Moteurs aviation à pistons
La propulsion, sur un aéronef, est obtenue en créant une poussée, cette poussée provient de l'accélération d'une masse d'air en sens opposé du déplacement de l’aéronef.
Le moteur à piston a permis les premiers vols propulsés. En aéronautique on utilise des moteurs thermiques à quatre temps, à allumage commandé. Mais aussi pour plus légers, les parapentes et certains ultra-légers motorisés (ULM) des moteurs deux temps.
Moteur deux temps
Les moteurs à deux temps utilisés en aéronautiques sont souvent des bicylindres en ligne, mais aussi des monocylindres de faible puissance, et plus rarement des trois cylindres ;
Le moteur 2-temps réalise un cycle complet (admission/compression/explosion/détente) en seul tour de vilebrequin.
Comme son nom l’indique, le moteur à 2 temps a 2 mouvements linéaires du piston contre 4 pour les moteurs à 4 temps. Les 4 phases d’un moteur sont l’admission, la compression, la combustion/détente, et l’échappement. Ces 4 phases se retrouvent aussi sur un moteur 2 temps, mais, sur le moteur à 2 temps, ces 4 phases se font en un seul tour de vilebrequin au lieu de 2 (pour le moteur 4 temps)
Cycle d’un moteur 2 temps :
Etape combustion/détente :
Le piston est au point mort haut. La bougie crée une étincelle par l’intermédiaire de l’allumage et enflamme le mélange essence/air/huile. Cette combustion du mélange produit une force et fait descendre le piston en comprimant en même temps le mélange présent dans le carter, sous le piston.
Admission/échappement :
Au point mort bas, le piston débouche (ouvre) les lumières d’échappement et d’arrivée du mélange (admission). En pénétrant dans le cylindre, les gaz frais chassent les gaz brûlés dans l’échappement.
La compression s’effectue dans la dernière phase de la remontée du piston lorsque celui-ci obture les orifices d’admission et d’échappement.
Avantages du 2 temps par rapport au 4 temps
Pour la même vitesse de rotation et la même dimension, les moteurs 2 temps permettent de bénéficier théoriquement du double de travail par cycle (un temps moteur par tour de vilebrequin, au lieu d'un temps moteur pour 2 tours de vilebrequin pour le 4 temps) et d'une meilleure régularité du couple moteur.
La distribution est réalisée sans soupapes, d'où une construction simplifiée (peu de pièces en mouvement, peu encombrant, 60% plus léger et donc coût de fabrication plus faible). La lubrification est assurée par un mélange essence-huile, soit directement en tant que carburant soit séparé auquel cas, cela nécessite 2 réservoirs séparés l’un pour le carburant classique, l’autre pour le lubrifiant.
Une certaine fiabilité qui en découle. Le mélange huile-carburant limite dans une certaine mesure les risques de givrage.
Inconvénients du 2 temps par rapport au 4 temps
La séparation des gaz frais et brûlés n'est jamais parfaite, donc une perte de rendement donc de puissance.
Usure rapide à haut régime, due aux lumières d'admission et d'échappement, qui agressent les segments à leur passage : ils y subissent des contraintes différentes et importantes, usant le cylindre anormalement dans ces zones).
Le niveau de pollution par hydrocarbures imbrûlés est important :
- une partie du mélange air/essence admis ne brûle pas et sort directement par la lumière d'échappement,
- l'huile utilisée pour la lubrification brûle mal donc produit des composés imbrûlés, qui ont tendance en plus à se déposer au lieu d'être évacués par la lumière d'échappement.
Moteur quatre temps
En aéronautique on trouver essentiellement des moteurs à 4 ou 6 cylindres à plat, les avions anciens utilisaient eux des moteurs à cylindres en étoile de 5 à 17 cylindres, et des moteurs en étoile rotatif.
Un moteur est dit à quatre temps parce que chaque phase est effectuée individuellement en 2 allers-retours du piston.
Cycle d’un moteur 4 temps
Admission.
Elle débute au point mort haut du piston, soupape d'échappement fermée, la soupape d'admission s'ouvre le piston descend provoquant une dépression qui « aspire » le mélange air/carburant provenant du carburateur. Dans le cas d’un moteur à injection, le piston n’aspire que de l’air, le carburant lui est injecté sous pression directement dans le cylindre.
Arrivé au point mort bas, la soupape d'admission se ferme, le cylindre est remplit du mélange air-carburant.
Compression.
La compression commence avec la remontée du piston, soupape d'admission fermée comprimant le mélange air-carburant dans la chambre de combustionsituée en haut du cylindre.
Mise à feu-combustion
Le mélange est mis à feu par la bougie qui produit une étincelle grâce à une haute tension électrique commandée par le circuit d’allumage. Le mélange s’enflamme au contact de l’étincelle et la combustion se propage rapidement jusqu'à ce que le mélange soit entièrement consumé. C’est une combustion rapide, mais ce n’est pas une explosion (bien que le terme soit souvent employé). Cette combustion provoque une augmentation de la pression dans le cylindre, et pousse le piston vers le bas, créant ainsi la force motrice qui fait tourner le vilebrequin. Lorsque le piston est proche du point bas de sa course, la soupape d'échappement s'ouvre et laisse les gaz chauds s'échapper. La combustion est considérée comme correcte, lorsque tout le mélange brûle proprement et de façon continue.
Echappement.
Lors du temps d'échappement, les gaz brûlés sont rejetés par la remontée du piston vers la tête de cylindre, la soupape d’échappement étant ouverte. En fin de course, la soupape d'admission s'ouvre et la soupape d'échappement reste ouverte quelques instants après le point mort haut. Pendant un court moment, les deux soupapes sont ouvertes en même temps (fin de la course d'échappement et au début de la course d'admission).
Cycle complet
Avantages du moteur 4 temps
Économie de carburant Les moteurs 4 temps ont des temps distincts alimentation et d'échappement, ce qui maintient la coupure de carburant-à-gaz d'échappement au minimum
Plus de couple, les moteurs 4-temps ont plus de couple à bas régime que les moteurs 2 temps. Ce couple supplémentaire est dû au fait qu’un 4-temps utilise la quasi-totalité du carburant pour la transformer en énergie.
Durabilité car il tourne moins vite que le 2 temps
Émissions plus propres car il ne brule pas son huile et rejette moins d’imbrulés.
Inconvénient du moteur 4 temps
Plus lourds, du fait du système de distribution.
Maintenance entretien plus complexe
Structures des moteurs aviation
Moteur à cylindres en ligne
Les cylindres sont placés les uns à côté des autres.
Moteur à cylindres en V
Les cylindres sont alignés en deux rangs décalés d'un certain angle (de 15 à 135°1), ce qui raccourcit la longueur du moteur par rapport à une architecture en ligne
Moteur à cylindres opposés horizontalement ou à plat
Les cylindres sont opposés et à l'horizontale. Parfois appelés « Boxer », ces moteurs permettent d'abaisser le centre de gravité Les pistons se déplaçant dans un même plan horizontal mais dans des directions opposées, les forces d'inertie du premier et du second ordre sont équilibrées. On retrouvera ce type de moteur à 4 ou 6 cylindres en aviation.
Moteur à cylindres en éventail
Les cylindres sont étalés dans un plan. Louis Blériot a traversé la Manche avec un avion muni d'un trois-cylindres en éventail fabriqué par Alessandro Anzani.
Moteur à cylindres en étoile
Les cylindres sont répartis radialement autour du vilebrequin. Utilisé sur les moteurs d'avions anciens. Ils permettent un meilleur refroidissement des cylindres et un vilebrequin réduit à sa plus simple configuration.
Ces moteurs peuvent être rotatifs, l'ensemble des cylindres constituent alors le volant d'inertie. Le vilebrequin est fixe et c’est tout le moteur qui tourne autour.
Accessoires
Circuit d'allumage avec magnétos
L'allumage permet d’enflammer le mélange air/essence à
l’intérieur. Ceci grâce à une étincelle de la bougie alimentée par une tension
de 10 000 à 15 000 volts. Cette tension est obtenue par une magnéto fournissant
le courant haute tension. A la fois pour des raisons de sécurité, mais aussi
pour une meilleure combustion, en aviation ce circuit est doublé.
Le circuit d'allumage est composé de :
- 2 magnétos fonctionnant simultanément et indépendamment ;
- 2 rampes d'allumage composées de câbles généralement blindés pour le
transfert du courant haute tension aux bougies ;
- 2 bougies par cylindre reliées chacune à une magnéto ;
- 1 sélecteur de commande et d'arrêt des magnétos.
Circuit de lubrification
La lubrification permet de réduire la friction entre les pièces mobiles. La lubrification du fluide est basée sur la séparation des surfaces de sorte qu'aucun contact métal-métal se produise. L'huile est envoyée vers tous les secteurs qui exigent d'être lubrifiés. La friction des pièces mobiles d'un moteur consomme de l'énergie et se dissipe en chaleur. La réduction de la friction pendant le fonctionnement du moteur augmente la puissance de sortie, diminue la production de chaleur et diminue l’usure des pièces en friction.
Différents systèmes de lubrification
Il existe deux systèmes de lubrification :
- Le carter humide stocke l'huile à l'intérieur du bloc moteur. Après que l'huile soit pompée distribuée dans le moteur, elle retourne au réservoir en bas du carter.
- le carter sec utilise un réservoir ou bâche externe au bloc moteur. L'huile est pompée et distribuée à travers le moteur, puis récupérée par une seconde pompe pour être stockée dans le réservoir externe.
La lubrification sous pression est employée pour lubrifier les moteurs d'avions.
Le carburateur
Le carburateur permet de mélanger l'air (le comburant) et le carburant (essence) pour constituer le mélange selon un rapport carburant/air au proportion stœchiométrique de manière à brûler complètement dans la chambre de combustion.
Le système d’injection
L’injection est un dispositif d'alimentation des moteurs à combustion, qui permet d'alimenter (directement ou un peu en amont) en carburant la chambre de combustion. Par rapport au système à carburateur, elle améliore le rendement moteur. L'injection fut à l'origine exclusivement mécanique, puis améliorée par l'électronique en utilisant un calculateur électronique.
Suralimentation
La quantité de carburant brulé par cycle est fonction du volume d’oxygène contenu dans le cylindre. Or, celle-ci est à la fois limitée par la cylindrée et par la pression atmosphérique.
En altitude, la pression diminuant, la quantité d’oxygène contenue dans le cylindre est diminuée, ce qui entraine une perte de puissance. C’est à la fois pour limiter les effets de l’altitude sur les performances du moteur et sur la puissance maximum en fonction de la cylindrée que la suralimentation est employée.
Une turbine placée à l’échappement est entraînée par les gaz brulés. Elle est reliée par un arbre à un compresseur placé dans le conduit d’admission du moteur. Ce compresseur de type centrifuge aspire et comprime l’air ambiant, l’envoie dans les cylindres, cet air compressé passe quelque fois dans un échangeur air/air (intercooler) pour le refroidir, ce qui augmente encore le rendement.
