8-10 Cellule moteur hélice (motoplaneurs)

Cellule, moteur et hélice

Moteurs à combustion interne

Il existe différents types de moteur à combustion interne :

• Les moteurs essence à 2 temps : bon rapport poids/puissance mais bruyant et groumant en carburant. Régulièrement sur des planeurs à dispositif d'envol incorporé.
• Les moteurs essence à 4 temps : Moins groumant en carburant et mois bruyant, ils sont un peu plus lourd que les moteurs deux temps. Choix majoritaire pour les motoplaneurs.
• ...et d'autres types peu utilisé en vol en planeur comme Les moteurs diesel, les turboréacteurs et turbopropulseurs...

Dans ce paragraphe sera détaillé le moteurs essence à 4 temps. Les principaux modèles de moteurs utilisé sur les motoplaneurs actuels 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 moteur se contrôle 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 répète un cycle de quatre étapes que nous appellerons "quatre temps" :

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 le mélange air-essence dans le cylindre. Du fait de l'aspiration, la pression d'admission est inférieure à la pression ambiante (0.4bar au ralenti et environ 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 forte) ;
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 électrique haute tension, produit une étincelle ; la combustion fait augmenter la température et la pression qui augmente jusqu’à 40 à 60 bar. Cette forte pression repousse le piston, ce qui constitue le seul temps où le moteur produit une force mécanique (le temps moteur) ;
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 des cylindres et des circuits constitue le moteur à combustion interne.

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Système de mélange Air / Essence

Deux technologies différentes existent aujourd'hui pour réaliser le mélange parfait d'air et d'essence: le carburateur et l'injection. L'objectif est de créer un mélange dont le rapport air/essence est de 1 gramme d'essence pour 14,7 grammes d'air. Ce rapport idéal est appelé mélange stœchiométrique. Lorsque le mélange n'est pas stœchiométrique, il est soit trop pauvre en essence, soit trop riche en essence :

• 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.

La richesse doit être idéale tout au long du vol. Mais comme la densité de l'air varie tout au long du vol (altitude, température...), il faut adapter la quantité de carburant pour conserver les proportions idéales. La gestion de la richesse est souvent complètement automatique. Certains moteurs à carburateur disposent toutefois d'une commande de richesse (ou mixture control en anglais) permettant d'ajuster manuellement la richesse, en fonction des informations données par les capteurs du moteurs (température des têtes de cylindres, des gaz d‘échappement...).

Fonctionnement d'un 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, puis le carburant se vaporise. La quantité de carburant dépend du débit d'air qui traverse le carburateur. Donc, le pilote agit sur le papillon des gaz pour faire varier la quantité d'air qui traverse le carburateur, ce qui permet de contrôler la puissance du moteur.

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 diminution 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 phase de vol à puissance réduite (par exemple en descente prolongée).

Fonctionnement de 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) piloté par un calculateur pulvérise à très haute pression le carburant directement dans le cylindre (injection directe) ou un peu amont des cylindres (injection dans les pipes d'admissions).

Avantages	Inconvénients
La quantité de carburant est régulée plus précisément (économies de carburant) Plus besoin de starter, le calculateur envoi automatiquement plus d'essence lorsque le moteur est froid Plus besoin de réchauffage carburateur L'injection fonctionne pour 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 au pilote 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 de refroidir plus efficacement 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).

• 

  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 du moteur 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 aussi d'évacuer une partie de la chaleur engendrée par ce frottement, ainsi que d'éviter la corrosion. L'huile est injectée par la pompe à huile dans divers petits conduits présents à l'intérieur des pièces métalliques du moteur. Chaque zone de frottement est donc lubrifiée par un apport continu d'huile. L'huile s'écoule ensuite au fond du carter moteur pour recommencer le cycle.

Le circuit de lubrification d'un moteur est constitué d'une pompe à huile (entrainé mécaniquement pas le moteur), d'un filtre à huile, d'un échangeur de chaleur et bien-sûr de l'huile elle-même. Une jauge à huile manuelle permet de relever manuellement le niveau d'huile lors de la visite prévol tandis qu'un capteurs de pression et un capteur de température permettent de surveiller le fonctionnement du circuit d'huile tout au long du vol.

Le pilote doit vérifier le niveau d'huile lors de la visite prévol. En cas de manque, le pilote peut parfois être autorisé à faire le complément d'huile (suivant les procédures d'exploitation de l'aéronef). Lors du complément d'huile le pilote doit porter une attention absolue à la référence d'huile qu'il ajoute, ainsi qu'a la quantité ajouté pour ne pas dépasser le maximum. En cas de doute, le vol ne doit pas être entrepris sans le conseil d'un mécanicien habilité. Les principales caractéristiques des huiles moteurs :

• le type : huile minérale, synthétique, avec ou sans additifs...
• La viscosité : une huile porte un grade qui indique sa viscosité. L'huile peut être monograde (dans ce cas le type d'huile change entre période estivale et période hivernale) ou multigrade (permettant un fonctionnement sur une large plage de température).
• la capacité à bruler : au delà de son point d'éclair, l'huile devient combustible et brule en présence d'une flamme.

Lors de la mise en route du moteur, le pilote surveille la pression d'huile qui doit s'établir rapidement*. Lorsque l'huile est froide donc visqueuse, un dépassement de la pression d'huile maximum est admis. Après quelques minutes de fonctionnement, l'huile atteint sa température minimale de fonctionnement*, la pression doit être à l'intérieure de la plage autorisée*. (*Si ce n'est pas le cas, le moteur sera arrêté dès que possible).

Durant tout le vol, le pilote doit surveille la pression d'huile et la température d'huile :

• Une température trop élevée peut être le reflet d'une sollicitation trop importante du moteur
• Une pression d'huile trop faible peut être le reflet d'un manque d'huile.
• Il faut noter que l'huile est un combustible. Une surchauffe ou une fuite sur un élément chaud peut entrainer un incendie.

Cas particulier de la remise en route du moteur durant un vol en motoplaneur : Après un arrêt moteur en vol, le moteur se refroidie rapidement (plus vite qu'au sol car ventilé par la vitesse de l'aéronef). Lors de la remise en route, une période de chauffe adaptée (en théorie elle sera plus longue qu'au sol) doit être respectée avant d'exploiter la puissance du moteur. En général, ceci occasionne une perte d'altitude de 200 à 400m suivant les aéronefs.

A noter que l'huile est régulièrement remplacée (la vidange), lors de la visite d'entretien (généralement tous les 50 à 100h de fonctionnement moteur).

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