Le moteur rotatif, principes de base

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Le moteur rotatif, principes de base

Messagepar vigi » Mar 23 Oct 2012 18:47

Le moteur rotatif d’aviation fut conçu pour répondre aux besoins de puissances de plus en plus importantes que réclamait l’industrie aéronautique.
A cette époque, les motoristes ne savaient développer que des moteurs à pistons en ligne et les moteurs en V en étaient encore à leurs débuts. Mais si ces concepts étaient en mesure de fournir de fortes puissances, ils étaient handicapés par leurs tailles imposantes incompatibles avec les aéronefs de l’époque.
C’est donc dans le but de contrer ce défaut, que les motoristes élaborèrent les moteurs rotatifs.
Conçu obligatoirement sur l’architecture d’un moteur en étoile, ces propulseurs fonctionnaient sur des cycles à quatre-temps.

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Petit rappel du cycle à quatre-temps :
Admission-Compression-Explosion/détente-Echappement.
Le temps d’amission est celui durant lequel le mélange air/essence est admis dans le cylindre.
Le temps de compression est celui durant lequel le cylindre est parfaitement étanche (soupapes et/ou conduit d’admission et d’échappement clos) et durant lequel le piston comprime les gaz.
Le temps d’explosion /détente est le seul temps moteur d’un moteur à explosion, contrairement aux autres temps qui sont consommateurs d’énergie, celui-ci en produit, c’est donc le temps le plus important du cycle, puisque c’est de lui que dépend le rendement du moteur.
C’est durant cette phase que le mélange carburé est enflammé par l’étincelle de la bougie, l’explosion généré permet ainsi de délivrer la force nécessaire au mouvement des éléments mobiles du moteur pour leur permettre d’atteindre le temps d‘explosion/détente suivant.
Le temps d’échappement est celui qui permet l’évacuation des gaz brulés lors de l’explosion, grace à l’ouverture de la soupape d’échappement et ainsi laisser l’espace libre dans le cylindre pour l’admission et le début d’un nouveau cycle.

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L’architecture d’un moteur en étoile rotatif est identique à celui d’un moteur fixe, seul les éléments mobiles changent.
Le vilebrequin, les bielles et les pistons (cet ensemble ne fait que pivoter sur l'axe du vilebrequin) sont les éléments fixes du moteur alors que le carter, les cylindres et les éléments qui viennent s’y fixer (bougies, soupapes, collecteurs admissions) sont les éléments mobiles.
Si les moteurs rotatifs en étoile furent la seule réponse possible au début de l’aéronautique, les motoristes surent dès le début que ces derniers ne pouvaient être la solution, en effet, le concept même de ces moteurs en limitait la puissance. Obligatoirement en étoile, ne pouvant pas être monté en double étoile, la puissance motrice restait limitée, les aéronefs nécessitant de fortes puissances devant alors être à minima des multimoteurs et souvent dotés de propulseurs de type en ligne ou en V.

De par leur principe de fonctionnement, les moteurs rotatifs disposaient d’un ensemble d’aménagement qui leur étaient propre.
Il n’est pas question ici de concevoir un moteur rotatif ni d’entrer dans le détail du fonctionnement du cycle à quatre temps, mais plutôt d’en détailler les particularités afin de mieux appréhender ce que fut le début de l’aviation, ces contraintes et se limites, qui comme vous pourrez le voir seront très vite atteinte avec le développement de l’aviation militaire, ce qui ne fera que précipiter la fin de l’emploi des moteurs rotatifs.
Sur les moteurs rotatifs, on peut dégager quelques points spécifiques principaux :
-la gestion de l’admission et de l’échappement des gaz
-le couple de renversement/énergie cinétique dégagé.
-la gestion des régimes moteurs
-la lubrification
Bien que tous ces points soient liés les uns aux autres, je vais essayer de vous les détailler au mieux séparément tout en restant volontairement sur les principes de base.

Le moteur rotatif, de par la taille et la masse de ses éléments mobiles, génèrent un couple de renversement beaucoup plus important qu’un moteur fixe.
Pour contrer les forces générées par la rotation du carter, des cylindres et de l’hélice, les moteurs rotatifs sont équipés d’un volant d’inertie qui permet de contrer en partie les effets induits par la rotation, mais cela n’est pas suffisant.
Le couple de renversement doit également être contré avec d’autres moyens.

Les avionneurs en utilisèrent trois :
1) La mise en place d’un contrepoids sur l’aile du sens de rotation (aile droite pour un moteur tournant à droite). Ce concept assez efficace avait cependant pour défaut de générer un poids mort qui nuisait au performance de l’aéronef
2) L’augmentation de la surface portante sur l’axe de roulis, à l’opposé de la rotation (à gauche pour un moteur rotatif à droite)
3) L’augmentation de l'angle d'incidence de la cellule sur l’axe de roulis, toujours à l’opposé de la rotation

Principe relatifs aux bimoteurs :
Chaque moteur tournait dans un sens.

Malgré ses artifices pour contrer les forces générées par les moteurs rotatifs, les aéronefs restaient victimes d’effet gyroscopiques sur deux axes.
Sur l’axe de lacet, lorsque l’appareil entamait un virage, ce dernier partait également dans un léger mouvement à piquer qui devait être contré par le pilote.
Sur l’axe de tangage, lors d’un vol rectiligne, l’appareil avait tendance à virer dans lesens de rotation de son moteur. Dans le cas d’un moteur rotatif à droite, ce mouvement parasite présentait un avantage et un inconvénient :
Le virage à droite s’effectuait avec un rayon de rotation réduit.
Par opposition, un virage à gauche était plus lent et avec un rayon de virage plus élevé.
Autre inconvénient de taille celui-ci. En cas de changement brusque de trajectoire, les boulons de l’hélice pouvaient se cisailler sous l’effet du couple gyroscopique important généré par un moteur rotatif… Ou quand les cellules encaissaient mieux les facteurs de charges que les moteurs…depuis les choses ont bien changées.
A puissance égale, comparativement à un moteur fixe, un moteur rotatif donnait environ 10% de puissance en moins due aux pertes induites par la rotation du moteur.

Je vais maintenant tacher d'aborder des éléments qui sont liés les uns aux autres mais que je suis obligé de dissocier pour plus de clarté.

Sur les premiers moteurs, la gestion de la carburation et du mélange carburé était réduite à sa plus simple expression.
Les carburateurs assuraient la gestion d’un mélange type, quelques soit l’altitude et le régime moteur.

Pour faire varier la puissance/ régime du moteur rotatif, le pilote utilisait alors le sélecteur magnéto qui lui permettait de faire varier le cycle d’allumage et ainsi sa puissance moteur.
Dans un cycle à plein régime, un cylindre de moteur rotatif est en temps d’explosion détente tous les deux tours (puisque c’est un moteur à quatre-temps, le temps intercalé étant celui de l’échappement).
Pour passer en régime ralenti, le pilote disposait d’un sélecteur à trois positions, arrêt/ralenti/marche.
Le régime ralenti commandait un allumage tous les quatre tours pour un cylindre, mais modifiait également l’ordre d’allumage, à titre d’exemple pour un moteur de sept cylindres, on avait alors :
Plein régime sur deux tours : 1-3-5-7-2-4-6
Au ralenti sur quatre tours : 1-5-2-6-3-7-4
Par postulat, le cylindre 1 est celui situé à 12h sur un moteur vue de face avec la déclinaison des suivant dans le sens horaire (les variables existent…surtout chez les anglais :mrgreen : )
Le motoriste Gnome conçu un sélecteur à quatre positions qui permettait d’avoir trois régimes de ralenti sur un moteur à neuf cylindres.
Le plein régime restait toujours lié à un allumage par cylindre tous les deux tours, et les trois régimes « ralenti » se déclinaient en un allumage tous les quatre tours, un autre tous les huit tours et enfin un dernier tous les seize tours.
Bien entendu, le cycle d’allumage variait lui aussi en fonction du régime.

Ces variations de régime lié à l’étincelle produite par la bougie étaient gérées au niveau de la magnéto qui est l’organe qui délivre le courant continu à la bougie.
L’envoi de cette impulsion électrique est géré par la rotation d’un doigt en cuivre qui autorise l’envoi de la charge électrique au cylindre dédié à l’allumage, la sélection de différents régimes se faisait grâce à la sélection de disques d’allumages différents sur la magnéto.
Les moteurs rotatifs pouvaient disposer d’un allumage simple ou double selon les modèles... Et donc d'une magnéto simple (1 bougie par cylindre) ou double ou encore deux magnéto simple (deux bougies par cylindre).

Qu’il fut simple (une bougie) ou double (deux bougies), l’allumage sur les moteurs rotatifs étaient également soumis à une contrainte particulière, celle lié à la force centrifuge. Les bougies ne pouvait donc pas être positionné n’importe où sur la tête de cylindre.
Deux positions étaient à proscrire.
Le fond de cylindre et la partie opposée au sens de rotation.
Du fait de la force centrifuge, ces deux zones accumulaient les résidus de combustion, placer les bougies à ces endroits auraient provoqués un encrassement prématuré et un rapide défaut de fonctionnement du moteur.
Pour un moteur à allumage double, il était donc commun de trouver les bougies côte à côte sur la même portion de demi-cylindre, plutôt qu’en opposition comme c’est la norme sur un moteur fixe.

Pour être complet sur l’allumage des moteurs rotatifs, il faut évoquer le démarrage.
La plupart des lancements était effectué à la main, après que le pilote ait fait une amorce d’alimentation en carburant à l’aide d’une pompe à main.
Une autre possibilité consistait à lancer le moteur à l‘aide d’une manivelle qui actionnait un lanceur centrifuge placé sur l’arrière du moteur.
La dernière option consistait à mettre en place une magnéto dite de départ qui permettait l’envoi du courant aux bougies du cylindre en position d’allumage alors que le moteur n’était pas encore lancé…et de fait, les magnétos pas encore en état de fonctionner, puisque ces dernières étaient entrainés par le pignon arrière du carter.


Comme je l’ai évoqué rapidement au début de ce sujet, à l’époque des premiers moteurs rotatifs en étoile, les carburateurs n’étaient pas ceux que l’on connait aujourd’hui,qui sont en mesure de régler le débit carburant.
La carburation et l’envoi du mélange carburé à l’intérieur des cylindres s’effectuait via le vilebrequin et le carter moteur.
Le vilebrequin étant un élément fixe, le carburateur était fixé dessus sur la face arrière du moteur.
Le passage du mélange carburé se faisait par l’intérieur du vilebrequin qui était creux. Le mélange débouchait ensuite dans le carter avant d’être distribué dans les cylindres de trois manières différentes.
Sur les moteurs mono-soupape, le mélange carburé était admis de l’intérieur du carter vers le cylindre par des lumières pratiqués à la base du cylindre. Elles se découvraient lorsque le piston se trouvait en position basse.
Le motoriste Gnome avait quant à lui inventé un piston doté d’une soupape d’admission placé au centre de la tête de piston. Lors de la descente de ce dernier durant le temps de détente et d’admission, la soupape s’ouvrait. Dès que le piston remontait, cette soupape automatique se refermait.
Le moteur Gnome et les mono-soupape ne disposait donc que d’une soupape d’échappement placé sur la tête de cylindre.
Le dernier concept était un peu plus classique, puisque des pipes d’admission récupéraient le mélange carburé dans le carter, ce dernier était alors admis dans les cylindres via une soupape d’admission.

Comme tous les moteurs thermiques, l’ouverture et la fermeture des soupapes étaient géré à l’aide de cames qui commandait des tiges-poussoirs et poussoirs qui venaient actionner les soupapes.

Un des gros avantages de la distribution du mélange carburé par l’intérieur du moteur via le vilebrequin creux et le carter était que le carburant arrivait chaud dans les chambres de combustion.
Les moteurs rotatifs pouvaient donc s’affranchir des complexes systèmes de réchauffage carburant indispensable aux moteurs fixes.

Inconvénient, car il en faut, le graissage des parties mobiles se faisait par le même chemin.
Si le cheminement de l’huile à l’intérieur du vilebrequin creux se faisait par des orifices distincts, une fois dans le carter, mélange carburé et huile de ricin se trouvait alors mélangé. Les moteurs rotatifs étaient donc de gros consommateurs d’huile et l’encrassement des cylindres nécessitait des maintenances très rapprochées et des temps de vol (entre révisions) bien plus court que les moteurs fixes.
A titre d’exemple, un moteur Gnome de 60 ch consommait 6 litres d’huile par heure, celui de 80 ch 7,5 litres.

Sur les moteurs fixes, les soupapes nécessitaient de puissants ressorts de rappel afin de plaquer sur leurs sièges les soupapes pour assurer une parfaite étanchéité des cylindres.
Au contraire, la force centrifuge généré par les moteurs rotatifs permettait de s’affranchir de cette contrainte, les ressorts de rappel n’étant là essentiellement que pour les phases d’arrêt et de démarrage des moteurs, il n’était donc pas rare d’équiper les soupapes avec des ressorts de rappel à lames ou à pincette comme ceux que l’on peut trouver sur de simple pinces coupantes ou à circlips.

Dernier point de la carburation.
Les moteurs rotatif ne disposaient pas de collecteur échappement capable comme sur les moteurs fixe de fournir une poussé supplémentaire permettant de gagner quelques unités de km/h. On comprend aisément que le caractère rotatif des cylindre ne permettait pas la mise en place de ce type de tubage. L’échappement était donc direct en sortie de soupape et évacué vers l’extérieur grâce au vent relatif généré par le disque de l’hélice et la forme des capotages.
Un des gros avantages du moteur rotatif est sa capacité à se refroidir.
Ces cylindres étant en mouvement, et dans le même temps, ils sont les éléments les plus contraints par des élévations de températures, il était plus facile de les refroidir.
Le fait d’être en mouvement n’affranchissait pas les cylindres d’être dotés d’ailettes de refroidissement, mais ses dernières étaient moins imposantes que celles des moteurs fixes, ce qui facilitait d’autant l’usinage externe des cylindres, enfin, et surtout, le refroidissement en vol était nettement moins complexe que sur les moteurs fixes.

Pour finir, le rendement des moteurs rotatifs étaient relativement faible.
Un moteur à explosion fixe de bonne qualité, peut espérer afficher un rendement de 20%, voire un peu plus si on y inclus de la suralimentation, un turbo ou des injections eau-méthanol.
Comme on l’a vu plus haut, le moteur rotatif rend 10% de plus en raison de sa rotation.
Ce qui nous amène à un rendement qui tourne autour des 10% de moyenne.
Au regard de ce simple chiffre, on comprend pourquoi le moteur rotatif ne fut qu’éphémère dans l’aviation, grande consommatrice de chevaux-vapeur et de puissance restituée.
Avec des moteurs limités en puissance développé, qui avaient des rendements constant plus près des 7/8% que des 11/12%, la messe était quasiment dites avant d’avoir commencé.
Le moteur rotatif eut pour lui d’exister au moment où les connaissances des motoristes ne permettaient pas de disposer d’autres choses et permirent malgré tout de débuter l’aventure des moteurs en étoiles qui allaient donner à l’aviation les plus puissants moteurs à explosion jamais fabriqués et qu’aucun autre moteur (en V, à plat, en ligne, en W…) n’atteindra jamais.


Un moteur rotatif Rhône avec collecteur d'admission, mono-allumage et bi-soupape (admission+échappement)
Image
Sources images

Voilà, j'ai essayé de rassembler ici, les principaux aspects des moteurs rotatifs.
J'ai volontairement occulté le principe (hors un petit rappel rapide), les réglages et contraintes de fonctionnement d'un moteur à quatre temps, afin de ne pas rendre cette lecture trop fastidieuse.
N'hésitez pas à compléter ou à commenter (je suis pas à l'abri d'avoir mal expliqué).
Pour les plus mordus, je ne peux que conseiller la quête de l'ouvrage en référence ci-dessous, il regorge de schémas, plans-coupe et calculs qui permettent d’approfondir les connaissances sur ce type de moteur.


Sources: Étude générale du moteur rotatif, R. Vidalie, Dunot et Pinat éditeurs 1918
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Re: Le moteur rotatif, principes de base

Messagepar nanard » Mar 23 Oct 2012 21:46

Tu as raison de dire que cette solution avait peu d'avenir. En fait, je me demande même ce qui a pu faire passer cette version avant le moteur en étoile qui, historiquement, n'est guère plus jeune. D'ailleurs, en reprenant mes notes, je crois que le moteur rotatif fut le fait de certaines entreprises, d'autres s'orientant directement vers la version en étoile.
A cette époque, il semblerait, et c'est normal que toutes les versions pouvant donner de la puissance en échange d'un poids et d'un encombrement réduit furent testées.
Merci Vigi de ce rappel impressionnant sur ce type de moteur si vite disparu.
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