Aéromodélisme RC
Techniques et conception
Propulsion par
moteur à explosion
Lien vers « Sauver un animal »
Auteur : Philippe Kauffmann
Version
initiale : avril 2006
Dernière
révision : fin juillet 2012
Photos : constructeur ou auteur, sauf mention contraire
N. B. : double-cliquer sur les images permet souvent d’obtenir une version agrandie.
Photo 1 : Propulsion maquette du fabriquant Seidel [1]
Sommaire
La
propulsion par moteur à explosion
Principe
de fonctionnement et comportement général
Cycle quatre temps
Cycle deux temps
Les
éléments du moteur à explosion
La culasse
L’ensemble cylindre/piston
La bielle
Le vilebrequin
Le carter
Caractéristiques
de couple et de puissance
Concepts et options
Les bougies
Dispositifs de préchauffage et annexes
Moteurs à bougies à incandescence
Moteurs à bougies à étincelles
Moteurs à autoallumage
La
carburation et les réglages
Les
moteurs de collection et hors norme
Adaptation
à l’hélice et au modèle
Moteur 2T
Moteur 4T
La propulsion par moteur à explosion
Le moteur à explosion – appelé aussi moteur à piston ou moteur thermique − qui va être brièvement étudié ici a régné presque sans partage dans l’univers de l’aéromodélisme depuis le début de la radiocommande pour propulser nos aéromodèles. Mon premier moteur COX Baby Bee (photo 2) de 1961 n’est guère différent de mon second (photo 3) acheté en 2005… Certains fabricants proposent en effet les mêmes moteurs depuis des décennies ; la société COX n’étant pas une exception en la matière. Ces moteurs ont rapidement évolué dans les années 50 et 60 (à l’instar des moteurs électriques dans la première décennie du 21ème siècle), puis la technologie s’est stabilisée et finalement figée. Toutefois, de nouvelles marques et modèles apparaissent encore, bien que le moteur électrique soit en passe de détrôner définitivement ce roi, car il pue, pète, vibre et bave une huile visqueuse. Quoi qu’il en soit, il conserve encore des adeptes car il a le charme incomparable des belles pièces mécaniques. Essayez de convaincre votre épouse que ce qui pue et pète a du charme. Si vous y arrivez, c’est qu’elle a la fibre modéliste.
En 2012 il reste encore un peu plus de 30 fabricants aux USA, Japon, Chine, Taiwan, Angleterre, Italie, République Tchèque, Russie, etc., qui se partagent le marché en chute libre. La France a déjà abandonné toute production depuis environ un demi-siècle…
Photo 2 : moteur COX Baby-bee de 1961 Photo 3 : moteur COX Baby-bee de 2005
Principe de fonctionnement et
comportement général
Le principe du moteur à explosion est connu de tous ou presque. Le principe général est le suivant :
• on comprime un mélange de carburant (essence, méthanol, kérosène…) et comburant (l’oxygène contenu dans l’air ambiant),
• on allume le mélange comprimé à l’aide d’une étincelle, d’une bougie à incandescence ou par surchauffe spontanée du gaz suite à sa compression,
• on récupère l’énergie libérée par la pression des gaz de combustion à l’aide d’un piston qui met en rotation l’axe de l’hélice.
De par son principe, le moteur thermique est avant tout un générateur de couple (force rotative) proportionnel à la pression des gaz chauds poussant sur le piston. Le couple produit dépend peu du régime de rotation ; il dépend essentiellement de la position du boisseau du carburateur (i.e. du réglage des gaz). La figure 1 produite par Aérocalc donne les courbes de couple et de puissance caractéristiques à plein gaz d’un moteur deux temps classique de taille 32 (OS MAX-32SX), soit 32 centièmes de pouce cube de cylindrée ou encore 5,2 cm3, en fonction de son régime de rotation.
N. B. : La figure 1 est générée à partir de données génériques de moteurs standards. Elle n’est donc pas parfaitement exacte, mais malgré tout très proche de réalité. Aérocalc permet de générer les courbes de tous les moteurs 2 temps et 4 temps dont on connaît la puissance maximale et le régime de puissance maximale.
Figure 1 : couple et puissance du
moteur OS MAX-32SX
Du fait que le moteur à explosion est un générateur de couple, la commande de gaz contrôle le couple, mais pas le régime de rotation. Le régime de rotation effectivement obtenu en vol est déterminé par l’interaction moteur/hélice. Ce régime est celui auquel l’hélice absorbe exactement le couple. Ainsi, si on charge plus l’hélice (accentuation d’une montée par exemple) le moteur ralentira jusqu’à ce que l’hélice absorbe à nouveau juste le couple fourni par le moteur. On observe la même chose si on remplace l’hélice courante par une hélice plus grande : le moteur ralentira jusqu’à rétablir l’équilibre entre le couple fourni par le moteur et celui absorbé par l’hélice (voir figure 2).
Comme le couple absorbé par une hélice augmente rapidement avec son régime de rotation et est aussi fonction de sa vitesse d’évolution dans l’air, il est tout à fait normal qu’un moteur ayant sa puissance maximale à 18000 tr/mn comme celui dont les caractéristiques sont présentées en figure 2 ne tourne qu’à 12000 tr/mn sur un banc statique. Le moteur accélérera en vol.
Figure 2 : point de fonctionnement
d’un moteur OS MAX-32SX
La puissance d’un moteur est par définition son couple multiplié par le régime de rotation. Les deux courbes sont donc strictement liées mathématiquement, de l’une on peut directement déduire l’autre et réciproquement. Il faut voir le couple comme une force, c'est-à-dire une volonté de produire un travail, mais qui ne s’exprime que si elle peut provoquer un mouvement. La puissance est ce travail qui dans le cas d’un moteur à piston est donc égal au produit du couple par le régime de rotation. La puissance est donc l’effet du couple, d’autant plus important que le couple arrive à faire tourner rapidement le moteur. Pour tirer le maximum d’un moteur il faudra donc faire en sorte que l’hélice laisse tourner le moteur à son régime de puissance maximale.
Malgré les apparences, nos moteurs d’aéromodélisme tournent lentement comparativement à leur taille. Ils sont en fait délibérément bridés par la limitation de la taille des lumières et surtout de l’ouverture du carburateur afin d’éviter que l’hélice tourne à régime supersonique (voir chapitre « La traction et les hélices »). Dans le cas des moteurs 2 temps actuels comme celui dont les courbes sont données à la figure 1, ce critère n’est pas strictement respecté pour des questions commerciales. En effet, l’acheteur potentiel est très attiré par la puissance maximale affichée du moteur, elle-même directement liée au régime de rotation ; d’où la tentation des constructeurs de laisser leurs moteurs tourner trop vite au grand dam des oreilles sensibles !
Il est d’ailleurs essentiel de bien comprendre qu’une
hélice trop petite sera non seulement bruyante mais de plus dangereuse pour un
moteur à explosion à cause du surrégime potentiel, alors qu’elle soulagerait un
moteur électrique. A l’opposé une hélice trop grande protégera un moteur à
explosion en calmant ses ardeurs excessives, alors qu’elle risquerait de
griller un moteur électrique par surcharge et donc surchauffe.
Les moteurs se
distinguent par leur cycle : deux temps ou quatre temps. Ils se
distinguent également par la méthode d’allumage du mélange carburant/comburant.
Ils se distinguent encore par le type de carburant utilisé et par la
configuration mécanique (forme et position du piston, nombre de cylindres).
Tout peut se combiner d’un point de vue technique, mais toutes les combinaisons
ne se retrouvent pas dans le commerce. Le classement traditionnel distingue
principalement les deux types de cycles utilisés, les autres différences
définissent des sous variantes. Le fonctionnement des deux cycles est donné
ici.
Cycle quatre temps
Le cycle le plus classique, celui des moteurs de nos voitures, est le
cycle à quatre temps dont chaque temps est montré sur la figure 3 animée, et
précisé ci-après :
1. Aspiration du mélange air/carburant (gaz
frais) par la descente du piston. La soupape d’admission est ouverte durant
cette phase.
1.
Compression
du mélange air/carburant par remontée du piston. Les deux soupapes sont fermées
durant cette phase. A la fin de la phase de compression le mélange
air/carburant est allumé par un des moyens suivants : étincelle, point
chaud ou surchauffe par compression.
2. Détente des gaz par redescente du piston et
production du couple mécanique. Les deux soupapes sont fermées durant cette
phase. La combustion du mélange air/carburant entre les phases deux et trois a
fortement augmenté la pression du mélange air/carburant ; c’est la source
d’énergie du moteur.
3. Échappement des gaz brûlés. Durant cette
seconde phase de remontée du piston la soupape d’échappement est ouverte et les
gaz brûlés sont chassés vers le pot d’échappement.
Figure 3 : cycle quatre temps (source Wikipédia)
Le cycle quatre temps est plus efficace que le cycle deux temps. C’est la raison pour laquelle il équipe quasiment toutes les voitures et motos. Par contre, il impose une cylindrée plus importante pour la même puissance que le moteur à deux temps. Il nécessite de plus des soupapes avec un mécanisme de commande relativement compliqué ; c’est la raison pour laquelle on préfère bien souvent en modélisme les moteurs à cycle deux temps.
La complexité rend nos moteurs quatre temps beaucoup plus chers que les moteurs à deux temps, mais beaucoup plus beaux et silencieux. De plus, comme ils tournent plus lentement, leur puissance est plus exploitable (voir plus loin au paragraphe « adaptation à l’hélice et au modèle »).
En dehors des types classiques (voir photo 4) et multicylindres dérivés (voir photo 1) on trouve des moteurs très compacts : les moteurs britanniques RCV [2] dont le cylindre est dans le prolongement de l’axe de l’hélice (photo 5). Ce moteur n’a pas de soupape au sens classique du terme. La chemise du cylindre trouée tourne sur elle-même et découvre alternativement l’échappement et l’admission. Le haut du cylindre porte l’axe de l’hélice entraîné par la rotation du cylindre.
Photo 4 : moteur 4 temps 5 cm3 SAITO Photo 5 : moteur RCV60-SP à cylindre dans l’axe de l’hélice
La complexité mécanique du moteur à quatre temps a conduit les ingénieurs à chercher des solutions mécaniques plus élégantes pour obtenir les quatre phases du moteur à quatre temps. La solution la plus connue est celle de l’ingénieur Wankel avec son moteur éponyme (voir figure 4). Dans ce cas le piston est de forme générale triangulaire et tourne autour de l’axe de l’hélice entraîné en rotation par un engrenage entre piston et axe de sortie. Avec cette solution, il n’y a plus que deux pièces en mouvement au lieu d’une dizaine…
Figure 4 : moteur Wankel (source Wikipédia)
Grâce à cette simplicité, le moteur Wankel OS-49PI fabriqué par OS en collaboration avec Graupner (photo 6) est capable de délivrer 1,27 CV sans le bruit suraigu et les vibrations des 2T malgré une masse d’à peine 335 g.
On peut noter à propos du moteur Wankel OS-49PI que non seulement il pourrait parfaitement convenir à notre « mini F3A », mais il serait même plus le performant des choix qui vont être proposés grâce à une puissance supérieure à l’OS MAX-32SX, une consommation et un bruit comparables à l’OS MAX-FS52S et un encombrement comparable au moteur électrique TM350-20/10. Il serait idéal dans une maquette de P38 d’environ 2 m d’envergure dans lequel il serait complètement caché grâce à sa forme, et ferait parfaitement maquette avec une hélice tripale VARIOPROP adaptée.
Photo 6 : moteur Wankel OS-49PI
Cycle deux temps
Les moteurs dits
« deux temps » utilisent en fait un cycle quatre temps mais les
phases sont exécutées deux par deux en parallèle, une par chaque face du piston.
La figure 5 animée illustre parfaitement le cycle deux temps avec ici en prime
l’utilisation d’un résonateur qui est décrit plus loin dans ce chapitre. Le
cycle commence lorsque le piston est au point mort bas et les actions se
succèdent dans l’ordre ci-après :
1.
Dans la
première phase le piston monte, comprime avec sa face supérieure le mélange
air/carburant et aspire avec sa face inférieure le mélange air/carburant pour
le cycle suivant. Le mélange peut rentrer dans la partie basse du moteur, selon
le système retenu, soit grâce à une lumière pratiquée dans le vilebrequin
(photo 7), soit grâce à un disque à fente entraîné par le vilebrequin (photo
8), soit par une lumière d’admission pratiquée dans le bas du cylindre et du
piston (photo 13), soit encore par un clapet comme sur le schéma de la figure 5
et sur le moteur TAIFUN de la photo 15. A la fin de la première phase, le
mélange air/carburant est allumé par un des moyens suivants : étincelle,
point chaud ou échauffement par compression.
2.
Dans la
première partie de la seconde phase, le mélange qui vient d’être allumé voit sa
pression fortement augmenter et pousser le piston vers le bas, tandis que le
mélange air/carburant emmagasiné dans le bas du moteur est comprimé. Dans la
seconde partie de la seconde phase les gaz brûlés s’échappent par la ou
les lumières d’échappement pratiquées
dans le bas du cylindre, en même temps que les gaz frais entrent dans le
cylindre par les lumières de transfert opposées aux lumières d’échappement.
Un des points faibles
du système est la tendance des gaz frais à partir directement vers
l échappement. Cet effet peut être limité par une orientation adaptée des
conduits et lumières, mais il peut être atténué encore plus par l’utilisation
d’un résonateur qui fonctionne sur le principe suivant (voir figure 5) :
lors du début de l’échappement une onde de surpression entre dans le
résonateur, est réfléchie à l’extrémité du résonateur vers le milieu de phase
d’échappement, puis bloque les gaz qui voudraient encore s’échapper à la fin de
la phase d’échappement.
Figure 5 : cycle deux temps avec résonateur
Photo 7 : admission par l’avant (ouverture dans le
vilebrequin) Photo 8 :
admission par disque arrière
La simplicité mécanique des moteurs deux temps les rends très légers et donc appréciés en modélisme. On peut distinguer deux sous-classes :
· Les moteurs économiques à balayage en « cloche » (voir photo 9). Ces moteurs n’ont qu’une lumière de transfert opposée à la lumière d’échappement. Les gaz frais sont orientés vers le haut par une chicane placée sur le piston. Pour diminuer encore leur prix, ces moteurs utilisent souvent un vilebrequin sur palier lisse en bronze.
· Les moteurs à balayage en boucle dits Schnürle (voir photo 10) plus performants mais plus chers. Ces moteurs ont deux lumières de transfert (parfois plus) placées latéralement et orientées vers le haut afin que les gaz frais montent en parcourant une boucle dans le cylindre. Ces moteurs plus élaborés bénéficient en général de roulements à billes pour guider le vilebrequin.
Une comparaison fine des deux types de balayage montre que la supériorité du balayage Schnürle n’est pas si évidente qu’il parait, car par exemple l’OS MAX-32SX à distribution Schnürle donne 1,2 CV à 18000 tr/mn pour 270 g alors que l’OS MAX-46LA, certes de cylindrée nettement supérieure, à distribution en cloche nettement moins cher donne lui aussi 1,2 CV mais à 15000 tr/mn pour la masse de 272 g… En fait, la différence réelle tient plutôt dans la plus grande durée de vie du moteur Schnürle liée à la présence de roulements à billes, et à la plus grande facilité de réglage du moteur Schnürle du fait d’un carburateur plus élaboré. Deux éléments non liés au principe Schnürle.
Un autre point qui mérite qu’on y prête attention est le fait que les constructeurs, pour avoir une gamme plus étoffée, ont souvent tendance à proposer des moteurs semblables en deux alésages différents. Pour des masses semblables, on aura alors tout intérêt à choisir l’alésage le plus grand et donc la cylindrée la plus importante ; il sera par exemple astucieux de préférer l’OS MAX-46LA de 1,2 CV à l’OS MAX-40LA de 1 CV de même masse et dimensions.
Photo 9 : balayage en cloche OSMAX 15LA Photo 10 : balayage Schnürle ASP52
Noter l’absence de roulement à gauche (pas de renflement du carter) et les aiguilles de gicleur déportées
Les éléments du moteur à explosion
Le nom, la
constitution et la fonction de chaque élément constituant un moteur à
explosion, visible sur les figures 3 et 5, sont précisés ici en partant des
éléments du haut vers ceux du bas.
La culasse
La culasse est la
partie supérieure du moteur. Elle porte la bougie d’allumage et sa partie
inférieure en creux délimite la chambre de combustion. Cet élément est presque
toujours en alliage d’aluminium car l’aluminium transmet bien la chaleur, et
c’est à cet endroit que le maximum de chaleur doit être évacué. La culasse est
presque toujours démontable en enlevant quatre ou six vis.
Dans le cas d’un
moteur à quatre temps, la culasse porte aussi les soupapes avec leur ressort de
rappel qui en assure la fermeture. Les soupapes sont commandées par un ou
plusieurs arbres à cames tournant à la moitié de la vitesse du vilebrequin,
visibles juste au-dessus des soupapes dans la figure 3. Cette configuration
classique dans le monde automobile nommée « arbre en came en tête »
ne se retrouve quasiment jamais dans le monde modéliste. Les moteurs de
modélisme utilisent plutôt la configuration « moteur culbuté » présentée à la figure 6. Dans cette
configuration l’arbre à cames unique est entraîné directement par le
vilebrequin grâce à un jeu d’engrenages, il entraîne à son tour dans un
mouvement alternatif les deux tiges de culbuteurs qui commandent les culbuteurs
qui inversent le sens du mouvement pour finalement pousser sur les soupapes.
Figure 6 : distribution d’un moteur culbuté (source
Wikipédia)
L’ensemble cylindre/piston
Le piston assure le
mouvement alternatif linéaire guidé par le cylindre et la transformation de
l’énergie de pression en mouvement mécanique.
Le cylindre assure
quatre fonctions :
·
guidage du
piston,
·
étanchéité
pour empêcher les gaz de fuir vers le bas moteur,
·
lubrification
pour limiter frottement, usure et échauffement entre piston et cylindre,
·
évacuation
de la chaleur.
Pour que l’ensemble
fonctionne bien il faut une parfaite adaptation entre piston et cylindre, tant
d’un point de vue matériau que d’un point de vue dimensionnel. La majorité des
solutions conduisent à utiliser un cylindre chemisé, c'est-à-dire que la partie
interne (en contact avec le piston) du cylindre est un tube (chemise) introduit
en force dans une partie externe an alliage d’aluminium (pour la conduction de
la chaleur) avec des ailettes. On trouve dans le commerce cinq solutions :
·
Piston en alliage d’aluminium et cylindre
chemisé en acier : c’est la
solution la plus classique, mais elle impose (sauf pour les plus petits
moteurs) un segment qui est un anneau élastique en fonte dans la partie haute
du piston pour assurer l’étanchéité (deux sont visibles à la figure 3 et un à
la figure 5). Comme le coefficient de dilatation de l’aluminium est très
supérieur à celui de l’acier, on laisse un jeu mécanique important entre les
deux pièces qui disparaît avec l’échauffement ; mais il faut un segment
pour assurer l’étanchéité au démarrage et aux températures intermédiaires.
·
Piston en fonte et cylindre en acier rodés
l’un sur l’autre : cette
configuration utilisable uniquement pour les petits moteurs à cause du poids du
piston est idéale. Le jeu entre piston et cylindre est réduit au minimum, il
n’y a pas de problème de dilatation car les deux matériaux ont le même
coefficient de dilatation. Par contre, comme cylindre et piston sont appariés,
on ne pourra pas les acheter séparément. Si le choix des nuances de métal est
bien fait, le cylindre s’use doucement en même temps que le piston voit son
diamètre augmenter par le tassement lié aux explosions successives, et
l’ensemble devient alors quasiment inusable.
·
Moteur ABC : piston en alliage
d’Aluminium, cylindre chemisé en laiton (Brass en anglais) plaqué Chrome. Dans cette solution, le chrome
dur poreux assure la résistance à l’usure et favorise la lubrification. En
raison de la différence de coefficient de dilatation entre aluminium et laiton
et la différence de température en fonctionnement entre le haut et le bas du
cylindre, on usine la chemise de cylindre de façon conique. A froid le piston
serre légèrement dans le piston à proximité du point mort haut ; le
phénomène disparaissant à chaud car le cylindre prend alors une forme
cylindrique en se dilatant plus vers la chambre de combustion. Le piston et le
cylindre des moteurs ABC doivent être parfaitement appariés comme dans le cas
de l’association acier/fonte, et ne peuvent donc pas non plus être achetés
séparément.
·
Moteur ABN : variante du moteur ABC où le chrome est remplacé par du nickel (un peu
plus sombre à l’œil que le chrome).
·
Moteur AAC : piston en alliage
d’Aluminium, cylindre en alliage d’Aluminium plaqué Chrome. Cette solution technique est très
intéressante car elle évite l’utilisation d’une chemise, ce qui permet de
réaliser des moteurs plus légers qui chauffent moins. Elle est peu utilisée car
elle nécessite une parfaite maîtrise du chromage de l’aluminium (opération très
délicate).
Lorsque le piston
est tout en haut du cylindre (gaz comprimés au maximum) on dit qu’il est au point
mort haut. Lorsqu’il est en bas, on dit qu’il est au point mort bas.
La distance parcourue par le piston entre les points morts haut et bas
s’appelle la course. Le volume balayé ente les deux points morts définit
la cylindrée. Lorsque le diamètre du cylindre est égal à la course on
dit que le moteur est « carré » ; on est toujours proche
de cette configuration. Un moteur avec une course supérieure au diamètre est
dit « longue course » ; c’est une configuration favorable
aux moteurs lents. Un moteur avec une course inférieure au diamètre est dit
« hyper carré » ; configuration permettant d’augmenter le
régime maximal de rotation.
Un moteur carré de
0,8 cm3 a une course et un diamètre de cylindre de exactement 1 cm, tandis
que le même moteur d’une cylindrée de 80 cm3 aura une course et un diamètre de
4,67 cm.
Le volume restant
entre culasse et piston au point mort haut s’appelle le volume mort. Le taux
de compression est le rapport entre le volume dans le cylindre au point
mort bas et le volume mort. Le taux de compression doit être parfaitement
choisi pour que le moteur fonctionne correctement. Il est fonction
principalement (par ordre d’importance décroissante) du carburant, de la
bougie, du régime de rotation nominal et de la cylindrée.
La bielle
La bielle assure la
liaison entre le mouvement alternatif (piston) et le mouvement rotatif
(vilebrequin). Le pied de bielle est relié au piston via l’axe de piston et la
tête de bielle est reliée au vilebrequin via le maneton. La bielle subit des
efforts très importants, elle est donc souvent en alliage d’aluminium à haute
résistance, parfois en acier.
Le vilebrequin
L’axe de l’hélice
constitue une extrémité du vilebrequin. L’autre extrémité est le maneton, axe
parallèle à l’axe d’hélice, mais décalé d’une demi course. L’axe de l’hélice
est en général guidé par deux roulements à billes. Parfois les roulements à
billes sont remplacés par un palier lisse en bronze phosphoreux poreux ;
ces moteurs plus légers prennent malheureusement rapidement du jeu par usure du
palier en bronze et leur fonctionnement se dégrade alors rapidement. Le
vilebrequin est toujours en acier à haute résistance.
Dans la majorité des
moteurs 2T le vilebrequin est creux et contrôle l’arrivée des gaz frais. Dans
le cas des moteurs 4T, l’axe d’hélice comporte un engrenage pour commander
l’arbre à cames. Les moteurs 4T n’utilisent jamais de palier lisse car le bas
moteur est moins bien lubrifié que dans le cas des 2T car les gaz frais, et
donc l’huile de lubrification, ne transitent pas par le bas moteur.
Le carter
Le carter du moteur
porte l’ensemble des pièces mobiles et fixes, et inclut le plus souvent la
partie externe avec des ailettes du cylindre. C’est en général une pièce moulée
en alliage d’aluminium. Parfois on utilise un alliage de magnésium plus léger,
mais ce matériau présente l’inconvénient d’être très sensible à la corrosion.
Parfois le carter (ou certaines autres parties) sont anodisées ou vernies afin
d’améliorer l’esthétique. C’est en particulier le cas des moteurs britanniques
Irvine (photo 11).
Photo 11 : moteur britannique laqué Irvine
Caractéristiques de couple et de
puissance
Comme précisé au paragraphe sur le comportement général du moteur à explosion, il se comporte comme un générateur de couple. Ce couple, comme on peut le vérifier à la figure 7, varie peu en fonction du régime jusqu’à celui auquel l’air n’a plus le temps de pénétrer suffisamment dans le moteur à cause des restrictions, principalement celle du carburateur.
La puissance, produit du couple par le régime de rotation, passe par un maximum au régime où le couple baisse autant que le régime augmente. Ce régime est important, car c’est celui auquel on tire le maximum du moteur, à condition qu’il soit compatible avec le bon fonctionnement de l’hélice.
La puissance d’un moteur doit être choisie en fonction de la puissance nécessaire pour le modèle et de critères supplémentaires liés aux caractéristiques propres de chaque moteur. La puissance maximale Pmax en CV d’un moteur, déterminée par l’équation 12, peut être estimée en fonction de son régime nominal d’explosions Enom en milliers d’explosions par minute (régime de la puissance maximale), de sa cylindrée V en cm3 et d’un coefficient de qualité λ donné dans le tableau 1.
(12)
N.B. : 1 CV = 736 W et 1 HP = 745 W
Type |
λ minimal |
λ nominal |
λ maximal |
2T à balayage en cloche |
0,0085 |
0,0105 |
0,0125 |
2T à balayage Schnürle |
0,0100 |
0,0120 |
0,0140 |
4T |
0,0155 |
0,0170 |
0,0185 |
Wankel |
|
0,0150 |
|
Tableau 1 : coefficient de qualité λ des moteurs à explosion
On remarquera d’abord que comme un moteur 4T ne produit une explosion que tous les 2 tours de vilebrequin, son Enom est la moitié de son régime de rotation Nnom, alors que Enom = Nnom dans le cas d’un 2T.
Le coefficient λ − accessoirement inversement proportionnel à la consommation − est une image de la qualité du remplissage des cylindres et de l’exploitation de la détente des gaz. Un moteur bien conçu aura donc un coefficient λ élevé (typique des moteurs japonais). Mais attention : si λ est trop élevé c’est probablement qu’il y a tricherie ou erreur ; ça arrive encore de nos jours ! D’une façon générale, on peut remarquer que la distribution en « cloche » en nette régression conduit à une puissance moindre (et donc une plus grande perte de mélange dans l’échappement) que la distribution « Schnürle » (en boucle), mais que le moteur 4T reste de loin le meilleur.
Concepts et options
Le mélange air/carburant doit être allumé un peu avant le point mort haut du piston. Il faudrait choisir exactement le point mort haut si la vitesse de combustion était infinie. Comme elle est limitée, il faut anticiper un peu ; c’est ce qu’on appelle l’avance à l’allumage. L’avance à l’allumage doit être d’autant plus importante que le moteur tourne vite et qu’il y a de gaz à brûler (autrement dit que la commande de gaz est ouverte).
La méthode d’allumage utilisée sur les premiers moteurs de modélisme était celle de nos voitures : l’allumage par bougie à étincelles. Elle est toujours utilisée pour les moteurs de grosse cylindrée (photo 12) car elle permet d’utiliser l’essence beaucoup moins chère que le méthanol comme carburant. Cela n’empêche pas certains modélistes d’adapter un allumage à étincelles sur leur moteur de 10 cm3 et plus sans changer de carburant car la puissance augmente un peu du fait d’un meilleur contrôle de l’avance à l’allumage, et surtout parce que le ralenti devient nettement plus stable.
Les moteurs dits « à essence » (photo 12) sont des moteurs 2T à allumage par bougie à étincelles comme les moteurs de tronçonneuses. On ne les utilise plus que dans les grosses cylindrées (25cc et plus) où le budget du carburant au méthanol devient excessif. Leur avantage, outre qu’ils brûlent un carburant bien moins cher, est qu’ils en consomment deux fois moins et que leur ralenti est plus stable.
Photo 12 : moteur ROTO-25 à essence
Une variante appelée « magnéto » consiste à utiliser une bobine placée à proximité immédiate d’un volant lié à l’axe de l’hélice et possédant un petit aimant (voir photo 13). Lorsque l’aimant passe devant la bobine, une forte tension est induite, ce qui déclenche l’étincelle dans la bougie reliée électriquement à la bobine. Cette technique permet de profiter des avantages de l’allumage à étincelles sans nécessiter de batterie ni d’électronique.
Photo 13 : moteur ZENOAH à allumage par magnéto (photo Weymuller)
L’allumage par bougie à étincelle étant relativement compliqué, on a mis au point une méthode nettement plus simple juste après la seconde guerre mondiale. Elle consiste à utiliser une bougie à incandescence (glow plug en anglais) utilisant un filament en platine. Le filament est chauffé au rouge par les explosions successives et allume le mélange air/carburant lorsqu’il a été lui-même suffisamment chauffé par la compression. C’est la méthode d’allumage de très loin la plus utilisée en modélisme en raison de sa simplicité. L’efficacité du système tient au fait que lorsque le moteur tourne plus vite ou que la commande de gaz est plus ouverte, la bougie chauffe plus et augmente l’avance à l’allumage, juste comme il faut.
L’inconvénient principal de la méthode est qu’elle ne marche qu’avec un carburant à base de méthanol relativement coûteux et peu énergétique qui induit une forte consommation. Mais cela n’empêche pas l’immense majorité des moteurs de modélisme d’utiliser cette méthode devenue presque exclusive en RC pour les cylindrées inférieures ou égales à 10 cm3. La photo 14 présete une photo de famille des quelques moteurs 2T dits « glow plug ».
Photo 14 : quelques moteurs 2T « glow plug ». Haut gauche FOX (USA), centre ENYA (Japon), haut droite WEBRA (Autriche),
bas gauche K&B (USA) et bas droite SUPER-TIGRE (Chine). Noter le capuchon de carter agrandi chez FOX et
le démontage du carter par l’avant chez ENYA.
Quoi qu’il en soit, il existe une méthode encore plus simple qui consiste à utiliser un carburant détonnant à faible température et utiliser l’échauffement produit par la compression pour provoquer l’allumage. Les moteurs utilisant cette méthode sont dits à « autoallumage ». Le bon fonctionnement est obtenu avec un combustible à base de pétrole dopé à l’éther. Pour que le mélange s’allume au bon moment il faut que la compression soit réglée de façon très précise, c’est pourquoi ces moteurs utilisent un contre-piston de réglage de compression déplacé par une vis située au sommet de la culasse (voir photo 15).
On appelle parfois ces moteurs « moteurs Diesel » mais à tort car ils n’utilisent pas exactement le même principe. Ils ont presque complètement disparu des terrains de modélisme français alors qu’ils restent utilisés dans d’autres pays comme les Etats-Unis d’Amérique où la société DAVIS Diesel [3] vend par Internet des adaptations pour de nombreux moteurs à « glow plug ».
Le fabricant britannique PAW [4] (photo 15 à droite) offre pour sa part une gamme complète de moteurs à autoallumage et les vend par internet. Il existe d’autres fabricants dans les pays de l’Est et en Inde.
Photo 15 : quelques moteurs modernes et anciens à autoallumage. MVVS (Rep. thcèque) à gauche, PAW (Grande Bretagne) à droite
Au centre haut un
moteur MILLS (années 30) et au centre bas un moteur TAIFUN (années 60)
Les avantages de l’autoallumage sont : consommation deux fois moindre, puissance légèrement augmentée, ralenti plus stable, pas de besoin de batterie de démarrage et pas besoin de renoncer à voler parce que la dernière bougie est grillée. Un modéliste qui veut se distinguer devrait avoir au moins un de ces moteurs difficilement trouvable aujourd’hui en France ; un des avantages étant qu’utiliser ce type d’allumage permet précisément de se distinguer.
Les bougies
Les bougies à incandescence ont typiquement l’aspect de la photo 16. Le filament est relié mécaniquement et électriquement entre le corps de la bougie et la borne centrale isolée par une céramique visible sur la photo 17. La liaison électrique sert à appliquer une tension de 1,5 V à l’aide d’une batterie Cadmium/Nickel pour préchauffer le filament. Le préchauffage est rendu nécessaire car tant que le moteur n’a pas démarré le filament ne chauffe pas, et tant que le filament ne chauffe pas le moteur ne peut pas démarrer…
Photo 16 : bougie à incandescence (source Lindinger Modellbau [5])
Il y a un très grand choix de marques et de bougies. Les bougies à incandescence sont classées en température. Le classement s’étend de très froide à très chaude en passant par froide, moyenne et chaude. Mais chaque fabriquant a son système de classement et numérotation ; parfois difficile à comprendre. Le choix de la température de bougie est très important car il détermine l’instant d’allumage. Si la bougie est trop chaude ou trop froide, l’allumage est précoce ou tardif, et le moteur fonctionne alors moins bien. Pour un premier choix le mieux et de se fier à la notice du moteur ou à défaut de choisir une bougie moyenne (medium en anglais). Pour affiner le choix on pourra prendre en compte les critères suivants :
· par temps froid et humide il faut utiliser une bougie plus chaude,
· les petits moteurs (2,5 cm3 et moins) nécessitent souvent une bougie plus chaude,
· un carburant avec plus de nitrométhane nécessite une bougie plus froide,
· une compression forte implique une bougie froide,
· un moteur 4T doit utiliser une bougie spéciale 4T (chaude).
Pour compliquer un peu plus les choses il faut savoir qu’il existe des bougies faites pour 2 V au lieu de 1,5 V ; il faut les alimenter avec une batterie au plomb de 2 V. Il existe aussi des bougies à filetage long pour les gros moteurs à ne pas mettre là où une bougie à filetage court est prévue, au risque de voir la bougie être heurtée par le piston. On trouve encore d’autres types de bougies plus ou moins spéciales, dont certaines ont une petite tige de protection du filament appelée barrette de ralenti sensée contrer les calages à la reprise.
Le choix des bougies à étincelle (voir photo 17) est moins critique que celui des bougies à incandescence. Mais là encore il a un problème de température. Trop froide, la céramique interne de la bougie va s’encrasser et l’étincelle disparaître ; trop chaude, l’électrode centrale va finir par commencer à fondre (perlage), ce qui changera l’écartement entre l’électrode centrale et latérale et arrêtera aussi l’étincelle. Étant donné les variantes dimensionnelles, le mieux est de toujours s’en tenir aux recommandations du fabricant du moteur et de ne changer de bougie qu’en cas de problème de température avéré (perlage ou encrassement de la céramique centrale).
Le réglage de l’écartement entre les deux électrodes d’une bougie à étincelles est très important. C’est la première chose à vérifier en cas de problème d’allumage. L’écartement à maintenir dépend du circuit électrique (ou électronique) d’allumage. Il peut varier de 0,3 mm à 1 mm selon les cas. Un écartement trop fort empêche toute étincelle, un écartement trop faible en diminue l’efficacité. Dans le cas d’un allumage à magnéto l’écartement doit rester faible et bien réglé, car dans ce cas la tension d’allumage, proportionnelle au régime de rotation est très limitée au démarrage qui nécessitera des impulsions très énergiques.
Photo 17 : bougie à étincelles (source Lindinger Modellbau)
Dispositifs de préchauffage et annexes
Les magasins de
modélisme offrent une multitude de clips, pinces et dispositifs d’alimentation
au sol pour les bougies à incandescence : monoblocs ou sous forme de pince
avec une batterie déportée. On trouve aussi des circuits permettant de
transformer le 12 V de la batterie du démarreur en 1,5 V permettant ainsi
d’économiser une batterie. Cet accessoire dispose souvent de ce qui devrait
être obligatoire, à savoir un ampèremètre. En effet, les faux contacts et
bougies grillées étant monnaie courante, l’ampèremètre est un élément de
diagnostic très précieux.
Un « chauffe
bougie » embarqué (voir photo 18) n’est pas indispensable, et même rarement
utilisé, mais il représente néanmoins une amélioration intéressante car les
bougies à incandescence ont tendance à être trop froides à faible puissance. Le
chauffe bougie embarqué fait passer un courant dans la bougie d’autant plus
important que la commande de gaz est proche du ralenti, mais supprime tout
courant au-delà d’environ un tiers de gaz. Ceci qui a pour effet de rendre le
ralenti plus lent et plus stable.
Photo 18 : chauffe bougie embarqué (source Just Engines [6])
Nos micromoteurs
n’utilisent pas, sauf exception, l’essence de voiture, entre autre à cause du
système d’allumage différent et aussi parce que le carburant en modélisme doit
assurer la fonction de lubrification, ce qui impose d’y ajouter de l’huile en
proportion non négligeable. On utilise typiquement deux types d’huile :
·
l’huile de ricin. C’est une huile végétale très performante qui résiste à très haute
température. Malheureusement elle a tendance à s’oxyder avec le temps et forme
une gomme difficile à éliminer, mais qui protège de la corrosion.
·
L’huile 2T synthétique. Cette
huile a la particularité d’être miscible avec le carburant. Elle est moins
chère que l’huile de ricin, plus stable dans le temps et ne forme pas de gomme,
ce qui lui permet dans certaines conditions de remplacer partiellement ou
totalement l’huile de ricin.
La composition
typique des carburants est donnée ci-après pour information seulement car il
est préférable d’utiliser un mélange du commerce réputé plutôt que de faire son
mélange soi-même. Ceci à cause de la difficulté à trouver certains composants
et à cause de la toxicité de certains d’entre eux, en particulier du méthanol
et de l’amyl-nitrate (utilisé dans certains carburants américains pour
autoallumage).
Moteurs à bougies à incandescence
Les carburants pour
moteurs glowplug utilisent les ingrédients suivants :
·
Huile : il s’agit en général d’un mélange d’huile de ricin et d’huile de
synthèse. Utiliser moins de 50 % d’huile de ricin est déconseillé car le
méthanol du mélange est très hygrophile et la protection anti-corrosion de
l’huile de ricin très importante. La proportion typique d’huile dans le
carburant est de 20 %, mais les moteurs 4T peuvent parfois se contenter de 15 %
alors que des moteurs très poussés peuvent exiger 25 %.
·
Nitrométhane : la composition chimique brute CH3NO2
du nitrométhane montre que ce composé apporte de l’oxygène. Il s’agit donc d’un
dopant qui permet d’augmenter la quantité de gaz de combustion produit et donc
accroître la puissance du moteur. La quantité normale de nitrométhane va de 5 %
à 15 % en fonction des performances désirées. Certains moteurs, notamment ceux
fabriqués dans les pays d’Europe de l’est sont prévus pour fonctionner sans
nitrométhane ; ils ont un taux de compression plus élevé à cet effet. A
l’inverse, certains moteurs d’hélicoptère ou très poussés peuvent accepter jusqu’à
30 % de nitrométhane ; attention toutefois au stress imposé au moteur à
partir de 20 % de nitrométhane, car tous les moteurs ne le supportent pas. Le
nitrométhane est en général interdit en compétition. L’usage de 5 % de
nitrométhane dans le carburant de base (hors compétition) tient au fait que
cette proportion de nitrométhane rend le réglage de la carburation moins
critique et permet un ralenti plus lent et plus stable.
·
Méthanol : carburant proprement dit. Ce composé est très hygrophile, c'est-à-dire
qu’il absorbe spontanément l’humidité de l’air. Il faut toujours bien refermer
le bidon de carburant et l’ouvrir le moins possible. Une pompe à carburant à
demeure sur le bidon permet de limiter significativement le contact du méthanol
avec l’air extérieur et donc sa propension à absorber de l’humidité.
·
Anticorrosion : de nombreux carburants contiennent un
additif anti-corrosion en faible quantité pour améliorer la protection apportée
par l’huile de ricin.
·
Fongicide : l’addition d’un fongicide est parfois utilisé pour éviter le
développement d’algues avec le temps.
Moteurs à bougies à étincelles
Les moteurs à
bougies à étincelles sont en général de gros moteurs (25 cm3 et
plus) et se content de beaucoup moins d’huile. La composition typique est la
suivante :
·
Huile : on utilise en général 2,5 % à 5 % d’huile de synthèse de bonne qualité,
l’utilisation d’huile de ricin étant inutile.
·
Essence : le sans plomb 95 sans ajout d’éthanol (éviter le E10) constitue les
reste du mélange.
Moteurs à autoallumage
Les moteurs à
autoallumage utilisent un carburant à trois ou quatre composants :
•
Huile : pour la lubrification et l’étanchéité entre le piston et le cylindre.
L’huile préférée est l’huile de ricin pour ses propriétés anti-corrosion, mais
on peut parfaitement utiliser un mélange d’huile synthétique et d’huile de
ricin. La proportion idéale d’huile dans le mélange est de 25 %.
•
Pétrole : carburant proprement dit, il peut être remplacé par du gasoil (qui brûle
toutefois moins proprement) ou du kérosène. La proportion utilisée idéale est
de 43 %.
•
Ether : destiné à diminuer la température de la détonation (et donc le taux de
compression nécessaire) et à rendre miscible l’huile dans le pétrole. La
proportion idéale est de 30 %.
•
Iso-propyl nitrate : destiné à permettre de diminuer un peu le
taux de compression nécessaire à la détonation, et donc à augmenter la durée de
vie des moteurs. La proportion doit être de 2 %, mais comme c’est un
composant difficile à approvisionner, on pourra éventuellement s’en passer et
utiliser un peu plus de pétrole.
Comme le pétrole est
beaucoup plus énergétique que l’alcool méthylique des moteurs à glow plug, la
consommation est bien moindre, ce qui permet d’utiliser un réservoir plus
petit. L’inconvénient de ce carburant est l’odeur d’éther qui incommode
certains.
D’une façon générale
concernant les carburants on peut distinguer deux cas :
·
Utilisation
de méthanol dont l’énergie de combustion est de 19.7 MJ/kg et le rapport
stoechiométrique est de 6.42:1.
·
Utilisation de pétrole ou d’essence dont l’énergie de combustion est de 44,5
MJ/kg et le rapport stoechiométrique est de 14,7:1.
Donc avec le
méthanol il faudra 14,7/6.42 = 2,29 fois plus de carburant, ce qui peut poser
des problèmes si on adapte un moteur initialement à essence au méthanol car il
faut que le carburateur puisse délivrer le carburant supplémentaire. En
revanche, l’énergie par explosion avec du méthanol sera 2,29*19,7/44,5 = 1,01
fois plus élevée, donc équivalente. L’usage du méthanol devient finalement
avantageux du point de vue puissance grâce à l’addition de nitrométhane. Le
léger gain en passant du méthanol (sans nitrométhane) au pétrole (avec
autoallumage) s’explique par le meilleur rendement du moteur dans le second cas
lié à un taux de compression plus élevé.
La carburation et les réglages
Un moteur à
explosion ne fonctionne correctement qui si son mélange air/carburant est
proche de la stœchiométrie, c'est-à-dire qu’il y a juste assez d’oxygène pour
brûler tout le carburant. Un mélange riche (avec excès de carburant) diminue la
température de combustion à cause de l’évaporation du combustible en excès,
tandis qu’un mélange pauvre à tendance à provoquer une surchauffe. Lorsqu’on
s’écarte de plus de 20 % du mélange stœchiométrique, le moteur a tendance à
cafouiller puis à caler.
Le carburateur est
donc la pour permettre de régler la quantité d’air frais entrant tout en
ajoutant la bonne proportion de carburant. Le fonctionnement d’un carburateur
simplifié (voir figure 17) est simple :
·
Le
boisseau (cylindre percé 4) permet d’obstruer plus ou moins l’entrée d’air du
moteur en modifiant sa position angulaire, comme un robinet. Il règle donc la
quantité d’air aspiré par le moteur à chaque tour.
·
Le
passage de l’air dans le carburateur crée une dépression qui aspire le
carburant par le gicleur relié au réservoir via une durit.
·
L’aiguille
du gicleur 1 permet d’obstruer plus ou moins l’ouverture du gicleur et donc de
régler la proportion air/carburant.
Figure 7 : carburateur élémentaire
Tel quel, le
dispositif ne fonctionne pas correctement car la quantité de carburant aspirée
n’est pas proportionnelle à la quantité d’air. La proportion de carburant
augmente fortement lorsqu’on ferme le boisseau. Il faut donc appauvrir le
mélange lorsque le boisseau est fermé. Pour cela deux méthodes peuvent être
utilisées :
·
ajouter
de l’air par un orifice supplémentaire pour appauvrir le mélange boisseau
fermé,
·
diminuer
l’ouverture du gicleur à l’aide d’un contre-pointeau lorsque le boisseau se ferme.
La photo 19 montre
la première solution. Une petite ouverture réglable par une vis d’air de
ralenti permet de régler la richesse du mélange lorsque le boisseau est en
position de ralenti.
Photo 19 : carburateur FOX avec réglage de l’air au
ralenti
La figure 8 et la
photo 20 montrent la seconde solution. Le principe est un peu plus compliqué.
Dans cette solution le boisseau ne se déplace plus simplement en rotation, mais
en spirale, ce rapprochant du gicleur lorsqu’il se ferme. Il porte en son
centre l’aiguille du contre-pointeau 2 qui pénètre donc dans le gicleur
lorsqu’on diminue les gaz, ce qui a pour effet de diminuer l’arrivée de
carburant et donc la richesse du mélange.
Photo 20 et
figure 8 : carburateur avec réglage
de la richesse du ralenti par contre-pointeau
Noter dans la photo 22 la présence du
contre-pointeau visible dans le carburateur
La seconde méthode
est plus compliquée et donc plus coûteuse que la première, mais elle permet un
meilleur réglage de la richesse. Le réglage est aussi plus facile. La majorité
des moteurs utilisent donc des carburateurs de ce type.
Les carburateurs à
contre-pointeau constituent la grande majorité des carburateurs. Ils ne sont
pas pour autant parfaits. En effet, le tube du gicleur obstrue partiellement
l’arrivée d’air, ce qui limite la quantité de gaz qui peut entrer dans le
moteur. Aussi, la société autrichienne WEBRA disparue en 2011 proposait des
carburateurs à guillotine (figure 9 et photo 21) dans lesquels le boisseau
cylindrique est remplacé par un lame plate percée se déplaçant en translation
et où le gicleur est décalé latéralement afin de ne plus provoquer
d’obstruction. Ce type de carburateur augmente un peu la puissance du moteur et
améliore la qualité du mélange.
Photo 21 et figure
9 : carburateur à guillotine
fabriqué par la société WEBRA
Noter l’absence de contre-pointeau obstruant
Les carburateurs à guillotine,
malgré le progrès qu’ils représentent, ne sont pas non plus parfaits. Il
subsiste une série de problèmes listés ci-après par ordre d’importance
décroissante :
·
tout
changement d’attitude de l’aéromodèle change la hauteur du carburant par rapport
au carburateur et donc la richesse,
·
lorsque
le réservoir se vide le niveau baisse et le mélange s’appauvrit,
·
tout
changement de température entraîne un changement de viscosité et donc de
richesse,
La variation de la
pression d’arrivée du carburant étant la cause majeure des irrégularités de la
carburation, de nombreux moteurs de plus de 10 cm3 sont équipés d’un
régulateur de pression (photo 22) précédé d’une pompe. Les gros moteurs 2T à
essence dérivés des outils de jardin sont d’ailleurs systématiquement pourvus
de ces accessoires inclus dans leur carburateur Walbro (photo 23).
Photo 22 : moteur OS SURPASS 91 à pompe Photo 23 : moteur ZENOAH à
carburateur à pompe Walbro (photo Weymuller)
Hormis ceux des très
gros moteurs, la majorité des carburateurs doivent être réglés. Il y a donc
quelques petites astuces à connaître.
·
Le
réglage de la richesse à plein gaz doit se faire en tournant d’abord l’aiguille
du gicleur jusqu’à obtenir le régime maximum (son le plus aigu). On est alors
légèrement pauvre, on ouvre donc alors le gicleur d’environ 20° à 30°.
·
Le
réglage de richesse du ralenti doit se faire en deux temps répétés. D’abord
réglage de la richesse à plein gaz, puis de la richesse au ralenti en cherchant
le régime maximal à l’aide de la vis d’air ou de carburant (selon le type de
carburateur). L’opération doit être répétée deux ou trois fois. Le contrôle se
fait ensuite de la façon suivante : si lors de la mise de gaz
l’accélération est molle et que l’échappement laisse sortir un brouillard
blanchâtre, le ralenti est trop riche ; si à la mise de gaz le moteur
hésite ou cale, le ralenti est trop pauvre.
·
Après le
réglage initial toujours vérifier que le moteur fonctionne à toutes les
attitudes de vol, car il peut devenir trop pauvre et caler lors des montées en
chandelle, ou au contraire devenir trop riche en piqué.
·
Il peut
être astucieux d’être un poil riche en début de vol, car au fur et à mesure que
le niveau du carburant descend dans le réservoir le mélange s’appauvrit.
·
Il faut
éviter de carburer pauvre car la surchauffe peut endommager le moteur. Ce point
est particulièrement critique avec le moteur Wankel de OS.
La fonction de
l’échappement est plus complexe qu’il y paraît. Si la fonction initiale
évidente est la diminution du bruit, l’échappement a aussi d’autres fonctions
secondaires importantes :
·
freiner
la sortie des gaz d’échappement pour stabiliser le ralenti,
·
pressuriser
le réservoir de carburant afin de minimiser l’effet des variations de niveau de
carburant et de changement d’attitude sur la carburation,
·
canaliser
les rejets d’huile de ricin,
·
protéger
le cylindre des entrées d’impuretés.
Deux solutions
s’offrent au modéliste :
·
le
silencieux classique et compact plus ou moins efficace selon qu’il a une ou
deux chambres (photo 24),
·
le
résonateur dont le fonctionnement est présenté à la figure 5 et qui permet
d’augmenter la puissance.
Les résonateurs ne fonctionnent qu’avec les 2T. Ils permettent de gagner jusqu’à 20 % de puissance, mais à un seul régime, ce qui est surtout intéressant en compétition. Si on veut utiliser un résonateur et le choisir ou le faire soi-même, Martin Hepperle, toujours lui, propose le logiciel libre JavaPipe [7] pour le dimensionnement.
Photo 24 : échappement à deux chambres avec prise de
pressurisation du réservoir
Selon son sens de
l’humour, sa position au sein de son club, selon qu’on a toujours ou non besoin
de tous ces doigts, selon qu’on souhaite ou non d’augmenter le nombre de pages
du magazine de notre fédération, la position vis-à-vis de la sécurité peut
changer drastiquement. Voici ci-après une position qui en vaut bien une
autre :
·
Inutile
d’utiliser un démarreur électrique, tous les moteurs démarrent parfaitement à
la main, on n’aura donc jamais besoin de cet accessoire.
·
Si on
s’obstine à vouloir démarrer à la main, inutile d’utiliser un bâton, ça fera
rire les copains au premier retour d’hélice et plaisir au médecin qui facturera
les points de suture.
·
Se
contenter de fixer l’aéromodèle sommairement au sol, ou ne pas le fixer du
tout, comme ça il aura aussi sa change de pouvoir se balader un peu. Attention
quand même, si vous êtres marié, à l’hélice qui déchire les bas de pantalon et
au sang qui tâche les mêmes bas de pantalon. Ça déplait en général aux épouses.
Quelques autres
conseils :
·
Pour
démarrer, le moteur à besoin de vapeurs de carburant dans le cylindre avant
toute tentative. Il faut donc en injecter un peu à l’aide d’une pipette, ou
provoquer une forte aspiration en bouchant l’entrée d’air du carburateur puis
en tournant énergiquement l’hélice de quelques tours (généralement trois tours
à froid et un tour à chaud).
·
Un
moteur, surtout lorsque le cylindre n’est pas orienté vers le haut peut
accumuler du carburant ou de l’huile. Il faut donc toujours le faire tourner à
la main, bougie coupée, pour vérifier qu’il n’y a pas de blocage hydraulique
avant d’utiliser un démarreur électrique.
·
En
raison de leur forte compression, il est assez risqué de démarrer un moteur à
autoallumage au démarreur électrique. Avec eux, il vaut mieux démarrer à la
main en utilisant un bâton tendre ou enrobé de caoutchouc.
·
Le
moteur démarre plus facilement lorsqu’il carbure riche. Il est donc préférable
avant le démarrage d’ouvrir l’aiguille du gicleur d’un demi-tour au-delà du
réglage optimal.
·
Lorsqu’on
entend un chuintement au branchement de la bougie, c’est qu’elle est noyée. Il
faut alors attendre que tout le carburant soit brûlé avant de tenter un
démarrage.
·
Dès que
le moteur tourne à régime intermédiaire couper l’alimentation de la bougie.
Laisser tourner le moteur plein gaz avec la bougie sous tension provoque une
surchauffe du filament qui diminue la durée de vie de la bougie.
Les outils d’usinage
laissent des traces et des résidus microscopiques plus ou moins adhérents lors
de la fabrication. Il faut donc les faire disparaître lors des premières
utilisations en pratiquant ce qu’on appelle le rodage.
Le besoin de rodage
dépend de la technique d’usinage utilisée et des matériaux. La technique de
rodage est aussi fonction du type de moteur. De plus, chaque fabricant, voire
chaque modéliste a sa technique. Le mieux est donc de se référer pour chaque
moteur à sa notice. Ne vont donc être donné ici que quelques règles très
générales :
·
Un
rodage demande au moins deux réservoirs (d’environ 15 mn) au sol et de deux
réservoirs en l’air.
·
Les
moteurs à tolérance fine (acier/fonte, ABC, ABN…) demandent moins de rodage que
les autres.
·
Lors du
rodage, le moteur doit être peu chargé, ce qui implique d’utiliser une hélice à
moindre pas ou ne jamais complètement ouvrir le carburateur.
·
Le
rodage se fait nettement mieux si le régime bascule régulièrement entre deux
régimes différents (à un rythme qui peut être aussi serré que quinze secondes).
·
Durant
le rodage il faut carburer riche (en faisant varier la richesse) pour apporter
plus de lubrifiant et limiter l’échauffement.
·
La règle précédente ne s’applique pas aux
moteurs de type ABC et ABN qui ont
tendance à serrer à faible température. Il faut toujours les roder à la
richesse proche de l’optimale, c'est-à-dire celle de richesse du régime maxi
plus 20° à 30° d’ouverture du gicleur.
Les moteurs
demandent un minimum d’entretien pour durer sans donner de soucis, ce qui
impose parfois un démontage partiel.
L’action minimale, et la plus importante,
consiste après le dernier vol de la journée et après avoir grossièrement vidé
le réservoir à faire tourner le moteur jusqu’à extinction pour éliminer tout
reste de carburant. Ceci vaut aussi pour les moteurs d’outillage de jardin. Les
raisons sont les suivantes :
·
Dans le
cas des moteurs à méthanol, l’hygrophylie du carburant provoque de la corrosion
s’il en reste dans le moteur.
·
Dans le
cas d’utilisation d’huile de ricin, son oxydation provoque l’apparition de gomme
difficile à retirer et qui peut bloquer certaines pièces en mouvement.
·
Les
résidus d’huile (de ricin ou synthétique) ont tendance à colmater des zones
critiques du carburateur ce qui finit par entraîner un mauvais fonctionnement.
·
Quelque
soit le carburant, il attaque toujours plus ou moins les durits et joints, ce
qui finit par poser des problèmes.
Une preuve d’égard
supplémentaire pour le moteur consiste à ajouter un peu d’huile de vaseline par
les orifices en le faisant tourner à la main car ça provoque l’apparition d’un
film protecteur. Le choix de l’huile est important car de nombreuses huiles ne
donnent pas satisfaction, notamment certaines huiles 3 en 1, car soit elles
s’évaporent, soit elles forment un dépôt. L’huile de vaseline toute simple est la
moins chère et donne les meilleurs résultats.
De temps en temps il
faut vérifier le serrage des vis car le moteur vibre énormément, on en profite
pour vérifier qu’il n’apparaît pas de jeu (usure anormale) au niveau de l’axe
de l’hélice et du boisseau du carburateur.
En fin de saison, le
stockage du moteur dans un endroit sec (pas le garage ou la cave humide) imbibé
d’huile de vaseline est une nécessité si on veut pouvoir le réutiliser la
saison suivante.
Au moins une fois
par saison il est utile de décalaminer le moteur (ou au moins vérifier si c’est
utile) en démontant la culasse à l’aide d’un tournevis adapté (il doit
parfaitement s’adapter aux têtes des vis, à moins qu’on ait un grand stock de
vis d’avance). Si c’est un quatre temps, un contrôle du jeu des culbuteurs sera
aussi le bienvenu. Si le moteur est assez facilement démontable de
l’aéromodèle, un contrôle du bas moteur en enlevant le bouchon de carter
permettra de contrôler qu’aucun jeu anormal à la bielle ni oxydation ne sont
apparues.
N. B. :
Si on démonte il faut prendre le maximum de précautions pour ne pas
abîmer les joints. De plus, les joints de culasse en cuivre doivent être
trempés avant d’être réutilisés. Le trempage consiste à chauffer le joint au
rouge très sombre sur une gazinière ou une autre source de flamme puis à le
jeter dans l’eau froide. Ça lui redonne son élasticité.
Certains démontent
de temps en temps complètement leur moteur pour tout vérifier. Les
constructeurs n’aiment pas ça car les modélistes utilisent souvent de mauvais
outils, de mauvaises méthodes et abîment les pièces. Il faut savoir que les
roulements et la chemise de cylindre sont montés serrés et qu’il faut avoir la
bonne technique et les bons outils pour les démonter. De plus du fait du
rodage, remonter certaines pièces symétriques à l’envers (piston, cylindre,
bielle…) peut dégrader le fonctionnement. Cette opération est donc à laisser
aux professionnels.
Choisir un moteur signifie choisir son type, ça c’est selon le goût de chacun ; mais aussi sa taille (puissance), ça c’est l’objet de ce paragraphe.
On a vu que l’on définit typiquement deux points de fonctionnement pour un modèle : la vitesse maximum en palier et la force de traction nécessaire en montée à vitesse plus réduite. Comme le moteur ralentit d’autant plus qu’on lui demande un effort important et que le recul de l’hélice augmente dans les mêmes conditions, il faut admettre une différence de vitesse d’autant plus grande entre montée à vitesse réduite et vol en palier que l’angle de montée désiré est important. Cette différence dépend de plus du type de moteur : 2T, 4T ou électrique. Elle est maximum avec un 2T et minimum avec un moteur électrique.
Nous allons ici simplement esquisser une méthode pour trouver la puissance du moteur, puis choisir les vitesses et l’hélice.
Le choix de la puissance du moteur se fait en étudiant le cas de la montée à vitesse réduite. On calcule dans ce cas la puissance nécessaire de montée Pu = Vm*Ft, on divise par le rendement η estimé de l’hélice et par le facteur de puissance f du moteur (puissance au régime de montée divisé par la puissance maximale) pour obtenir une puissance estimée et donc un choix de moteur (équation 1).
(1)
Exemple : notre « mini F3A » sous la force de traction Ft de 22,5 N
Dans le cas d’un moteur 2T (moteur rapide) il faut accepter un fort ralentissement du moteur sous l’effort maximal pour que le moteur ne tourne pas trop vite ensuite en palier. Typiquement on admet un régime de montée égal à 80 % du régime de puissance maximale. Ceci donne dans notre cas un facteur de puissance f = 880W/800W = 0,9 (voir figure 1). La vitesse de montée choisie au début du chapitre est Vm = 69/3,6 = 19 m/s (69 km/h) et le rendement de l’hélice peut être estimé à η = 0,6 (voir chapitre « La traction et les hélices).
On en déduit Pm = 19x22,5/736x0,9x0,6 = 1,07 CV. Le moteur OS MAX-32SX qui donne 1,2 CV à 18000 tr/mn et qui pèse 270 g est un peu trop puissant mais peut convenir malgré tout.
Dans le cas d’un moteur 4T (moteur lent) on peut se permettre de faire tourner le moteur à plein régime en montée car il n’y a pas de problème de surrégime, ceci nous permet de prendre f = 1.
On en déduit Pm = 19x22,5/736x1x0,6 = 0,96 CV. Le moteur OS MAX-FS52S qui donne 0,9 CV à 12000 tr/mn et qui pèse 402 g est un peu juste, mais devrait tout de même faire l’affaire si on ne se montre pas trop exigeant.
Les moteurs de collection et hors
norme
Histoire sans parole, juste pour le plaisir des yeux
Photos 25 à 37 : divers moteurs anciens (source principale MECOA [8])
Bizarreries
Photos 38 à 40 : moteurs hors norme (source Wikipédia)
Variations autour de 1 cm3 chez Valentine (N. B. : les pièces ne représentent pas les prix qui dépassent les 1000 € aux enchères…)
Photos 41 à 47 : moteurs à cylindres de 1 cm3 (source internet)
Adaptation à l’hélice et au modèle
L’hélice se choisit en deux phases, de préférence d’abord le pas en prenant en compte la vitesse maximale en palier, puis le diamètre en prenant en compte la traction maximale désirée en montée.
Dans le cas de notre « mini-F3A », la vitesse maximale initiale retenue est de 3,5 fois la vitesse de décrochage, soit 27x3,5 = 95 km/h (26 m/s), mais on prendra un peu plus, soit 4 fois dans le cas du moteur 2T à cause du ralentissement à prévoir en montée. Ceci nous conduit à une vitesse maximale de 27x4 = 110 km/h (30 m/s) dans le cas du moteur 2T.
Pour trouver le pas, il suffit maintenant d’utiliser l’équation 11 en prenant un recul de 10 % et en acceptant un surrégime de 1000 tr/mn par rapport au régime de puissance maximale.
Moteur 2T
Comme les hélices de 4,1" n’existent pas, on est obligé de choisir un pas de 4".
Moteur 4T
De la même façon, comme les hélices de 5,3" n’existent pas, on est donc obligé de prendre un pas de 5", à moins d’utiliser une hélice VARIOPROP.
Pour le choix du diamètre, on sait qu’il faut une hélice d’un diamètre tel qu’elle fournisse la traction attendue à la vitesse prédéterminée.
Moteur 2T
L’observation de la courbe de puissance caractéristique d’une hélice de 12,5"x4" montre que cette hélice n’absorbe qu’environ 600 W à 14500 tr/mn, (régime choisi de 0,8 fois le régime de puissance maximale) alors que le moteur fournit 800 W à ce régime. Le moteur va donc tourner plus vite car il est surdimensionné, à moins d’adopter une hélice plus grande. Comme il y a très peu de choix dans les hélices plus grandes, acceptons le surrégime.
L’équilibre s’établit aux environs de 15400 tr/mn comme le montrent les courbes de traction de la figure 16 et de puissance de la figure 15 réalisées à l’aide de JavaProp. A 15400 tr/mn l’hélice fournit les 22,5 N demandés à 19 m/s en absorbant exactement la puissance de 850 W du moteur. Le choix du diamètre est donc parfait.
La difficulté de la méthode réside dans le fait qu’il faut trouver simultanément le régime de rotation et le diamètre de l’hélice qui en fournissant la force de traction désirée absorbent juste la puissance du moteur au régime considéré.
Pour y arriver, on choisit une hélice du pas calculé au préalable et d’un diamètre existant paraissant adapté. On trace ensuite les caractéristiques de puissance et traction de cette hélice au régime choisi, soit à partir des courbes produites par Aérocalc à partir de celles produites par JavaProp (figures 10 et 11). De la, sur la courbe de traction on repère la vitesse qui fournit la traction retenue (22,5 N dans notre exemple), puis sur la courbe de puissance on repère la puissance absorbée correspondante à cette vitesse. Si elle est inférieure à la puissance du moteur au même régime, c’est que l’hélice va plus vite, sinon c’est le contraire. On recommence donc en modifiant le régime de rotation dans le sens qui convient jusqu’à ce que la puissance à l’hélice égale celle du moteur. Une fois l’équilibre trouvé, on note la vitesse obtenue. Si on n’est pas satisfait du résultat (vitesse trop élevée ou faible) on recommence avec d’autres diamètres d’hélice. En principe, le bon choix est trouvé assez vite car quand on passe d’une taille d’hélice à la taille directement voisine dans un sens ou dans l’autre, la traction change en général de plus de 30 %.
Si pour tous les choix d’hélice raisonnablement possibles, les vitesses restent trop basses ou trop élevées, il faut changer de moteur ou revoir ses exigences de vitesse. D’une façon générale, il ne faut pas être trop exigeant sur la vitesse de montée. Le minimum acceptable est 1,5 fois la vitesse de décrochage pour des questions de pilotage. Deux fois la vitesse de décrochage est déjà une bonne vitesse si le taux de montée est important. Par ailleurs, il faut que la vitesse maximum choisie soit d’autant plus supérieure à la vitesse de montée que le taux de montée demandé est important (comme cela a déjà été écrit).
Figure 10 : puissance absorbée par une hélice 12,5"x4" à 15400 tr/mn
Figure 11 : traction fournie par une hélice 12,5"x4" à 15400 tr/mn
Notre arrangement : moteur OS MAX-32-SX avec hélice 12,5"x4" est parfait puisqu’il donne exactement les vitesses demandées. On remarquera simplement que l’hélice tourne plus vite que prévu. Accessoirement, on pourra remarquer que l’hélice à très faible pas est presque une hélice de 3D.
Moteur 4T
L’observation de la courbe de puissance caractéristique d’une hélice de 12,5"x5" montre que cette hélice absorbe 600 W à 12000 tr/mn, alors que le moteur fournit 0,9 CV, soit 660 W. Il entraîne donc notre hélice de 12,5"x5" à un peu plus de 12000 tr/mn. L’équilibre s’établit cette fois à 12500 tr/mn (donc en léger surrégime) et l’hélice fournit alors 22,5 N à 13 m/s (47 km/h). La vitesse de montée de 13 m/s est nettement inférieure à celle de 19 m/s visée mais suffisante par rapport à la vitesse de décrochage. Comme le choix d’hélice est limité on est obligé de retenir l’hélice de 12,5"x5" et s’accommoder de la montée plus lente, à moins d’utiliser une hélice VARIOPROP car il serait alors possible de faire coïncider exactement le régime de montée avec le régime de puissance maximale du moteur. On pourrait aussi prendre un moteur de taille supérieure.
Une fois le moteur choisi, un bilan de masse s’impose. Il peut être fourni par Aérocalc ou établi à la manuellement à l’ancienne.
Le tableau 2 propose un bilan pour les deux moteurs retenus. On remarquera que la différence de consommation a été prise en compte. Pour la fin de vol, on a estimé que les réservoirs contenaient 25 % de carburant résiduel. Le tableau fait ressortir que contrairement à certaines idées reçues, le 4T n’est pas beaucoup plus lourd que le 2T. Il met aussi en évidence que dans un avion de 2 kg, une motorisation thermique prend environ 600 à 800 g, c'est-à-dire un tiers de la masse totale.
|
32-SX |
FS-52S |
Moteur |
270 g |
402 g |
Échappement |
50 g |
45 g |
Hélice + cône |
45 g |
45 g |
Support |
50 g |
50 g |
Réservoir |
70 g |
50 g |
Carburant |
270 g |
200 g |
Servo de commande |
40 g |
40 g |
Total début de vol |
795 g |
832 g |
Total fin de vol |
593 g |
682 g |
Tableau 3 : comparaison de masse d’une propulsion 2T avec une 4T
Ce chapitre sur la propulsion thermique a permis d’affiner la connaissance des moteurs à explosions et turbines, en particulier en terme de dimensionnement et masse ; connaissance indispensable pour la définition d’un modèle. On peut retenir ici que pour un modèle classique, la masse de la motorisation représente environ 30 à 40 % de la masse totale du modèle, quel que soit le type de motorisation, ce qui est considérable.
1.
Fabricant Allemand de moteurs à combustion
interne pour l’aéromodélisme Seidel
2.
Moteurs à explosion britanniques à
vilebrequin aligné avec le piston RCV
3.
Fabricant d’adaptations à l’autoallumage
pour moteurs à glowplug DAVIS
Diesel
4.
Fabricant britannique de moteurs à
autoallumage PAW
5.
Distributeur de matériel de modélisme
autrichien Lindinger Modellbau
6.
Distributeur britannique de moteurs à
explosion Just Engines
7.
logiciel libre de calcul des résonateurs JavaPipe
8.
Fabricant américain de moteurs à explosion MECOA