Fonctionnement du moteur 4 temps.

Après vous avoir montré comment fonctionnent les moteurs type Turbopropulseur, réacteurs et turboréacteur, je vais vous parler du moteur qui équipe les avions plus légers, et aussi nos voitures : le moteur 4 temps.

Avant propos, voyons pour les néophyte ce qu’il y à dans un moteur… Pour simplifier, je prends un mono-cylindre. Certains moteurs en ont beaucoup plus!

En gris, on retrouve le piston. Il assure l’étanchéité de la chambre de combustion et recueille l’énergie de l’inflammation.

En dessous, en marron, la bielle transmet le mouvement du piston sur le vilebrequin (en rouge).

Le vilebrequin transforme le mouvement de bas vers le haut de la bielle en un mouvement rotatif.

En jaune, l’arbre à came pousse les tige de culbuteurs (vert) qui poussent les culbuteurs (rose) qui ouvrent et ferme les soupapes (saumon).

Enfin, la bougie (en bleu) commande l’inflammation.

Je vais maintenant détailler les trois grandes familles d’architecture existant pour les moteurs 4 temps:

Le moteur en ligne. Les cylindres sont alignés, comme sur ce moteur de Formule 3000 (désolé, je n'avais rien d'autre pour illustrer).

Le moteur en V. Deux lignes de cylindre se font face et les bielles de chaque pistons sont rattachés au même vilebrequin, comme ici sur le Dassault 312M.

Le moteur en étoile. Un peu plus compliqué techniquement, et utilisé surtout dans les débuts de l’aviation. Les cylindres sont répartis tout le tour de l’axe du moteur.

Afin de simplifier les choses, je vous explique le cycle 4 temps théorique (plutôt que le cycle réel):

Premier temps: admission.

La soupape d’admission s’ouvre en même temps que le piston descend.

Le mélange air/carburant (pour les moteurs à allumage contrôlé, dans le cas des moteurs diesel, seul de l’air est admis) est alors aspiré dans la chambre de combustion.

Lorsque le piston arrive en bas de sa course, la soupape d’admission se referme.

Deuxième temps: la compression:

Les deux soupapes sont fermées, et le piston remonte. La masse dans la chambre reste identique, mais le volume diminue, donc, la pression et la température augmente (tout dépends du modèle de moteur, et de son type de carburant, mais on rencontre fréquemment à ce moment là des températures de 400°c pour des pression de 10 à 15 bar).

Troisième temps: inflammation/détente.

Lorsque le piston arrive au sommet de sa course, le mélange est mis à feu (auto inflammation causé par l’injection de carburant pour les moteurs diesel, allumage a l’aide d’une étincelle pour les moteurs à combustion contrôlés). Le front de flamme avance dans la chambre avec une vitesse de 100m/s, et à des températures dépassant les 2000°C. En fonction du type de moteur, la pression dépasse les 60 bars, ce qui repousse le piston vers le bas.

Quatrième temps: l’échappement.

Une fois le piston repoussé en bas de sa course, la soupape d’échappement s’ouvre, laissant échapper les gaz usés au fur et à mesure que le piston remonte. Une fois le piston arrivé en haut, la soupape d’échappement se referme, alors que celle d’admission s’ouvre, le moteur repartant pour un nouveau cycle.
After having show you how the turbopropulsor engines, and jet & turbojet engines are working, I'll shown you the engine that powers the lighter aircraft, and also our cars: the internal combustion engine.

Foreword, for the neophyte, to know what can we found into an engine... Basically, I take a single cylinder. Some engines have a lot more!
In grey, we find the piston. It seals the combustion chamber and collects the energy of ignition.
Below, in brown, the connecting rod transfers the movement of the piston to the crankshaft (in red).
The crankshaft transforms the movement from bottom to the top of the rod to rotary motion.
In yellow, the camshaft pushes rocker rod (green) and rockers (pink), that open and close valves (salmon).
Finally, the spark plug (blue) controls inflammation.


I will now detail the three main families existing architecture for internal combustion engine:
The line engine. The cylinders are lined up, like on this Formula 3000 engine (sorry, i haven't got any pictures for airplanes like theses):


The V engine. Two lines face each cylinder and each piston rods are attached to the same crankshaft, like the Dassault 312M engine below.The star engine. A little more complicated technically, and primarily used on vintage airplane. The cylinders are distributed all around the motor shaft.
To simplify things, I’ll explain you the theorical cycle (and not the real one):

First step:intake.
The intake valve opens at the same time as the piston go down.
The air / fuel mixture (for controlled-ignition engines, in the case of diesel engines, only air is admitted) is then sucked into the combustion chamber.
When the piston reaches the bottom of the cylinder, the intake valve closes.

Second time: compression.

Both valves are closed and the piston rises. The mass in the room stay the same, but the volume decreases, therefore, pressure and temperature increases (depending on engine model, and type of fuel, but is frequently encountered at this time temperatures of 400°C pressure for 10 to 15 bar).

Third time: inflammation / trigger.
When the piston reaches the top of the cylinder, the mixture is ignited (auto ignition by fuel injection for diesel engines, ignition by a spark for other engines). The fire flame front is moving in the room with a speed of 100m/s, and temperatures exceeding 2000 ° C. Depending on the type of engine, the pressure exceeds 60 bars, which pushes the piston down.

Fourth step: the exhaust.
Once the piston was pushed down of his running, the exhaust valve opens, releasing the waste gas when the piston rises. Once the piston reaches the top, the exhaust valve closes, while the intake valve opens, the engine will restart a new cycle.

Turbojet engine

Embraer 170.

Le turboréacteur inventé par Charles Louvrié (brevet déposé en 1863) à du attendre Aout 1939 et le Henkel HE 178 avant de voler pour la première fois. Le 18 Aout 1942, Messerschmitt fit voler le ME 262, premier avion de série (plus de 1400 exemplaires produits) à exploiter un turboréacteur. Trop bruyant, trop gourmand, après une courte apogée dans les années 60, ce moteur fut abandonné par l’aviation civile, malgré des capacités intéressantes à très haute vitesse comme l’ont prouvés le Concorde et les applications militaires (Le Lockheed SR71 BlackBird est l'avion à turboréacteurs le plus rapide: il est capable d’atteindre Mach 3,5 soit plus de 4000 km/h!).

Petit schéma de principe pour comprendre ce qu’est un turboréacteur:


Le flux d’air qui arrive dans le moteur en A est aspiré et comprimé par le compresseur B. Du carburant est injecté et enflammé en C. L’énergie produite est récupérée par la turbine D. Les gaz sont ensuite expulsés dans la tuyère E. A noter : l’air chaud qui sort de la tuyère ne se mélange pas avec l’air froid de l’extérieur du moteur (des fluides de températures différentes se mélangent toujours difficilement), mais il se crée une zone de forte turbulence à la frontière entre les deux flux. En plus de nuire à la performance de l’avion, ces turbulences produisent énormément de bruit.

Le cas de la post combustion: sur certains moteurs à très haute performances, on injecte du carburant dans la tuyère E. Cela à pour effet d’augmenter encore les performances du moteur, Mais la consommation d’un moteur en mode postcombustion est catastrophique.

Ici, un Fokker 100 à Saint Exupery.

Here, an Fokker 100 in Lyon Saint Exupery.

La solution qui fut trouvée pour rendre ces moteurs moins bruyants et plus économe fut le turboréacteur à double flux, ou turbofan.
Le bruit étant en grande partie provoqué par la détente des gaz en sortie de réacteur, on ajoute une grosse hélice carénée (fan en anglais) devant pour « envelopper » les gaz d’échappement, et augmenter la poussée (et donc le rendement).
Fonctionnement:

Le flux d’air qui arrive dans le moteur en A est aspiré et comprimé par la soufflante B. Une partie de cet air est éjecté directement en C pour produire jusque 80% de la poussée pour un avion civile. Pour le fonctionnement de la turbine D, voir au dessus. En effet, pour simplifier, le turboréacteur à double flux n'est qu'un turboréacteur auquel on aurait ajouté un compresseur supplémentaire de grande taille, la soufflante. A noter tout de même que l’arbre principal est divisé en trois parties, ce qui permet trois vitesses de rotation différentes. Le cône E n’est pas un artifice inutile : il permet de lisser le flux et permet casser et ralentir les lignes de flux supersonique, ce qui évite des turbulences. De plus, le flux chaud est entouré par le flux froids. Deux flux de température différente ne se mélangent toujours pas, mais cela permet de réduire fortement les turbulences, et donc, le bruit produit.
Pour ce genre de moteur, on parle de taux de dilution. C’est le rapport entre le flux froid massique (dit secondaire) qui est généré par la soufflante, et le flux dit chaud massique (dit primaire) qui sort de la turbine. Ce taux est variable selon les moteurs. Elle est d'autant plus élevée que le moteur est destiné à voler à des vitesses faibles. Les moteurs militaires optimisés pour le vol supersonique peuvent avoir un taux de dilution en dessous de 1, alors que les moteurs utilisés pour propulser les avions civils, optimisés pour des croisières autour de 900Km/h ont des taux de dilution allant de 5 à 10.


747's 3rd engine.

Moteur N°3 d'un 747.


The turbojet engine was invented by Charles Louvrié (copy right in 1863). It needs to wait August 1939 with the Henkel HE 178 before to fly for first time. On 1942, August, the 18th Messerschmitt do the first flight of the ME 262, first serial airplane (more than 1400 built) to use a turbojet engine. Too noisy, too gourmand, after a short highlight during the 60’s, this engine was abandoned by civilians airplane, even if it can have interesting capacities on very high speed, like proved by Concorde and military applications (The Lockheed SR71 BlackBird is still the fastest turbojet engine airplane: it can fly at Mach 3,5 or more of 4000 km/h!).
Little scheme to understand how it works:


The air flow come on the engine in A and is sucked up and comprimed by the compressor B. Some fuel is injected and burned in C. The power delivered is got back by the turbine D. Then the gaz are expulsed by the nozzle E. To be noted: the hot flow that goes out the nozzle didn’t mix with the cold flow outside of the engine (different temperatures fluids cannot mix them easy), but a strong turbulence area is created on the frontier of the two flows. It decreases the airplane performance, and also made a lot of noise.

The post combustion case: on certain high performance engine, some fuel is injected on the nozzle E. It increase the performance of the engine, but the consumption in post combustion mode is very heavy.

CRJ100 turbofan.

Turbopropulseur double flux d'un CRJ100.

The solution founded to made these engines less noisy and more economic was the double flow turbojet engine, or turbofan.
The bigest part of the noise is due to the gaz detente on the nozzle exhaust. So, we add a big fan in front of the engine to « wrap » the exhaust gaz, and increase the engine performance.
Work:

The air flow come in to the engine in A, and is sucked and comprimed by the fan B. A large parts is directly ejected by C to product to 80% of the engine push for a civilian airplane. For the turbo jet engine D, see fonctionnement behind. In fact, to simplify, the double flow turbojet engine is only a turbojet engine for who we add a supplementary big compressor, the fan. To be précised: the principal driveshaft is divised in tree parts, it permise to obtain tree different speed. The cone E is not an inutile device : it permit to break and slow down the supersonic flow line, and avoid turbulence, so noise and bad work. Other point: the hot flow is surrounded by the cold flow. Two flow with different temperature still not mix, but it reduce strongly the turbulence, and so, the noise…
For this kind of engine, we speak about dilution rate (I don’t know if the English expression is really this one!). It is the relationship betwen the mass of the cold flow generated by the fan and the mass of the hot flow generated by the turbojet. This rate is variable between the engine. More the airplane is destined to have low speed, more this rate will be hight. The military engine, optimised for supersonic flight can have a dilution rate under 1, wihle the engine use on airliner, optimised to flight 900Km/h as dilution rate near 5 to 10.

Turbojet engine number 3 and 4.

Turbopropulseur double flux N° 3 et 4 d'un 747.

Turboprop: What it is and how does it work?

Qu’est ce qu’un turbopropulseur et comment ça marche?

Parler de turbopropulseur est un abus de langage. En effet, le mot vient de l’anglais « turboprop » qui est l’assemblage de turbo (pour la turbine) et propeller (pour l’hélice). Ainsi, nous comprenons que ce moteur est l’assemblage d’une turbine et d’une hélice.
L’idée de l’utilisation des turbopropulseurs remonte en 1939, aux U.S.A. quand J. Northrop débuta l'étude d’une turbine à gaz en remplacement du moteur à explosion pour propulser des avions. Mais en 1944, le turboréacteur fut mis au point avec succès avec le Messerschmitt ME262. La turbine à gaz fut donc oubliée au profit du turboréacteur pour alimenter l'hélice: Le turbopropulseur était né. Le premier turbopropulseur à atteindre le banc d'essai était le Rolls-Royce Trent en mars 1945. Il fut couramment utilisé sur tous type d’avions avant de céder la place au turbopropulseur à simple, puis à double flux. Un peu tombé en désuétude, il est de nouveau fortement sollicité de nos jours pour les avions de transport régionaux, de capacité réduite, ou les hélicoptères afin de répondre aux défis majeurs du rendement économique et des normes environnementales toujours plus serrées.
L’inconvénient de cette motorisation est qu’un appareil ainsi équipé est limité en vitesse par son hélice. La formation des ondes de choc sur les hélices est connu depuis les années 20, en effet, des recherches avaient été déjà faites sur des hélices tournant à grande vitesse. La vitesse de l'air frappant hélice est due non seulement à la rotation des pales mais également à la vitesse de l’appareil. A mesure que ces deux vitesses augmentent, l'extrémité des pales subies des ondes de choc transsoniques, ainsi à 800 km/h, un tiers de la longueur des pales est touché par ces ondes, diminuant l’efficacité de 50%! Il est couramment admis que cette vitesse est le plafond de vitesse pour un avion à hélice (même si le F-84 H atteindra tout de même 1050 km/h soit pratiquement Mach 1!) Le turbopropulseur est donc employé généralement sur des avions dont la vitesse n'excède pas 500 à 600 km/h, tels que les avions de tourisme ou les appareils de capacité réduite. On utilise aussi le turbopropulseur sur les hélicoptères. Il est intéressant de noter que c'est ce même phénomène qui limite la vitesse des hélicoptères à 400Km/h car l'hélice, en position horizontale, subit plus de contrainte.

Détail du fonctionnement :

Une partie de l’air poussé par l’hélice A pénètre dans le moteur en B. Ce flux est comprimé par le compresseur C.
Le flux arrive ensuite dans la chambre de combustion à flux inversé D, dans laquelle il est mélangé au carburant. Un système d’allumage provoque la combustion du mélange.
L’énergie ainsi crée est utilisée de deux façons :
-Elle entraine les turbines E qui transmettent une forte puissance et un régime de rotation élevé mais un faible couple au réducteur F. Celui-ci transforme cette énergie en forte puissance, régime de rotation modéré mais couple élevé.
-Elle fournie entre 10 et 15% de la poussée du moteur par échappement par la tuyère G.

What is a Turboprop, and how does it work? Turboprop is the assembly of a turbine and a propeller. The idea to use turbine engine to actione a proppler is borne on the U.S.A. in 1939, when J. Northop begin the studie of a gaz turbine to replace the traditional piston engine to propulse the airplane. But in 1944, the turboreacteur was succesfully built with the Messerschmitt ME262. So, the gaz turbine was forget and replaced by the turboréacteur to entrain the proppler: the turbopropulseur was born. The first one was the Rolls-Royce Trent in march 1945. It was largely used in all airplane type before to be replaced by a simple Flux, then to a double flux turbopropulseur. Forget during the 60's, it is strongly asked today for small and regional airplane, or for the hélicoptères in order to responde to the defial of the economical return and to the environmental law stronger every year. The less of thi kind of motor is that speed of the airplane equiped with it is limited by it's proppler. The formation of shock waves on the proppler is knew since the 20's, some research have proved that the air who strike the proppler turning at heavy fast is due to the rotation of the proppler, and also to the airplane speed. due non seulement à la rotation des pales mais également à la vitesse de l’appareil. As these two speeds increase, the extremity of pales undergone by transsoniques shock waves, so, at the speed of 800 km/h, one on three of the pales lenght is touched by these waves, this cause the lost of 50% of the efficacity! It's often admetted that this speed is the maximum speed for a proppler airplane (even if the F-84 H as reach 1050 km/h, nearly the sound wave speed!) The turbopropulseur is so generaly used on airplanes who dont go faster than 500 to 600 km/h, like tourism or small airplane. It's also used on helicopters. It is interessting to constate that it is the same phénomena who limite the helicopters speed to 400Km/h, because the proppler in horisontal position sudden more forces.

Working details:

One parts of the air flow pushed by the proppler A go in the engine by the open B. This air flow is comprimed by the compressor C. The flow arrived in the inversted stream combustion chamber D, in wich one it is mixed with carburant. Then, an ignition device burn this mix. The power delivred is used pf two manners:

-It made turn the turbines E, who transmitted a strong power and a hight regime of rotation but a low torque to the reducer F. This one is changing this energy in high power, low regim rotation, but hight torque.

-It furnish near 10 and 15% of the engine with the exhaust by the nozzle G.