C quoi la bonne T° 

« Trop chaud, trop froid ? … » Questions qui se posent surtout l’hiver, sans doute parce que l’on a plus de temps à consacrer à nos machines. Nos moteurs n’aiment ni le chaud, ni le froid et cela impacte leur fonctionnement mais également leur longévité, pour ces raisons et à l’entame des froideurs de l’hiver, je vais tenter de rappeler ici ce qu’apprécient nos moteurs et ce qu’ils n’aiment pas.

Les Rotax série 9-- utilisent trois fluides pour stabiliser leurs T°, le liquide de refroidissement pour les pièces proches des chambres de combustion, (culasses, soupapes…), l’huile pour les organes en mouvement (vilebrequin, bielles, arbre à came, poussoirs…), l’air pour les cylindres.

Il faut donc parler des bonnes T° lorsque l’on a assimilé cette multiplicité des fluides, leurs caractéristiques, physiques et chimiques respectives permet de mieux comprendre leurs interactions. L’impact des interventions par les pilotes sur chacun d’eux tant par les modifications apportées à leurs aéronefs que par la façon de les piloter devient dès lors plus évident.

Lors de la mise en route, la T° de combustion élève instantanément le métal des culasses dans lesquelles se produisent les combustions, celles-ci étant parcourues par le liquide de refroidissement, c’est cette T° qui naturellement augmente le plus rapidement mais si son élévation favorise un meilleur fonctionnement du moteur (retrait du starter ou de l’enrichissement automatique sur les injections +-50° pour le second). À la différence des blocs moteurs entièrement parcourus par ce fluide comme cela représente la presque totalité des moteurs terrestres, seul le rayonnement communique la T° aux autres organes sauf si le moteur est équipé d’un dispositif qui favorise l’échange thermique entre les fluides (l’échangeur). 

Si le moteur ne dispose pas d’un échangeur, il peut être équipé d’un calorstat dont la fonction est d’accélérer la montée en T° du liquide de refroidissement, selon l’architecture sous capot (ou non !) de la machine concernée, cette solution peut s’avérer pertinente et/ou suffisante par exemple, lorsqu’il s’agit d’un motoplaneur pour lequel on souhaite une remontée en T° rapide après un long arrêt moteur en vol et que l’on ne veut pas alourdir la machine.

Sur certaines machines, la CHT monte tellement vite du fait des faibles surfaces des entrées d’air que l’on dépasse la limite haute (120°) avant d’avoir atteint la T° mini de l’huile, certes ce cas n’est pas le plus courant mais cela met en perspective la dichotomie des capacités calorifiques de chacun des fluides. 

Le moteur tournant, les organes mécaniques par leurs frottements, produisent des calories qui sont pour partie absorbées et transportées par l’huile, c’est ce que l’on appelle la fonction caloporteuse de l’huile, c’est ce fluide qui est le plus important dans la gestion des T° car, en circulant il va favoriser une homogénéisation de la T° des organes et des pièces en mouvement permettant d’harmoniser leurs dilatations afin d’en limiter les usures qui sont exponentielles dans les phases marginales que sont le démarrage et l’arrêt (60 %). Il existe également des calorstats pour l’huile dont le but est de limiter le volume de fluide passant par le radiateur jusqu'à obtention de la température cible (+-85°), lorsque celle-ci est atteinte, la soupape thermostatique ouvre le circuit « en grand » pour que la totalité du volume d’huile circule au travers du radiateur qui aura pour fonction de dissiper les calories excédentaires et de stabiliser la T°.

Et en vol dans tout cela ? S’il y a bien un fluide dont on ne manque pas en aéronautique, c’est bien l’air mais il est particulièrement difficile à gérer tant en flux où les solutions d’extraction sont complexes (dépression sous le fuselage, canalisation par l’hélice…)  en volume (forme et surface des entrées d’air) qu’en T° (solution de mesure dans le métal…), imposant des conduits de forte section encombrants et qui en s’additionnant ajoutent un poids non négligeable, ajoutez à cela que la stabilisation de sa T° est un casse-tête, les pilotes qui volent en avion (équipé de moteurs majoritairement refroidis par air) savent de quoi je parle particulièrement lors des longs taxiages en été… 

Il existe des solutions de régulation des T° qui utilisent la gestion du flux d’air canalisé sur le(s) radiateur(s) via des volets, ces solutions sont souvent très (trop ?) efficaces, majoritairement manuelles, imposent une charge de travail supplémentaire au pilote, leur oubli fermé peut être destructeur. 

Si au sol l’air n’exerce pas une influence de premier ordre sur les Rotax série 9--, il en va tout autrement en vol ou sa profusion générée par la vitesse ou sa T° qui en diminuant avec l’altitude favorise la dispersion calorifique ; ce dernier point peut être une aide pour améliorer les T° de fonctionnement internes (admission pour la combustion) que pour stabiliser les T° externes en traversant les radiateurs. Les grandes amplitudes de variation thermique posent cependant des problèmes de maintien des bons paramètres de T° en vol.

Dans la majorité des vols de longue durée, les seuls moments où les T° s’accroissent sont les phases de montées, à contrario les épisodes de descentes sont générateurs de refroidissement du fait des moindres contraintes imposées au moteur.

L’incidence sur l’huile, pour améliorer la mise en mouvement et les fonctionnements, on utilise des huiles multigrades dont la viscosité évolue en fonction de leur T°, pour ces raisons la T° plancher de l’huile à 50° préconisée par Rotax est la même que pour la majorité des moteurs exploités dans ou sur les trois éléments.

Fort de ces quelques rappels de thermodynamique, des fonctionnements spécifiques au Rotax série 9-- et à l’exploitation aérienne d’un moteur à combustion interne, je vais essayer de synthétiser les besoins et les solutions.

 

Pour la montée en T° selon la machine.

Le(s) Calorstat(s) sûrement la solution la plus efficiente tant en efficacité qu’en absence d’intervention du pilote.

Pour le liquide de refroidissement, il en existe de nombreuses variantes.

Monovoie, simple et léger (0,150 à 0,300kg) il est facile à loger dans l’environnement moteur, cette technologie peut faire peur mais les pannes (blocage de la soupape) sont quasi inexistantes sur ces équipements fabriqués par millions et utilisés depuis plus de 50 ans et qui comportent des bypass ; d’autre part les capacités à supporter les hautes T° par les Rotax série 9-- sont de nature à parer en grande partie à ce genre d’éventualité.

Multi voies, il apporte une sécurité supplémentaire et optimise les flux de circulation du liquide ; ils sont lourds (0,5 à 1 kg) et selon moi doivent être montés à poste fixe, directement sur la pompe à eau étant la position optimum pour réduire le nombre et la longueur des durites et limiter les contraintes sur les canalisations, le point négatif des multivoies.

Pour l’huile et du fait de sa fonction première de lubrification vitale à (très) court terme pour le moteur, le calorstat doit obligatoirement comporter un bypass important. Pour les même raisons que pour le calorstat du circuit de refroidissement avec en plus une notion d’étanchéité plus difficile, la fixation directe sur la pompe à huile est un facteur de sécurité non négligeable.

 

Les échangeurs

Ils ne sont pas tous égaux et il ne faut pas les confondre ni leurs attribuer des fonctions qu’ils n’ont pas ou ne devraient pas avoir…

Ils sont basés comme leur nom l’indique sur l’échange thermique entre les fluides, la T° du liquide de refroidissement s’élevant plus rapidement mais étant moins stable que celle de l’huile, il se produit les phénomènes suivants : lors de la montée en T°, le liquide de refroidissement en circulant dans un faisceau autour d’une canalisation d’huile lui transmet ses calories et en élève ainsi la T°. À chaud la T° de l’huile fluide plus caloporteur, régulée par un calorstat ou/et son radiateur réduit les pic de T° du liquide de refroidissement. 

Il existe des « échangeurs à plaques » issus de l’industrie et adoptés par l’automobile il y a une vingtaines d’années qui sont tellement performants qu’ils pourraient vous permettre de vous dispenser d’un radiateur d’huile, même si c’est possible, cette utilisation extrême du système fait prendre des risques certains en cas de forte T° car il n’y a plus de surface de dissipation du surplus de calories et d’autre part, cela réduit le volume d’huile avec pour résultante une sollicitation plus importante du fluide restant. Cette option d’ablation du radiateur est fortement déconseillée et en contradiction avec l’Installation Manual du Rotax série 9--

 

« L’ULM touch »

Je veux parler ici de la solution simple et peu onéreuse, qui consiste au masquage des radiateurs le plus souvent avec des bandes de scotch. Cette pratique est très efficace si elle est correctement mise en œuvre en masquant les faisceaux dans le sens de circulation du fluide, afin d’optimiser l’élévation des T° et d’éviter l’effet clignotant (chaud /froid /chaud /…).

Les limites de cette solution sont une totale impossibilité d’intervention en cas de variation importante des T° durant le vol, le risque d’oubli au changement de saisons n’est pas non plus à négliger. 

Sous nos latitudes les moteurs ne refusent pas de démarrer ni de fonctionner comme cela peut être le cas dans les pays très froid, de plus le carter sec préserve du frein à la rotation lors de la mise en mouvement dans l’huile épaissie par le froid mais il faut être conscients qu’une utilisation en dehors des préconisations du motoriste est préjudiciable à un fonctionnement harmonieux ainsi qu’à la résistance à l’usure.

Il m’est souvent demandé pourquoi le pilote doit lui-même trouver des solutions pour obtenir les T° préconisées par le motoriste. La réponse est simple : Rotax vend des moteur « All in Box » (prêt à monter), il ne connaît pas le lieu où les aéronefs seront exploités, les conditions climatiques étant très différentes d’un pays ou d’une région à l’autre, il met à disposition sur (www.flyrotax.com) un cahier des charges (IM). Laissant au constructeur industriel ou amateur de réaliser l’adaptation au modèle de l’aéronef et à la région du globe où il est exploité. Cette phase dite d’intégration est pour information l’une des plus dispendieuses dans la conception d’un modèle pour les constructeurs d’automobiles dont les volumes de production n’ont rien à voir avec ceux de nos constructeurs d’ULM. Alors faisons contre mauvaise fortune bon cœur et adaptons nous-même nos T° de fonctionnement et surtout respectons-les, il y va de notre sécurité (et de notre portefeuille comme me le rappelle Régis !)

Pour conclure, je pense qu’il est important d’intégrer que si les temps passés en chauffe sont facilement quantifiables, par exemple avec 6° extérieur sans dispositif +-12mn pour atteindre les 50° indispensables à la mise en puissance pour le décollage, lorsque l’ULM est équipé d’un calorstat, il ne faudra plus que +-6mn. Là où il est difficile de mesurer dans le temps, c’est pour les T° d’exploitation en vol (sauf à disposer d’un EMS qui enregistre ces données).

Les différences en temps ne sont pas énormes même si elles doivent être intégrées dans le calcul des coûts horaires pour les aéroclubs ; en revanche, l’impact sur la longévité et la sécurité de fonctionnement est très important.

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Principe de base en hiver, sortez couverts !

Astuce : pour atteindre la T° de fonctionnement, rien de mieux que de profiter de la montée initiale en conservant le plein régime, en déchargeant éventuellement le moteur en rendant la main de quelques degrés. Une fois atteint la T° cible, il sera plus facile de la maintenir en croisière.

 

Christophe Huchet