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 :

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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).

Le contrôle du moteur par le pilote : ces commandes permettent le contrôle du moteur, elles sont détaillées plus loin dans ce chapitre :

• 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 des gaz : Une commande réglable entre 0 et 100%, permettant d'ajuster la vitesse et la puissance du moteur.
• La commande de réchauffage carburateur : envoi de l'air chaud dans le carburateur pour éviter la formation de glace.

Définitions et 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 avec de l'oxygène prélevée dans 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.

Durant son fonctionnement, le moteur à 4 temps enferme d'abord un mélange d'air et d'essence dans un cylindre, le comprime, puis lance la combustion 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 qui aspire par dépression le mélange air-essence dans le cylindre. La pression d'admission est inférieure à la pression ambiante (0.4bar au ralenti à 0.9 bar plein gaz pour un moteur atmosphérique. Dans le cas d'un moteur suralimenté par un turbo, la pression d'admission peut être plus fortes) ;
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) : lorsque le piston atteint approximativement son point culminant (point mort haut (PMH)), 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 seul temps où le moteur produit une force mécanique (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. Pour le bon fonctionnement des cylindres, plusieurs circuits ou équipement sont nécessaires : l'ensemble constitue le moteur à combustion interne.

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Système de mélange Air / Essence

Le moteur dispose d'un système qui réalise le mélange d'air (le comburant) et d'essence (le carburant). Le rapport théorique idéal air/essence à injecter dans la chambre de combustion 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 tout au long du vol, mais la diminution de la densité de l'air en fonction de (notamment) l'altitude rend la chose délicate. 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, en fonction des indications de la température des têtes de cylindres, des gaz d‘échappement... Les conséquences d'un mélange qui ne respecte pas 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 de mélange historique et le plus utilisé encore aujourd'hui. Il fonctionne de manière complètement mécanique : En amont des cylindres, dans un conduit qui provoque un effet venturi, l'air qui circule aspire le carburant du gicleur qui se vaporise ensuite. La quantité de carburant dépend du débit d'air qui traverse 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 traverse 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 important dans le carburateur. L'humidité de l'air peut alors givrer dans le carburateur jusqu’à l'obstruer, menant à une perte de puissance ou à l'arrêt du moteur. Une commande de réchauffage du carburateur (ou carb heat en anglais) permet d'injecter de l'air réchauffée dans le carburateur (l'air est réchauffé en passant dans un circuit spécifique autour de l'échappement du moteur). Le pilote doit utiliser le réchauffage carburateur de manière préventive, dès que les conditions de givrages sont présentes :

• Air humide (plus de 50%RH),
• Température entre 0 et 15°C,
• Papillon des gaz en position presque fermée (régime ralenti).

Le réchauffage carburateur pourrait être utilisé en permanence? Non, car l'admission d'air chaud entraîne une réduction de la puissance (en raison de la densité inférieure de l'air chauffé), le réchauffage carburateur n'est donc pas appliqué lorsque la puissance maximale est nécessaire (lors du décollage par exemple). Par contre, son utilisation fait partie des procédures standards lors d'une vol prolongé à puissance réduite (en descente prolongée).

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/essence. Préférée au carburateur afin d'améliorer le rendement moteur, l'injection fut à l'origine exclusivement mécanique, puis améliorée par l'utilisation de calculateurs électroniques. Un injecteur (tube perforé de micro-trous) pulvérise à très haute pression le carburant. Il y a soit un seul injecteur dit "monopoint" pour les 4 cylindres, ou un injecteur pour chaque cylindre. Dans ce dernier cas, les injecteurs peuvent rester en amont des cylindres (injection dans les pipes d'admissions), 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 attitudes de l'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

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Le refroidissement du moteur

Le refroidissement d'un moteur à combustion interne est indispensable pour conserver la température de toutes les pièces à une valeur acceptable et éviter leur dégradation. La chaleur à dissiper le sera au final toujours dans l'air à proximité de l'aéronef. Il existe deux techniques pour réaliser le refroidissement du moteur :

• Le refroidissement par air : Les pièces qui nécessitent un refroidissement sont bardées de petites ailettes pour augmenter la surface de contact avec l'air et permettre une meilleure évacuation de la chaleur. Autour du moteur, des cloisons bloquent les passages pour forcer l'air à passer dans les ailettes des pièces concernées. Sur l'aéronef, l'air frais entre à l'avant, traverse les ailettes, et ressort chaud à l'arrière du moteur. La taille de la sortie d'air chaud à l'arrière est aussi importante que la taille de l'entré d'air frais à l'avant. Certains aéronefs sont pourvu de petits volets permettant de réduire la taille de ces ouvertures pour diminuer ou augmenter le refroidissement du moteur.
• Le refroidissement par eau puis air : Un circuit de refroidissement composé d'une pompe, d'un radiateur eau/air et de durites permet de faire circuler un liquide de refroidissement à l'intérieur des pièces à refroidir. Le liquide pompe la chaleur des pièces chaudes puis circule jusqu’à un radiateur eau/air pour être refroidi par l'air, avant de recommencer le cycle. Le circuit à eau ajoute un complexité mais permet un refroidissement plus efficace de certaines pièces et rend le refroidissement moins dépendant de la vitesse de l'aéronef.

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  Cylindre refroidi par air. présence de nombreuses ailettes.

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  Moteur refroidi par air, installé sur un motoplaneur SF28.

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  Schéma du circuit de refroidissement par eau (Installation Manual rotax 912).

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  radiateur eau/air destiné à refroidir l'eau du circuit de refroidissement.

Au sol et lors de la visite prévol, le pilote s'assure de l'absence d’objets étrangers pouvant perturber le bon refroidissement du moteur. En vol, Le bon refroidissement du moteur est surveillé grâce à des indicateurs de températures (températures d'une ou plusieurs culasses, ou température du liquide de refroidissement). Sur certains aéronefs, il existe des recommandations pour prévenir la chauffe des moteurs, comme par exemple éviter les vols prolongés à basses vitesses où la ventilation d'un moteur refroidi par air serait insuffisante.

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Le circuit d'huile - lubrification

La lubrification est une technique utilisant de l'huile, permettant de réduire le frottement, l'usure entre deux éléments en contact et en mouvement dans le moteur. Elle permet souvent d'évacuer une partie de la chaleur engendrée par ce frottement, ainsi que d'éviter la corrosion.

On parle de lubrification dans le cas où le lubrifiant (mécanique) est liquide et de graissage dans le cas où il est compact<ref name=":0">Alpha Auto - Grande Encyclopédie De l'Automobile - Mai 1977 </ref>.

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