Tous les moteurs d'avion sont classés en fonction de leur capacité à effectuer un travail et à produire de l'énergie. Cette section présente une explication du travail et de la puissance et comment ils sont calculés. Sont également abordés les divers rendements qui régissent la puissance de sortie d'un moteur alternatif.

Travailler 

Un physicien définit le travail comme la force multipliée par la distance. Le travail effectué par une force agissant sur un corps est égal à l'amplitude de la force multipliée par la distance sur laquelle la force agit. Travail (W) = Force (F) × Distance (D).

Le travail est mesuré par plusieurs normes. L'unité la plus courante est appelée pied-livre (ft-lb). Si une masse d'une livre est soulevée d'un pied, un pied-livre de travail a été effectué. Plus la masse est grande et/ou plus la distance est grande, plus le travail effectué est important.

Puissance 

L'unité commune de puissance mécanique est le cheval-vapeur (ch). À la fin du XVIIIe siècle, James Watt, l'inventeur de la machine à vapeur, découvrit qu'un bourreau de travail anglais pouvait travailler à la vitesse de 550 lb-pi par seconde, ou 33 000 lb-pi par minute, pendant une durée raisonnable. De ses observations est née l'unité de puissance, qui est l'unité standard de puissance mécanique dans le système de mesure anglais. Pour calculer la puissance nominale d'un moteur, divisez la puissance développée en ft-lb par minute par 33 000, ou la puissance en ft-lb par seconde par 550.  Un hp = ft-lb par min / 33 000 ou Un hp = ft- lb par seconde / 550

Comme indiqué ci-dessus, le travail est le produit de la force et de la distance, et la puissance est le travail par unité de temps. Par conséquent, si un poids de 33 000 lb est soulevé sur une distance verticale de 1 pied en 1 minute, la puissance dépensée est de 33 000 lb-pi par minute, soit exactement 1 ch.

Le travail est effectué non seulement lorsqu'une force est appliquée pour le levage; la force peut être appliquée dans n'importe quelle direction. Si un poids de 100 lb est traîné sur le sol, une force est toujours appliquée pour effectuer le travail, bien que la direction du mouvement résultant soit approximativement horizontale. La quantité de cette force dépendrait de la rugosité du sol.

Si le poids était attaché à une balance à ressort graduée en livres, puis traîné en tirant sur la poignée de la balance, la quantité de force requise pourrait être mesurée. Supposons que la force requise est de 90 livres et que le poids de 100 livres est traîné sur 660 pieds en 2 minutes. La quantité de travail effectuée dans les 2 minutes est de 59 400 lb-pi ou 29 700 lb-pi par minute. Étant donné que 1 ch équivaut à 33 000 lb-pi par minute, le ch dépensé dans ce cas est de 29 700 divisé par 33 000, soit 0,9 ch.

Cylindrée des pistons 

Lorsque les autres facteurs restent égaux, plus la cylindrée du piston est grande, plus la puissance maximale qu'un moteur est capable de développer est élevée. Lorsqu'un piston passe du PMB au PMH, il déplace un volume spécifique. Le volume déplacé par le piston est connu sous le nom de déplacement du piston et est exprimé en pouces cubes pour la plupart des moteurs de fabrication américaine et en centimètres cubes pour les autres. 

Le déplacement du piston d'un cylindre peut être obtenu en multipliant l'aire de la section transversale du cylindre par la distance totale parcourue par le piston dans le cylindre en une seule course. Pour les moteurs multicylindres, ce produit est multiplié par le nombre de cylindres pour obtenir la cylindrée totale du piston du moteur.

Puisque le volume (V) d'un cylindre géométrique est égal à l'aire (A) de la base multipliée par la hauteur (h), il s'exprime mathématiquement par :  V = A × h.   L'aire de la base est l'aire de la section transversale du cylindre.

Aire d'un cercle 

Pour trouver l'aire d'un cercle, il faut utiliser un nombre appelé pi (π). Ce nombre représente le rapport de la circonférence au diamètre de n'importe quel cercle. Pi ne peut pas être énoncé exactement car il s'agit d'un nombre décimal sans fin. Il est de 3,1416 exprimé à quatre décimales, ce qui est suffisamment précis pour la plupart des calculs. 

L'aire d'un cercle, comme dans un rectangle ou un triangle, doit être exprimée en unités carrées. La distance égale à la moitié du diamètre d'un cercle s'appelle le rayon. L'aire de n'importe quel cercle se trouve en mettant au carré le rayon (r) et en multipliant par π. La formule est :  A = πr2. Le rayon d'un cercle est égal à la moitié du diamètre :  r = d /2.

Ratio de compression 

Tous les moteurs à combustion interne doivent comprimer le mélange carburant/air pour recevoir une quantité raisonnable de travail de chaque coup de puissance. La charge carburant/air dans le cylindre peut être comparée à un ressort hélicoïdal en ce sens que plus il est comprimé, plus il est potentiellement capable de faire du travail.

Le taux de compression d'un moteur est une comparaison du volume d'espace dans un cylindre lorsque le piston est en bas de la course au volume d'espace lorsque le piston est en haut de la course. Cette comparaison est exprimée sous forme de rapport, d'où le terme taux de compression. Le taux de compression est un facteur déterminant dans la puissance maximale développée par un moteur, mais il est limité par les qualités de carburant actuelles et les régimes élevés du moteur et les pressions d'admission requises pour le décollage. Par exemple, s'il y a 140 pouces cubes d'espace dans le cylindre lorsque le piston est en bas et qu'il y a 20 pouces cubes d'espace lorsque le piston est en haut de la course, le taux de compression serait de 140 à 20. Si ce rapport est exprimé sous forme de fraction, il serait de 140/20 ou 7 pour 1, généralement représenté par 7:1. 

Les limitations imposées aux taux de compression, à la pression d'admission et à l'effet de la pression d'admission sur les pressions de compression ont un effet majeur sur le fonctionnement du moteur. La pression d'admission est la pression absolue moyenne de la charge d'air ou de carburant/air dans le collecteur d'admission et est mesurée en unités de pouces de mercure ("Hg). La pression d'admission dépend du régime moteur (réglage de l'accélérateur) et du degré de suralimentation. le fonctionnement du compresseur augmente le poids de la charge entrant dans le cylindre. Lorsqu'un véritable compresseur est utilisé avec le moteur d'avion, la pression d'admission peut être considérablement plus élevée que la pression de l'atmosphère extérieure. L'avantage de cette condition est qu'une plus grande quantité de charge est forcée dans un volume de cylindre donné, et une plus grande puissance en résulte. 

Le taux de compression et la pression d'admission déterminent la pression dans le cylindre dans cette partie du cycle de fonctionnement lorsque les deux soupapes sont fermées. La pression de la charge avant la compression est déterminée par la pression d'admission, tandis que la pression à la hauteur de la compression (juste avant l'allumage) est déterminée par la pression d'admission multipliée par le taux de compression. Par exemple, si un moteur fonctionnait à une pression d'admission de 30 "Hg avec un taux de compression de 7:1, la pression à l'instant avant l'allumage serait d'environ 210 "Hg. Cependant, à une pression d'admission de 60 "Hg, la pression serait de 420 "Hg.

Sans entrer dans les détails, il a été démontré que l'événement de compression amplifie l'effet de la variation de la pression d'admission, et l'amplitude des deux affecte la pression de la charge de carburant juste avant l'instant d'allumage. Si la pression à ce moment devient trop élevée, un pré-allumage ou une détonation se produisent et produisent une surchauffe. Le pré-allumage se produit lorsque la charge d'air de carburant commence à brûler avant que la bougie ne se déclenche. La détonation se produit lorsque la charge d'air de carburant est allumée par la bougie d'allumage, mais au lieu de brûler à une vitesse contrôlée, elle explose, provoquant une augmentation très rapide des températures et des pressions du cylindre. Si cette condition persiste très longtemps, le moteur peut être endommagé ou détruit.

Puissance indiquée 

La puissance indiquée produite par un moteur est la puissance calculée à partir de la pression effective moyenne indiquée et des autres facteurs qui affectent la puissance de sortie d'un moteur. La puissance indiquée est la puissance développée dans les chambres de combustion sans référence aux pertes par frottement dans le moteur. Cette puissance est calculée en fonction de la pression réelle du cylindre enregistrée pendant le fonctionnement du moteur.  

Pour faciliter les calculs de puissance indiqués, un dispositif indicateur mécanique, tel que celui fixé au cylindre du moteur, capture la pression réelle existant dans le cylindre pendant le cycle de fonctionnement complet. Cette variation de pression peut être représentée par le type de graphique représenté sur la figure. Notez que la pression du cylindre augmente lors de la course de compression, atteint un pic après le centre supérieur et diminue à mesure que le piston descend lors de la course motrice. Comme la pression du cylindre varie au cours du cycle de fonctionnement, une pression moyenne (ligne AB) est calculée. Cette pression moyenne, si elle était appliquée régulièrement pendant la durée de la course motrice, effectuerait la même quantité de travail que la pression variable au cours de la même période. Cette pression moyenne est connue sous le nom de pression effective moyenne indiquée et est incluse dans le calcul de la puissance indiquée avec d'autres spécifications du moteur. Si les caractéristiques et la pression effective moyenne indiquée d'un moteur sont connues, il est possible de calculer la puissance nominale indiquée.

La puissance indiquée pour un moteur à cycle à quatre temps peut être calculée à partir de la formule suivante, dans laquelle les symboles de lettre dans le numérateur sont agencés pour épeler le mot « PLANK » pour aider à mémoriser la formule : Puissance  indiquée = P*L*A *N*K/33 000 ( où : P = pression effective moyenne indiquée, en psi L = longueur de la course, en pieds ou en fractions de pied A = surface de la tête de piston ou section transversale du cylindre, en pouces carrés N = Nombre de courses motrices par minute : tr/min/2 K = Nombre de cylindres )

Dans la formule ci-dessus, la surface du piston multipliée par la pression effective moyenne indiquée donne la force agissant sur le piston en livres. Cette force multipliée par la longueur de la course en pieds donne le travail effectué en une seule course motrice, qui, multiplié par le nombre de courses motrices par minute, donne le nombre de pieds-livres par minute de travail produit par un cylindre. En multipliant ce résultat par le nombre de cylindres du moteur, on obtient la quantité de travail effectuée, en lb-pi, par le moteur. Étant donné que la puissance en chevaux est définie comme un travail effectué au rythme de 33 000 lb-pi par minute, le nombre total de lb-pi de travail effectué par le moteur est divisé par 33 000 pour trouver la puissance indiquée.

Puissance au frein 

Le calcul de puissance indiqué discuté dans le paragraphe précédent est la puissance théorique d'un moteur sans friction. La puissance totale perdue en surmontant le frottement doit être soustraite de la puissance indiquée pour arriver à la puissance réelle fournie à l'hélice. La puissance fournie à l'hélice pour un travail utile est appelée puissance au frein (ch). La différence entre la puissance indiquée et la puissance au frein est connue sous le nom de puissance de friction, qui est la puissance nécessaire pour surmonter les pertes mécaniques, telles que l'action de pompage des pistons, la friction des pistons et la friction de toutes les autres pièces mobiles. 

La mesure du ch d'un moteur implique la mesure d'une quantité appelée couple ou moment de torsion. Le couple est le produit d'une force et de la distance de la force à l'axe autour duquel elle agit, ou  Couple = force × distance .

Le couple est une mesure de la charge et est correctement exprimé en livres-pouces (lb-in) ou livres-pieds (lb-ft). Le couple ne doit pas être confondu avec le travail, qui est exprimé en pouces-livres (in-lb) ou pieds-livres (ft-lb).

Il existe de nombreux dispositifs de mesure de couple, tels qu'un dynamomètre ou un couplemètre. Un type de dispositif très simple qui peut être utilisé pour démontrer les calculs de couple est le frein Prony. Tous ces dispositifs de mesure de couple sont utilisables pour calculer la puissance d'un moteur sur un banc d'essai. Il se compose essentiellement d'un collier articulé, ou frein, qui peut être serré sur un tambour cannelé sur l'arbre porte-hélice. Le collier et le tambour forment un frein à friction, qui peut être réglé par une molette. Un bras d'une longueur connue est fixé rigidement à ou fait partie du collier articulé et se termine en un point qui repose sur un jeu d'échelles. Lorsque l'arbre porte-hélice tourne, il a tendance à entraîner avec lui la bague articulée du frein et n'en est empêché que par le bras qui repose sur l'échelle. L'échelle indique la force nécessaire pour arrêter le mouvement du bras. Si la force résultante enregistrée sur l'échelle est multipliée par la longueur du bras, le produit résultant est le couple exercé par l'arbre en rotation. 

Puissance de friction 

La puissance de friction est la puissance indiquée moins la puissance de freinage. Il s'agit de la puissance utilisée par un moteur pour surmonter le frottement des pièces mobiles, aspirer du carburant, expulser les gaz d'échappement, entraîner des pompes à huile et à carburant et d'autres accessoires de moteur. Sur les moteurs d'avions modernes, cette perte de puissance par frottement peut atteindre 10 à 15 % de la puissance indiquée.

Pressions effectives moyennes de frottement et de freinage 

La pression efficace moyenne indiquée (IMEP), discutée précédemment, est la pression moyenne produite dans la chambre de combustion pendant le cycle de fonctionnement et est une expression de la puissance théorique sans frottement connue sous le nom de puissance indiquée. En plus de ne pas tenir compte de la puissance perdue par frottement, la puissance indiquée ne donne aucune indication sur la puissance réelle fournie à l'arbre d'hélice pour effectuer un travail utile. Cependant, il est lié aux pressions réelles qui se produisent dans le cylindre et peut être utilisé comme mesure de ces pressions.

Pour calculer la perte par frottement et la puissance nette, la puissance indiquée d'un cylindre peut être considérée comme deux puissances distinctes, chacune produisant un effet différent. La première puissance surmonte le frottement interne, et la puissance ainsi consommée est appelée puissance de frottement. La deuxième puissance, connue sous le nom de puissance au frein, produit un travail utile au niveau de l'hélice. La partie de l'IMEP qui produit la puissance de freinage est appelée pression effective moyenne de freinage (BMEP). La pression restante utilisée pour surmonter le frottement interne est appelée pression effective moyenne de frottement (FMEP). L'IMEP est une expression utile de la puissance totale du cylindre, mais n'est pas une quantité physique réelle ; de même, FMEP et BMEP sont des expressions théoriques mais utiles des pertes par frottement et de la puissance de sortie nette.

Bien que BMEP et FMEP n'existent pas réellement dans le cylindre, ils fournissent un moyen pratique de représenter les limites de pression ou d'évaluer les performances du moteur sur toute sa plage de fonctionnement. Il existe une relation opérationnelle entre l'IMEP, le BMEP et le FMEP.

L'une des limitations fondamentales imposées au fonctionnement du moteur est la pression développée dans le cylindre pendant la combustion. Dans la discussion des taux de compression et de la pression effective moyenne indiquée, il a été constaté que, dans certaines limites, une pression accrue entraînait une puissance accrue. Il a également été noté que si la pression des cylindres n'était pas contrôlée dans des limites étroites, elle imposerait des charges internes dangereuses pouvant entraîner une panne de moteur. Par conséquent, il est important de disposer d'un moyen de déterminer ces pressions de cylindre comme mesure de protection et pour une application efficace de la puissance.

Puissance de poussée 

La puissance de poussée peut être considérée comme le résultat du moteur et de l'hélice travaillant ensemble. Si une hélice pouvait être conçue pour être efficace à 100 %, la poussée et le bph seraient les mêmes. Cependant, l'efficacité de l'hélice varie en fonction du régime moteur, de l'attitude, de l'altitude, de la température et de la vitesse. Ainsi, le rapport entre la puissance de poussée et les ch délivrés à l'arbre porte-hélice ne seront jamais égaux. Par exemple, si un moteur développe 1 000 ch et qu'il est utilisé avec une hélice ayant un rendement de 85 %, la puissance de poussée de cette combinaison moteur-hélice est de 85 % de 1 000 ou 850 ch de poussée. Parmi les quatre types de puissance discutés, c'est la puissance de poussée qui détermine les performances de la combinaison moteur-hélice.