Moteur, hélice – Groupe Motopropulseur d’un avion (Jour 28)

Moteur, hélice - Groupe Motopropulseur d'un avion

Lorsqu’il fait moche et que les finances ne sont pas au top juste avant Noel, on peut toujours compter sur un cours théorique. Nous allons voir ce qui compose un Groupe Motopropulseur (GMP) d’un avion comme le moteur et l’hélice ainsi que leurs fonctionnements.

Qu’est-ce que le Groupe Motopropulseur (GMP) ?

Le Groupe Motopropulseur regroupe l’ensemble des éléments qui permet à l’avion de se propulser. Dans le cas de nos avions, l’hélice et le moteur à pistons contribuent à faire avancer notre avion. Cependant il existe d’autre moyen de propulser des aéronefs grâce aux turbopropulseurs ou turboréacteurs.

Pendant ce cours, nous allons nous pencher sur le fonctionnement de ces différents systèmes, tout particulièrement celui de l’hélice et du moteur à pistons.

L’hélice d’un avion

Hélice d'avion en bois

Une hélice aérienne peut être en bois ou en métal. Elle a les mêmes propriétés qu’une aile d’avion. On peut imaginer 2 ailes d’un avion autour d’un axe rotatif. Il y a donc évidement une propulsion exercée par l’air projeté à l’arrière ce qui provoque un effet de poussée. Mais tout comme une aile, une dépression s’exerce sur l’extrados de l’hélice et provoque un phénomène d’aspiration vers l’avant. En gros, on pourrait dire qu’une hélice à une portance horizontale :p.

L’ angle d’incidence (inclinaison) des pales est plus fort au centre de l’hélice et s’atténue progressivement sur l’extérieur de celle-ci. On parlera donc de l’angle de calage d’une hélice comme terme de référence. Le calage des pales influe sur les performances d’un avion. Un avion qui décolle rapidement, vol lentement. L’inverse est vrai aussi, un avion avec une vitesse de croisière élevée nécessite une plus grande distance de décollage.

Une hélice peut avoir deux ou plusieurs pales. Chaque pale crée une perturbation dans l’air plus ou moins forte en fonction de son calage. La pale suivante subit les perturbations de la précédente. Du coup on rajoute plus de pales, pour avoir des calages plus faibles pour la même puissance. Par conséquent les perturbations sont moins importantes. Plus il y a de pales, plus le rendement global est important, en revanche plus l’hélice est lourde.

Calage fixe d’une hélice aérienne

C’est le type d’hélice que nous avons sur nos DR400. L’hélice est plus simple à construire, elle demande moins de mécanique et donc simplifie le pilotage.

En revanche elle n’est ni optimisée pour le décollage, ni optimisée pour le vol de croisière. Elle est moyenne dans les 2 domaines. C’est un peu comme si nos voitures n’avaient qu’une seule vitesse.

Calage variable d’une hélice aérienne

Ce type d’hélice à l’avantage de pouvoir s’adapter aux différentes situations de vol de manière optimal. En revanche elle contient plus de mécanique donc son poids augmente et l’entretien est plus complexe. Le pilotage lui aussi devient un peu plus difficile.

Il existe deux modes de fonctionnement pour les hélices à calage variable :

  • Le pilote actionne une manette (souvent bleue) pour choisir une puissance (ex 2300 tr/min). L’hélice tourne à une vitesse constante et un régulateur modifiera le calage de l’hélice pour que le moteur puisse atteindre la puissance voulue avec le meilleur rendement possible.
  • Le pilote affiche une vitesse, puis un système électronique règle la puissance du moteur et le calage automatiquement. Dans ce cas le pilotage n’est pas plus complexe, mais il y a plus de risque de panne.

Sur certain avion, il est possible de mettre l’hélice en drapeau. Les pales sont dans l’axe de l’avion. Ceci peut être pratique en cas de panne moteur pour limiter la trainée de l’hélice. A titre d’information, la trainée d’une hélice équivaut à un disque plein de son diamètre.

Groupe Motopropulseur : Lycoming series-engine-320Le moteur à piston

Le but d’un moteur à explosion est de transformer un mouvement de translation (bielle) en mouvement de rotation (vilebrequin).

Un moteur à piston se compose des éléments suivants :

  • Le cylindre dans lequel se déplace le piston et où l’explosion s’effectue.
  • Un piston qui effectue un mouvement de va-et-vient grâce à l’explosion.
  • Une bielle transforme le mouvement de translation en rotation.
  • Un vilebrequin axe rotatif entrainé par la bielle. L’hélice est généralement montée dessus.
  • Les soupapes d’admission et d’échappement. Elles sont synchronisées avec le mouvement du piston. L’une apporte le mélange air-carburant, l’autre sert à expulser les gaz brûlés.
  • L’arbre à came actionne chacune des soupapes à un moment précis en fonction de la position du piston.
  • La distribution, souvent faite via une courroie ou une chaine, relie entre autre le vilebrequin et l’arbre à came.
  • Des bougies d’allumage qui produisent une étincelle pour enflammer le mélange. Il y en a deux par cylindre sur les moteurs d’avion.
  • Le carter est la partie basse du moteur, sous forme de cuve qui contient de l’huile.
Groupe Motopropulseur : Cycle moteur 4 temps

crédit : https://de.wikipedia.org/wiki/Benutzer:UtzOnBike

L’ensemble de ces éléments s’actionnent dans un cycle à 4 temps :

  1. L’admission : le piston descend, la soupape d’admission est ouverte et le mélange air-carburant arrive dans le cylindre
  2. La compression : les soupapes sont fermées, le piston remonte et comprime le mélange air-carburant
  3. La combustion : les bougies produisent une étincelle qui enflamme le mélange. L’explosion repousse le piston vers le bas.
  4. L’échappement : lorsque le piston arrive en bas, la soupape d’échappement s’ouvre, le piston remonte afin d’expulser les gaz brûlés.

Une fois un premier cycle effectué, un nouveau recommence. Dans le cas où il y a plusieurs cylindres, leurs cycles sont décalés de manière qu’ils s’entrainent mutuellement.

Carburant

Essence

L’Essence est extrêmement volatile. Elle s’évapore sous forme de gaz qui s’enflamme avec la chaleur. Dans le cas d’un moteur, c’est l’étincelle de la bougie qui provoque cette chaleur. L’explosion peut être rendue instable par un cylindre trop chaud.

Diesel / Kérosène / Fuel

Le Diesel est plus gras que l’essence et donc plus difficile à brûler. Il faut énormément de chaleur pour qu’il prenne feu. En revanche il explose grâce à la pression et à une température suffisante au moment de la compression dans le cylindre. Il est donc plus facile à contrôler et plus stable.

Circuit du carburant

Le carburant part du (ou des) réservoir(s) de l’avion pour arriver dans le carburateur. Une pompe mécanique, entrainée par le moteur, aspire le carburant. Il y a aussi une pompe électrique que nous activons au moment du décollage et atterrissage en prévision d’une potentielle panne de la pompe mécanique.

Les réservoirs sont équipés d’une sonde qui indique le niveau d’essence. Une autre sonde se situe après la pompe mécanique pour vérifier la pression du carburant. Elle permet de vérifier que le carburant arrive correctement au carburateur.

Mélange Air/Carburant

Pour que l’essence brûle il faut 3 choses :

  1. Carburant.
  2. Comburant (oxygène).
  3. Chaleur (étincelle de la bougie).

Le ratio Air/Carburant optimal est de 15 volumes d’oxygène pour 1 volume d’essence. En dehors de ce ratio, la combustion sera imparfaite. Dans ce cas il peut rester des résidus pouvant causer une surchauffe du moteur ou un encrassage.

Dans nos avions nous avons un mélange plutôt de 14 pour 1. C’est donc un mélange légèrement riche (plus un mélange est riche, plus la quantité de carburant par rapport à l’air est importante). Le but est d’avoir un peu plus d’essence pulvérisée dans le cylindre pour plus facilement refroidir le moteur. Si le mélange est trop pauvre, le moteur surchauffe.

Pourquoi régler le mélange air/carburant ?

Plus l’avion va prendre de l’altitude, plus l’air se fait rare. L’oxygène y est donc moins présent. Puisque l’air est moins présent, la quantité d’essence va être trop importante. Nous aurons donc un mélange trop riche. Du coup on réduit l’arrivée d’essence pour retrouver un ratio proche des 15 pour 1 en s’aidant de la commande de mélange (la manette rouge).

Le réglage dépend du manuel de l’avion. Cependant si l’essence brûle moins bien, il y a une perte de régime. Il suffit de réduire la mixture (mélange) jusqu’à ce que le moteur atteigne un pique de régime. Ce moment indique le réglage optimal. Si on réduit trop le mélange, il y aura de nouveau une perte de régime.

Une manière d’avoir un réglage plus précis est de regarder la température d’échappement. Si le mélange est trop riche, l’essence brûle moins bien, il y a donc moins de production de chaleur. Par conséquent la température de l’échappement baisse. En réduisant la richesse, la température augmentera de nouveau.

moteur carburateur simpleLe carburateur

Le carburateur s’occupe de faire le mélange air/essence. Il est constitué d’une petite cuve avec un flotteur qui se rempli d’essence (comme une chasse d’eau). Ensuite un gicleur va pulvériser le carburant sous forme de gouttelettes dans l’air d’admission. C’est la commande de mixture qui va déterminer la quantité d’essence à pulvériser.

L’admission d’air a une section réduite pour provoquer un effet Venturi. C’est donc la dépression qui va aspirer le carburant.

Il y a ensuite un papillon (clapet) qui module l’arrivée du mélange dans le cylindre via la soupape d’admission. Ce papillon est directement relié à la commande des gaz.

Givrage carburateur

Graphique givrage moteur

Graphique givrage moteur

Qui dit dépression, dit chute de température. Si l’air à l’intérieur du carburateur atteint une certaine température par rapport à l’humidité, il peut y avoir de la production de glace dans le carburateur. La température dans le carburateur chute entre 15 et 20 degrés par rapport à l’extérieur.

C’est pour cela que l’ATIS donne l’information de température et point de rosée.

Réchauffage Carburateur

Dans le cas de givrage, il y aura une baisse de régime du moteur et/ou des ratés pour finir par un arrêt complet de celui-ci.

Pour éviter le givrage dans le carburateur, on utilise la chaleur de l’échappement pour réchauffer de l’air injecté. Cette air n’est pas filtré. Ce qui permet aussi de l’utiliser au cas où le filtre à air du conduit principal serait bouché. Il ne faut donc pas utiliser le réchauffage carburateur au sol pour éviter d’avoir des saletés qui partent dans le moteur.

Lorsqu’on active le réchauffage carburateur on constate une perte de puissance. C’est logique puisque l’air chaud est moins dense, donc moins d’oxygène. Le mélange brûle moins bien.

Point important !!! Puisqu’on utilise l’air d’échappement pour réchauffer l’air d’admission, ça implique que le moteur tourne. Donc si le moteur a calé, activer le réchauffage carburateur ne changera rien. C’est un moyen préventif et non curatif.

Autre point important, s’il fait très froid, il n’y a plus de risque de givrage (ex -20° graphique givrage carburateur ci-dessus). Cependant, si on active le réchauffage carburateur à ce moment-là, on peut revenir dans une plage de givrage. Donc attention au moment de prendre la décision.

Injection Direct et Indirect

Contrairement au carburateur, l’essence est pulvérisée juste avant la soupape d’admission (indirect) ou dans la chambre de combustion (direct) via une pompe. Ce principe permet de faire fonctionner le moteur sur le dos car il n’y a plus le petit souci de chasse d’eau que nous avons vu dans le carburateur.

Ce système est moins sensible au givrage, cependant il peut quand même être concerné. La différence est que le carburant ne va pas refroidir le papillon des gaz puisqu’il est injecté après. En revanche l’air qui passe dans le conduit subit l’effet venturi ; il peut à lui seul refroidir le papillon et provoquer de la glace.

Turbo Compresseur

Nos avions ne sont pas équipés de turbo compresseur. Pour ceux qui en ont, il permet de compenser la perte pression atmosphérique due au manque d’air avec l’altitude.

L’allumage

Sur un moteur à essence il y a des bougies d’allumage qui produisent une étincelle à l’intérieur des cylindres afin de provoquer la combustion. Sur les avions elles sont doublées pour chaque cylindre par mesure de sécurité en cas de panne. Elles procurent aussi l’avantage d’avoir une meilleure combustion.

L’étincelle d’une bougie est produite par de l’électricité fournie par les magnétos. Une magnéto d’allumage est une génératrice transformant une énergie mécanique en énergie électrique. Un avion contient une magnéto gauche et droite. Chacune d’entre elle va alimenter une bougie par cylindre. Tout comme pour les bougies, elles sont doublées par sécurité en cas de panne. Si une seule d’entre elle fonctionne on note une perte de puissance.

Dans l’avion lorsqu’on met la clé dans le contact, c’est en fait les magnétos qu’on active. La clé nous permet de tester chacune d’entre elle indépendamment, cependant nous activons les deux en vol (Both) pour que le relai soit assuré en cas de panne.

Avant d’éteindre le moteur en fermant le mélange, on fait un test de coupure avec la clé en la positionnant sur « Off ». Si le moteur s’apprête à s’arrêter, nous remettons la position « Both ». Cela permet de vérifier qu’il n’y a pas de souci avec les génératrices. Dans le cas contraire, cela voudrait dire que le moteur peut démarrer sans la clé en actionnant simplement l’hélice. On préfère couper le moteur en coupant la mixture (mélange) pour s’assurer que les tuyaux se vident.

Le refroidissement

Un moteur produit énormément de chaleur. Par exemple, les gaz d’échappement peuvent sortir à plus de 800 degrés. C’est principalement le frottement des pièces et la combustion qui produit autant de chaleur.

Dans les avions les moteurs sont souvent refroidis par l’air. C’est pour ça qu’on retrouve des ailettes sur la surface des cylindres qui font office de radiateur. Le gros avantage c’est qu’il n’y a pas de système particulier donc pas de maintenance ; le moteur de l’avion est naturellement refroidi. En revanche le refroidissement n’est pas homogène car les cylindres à l’avant seront plus refroidis que ceux de l’arrière. Dans ce cas précis, les sondes de température du moteur sont à l’arrière. Enfin ces radiateurs sont généralement en fonte, ce qui alourdit le tout. Dans le cas d’une surchauffe, nous sommes obligés de réduire la puissance.

Certains moteurs ont un système de refroidissement hybride à eau. Un fluide circule dans le moteur pour récupérer la chaleur et passe ensuite dans un radiateur à l’avant de l’avion pour être refroidi par l’air. C’est plus efficace, plus léger et ça permet de refroidir des endroits ciblés. En plus on peut facilement réguler la température en contrôlant le flux d’eau. En revanche ce système nécessite un ensemble de composants (pompe, régulateur,…), donc plus d’entretien et des pannes potentielles supplémentaires.

Le circuit de lubrification d’un moteur

Circuit d’huile dans le moteur d’un avion

Pour éviter que le moteur chauffe à cause du frottement des pièces, de l’huile est utilisé pour les lubrifier. Une pompe mécanique assure la distribution de l’huile dans différentes parties du moteur.

Dans le cas d’un circuit à carter humide, l’intégralité de l’huile est stockée dans le carter (cuve du bas moteur). Dans le cas du circuit à carter sec, seulement une petite quantité d’huile reste dans la cuve. Le reste est dans un réservoir externe et est refroidi en passant dans un radiateur.

Détection d’anomalie

L’avion est équipé d’une jauge de température de l’huile et une autre pour la pression de celle-ci.

La première chose à faire lorsqu’on démarre un avion est de vérifier que la pression d’huile monte. Si ce n’est pas le cas, il faut immédiatement arrêter le moteur. Dans le cas d’une fuite d’huile ou une pompe défectueuse, on observera une diminution de la pression et une augmentation de la température de l’huile.

Si on observe une augmentation de la température, même lors d’un vol, il faut couper le moteur en fermant l’arrivée d’essence car le moteur peu prendre feu à tout moment. Si l’huile commence à brûler, il n’y a aucun moyen d’arrêter l’incendie pendant le vol.

Types de moteurs d’avion

  • Le moteur à pistons que nous avons vu en détails, a un meilleur rendement à basse altitude qu’un réacteur.
  • Un moteur turboréacteur qui équipe les gros avions de ligne, a une mécanique plus simple. Cependant son temps de réponse est plus lent. Il est plus performant à haute altitude.
  • Le moteur turbopropulseur est un mixte des deux. Il est constitué d’une turbine comme le réacteur mais il entraine une hélice. Son rendement optimal est à moyenne altitude. On le retrouve sur les Pilatus PC-6 utilisés pour le largage de parachutiste.

Coût total

  • Solde précédent : 4027,57€
  • Cotisation Aéroclub 2018 : 275,00€
  • Total : 4027,57€

Heures totales de vol : 21h22 min.
Atterrissage total : 69