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19 novembre 2007 1 19 /11 /novembre /2007 20:11

Matériel :

·          schémas du moteur agrandis et affichés au tableau

·          Verre à eau, bougie, coupelle, briquet, bouteille d’eau

·          1 ballon de baudruche

Introduction : On distingue les propulseurs directs, produisant une poussée vers l’arrière (les turbo-réacteurs et les moteurs-fusée) et les propulseurs indirects pour lesquels la force appelée traction est produite par un organe intermédiaire : l’hélice. Les moteurs d’avion sont pour la plupart comme pour les automobiles des moteurs à pistons.

 

Le cycle à quatre temps

Observation :

·          (fig. 1) schéma du moteur à pistons agrandi et affiché au tableau, puis commenté par l’enseignant.

·          (fig. 2) schéma du cycle à quatre temps agrandi et affiché au tableau, puis observé individuellement.

Questionnement : Comment un moteur à pistons fonctionne-t-il ?

Conceptions initiales - Evolution, expériences, recherches documentaires :

v      

v       Le cycle de fonctionnement comprend quatre temps, chaque temps correspond à un aller ou un retour du piston.

1.        Premier temps : admission : Le piston s’éloigne de la culasse. La soupape d’admission est ouverte et le mélange air-carburant est aspiré dans le cylindre.

2.        Deuxième temps : compression : Le piston remonte vers le haut du cylindre. Les deux soupapes sont fermées et le mélange air-carburant est comprimé.

3.        Troisième temps : combustion et détente : Lorsque le piston atteint le sommet du cylindre, ou un peu avant qu’il l’ait atteint (on dit alors qu’il y a « avance à l’allumage »), une étincelle fournie par les bougies allume le mélange qui s’enflamme. La pression des gaz de combustion, sous l’effet de la chaleur, pousse le piston vers le bas.

4.        Quatrième temps : échappement : Juste avant l’arrivée du piston en position basse, la soupape d’échappement commence à s’ouvrir et les gaz brûlés sont évacués par le retour du piston vers le haut du cylindre.

Ø        Pourquoi le mélange enflammé pousse-t-il le piston ?

Ø       

Ø        Expérience :

§          Comment récupérer une pièce au fond d’une soucoupe remplie d’eau sans se mouiller les doigts avec un verre, une bougie et un briquet ?

§         

§          Verre retourné sur le fond d’eau, bougie allumée dans le verre. Dans un premier temps, l’air contenu dans le verre se dilate (des bulles s’échappent, la pression augmentant) puis lorsque la bougie s’éteint après consommation de l’oxygène, le gaz se refroidit, se rétracte (baisse de la pression), laissant l’eau monter dans le verre.

Dans un moteur, le gaz enflammé va se dilater, la pression va augmenter et pousser le piston vers le bas.

Ø        Pourquoi a-t-on inventé des moteurs à plusieurs cylindres ?

Ø        Pour avoir plus de puissance Þ on aurait pu fabriquer des cylindres plus gros pour obtenir cette puissance

Ø        Sur les moteurs à quatre temps, il n’y a qu’un seul temps produisant de l’énergie (le temps combustion-détente). C’est un peu comme si un cycliste n’appuyant qu’une fois sur deux sur une seule pédale. L’augmentation du nombre de cylindre permet de régulariser le couple moteur et d’en accroître la puissance (on augmente le nombre de jambes sur notre vélo, c’est comme si on avait un tandem).

Il existe différents types de moteurs (fig. 3)

 

Carburateur et carburant

Observation : (fig. 4) schéma du carburateur

Questionnement : A quoi le carburateur sert-il ?

Conceptions initiales - Evolution, expériences, recherches documentaires :

v       Il envoie du carburant dans le moteur

v       Oui, mais pas seulement

Ø        De quoi a-t-on besoin pour faire du feu ?

Ø        D’un carburant ou combustible : bois ou essence

Ø        D’une flamme ou étincelle

Ø       

Ø        Si air ou oxygène pas proposé :

Expérience : allumette allumée puis couverte  avec un verre Þ l’allumette s’éteint : il faut de l’air en quantité suffisante

Conclusion : Pour obtenir du feu, il faut un carburant (bois ou essence), un comburant (l’air), et une source de chaleur (le souffre de l’allumette, l’étincelle de la bougie de notre moteur).

Encore faut-il que le mélange air-essence soit convenablement dosé, c’est le rôle du carburateur de produire ce mélange. Théoriquement, le mélange idéal est compris entre 4,6  et 18 % d’essence, le mélange chimiquement parfait étant 7 % d’essence soit 1 g d’essence pour 14 g d’air.

Observation (fig. 5) : Une cuve avec un peu d’essence au fond, si j’utilise l’étincelle d’une bougie de voiture ou d’un briquet, rien ne se passe

§          Que nous manque-t-il pour que le mélange air-essence s’enflamme ?

§          La chaleur

§          Pourquoi ? L’essence se vaporise plus vite lorsque l’on atteint la température du point feu

·         Le point éclair de l’essence est compris entre –20°c et –5°c

·         Le point feu de l’essence est compris entre 0°c et 30°c

C’est le rôle du carburateur de vaporiser l’essence au niveau du gicleur.

v       Pourquoi faut-il faire le plein lorsque l’on range l’avion ?

v      

v       Deux raisons :

Ø        Moins le réservoir contient d’essence liquide, plus il contient d’essence sous forme de vapeur ce qui est dangereux car le réservoir d’essence n’est pas hermétique (mise à l’air libre du réservoir) et le mélange risquerait de s’enflammer (raison pour laquelle il faut également vérifier que le bouchon du réservoir est verrouillé).

Ø        Un réservoir vide contient de l’air et donc de la vapeur d’eau qui va se condenser avec la fraîcheur de la nuit sur les parois du réservoir puis tomber au fond du réservoir (l’eau est en effet plus lourde que l’essence : 1 litre d’eau = 1 kg, 1 litre d’essence = 0,72 kg) Þ raison pour laquelle il faut purger le réservoir avant la première mise en route de la journée pour éliminer l’eau qui risque de provoquer l’extinction du moteur.

v       Comment peut-on faire pour éviter un accident lorsque l’on fait le plein ?

v      

v       Relier l’avion à la terre par une tresse à cause de l’électricité statique emmagasinée par l’avion pendant le vol.

Trace écrite : Le carburateur assure un mélange air-essence compris entre 4,6 % et 18 % d’essence, le mélange chimiquement parfait étant 7 % d’essence, soit 1 g d’essence pour 14 g d’air.

Les cylindres, en phase d’admission, aspirent l’air externe précédemment filtré, dont la quantité est calibrée par la position de la commande des gaz. La mise en vitesse des gaz frais permet l’aspiration du carburant et la réalisation du mélange (plus on pousse la manette des gaz, plus la consommation de mélange est importante et plus le moteur tourne vite).

Le carburant est acheminé du réservoir vers le carburateur par une pompe mécanique entraînée par le moteur. Celle-ci est suppléée au démarrage par une pompe électrique qui joue également le rôle de pompe de secours.

Juste avant son admission au carburateur, un pointeau relié mécaniquement à la manette de richesse, permet de modifier le rapport carburant/air élaboré par le carburateur. En effet, lorsque l’avion prend de l’altitude, ou lorsque la température augmente, la masse volumique de l’air diminuant, il est nécessaire de diminuer la quantité de carburant admise afin de maintenir le même rapport carburant/air. Cette même manette tirée à fond vers soi, coupe l’arrivée du carburant au moteur, ce qui permet de l’arrêter. Sa position est dite étouffoir. A l’inverse, lorsque cette manette est poussée à fond, elle occupe la position plein riche.

Un mélange trop riche abaisse la température du moteur, recule la détonation, entraîne une consommation d’essence excessive, provoque des fumées noires à l’échappement, encrasse les cylindres, peut entraîner des explosions à l’échappement provenant de la combustion incomplète des gaz.

Un mélange trop pauvre donne une combustion trop lente entraînant un échauffement du moteur et des détériorations internes par oxydation résultant d’un excès d’oxygène.

Il faut retenir qu’on utilise :

·          Un mélange riche pour éviter des températures trop fortes et la détonation

·          Un mélange légèrement appauvri en croisière qui permet d’abaisser la consommation au prix d’une légère élévation de température du moteur qu’il faut surveiller attentivement (risque de détonation)

Les essences utilisées en aviation sont peu détonantes. Plus l’indice d’octane est élevé, moins le carburant est détonant (essence sans plomb 95 ou 98). L’essence la plus utilisée est l’AUGAS 100LL (indice en mélange pauvre) de couleur bleue.

v       Pourquoi faut-il vérifier la mise à l’air libre du réservoir lors de la visité prévol ?

v      

v       Expérience : aspirer l’eau d’une bouteille  Þ il devient de plus en plus difficile d’aspirer (le moteur s’éteint faute d’essence), si on perce le fond de la bouteille, les pressions se rééquilibrent et il devient à nouveau plus facile d’aspirer l’eau (d’où l’importance de conserver la mise à l’air libre)

 

Observation : L’utilisation du moteur

Réchauffage carburateur

 (fig. 6 et 7) Lorsque l’air externe est humide (proximité des nuages, brume, brouillard et couches basses) et que la température externe est basse (entre –5 et +25°c), la dépression générée dans le carburateur et la vaporisation de l’essence (expérience de la main mouillée sur laquelle on souffle Þ sensation de froid) transforme l’eau contenue dans l’air en givre.

(fig. 8) Afin d’éviter ce phénomène très dangereux, appelé givrage du carburateur, on fait circuler l’air extérieur autour de l’échappement. Cet air chauffé est ensuite amené, en tirant la manette de réchauffage carbu, au carburateur. Cette manette est utilisée en « tout ou rien ». L’admission d’air chaud provoque une légère perte de puissance mais permet de conserver le moteur en fonctionnement. Risque plus important de givrage du carburateur lorsque la manette des gaz est sur réduit, par temps humide entre –5 et +25°c. Les moteurs à injection (sans carburateur) ont l’avantage d’être moins sensibles au givrage, de fonctionner sur le dos et de moins consommer.

 

L’allumage : les magnétos

L’allumage est fourni par un générateur électrique, appelé magnéto, entraîné mécaniquement par le moteur. Son fonctionnement est donc indépendant de la génération électrique de bord assurée par une batterie et un alternateur (qui recharge la batterie), comme sur une automobile.

v       Pourquoi avoir inventé un tel système ?

v      

v       Par sécurité, le fonctionnement du moteur est donc à l’abri d’une panne de batterie ou d’alternateur.

(fig. 9) Afin d’accroître la sécurité, l’allumage est double : chaque cylindre est doté de deux bougies, alimentées par deux magnétos (si un magnéto tombe en panne, la deuxième bougie continuera à fonctionner grâce à la deuxième magnéto). La combustion est améliorée par les deux bougies et les performances sont meilleures.

 

Le circuit électrique : la batterie, le démarreur, l’alternateur

Les magnétos ne fournissant de la haute tension aux bougies que lorsqu’elles sont entraînées en rotation par le moteur, il est nécessaire d’utiliser un autre moyen de lancement pour assurer la mise en route : le démarreur. A la mise en route du moteur, la batterie de bord fournit le courant électrique qui alimente le démarreur. Le démarreur est un moteur électrique qui entraîne le moteur et les accessoires qui lui sont mécaniquement liés tels l’élément rotatif de la magnéto et l’alternateur.

L’alternateur transforme l’énergie mécanique (prélevée sur le moteur par l’intermédiaire de la courroie) en énergie électrique alternative (d’où son nom) qui sera elle-même transformée en tension continue par la batterie (12 V sur les avions de tourisme).

 

Refroidissement et lubrification

v       Le refroidissement

La combustion du carburant dans les cylindres provoque une chaleur intense. Il est nécessaire de prévoir un système de refroidissement.

Ø        Quels sont les systèmes de refroidissement présents sur les avions ?

Ø       

Ø        Deux systèmes de refroidissement :

§          A eau : plus rare car plus lourd et plus complexe donc plus exposé aux pannes.

§          A air : sur la plupart des avions, des ailettes sont présentes sur les parois des cylindres (d’où l’importance d’avoir des prises d’air non obstruées et un cône d’hélice correctement fixé car il joue le rôle de carénage aérodynamique, mais aussi de déflecteur d’air afin de guider l’air vers les entrées d’air du moteur).

v       La lubrification

Un moteur n’a aucune chance de tourner longtemps sans lubrifiant : il s’arrête puis prend feu.

On assure la lubrification du moteur par une circulation d’huile à l’aide d’une pompe mécanique entraînée par le moteur, d’un filtre et d’un réservoir généralement situé dans le bas du bloc moteur (le carter)

Avant chaque vol, il faut vérifier le niveau d’huile (entre 4 et 5 sur Robin).

Pendant le vol, il faut vérifier la pression d’huile, la température d’huile.

 

Fiche élève n° 3 (C 1-18) Remplie avec l’aide de l’enseignant

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Published by Borgne - dans Cours
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