bougie d'allumage, connectée à un système d'allumage haute tension, produit une étincelle ; la combustion et la détente 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. En plus des cylindres, plusieurs circuits ou équipement sont necessaire pour permettre le fonctionnement, l'ensemble constitue le moteur.

Le Système de mélange de l'essence dans l'air

Le moteur dispose d'un système qui réalise le mélange d'air (le comburant) et d'essence (le carburant). L'objectif est de constituer le mélange selon un rapport air/carburant adaptée au fonctionnement du moteur, lui permettant de brûler correctement dans la chambre de combustion. Le rapport théorique idéal air/essence pour le moteur à combustion interne est de 1 gramme d'essence pour 14,7 grammes d'air. On parle alors de mélange stœchiométrique (on parle aussi de la richesse du mélange).

La richesse doit être idéale à tout moment du vol, alors que la densité de l'air varie notamment en fonction de l'altitude. L'air est moins dense en altitude, il faut donc réduire la quantité de carburant pour garder les proportions idéales. La gestion de la richesse est souvent complètement automatique. Certains moteurs disposent toutefois d'une commande de richesse (ou commande de mixture) permettant d'ajuster manuellement la richesse. La surveillances du régime moteur, de la température des têtes de cylindres et des gaz d‘échappement permet d'ajuster correctement la richesse. Les conséquences d'un mélange qui ne respecte le rapport stœchiométrique sont :

• On parle de mélange pauvre si la proportion d'essence est inférieure à l'idéal : le moteur ne délivre pas sa pleine puissance et à tendance à chauffer.
• On parle de mélange riche si la proportion d'essence est supérieure à l'idéal : La combustion est incomplète, le moteur à tendance à s'encrasser avec des suies noires.

Le carburateur

Schéma du carburateur.
1 - Entrée d'air, 2 - Gorge de buse, 3 - Cuve à essence, 4 - Flotteur, 5 - Pointeau, 6 - Gicleur, 7 - Papillon

Le carburateur est le système historique. Il fonctionne de manière complètement mécanique : Grâce à un conduit qui provoque un éffet venturi, le carburant pulvérisé se vaporise dans l'air. La quantité de carburant injecté dépend du débit d'air qui traversse le carburateur : pour contrôler la puissance du moteur, le pilote agit sur le papillon des gaz pour augmenter ou diminuer la quantité d'air qui traversse le carburateur.

Avantages	Inconvénients
C'est un système fiable et robuste. il est peu couteux il fonctionne sans aucune source d'énergie électrique	Le mélange n'est pas toujours parfaitement stœchiométrique Un starter (ou choke en anglais) doit être ajouté pour les démarrages à froids Un système de réchauffage du carburateur doit permettre de prévenir la formation de givre dans le carburateur. Du fait de la cuve, il ne fonctionne pas de manière fiable pour des activités de voltiges (vol dos par exemple),

Le givrage du carburateur est un phénomène néfaste qui survient lorsque l'air est humide et entre 0 et 15°C. En effet, les phénomènes de venturi et de vaporisation du carburant créent un refroidissement de 10 à 15°C dans le carburateur. L'humidité de l'air peut alors givrer dans le carburateur et provoquer son l'obstruction complète, menant à l'arrêt du moteur. Une commande de réchauffage du carburateur permet d'injecter de l'air réchauffée par les pipes d'échappements dans le carburateur. L'action de cette commande doit être préventif, dès que les conditions favorables au givrage surviennent :

• Air humide
• Température entre 0 et 15°C
• plus le papillon des gaz est fermée (régime ralenti), plus le givrage du carburateur à de chances de se produire.

Bien que cela soit rarement un problème pour les applications terrestres, une propriété critique des carburateurs dans l'aviation est la chute de température prononcée dans le corps de papillon au point de vaporisation du carburant. Ceci est inhérent au principe de fonctionnement d'un carburateur à base de venturi : comme l'air au niveau de la partie étroite du venturi a une pression plus faible, il subira également une baisse de température. De plus, étant donné que le carburant se vaporise également à ce stade, sa chaleur latente d'évaporation entraînera une nouvelle chute de température. Cela peut entraîner une chute de température combinée pouvant atteindre 40 ° C (104 ° F) [24], ce qui signifie que même par une journée chaude de 35 ° C, les températures au venturi peuvent être inférieures à zéro. Si l'air contient suffisamment d'humidité, cela entraînera une accumulation de glace au col du venturi et pourrait éventuellement entraîner un blocage complet de l'alimentation en air et l'arrêt complet du moteur.

Les applications aéronautiques sont particulièrement sensibles au givrage du carburateur, en raison d'un mode de fonctionnement particulier que l'on ne trouve pas dans d'autres moteurs : pendant la descente jusqu'à l'atterrissage, le moteur tourne au ralenti pendant de longues périodes. Étant donné que le papillon des gaz est resserré au maximum au régime de ralenti, la chute de pression (et par conséquent également la température) est la plus élevée, tandis que le moteur ne produit aucune puissance utile, de sorte que sa température globale chute également. Cela crée les conditions idéales pour le givrage du carburateur et un risque important de perte complète de puissance du moteur. Le givrage du carburateur peut également se produire dans des conditions de croisière en altitude, si l'aéronef vole à des altitudes et dans des conditions atmosphériques favorables au givrage. Pour contrer le givrage du carburateur, les aéronefs utilisant des moteurs à carburateur sont équipés d'un système de chauffage du carburateur.[24] Le système de chauffage du carburateur (ou "carb heat" dans le langage courant) se compose d'une soupape de dérivation pilotée, qui peut être ouverte pour rediriger l'alimentation en air du moteur de l'admission d'air normale à travers le filtre à air, vers un secondaire (normalement non filtré) conduit d'admission qui passe autour de l'échappement du moteur. Cela chauffe suffisamment l'air entrant pour éviter le givrage.

Si des conditions de givrage du carburateur sont détectées ou suspectées, une action immédiate du pilote est nécessaire pour engager le système de chauffage du carburateur jusqu'à ce que toute accumulation de glace ait été éliminée. Si le moteur fonctionne au ralenti, il peut également être nécessaire d'ouvrir périodiquement l'accélérateur pour s'assurer que des températures suffisantes sont maintenues pour empêcher la formation de glace.[24]

Étant donné que l'utilisation de la chaleur des carburateurs entraîne une réduction de la puissance (en raison de la densité inférieure de l'air chauffé) et entraîne généralement le non-filtrage de l'air ingéré, elle n'est pas appliquée lorsque la puissance maximale est nécessaire (comme au décollage), ou lorsqu'il n'y a pas de givrage potentiel existe. Son utilisation fait cependant partie de la procédure d'exploitation standard pendant la descente dans les aéronefs à moteur à pistons à carburateur

L'injection

Vue en coupe d'un cylindre avec injecteur à injection directe (flèche rouge)

L'injection est l'autre dispositif qui permet de réaliser le mélange air/carburant. Préférée au carburateur afin d'améliorer le rendement moteur, l'injection fut à l'origine exclusivement mécanique, puis améliorée par l'électronique en utilisant un calculateur électronique. Un injecteur (tube perforé de micro-trous) pulvérise à haute pression le carburant : Il peut y avoir un seul injecteur dit "monopoint" pour les 4 cylindres, ou un injecteur pour chaque cylindre. Dans ce dernier cas, les injecteurs peuvent injecter dans les pipes d'admission, ou directement dans le cylindre (injection directe).

Avantages	Inconvénients
La quantité de carburant est régulée plus précisément (économies de carburant) Plus besoin de starter ni de réchauffage carburateur L'injection fonctionne dans toutes les positions d'aéronef (voltige)	Il faut une pompe à carburant haute pression, et un calculateur pour piloter l'injecteur. Ces systèmes doivent être redondant pour parer aux pannes. Le système est plus couteux le système de calculateur nécessite une source d'énergie électrique

Le refroidissement du moteur

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

Le circuit d'huile - lubrification

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

Le circuits d'allumage

1. Conception, utilisation, modes de fonctionnement dégradé

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