Avion : superchargeurs et turbocompresseurs
Pour augmenter la puissance d'un moteur, les fabricants ont développé des systèmes à induction forcée appelés systèmes de suralimentation et de turbocompression. Ils compriment tous deux l'air d'admission pour augmenter sa densité. La principale différence réside dans l'alimentation. Un compresseur repose sur une pompe à air ou un compresseur entraîné par moteur, tandis qu'un turbocompresseur tire sa puissance du flux d'échappement qui traverse une turbine, qui à son tour fait tourner le compresseur. Les aéronefs équipés de ces systèmes ont une jauge de pression d'admission, qui affiche MAP dans le collecteur d'admission du moteur.
Lors d'une journée standard au niveau de la mer avec le moteur arrêté, le manomètre du collecteur indique la pression atmosphérique absolue ambiante de 29,92 "Hg. Parce que la pression atmosphérique diminue d'environ 1 "Hg par 1 000 pieds d'augmentation d'altitude, le manomètre du collecteur indique environ 24,92 "Hg dans un aéroport situé à 5 000 pieds au-dessus du niveau de la mer avec des conditions diurnes standard.
Lorsqu'un aéronef à aspiration normale monte, il finit par atteindre une altitude où le MAP est insuffisant pour une montée normale. Cette limite d'altitude est connue sous le nom de plafond de service de l'avion et elle est directement affectée par la capacité du moteur à produire de la puissance. Si l'air d'induction entrant dans le moteur est pressurisé ou amplifié par un compresseur ou un turbocompresseur, le plafond de service de l'avion peut être augmenté. Avec ces systèmes, un avion peut voler à des altitudes plus élevées avec l'avantage de vitesses vraies plus élevées et la capacité accrue de contourner les conditions météorologiques défavorables.
Superchargeurs
Un compresseur est une pompe à air ou un compresseur entraîné par moteur qui fournit de l'air comprimé au moteur pour fournir une pression supplémentaire à l'air d'induction afin que le moteur puisse produire une puissance supplémentaire. Il augmente la pression d'admission et force le mélange air-carburant dans les cylindres. Une pression d'admission plus élevée augmente la densité du mélange air-carburant et augmente la puissance qu'un moteur peut produire. Avec un moteur à aspiration normale, il n'est pas possible d'avoir une pression d'admission supérieure à la pression atmosphérique existante. Un compresseur est capable d'augmenter la pression d'admission au-dessus de 30 "Hg.
Par exemple, à 8 000 pieds, un moteur typique peut être capable de produire 75 % de la puissance qu'il pourrait produire au niveau moyen de la mer (MSL) car l'air est moins dense à plus haute altitude. Le compresseur comprime l'air à une densité plus élevée permettant à un moteur suralimenté de produire la même pression d'admission à des altitudes plus élevées qu'il pourrait produire au niveau de la mer. Ainsi, un moteur à 8 000 pieds MSL pourrait encore produire 25 "Hg de pression d'admission alors que, sans compresseur, il ne pourrait produire que 22 "Hg. Les superchargeurs sont particulièrement utiles à haute altitude (comme 18 000 pieds) où la densité de l'air est de 50% de celle du niveau de la mer. L'utilisation d'un compresseur dans de nombreux cas fournira de l'air au moteur à la même densité qu'au niveau de la mer.
Les composants d'un système d'induction suralimenté sont similaires à ceux d'un système à aspiration normale, avec l'ajout d'un compresseur entre le dispositif de dosage de carburant et le collecteur d'admission. Un compresseur est entraîné par le moteur via un train d'engrenages à une vitesse, deux vitesses ou des vitesses variables. De plus, les surpresseurs peuvent avoir un ou plusieurs étages. Chaque étage fournit également une augmentation de la pression et les compresseurs de suralimentation peuvent être classés en un étage, deux étages ou plusieurs étages, selon le nombre de fois où la compression se produit.
Une première version d'un compresseur à un étage et à une vitesse peut être appelée compresseur au niveau de la mer. Un moteur équipé de ce type de compresseur est appelé moteur au niveau de la mer. Avec ce type de compresseur, une seule turbine à engrenages est utilisée pour augmenter la puissance produite par un moteur à toutes les altitudes. L'inconvénient de ce type de compresseur est une diminution de la puissance du moteur avec une augmentation de l'altitude.
Les compresseurs de suralimentation à un étage et à une vitesse se trouvent sur de nombreux moteurs radiaux de grande puissance et utilisent une prise d'air orientée vers l'avant afin que le système d'induction puisse tirer pleinement parti de l'air dynamique. L'air d'admission passe par des conduits vers un carburateur, où le carburant est dosé proportionnellement au débit d'air. La charge air-carburant est ensuite acheminée vers le compresseur de suralimentation, ou turbine de soufflante, qui accélère le mélange air-carburant vers l'extérieur. Une fois accéléré, le mélange carburant-air passe à travers un diffuseur, où la vitesse de l'air est échangée contre de l'énergie de pression. Après compression, le mélange air-carburant haute pression résultant est dirigé vers les cylindres.
Certains des gros moteurs radiaux développés pendant la Seconde Guerre mondiale ont un compresseur à un étage et à deux vitesses. Avec ce type de compresseur, une seule turbine peut fonctionner à deux vitesses. La faible vitesse de l'impulseur est souvent appelée réglage bas du ventilateur, tandis que la vitesse élevée de l'impulseur est appelée réglage élevé du ventilateur. Sur les moteurs équipés d'un compresseur à deux vitesses, un levier ou un interrupteur dans le poste de pilotage active un embrayage à huile qui passe d'une vitesse à l'autre.
En fonctionnement normal, le décollage est effectué avec le compresseur en position basse soufflante. Dans ce mode, le moteur fonctionne comme un moteur assisté au sol et la puissance de sortie diminue à mesure que l'avion prend de l'altitude. Cependant, une fois que l'avion atteint une altitude spécifiée, une réduction de puissance est effectuée et la commande de suralimentation est commutée sur la position de soufflante élevée. La manette des gaz est ensuite réinitialisée à la pression d'admission souhaitée. Un moteur équipé de ce type de compresseur est appelé moteur d'altitude.
Turbocompresseurs
La méthode la plus efficace pour augmenter la puissance d'un moteur consiste à utiliser un turbocompresseur ou un turbocompresseur.
Installé sur un moteur, ce servomoteur utilise les gaz d'échappement du moteur pour entraîner un compresseur d'air afin d'augmenter la pression de l'air entrant dans le moteur via le carburateur ou le système d'injection de carburant pour augmenter la puissance à plus haute altitude.
Le principal inconvénient du compresseur à engrenages - l'utilisation d'une grande quantité de puissance du moteur pour la quantité d'augmentation de puissance produite - est évité avec un turbocompresseur car les turbocompresseurs sont alimentés par les gaz d'échappement d'un moteur. Cela signifie qu'un turbocompresseur récupère l'énergie des gaz d'échappement chauds qui seraient autrement perdus.
Un deuxième avantage des turbocompresseurs par rapport aux surpresseurs est la capacité de maintenir le contrôle sur la puissance nominale au niveau de la mer d'un moteur depuis le niveau de la mer jusqu'à l'altitude critique du moteur. L'altitude critique est l'altitude maximale à laquelle un moteur turbocompressé peut produire sa puissance nominale. Au-dessus de l'altitude critique, la puissance de sortie commence à diminuer comme c'est le cas pour un moteur à aspiration normale.
Les turbocompresseurs augmentent la pression de l'air d'induction du moteur, ce qui permet au moteur de développer le niveau de la mer ou une plus grande puissance à des altitudes plus élevées. Un turbocompresseur est composé de deux éléments principaux : un compresseur et une turbine. La section compresseur abrite une turbine qui tourne à grande vitesse. Lorsque l'air d'induction est aspiré à travers les pales de la turbine, la turbine accélère l'air, permettant à un grand volume d'air d'être aspiré dans le carter du compresseur. L'action de la turbine produit ensuite de l'air à haute pression et à haute densité qui est acheminé vers le moteur. Pour faire tourner la roue, les gaz d'échappement du moteur sont utilisés pour entraîner une roue de turbine qui est montée à l'extrémité opposée de l'arbre d'entraînement de la roue. En dirigeant différentes quantités de gaz d'échappement vers la turbine, plus d'énergie peut être extraite, amenant la roue à aubes à fournir plus d'air comprimé au moteur. La vanne de décharge, essentiellement une vanne papillon réglable installée dans le système d'échappement, est utilisée pour faire varier la masse de gaz d'échappement entrant dans la turbine. Lorsqu'il est fermé, la plupart des gaz d'échappement du moteur sont forcés de traverser la turbine. Lorsqu'ils sont ouverts, les gaz d'échappement peuvent contourner la turbine en s'écoulant directement par le tuyau d'échappement du moteur.
Comme la température d'un gaz augmente lorsqu'il est comprimé, la suralimentation fait augmenter la température de l'air d'admission. Pour réduire cette température et réduire le risque de détonation, de nombreux moteurs turbocompressés utilisent un refroidisseur intermédiaire. Ce petit échangeur de chaleur utilise l'air extérieur pour refroidir l'air comprimé chaud avant qu'il n'entre dans le doseur de carburant.
Opération Système
Sur la plupart des moteurs turbocompressés modernes, la position de la soupape de décharge est régie par un mécanisme de commande à détection de pression couplé à un actionneur. L'huile moteur dirigée vers ou loin de cet actionneur déplace la position de la soupape de décharge. Sur ces systèmes, l'actionneur est automatiquement positionné pour produire le MAP souhaité simplement en changeant la position de la commande des gaz.
D'autres conceptions de système de suralimentation utilisent une commande manuelle séparée pour positionner la soupape de décharge. Avec la commande manuelle, le manomètre du collecteur doit être étroitement surveillé pour déterminer quand le MAP souhaité a été atteint. Les systèmes manuels se trouvent souvent sur les avions qui ont été modifiés avec des systèmes de suralimentation de rechange. Ces systèmes nécessitent des considérations de fonctionnement particulières. Par exemple, si la soupape de décharge est laissée fermée après être descendu d'une altitude élevée, il est possible de produire une pression d'admission qui dépasse les limites du moteur. Cette condition, appelée suralimentation, peut produire une détonation grave en raison de l'effet d'inclinaison résultant de l'augmentation de la densité de l'air pendant la descente.
Bien qu'un système de soupape de décharge automatique soit moins susceptible de connaître une condition de suralimentation, cela peut toujours se produire. Si la puissance de décollage est appliquée alors que la température de l'huile moteur est inférieure à sa plage de fonctionnement normale, l'huile froide peut ne pas s'écouler suffisamment rapidement de l'actionneur de la soupape de décharge pour éviter une suralimentation. Pour aider à prévenir la suralimentation, poussez l'accélérateur avec précaution pour éviter de dépasser les limites de pression d'admission maximales.
Un pilote aux commandes d'un avion équipé d'un turbocompresseur doit être conscient des limitations du système. Par exemple, une turbine et une turbine de turbocompresseur peuvent fonctionner à des vitesses de rotation supérieures à 80 000 tr/min à des températures extrêmement élevées. Pour atteindre une vitesse de rotation élevée, les roulements du système doivent être constamment alimentés en huile moteur afin de réduire les forces de frottement et la température élevée. Pour obtenir une lubrification adéquate, la température de l'huile doit se situer dans la plage de fonctionnement normale avant d'appliquer des réglages d'accélération élevés. De plus, laissez refroidir le turbocompresseur et ralentir la turbine avant d'arrêter le moteur. Sinon, l'huile restant dans le logement de roulement va bouillir, provoquant la formation de dépôts de carbone dur sur les roulements et l'arbre. Ces dépôts détériorent rapidement l'efficacité et la durée de vie du turbocompresseur.
Performances à haute altitude
Au fur et à mesure qu'un avion équipé d'un système de suralimentation monte, la soupape de décharge est progressivement fermée pour maintenir la pression d'admission maximale autorisée. À un moment donné, la soupape de décharge est complètement fermée et de nouvelles augmentations d'altitude entraînent une diminution de la pression d'admission. Il s'agit de l'altitude critique, établie par l'avionneur ou le motoriste. Lors de l'évaluation des performances du système de suralimentation, sachez que si la pression d'admission commence à diminuer avant l'altitude critique spécifiée, le moteur et le système de suralimentation doivent être inspectés par un technicien de maintenance aéronautique qualifié (AMT) pour vérifier que le système fonctionne correctement.
