Altitude effectsEdit
Le Rolls-Royce Merlin, un compresseur de moteur d’avion de la seconde Guerre Mondiale. Le compresseur est à l’arrière de le moteur à droite
Un compresseur Centrifuge de Bristol Centaurus radial moteur d’avion.
Les superchargeurs sont un ajout naturel aux moteurs à pistons d’avion destinés à fonctionner à haute altitude. À mesure qu’un avion monte à une altitude plus élevée, la pression atmosphérique et la densité de l’air diminuent., La sortie d’un moteur à piston diminue en raison de la réduction de la masse d’air qui peut être aspirée dans le moteur. Par exemple, la densité de l’air à 30 000 pieds (9 100 m) est de 1⁄3 de celle au niveau de la mer, donc seulement 1⁄3 de la quantité d’air peut être aspiré dans la bouteille, avec suffisamment d’oxygène pour fournir une combustion efficace pour seulement un tiers de carburant. Ainsi, à 30 000 pieds (9 100 m), seulement 1⁄3 du carburant brûlé au niveau de la mer peut être brûlé. (Un avantage de la diminution de la densité de l’air est que la cellule ne subit qu’environ 1/3 de la traînée aérodynamique., De plus, il y a une diminution de la contre-pression sur les gaz d’échappement. D’autre part, plus d’énergie est consommée en tenant un avion avec moins d’air pour générer de la portance.)
Un compresseur peut être considéré soit comme augmentant artificiellement la densité de l’air en le comprimant, soit comme forçant plus d’air que la normale dans le cylindre chaque fois que le piston descend sur la course d’admission.
Un compresseur comprime l’air à des pressions équivalentes au niveau de la mer, voire beaucoup plus élevées, afin que le moteur produise autant de puissance à l’altitude de croisière qu’au niveau de la mer., Avec la traînée aérodynamique réduite à haute altitude et le moteur produisant toujours une puissance nominale, un avion suralimenté peut voler beaucoup plus vite en altitude qu’un avion à aspiration naturelle. Le pilote contrôle la sortie du compresseur avec l’accélérateur et indirectement via la commande du régulateur d’hélice. Étant donné que la taille du compresseur est choisie pour produire une quantité donnée de pression à haute altitude, le compresseur est surdimensionné pour basse altitude. Le pilote doit être prudent avec l’accélérateur et surveiller le manomètre du collecteur pour éviter une suralimentation à basse altitude., Au fur et à mesure que l’avion monte et que la densité de l’air diminue, le pilote doit continuellement ouvrir la manette des gaz par petits incréments pour maintenir la pleine puissance. L’altitude à laquelle la manette des gaz atteint la pleine ouverture et le moteur produit toujours la pleine puissance nominale est connue sous le nom d’altitude critique. Au-dessus de l’altitude critique, la puissance de sortie du moteur commencera à baisser à mesure que l’avion continuera de grimper.
Effets de la températuremodifier
Compresseur CDT par rapport à l’altitude., Le graphique montre les différences CDT entre un compresseur à suralimentation constante et un compresseur à suralimentation variable lorsqu’il est utilisé sur un avion.
Comme indiqué ci-dessus, la suralimentation peut provoquer un pic de température et des températures extrêmes provoqueront une détonation du mélange air-carburant et endommageront le moteur. Dans le cas des avions, cela pose un problème à basse altitude, où l’air est à la fois plus dense et plus chaud qu’à haute altitude. Avec des températures de l’air ambiant élevées, une détonation pourrait commencer à se produire lorsque le manomètre du collecteur affichait bien en dessous de la ligne rouge.,
Un compresseur optimisé pour les hautes altitudes provoque le problème inverse du côté de l’admission du système. Avec l’accélérateur retardé pour éviter une suralimentation, la température de l’air dans le carburateur peut tomber suffisamment bas pour provoquer la formation de glace au niveau de la plaque d’accélérateur. De cette manière, suffisamment de glace pourrait s’accumuler pour provoquer une panne moteur, même si le moteur fonctionnait à pleine puissance nominale. Pour cette raison, de nombreux avions suralimentés étaient équipés d’une jauge de température de l’air du carburateur ou d’un voyant d’avertissement pour alerter le pilote des conditions de givrage possibles.,
Plusieurs solutions à ces problèmes ont été développées: refroidisseurs intermédiaires et refroidisseurs postérieurs, injection anti-détonante, suralimenteurs à deux vitesses et suralimenteurs à deux étages.
Suralimentateurs à deux vitesses et à deux étagesmodifier
Dans les années 1930, des entraînements à deux vitesses ont été développés pour les suralimentateurs pour moteurs aéronautiques offrant un fonctionnement plus flexible des avions. L’arrangement a également entraîné une plus grande complexité de fabrication et d’entretien., Les engrenages reliaient le compresseur au moteur à l’aide d’un système d’embrayages hydrauliques, initialement engagés ou désengagés manuellement par le pilote avec une commande dans le cockpit. À basse altitude, l’engrenage à basse vitesse serait utilisé afin de maintenir les températures du collecteur basses. À environ 12 000 pieds (3 700 m), lorsque la manette des gaz était pleine vers l’avant et que la pression du collecteur commençait à baisser, le pilote retardait la manette des gaz et passait à la vitesse supérieure, puis réajustait la manette des gaz à la pression du collecteur souhaitée., Les installations ultérieures ont automatisé le changement de vitesse en fonction de la pression atmosphérique.
Lors de la bataille d’Angleterre, les avions Spitfire et Hurricane propulsés par le moteur Rolls-Royce Merlin étaient largement équipés de superchargeurs à un étage et à une vitesse. Stanley Hooker de Rolls Royce, afin d’améliorer les performances du moteur Merlin, a développé une suralimentation à deux vitesses à deux étages avec refroidissement postérieur avec une application réussie sur le moteur aérodynamique Rolls Royce Merlin 61 en 1942. La puissance et les performances ont été augmentées à toutes les altitudes., Les développements de Hooker ont permis à l’avion qu’ils propulsaient de conserver un avantage crucial sur les avions allemands auxquels ils s’opposaient tout au long de la Seconde Guerre mondiale, malgré le déplacement nettement plus important des moteurs allemands. Les superchargeurs à deux étages étaient également toujours à deux vitesses. Après que l’air ait été comprimé dans l’étage basse pression, l’air a circulé à travers un radiateur intercooler où il a été refroidi avant d’être comprimé à nouveau par l’étage haute pression et éventuellement également refroidi dans un autre échangeur de chaleur., Les compresseurs à deux étages ont fourni des performances beaucoup améliorées à haute altitude, comme le montrent les Supermarine Spitfire Mk IX à moteur Rolls-Royce Merlin 61 et la Mustang nord-américaine.
Dans certains systèmes à deux étages, les portes d’amortisseur seraient ouvertes ou fermées par le pilote afin de contourner un étage au besoin. Certains systèmes avaient un contrôle du poste de pilotage pour ouvrir ou fermer un amortisseur sur le refroidisseur intermédiaire/refroidisseur intermédiaire, offrant un autre moyen de contrôler la température., Les moteurs Rolls-Royce Merlin avaient un contrôle de poussée entièrement automatisé, tout ce que le pilote avait à faire était d’avancer les gaz avec le système de contrôle limitant la poussée si nécessaire jusqu’à ce que l’altitude maximale soit atteinte.
Turbocompresseurmodifier
Un compresseur à entraînement mécanique doit prendre sa puissance d’entraînement du moteur. En prenant un moteur suralimenté à un seul étage, tel qu’un premier Rolls-Royce Merlin, par exemple, le compresseur consomme environ 150 ch (110 kW)., Sans compresseur, le moteur pourrait produire environ 750 chevaux (560 kilowatts), mais avec un compresseur, il produit environ 1 000 ch (750 kW)—une augmentation d’environ 400 ch (750 – 150 + 400 = 1000 ch), soit un gain net de 250 ch (190 kW). C’est là le principal inconvénient d’un compresseur devient apparente. Le moteur doit brûler du carburant supplémentaire pour alimenter le compresseur. L’augmentation de la densité de l’air pendant le cycle d’entrée augmente la puissance spécifique du moteur et sa puissance par rapport au poids, mais au prix d’une augmentation de la consommation de carburant du moteur., En plus d’augmenter le coût de fonctionnement de l’avion, un compresseur peut réduire sa portée globale pour une charge de carburant spécifique.
Contrairement à un compresseur entraîné par le moteur lui-même, un turbocompresseur est entraîné en utilisant les gaz d’échappement autrement gaspillés du moteur. La quantité de puissance dans le gaz est proportionnelle à la différence entre la pression d’échappement et la pression d’air, et cette différence augmente avec l’altitude, aidant un moteur turbocompressé à compenser le changement d’altitude., Cela augmente la hauteur à laquelle la puissance maximale du moteur est atteinte par rapport à la suralimentation du compresseur, et permet une meilleure consommation de carburant à haute altitude par rapport à un moteur suralimenté équivalent. Cela facilite l’augmentation de la vitesse réelle à haute altitude et donne une plus grande portée opérationnelle qu’un moteur à suralimentation équivalente utilisant un compresseur.
La majorité des moteurs d’avion utilisés pendant la Seconde Guerre mondiale utilisaient des suralimenteurs à entraînement mécanique car ils présentaient des avantages de fabrication importants par rapport aux turbocompresseurs., Cependant, l’avantage pour la portée opérationnelle a été accordé une priorité beaucoup plus élevée aux avions américains en raison d’une exigence moins prévisible sur la portée opérationnelle et de devoir voyager loin de leurs bases d’origine. Par conséquent, les turbocompresseurs étaient principalement utilisés dans les moteurs d’avion américains tels que l’Allison V-1710 et le Pratt & Whitney R-2800, qui étaient comparativement plus lourds lorsqu’ils étaient turbocompressés, et nécessitaient des conduits supplémentaires d’alliages métalliques coûteux à haute température dans la turbine à gaz et une section, La taille de la canalisation seule était une considération sérieuse de conception. Par exemple, le F4U Corsair et le P-47 Thunderbolt utilisaient le même moteur radial, mais le grand fuselage en forme de canon du P-47 turbocompressé était nécessaire en raison de la quantité de conduits vers et depuis le turbocompresseur à l’arrière de l’avion. Le F4U utilisait un compresseur inter-refroidi à deux étages avec une disposition plus compacte. Néanmoins, les turbocompresseurs étaient utiles dans les bombardiers à haute altitude et certains avions de chasse en raison de l’augmentation des performances et de la portée à haute altitude.,
Les moteurs à pistons turbocompressés sont également soumis à de nombreuses restrictions de fonctionnement identiques à celles des moteurs à turbine à gaz. Les moteurs turbocompressés nécessitent également des inspections fréquentes de leurs turbocompresseurs et de leurs systèmes d’échappement pour rechercher d’éventuels dommages causés par la chaleur et la pression extrêmes des turbocompresseurs. Ces dommages étaient un problème important dans les premiers modèles des bombardiers à haute altitude Boeing B-29 Superfortress américains utilisés sur le théâtre d’opérations du Pacifique en 1944-45.,
Les moteurs à pistons turbocompressés ont continué à être utilisés dans un grand nombre d’avions d’après-guerre, tels que le B-50 Superfortress, le KC-97 Stratofreighter, le Boeing Stratoliner, le Lockheed Constellation et le C-124 Globemaster II.
Plus récemment, la plupart des moteurs d’avion destinés à l’aviation générale (avions légers) sont à aspiration naturelle, mais le plus petit nombre de moteurs à pistons modernes conçus pour fonctionner à haute altitude utilisent des systèmes de turbocompresseur ou de turbo-normalisateur, au lieu d’un compresseur entraîné par les vilebrequins. Le changement de pensée est en grande partie dû à l’économie., L’essence d’aviation était autrefois abondante et bon marché, favorisant le compresseur simple mais gourmand en carburant. Comme le coût du carburant a augmenté, le compresseur ordinaire est tombé en disgrâce. De plus, selon le facteur d’inflation monétaire utilisé, les coûts de carburant n’ont pas diminué aussi rapidement que les coûts de production et de maintenance.
Effets de l’indice d’octanemodifier
Jusqu’à la fin des années 1920, tous les carburants automobiles et d’aviation étaient généralement évalués à 87 ou moins. C’est la cote obtenue par la simple distillation du pétrole « brut léger »., Les moteurs du monde entier ont été conçus pour fonctionner avec cette qualité de carburant, ce qui limite la quantité de suralimentation pouvant être fournie par le compresseur tout en maintenant un taux de compression raisonnable.
L’augmentation de l’indice d’octane grâce à des additifs, tels que le tétraéthyllead, était une ligne de recherche explorée à l’époque. En utilisant ces techniques, le brut de moindre valeur pouvait encore fournir de grandes quantités d’essence utile, ce qui en faisait un processus économique précieux., Cependant, les additifs ne se limitaient pas à transformer de l’huile de mauvaise qualité en essence à indice d’octane 87; les mêmes additifs pouvaient également être utilisés pour augmenter l’essence à des indices d’octane beaucoup plus élevés.
Le carburant à indice d’octane élevé résiste mieux à l’auto-allumage et à la détonation que le carburant à indice d’octane faible. En conséquence, la quantité de boost fournie par les superchargeurs pourrait être augmentée, ce qui entraînerait une augmentation de la puissance du moteur., Le développement du carburant d’aviation à indice d’octane 100, lancé aux États-Unis avant la guerre, a permis d’utiliser des pressions de suralimentation plus élevées sur des moteurs d’aviation haute performance et a été utilisé pour développer des puissances extrêmement élevées-pendant de courtes périodes – dans plusieurs des avions record de vitesse d’avant – guerre. L’utilisation opérationnelle du nouveau carburant pendant la Seconde Guerre mondiale a commencé au début de 1940 lorsque du carburant à indice d’octane 100 a été livré à la Royal Air Force britannique à partir de raffineries en Amérique et aux Indes orientales. La Luftwaffe allemande disposait également d’un carburant similaire.,
L’augmentation des limites de cognement des carburants d’aviation existants est devenue un objectif majeur du développement des moteurs aéronautiques pendant la Seconde Guerre mondiale. À la fin de la guerre, le carburant était livré à un indice d’octane nominal de 150, sur lequel les moteurs aéronautiques de la fin de la guerre comme le Rolls-Royce Merlin 66 ou le Daimler-Benz DB 605DC développaient jusqu’à 2 000 ch (1 500 kW).