Théorie du moteur : l'huile

(Cet article a été initialement publié dans le numéro d'avril 2016 de Kitplanesmagazine. Ed.) Ce mois-ci, notre introduction continue à la technologie des moteurs commence par un examen du système de lubrification en considérant ce qu'il pompe : l'huile. La lubrification est une préoccupation de fond pour le pilote moyen, mais c'est un incontournable car sans elle, l'usure métal sur métal réduit rapidement tout moteur à un gâchis inutile de roulements fondus et de copeaux de métal laids. En pratique, le maintien d'une température d'huile correcte est le défi direct de la plupart des constructeurs d'avions expérimentaux et des pilotes.

Le pétrole - la substance de la vie dans les moteurs à combustion interne - mène une double existence dans nos moteurs d'avions refroidis par air. C'est le fluide de travail évident dans le système de lubrification, tout en étant un acteur majeur, bien que souvent négligé, du système de refroidissement. Il fonctionne même occasionnellement au clair de lune comme fluide hydraulique de remplacement dans les systèmes d'hélices à pas variable.

En tant que lubrifiant, l'huile est principalement responsable de la réduction de la friction entre les pièces mobiles du moteur, mais elle fait également flotter les impuretés, offre une protection contre la corrosion au métal autrement non plaqué et non peint du moteur et aide à sceller les segments de piston au cylindre.

En tant que liquide de refroidissement, l'huile transfère la chaleur de combustion du piston et de l'axe de piston vulnérables et extrêmement chauds au refroidisseur d'huile où elle est rejetée dans l'atmosphère. C'est aussi la principale source de refroidissement pour toute l'extrémité inférieure du moteur, c'est-à-dire le vilebrequin, les bielles et, plus particulièrement, les paliers principaux, de bielle et de butée, et c'est aussi le principal liquide de refroidissement pour le train de soupapes où les ressorts de soupape sont particulièrement nécessiteux. En fait, alors que les moteurs d'avion typiques sont étiquetés refroidis par air, les seules pièces principalement refroidies par air sont les culasses. Il serait plus juste, si laborieux, de dire qu'il s'agit de moteurs refroidis par air et par huile. Il en va de même pour les moteurs refroidis à l'eau, bien que la plus grande densité de l'eau gère généralement un pourcentage plus élevé de la chaleur perdue du moteur.

Pour nos besoins, notons que l'huile minérale (la substance traditionnelle) est raffinée à partir de pétrole brut et que l'huile synthétique est la même substance plus raffinée, ou un matériau totalement différent synthétisé à partir de pétrole non brut. L'huile synthétique est plus uniforme dans sa structure moléculaire et contient beaucoup moins de substances étrangères présentes dans l'huile minérale (cires et autres) qui n'ont rien à voir avec la lubrification des moteurs. L'huile synthétique a plusieurs qualités souhaitables pour compenser son coût plus élevé, notamment elle reste stable - ne se décompose pas en résidus gommeux - à des températures élevées. L'huile minérale commence à se décomposer sensiblement autour de 240F, tandis que l'huile synthétique résiste souvent à des températures supérieures de plusieurs centaines de degrés. En fait, les températures élevées de l'huile sont d'abord une menace pour l'huile minérale, mais avec certains synthétiques, la première chose à donner est le matériau de roulement dans le moteur.

L'un des inconvénients de l'huile synthétique vendue pour la première fois aux aviateurs était sa capacité minimale à transporter le plomb étranger de l'essence 100LL en solution. Dit avoir été un problème d'additifs, la formation de boues aurait été un problème avec les huiles 100 % synthétiques, et l'huile synthétique est maintenant proposée principalement sous la forme d'un mélange 30 % synthétique/70 % minéral pour former une huile semi-synthétique. Il n'a aucun problème avec la formation de boues.

L'huile est également classée par viscosité, qui est l'épaisseur du liquide, mesurée par sa résistance à la coulée à une température donnée. La viscosité est importante car elle permet au "corps" d'amortir le contact métal sur métal. Autour des voitures, la viscosité de l'huile est appelée "poids", comme dans "30 poids" et est établie conformément aux normes établies par la Society of Automotive Engineers (SAE). Dans l'aviation, cette propriété est officiellement connue sous le nom de "grade", et les chiffres sont à peu près le double de ceux du poids SAE. Ainsi 100 grade correspond à 50 poids, par exemple. Naturellement, autour de l'aéroport, le "poids" est plus souvent entendu que le "grade" de nos jours.

Le poids ou la qualité de l'huile est principalement adapté à la plage de températures de fonctionnement de l'huile, bien que les espaces internes du moteur (entre les tourillons de vilebrequin et leurs roulements, ou entre les segments de piston et les parois du cylindre) jouent également un rôle majeur. Ainsi, le cycle de service léger des moteurs automobiles signifie des températures d'huile relativement basses, et ces moteurs étroitement construits présentent de petits dégagements d'huile de sorte qu'ils utilisent au maximum 20 à 30 huiles de poids. Nos moteurs d'avion refroidis à l'huile/à l'air fonctionnent dur, longtemps et mettent une chaleur généreuse dans l'huile, si épaisse qu'un poids de 50 est typique, avec certains radiaux hérités d'un poids de 60, grâce à leurs dégagements d'huile caverneux.

L'huile simple poids ou grade est exactement ce que cela ressemble, une huile avec une viscosité spécifique à la température de fonctionnement (212F). Il est beaucoup plus épais à des températures froides. L'huile multi-poids ou multi-grade, disons 15W-50, est une huile fine de poids 15 avec des améliorants de viscosité ajoutés. Les composés VI s'enroulent littéralement en petites boules à basse température et se déroulent en brins plus longs à haute température. Lorsqu'ils sont en boule, les composés VI n'empêchent pas la coulabilité de l'huile, mais lorsqu'ils sont étirés, ils rendent l'huile plus épaisse.

Dans notre exemple 15W-50, l'huile se déverse comme une huile de poids 15 à 0F et une huile de poids 50 à 212F. Cela aide car, comme tout le reste, l'huile a une plage de températures de fonctionnement. L'huile épaisse de poids 50 dans les moteurs d'avion est à peine un lubrifiant à basse température - pensez à 45 ° F ou à des démarrages à froid plus froids - car elle ne coule pas. L'huile peut être si difficile à pomper à travers les petits passages du moteur qu'elle ne coule pas du tout momentanément. Le préchauffage du moteur est une excellente réponse, mais une huile multi-viscosité avec un débit grandement amélioré à basse température est également une aide importante et très pratique.

L'huile froide, quel que soit son type, est une réelle préoccupation. En plus de couler mal jusqu'à ce qu'il y ait un peu de chaleur, l'huile épaisse provoque une traînée significative sur les composants internes du moteur. Cela complique la vie du démarreur et épuise la batterie. Il prive également la puissance du moteur et gaspille de l'essence en surmontant la traînée excessive. Mais le pire problème est l'usure rapide du moteur métal sur métal due à un débit d'huile nul ou faible. À court de préchauffage, une huile multi-viscosité et le réchauffement du moteur dans la zone de démarrage jusqu'à ce que le mouvement soit visible sur l'instrument de température d'huile sont les réponses pratiques.

A l'autre bout du thermomètre, une chaleur excessive est fatale à l'huile minérale. Au fur et à mesure que la température augmente, l'huile minérale se décompose, cuit, brûle, appelez-la comme vous voulez, mais elle se transforme en permanence en une substance gluante non lubrifiante. Ce processus commence à 225F, mais devient significatif autour de 240F, et lorsque l'huile moteur conventionnelle dépasse 260F, elle devient rapidement autre chose que l'huile moteur. C'est pourquoi l'huile minérale surchauffée doit être changée. C'est aussi un gros avantage synthétique ; les températures de l'huile chaude ne l'inquiètent pas beaucoup.

Il est clair que les températures de l'huile Goldilocks sont l'objectif : 185 F à 215 F. Compte tenu d'une heure de temps de vol, c'est assez chaud pour brûler la contamination abondante de l'eau formée par la combustion, mais pas assez chaud pour décomposer l'huile.

Toutes les huiles moteur sont complétées par des additifs choisis par le fabricant d'huile. Ceux-ci diffèrent considérablement selon l'utilisation prévue de l'huile, mais ce que vous devez savoir, c'est que la plupart des additifs sont sacrificiels. Ils sont épuisés par le fonctionnement du moteur, et soit plus d'additifs doivent être versés dans le carter (ce qui n'est pas inconnu dans les camions routiers ou les moteurs industriels, mais pas dans les applications aéronautiques ou automobiles), soit l'huile doit être remplacée.

Les additifs d'huile moteur typiques traitent de la lubrification à haute pression (l'interface arbre à cames-poussoir est le grand acteur ici), mais les moteurs d'avion sont également lourds sur les additifs anti-boue pour lutter contre la boue grise formée lorsque l'essence au plomb, l'eau et les tolérances lâches du moteur se réunissent, ainsi que des neutralisants d'acide.

Ensuite, il y a les additifs dispersants sans cendres bien connus. La cendre est un sous-produit de combustion formé dans la chambre de combustion lorsque les moteurs y brûlent de l'huile. Les principaux acteurs de la formation de cendres sont les additifs détergents, donc contrairement aux moteurs automobiles avec leurs chambres de combustion essentiellement étanches à l'huile, les huiles pour avions évitent les détergents. Les moteurs d'avion refroidis par air brûlent de l'huile, grâce à leurs tolérances de piston, de segment de piston et de paroi de cylindre nécessairement lâches, de sorte que les additifs détergents formant des cendres sont un non-non pour l'aviation (et pourquoi vous ne faites pas fonctionner l'huile automatique dans les moteurs d'avion). Les additifs dispersants sans cendres retiennent les cendres qui se forment en solution afin qu'elles puissent être éliminées par le filtre à huile, ou (étonnamment) à défaut d'un filtre à huile, jusqu'à ce que l'huile soit remplacée.

Lycoming et Continental prévoient des températures d'huile trop froides et trop chaudes. Un thermostat, appelé vernatherm (sur les moteurs Lycoming), est réglé pour s'ouvrir à 185F. Il fait passer l'huile froide directement dans le moteur et l'huile chaude dans un refroidisseur d'huile huile-air avant de la laisser passer dans le moteur. Ainsi, la température de l'huile sur ces moteurs est d'au moins 185 F, sauf entre un démarrage à froid et lorsque l'huile se réchauffe à 185 F. C'est un gros "sauf", et c'est au pilote d'éviter les charges moteur élevées (comme le décollage) lorsque l'huile est trop froide (inférieure à 100F). Peu de pilotes semblent avoir la discipline nécessaire pour éviter le fonctionnement du moteur à huile froide, et les applications de catégorie standard à faible performance et leurs équivalents expérimentaux semblent survivre à une telle barbarie. Mais à mesure que les performances du moteur augmentent, le fait d'éviter le fonctionnement à haute charge et à l'huile froide fait une différence dans la longévité du moteur.

La température maximale de l'huile est contrôlée par un refroidisseur d'huile, et sur les avions, ce sont inévitablement des radiateurs huile-air. Les moteurs refroidis par eau signifient que la chaleur de l'huile peut être transmise au liquide de refroidissement par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur huile-eau ; c'est probablement la stratégie supérieure, mais évidemment peu pratique sur les moteurs refroidis par air.

Comme pour les systèmes d'échappement, le refroidisseur d'huile Lycoming monté à distance vit dans la frontière grise entre les responsabilités du motoriste et du constructeur de la cellule, et donc de nombreuses applications laissent beaucoup à désirer. En tant que constructeurs d'avions expérimentaux, nous sommes responsables de tout, et la gestion des nombreuses variables dans la construction d'un système de refroidissement d'huile efficace est un domaine créatif majeur pour nous.

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Les moteurs Rotax sont fournis et fonctionnent généralement sans thermostat (vernatherm). Mais les populaires quatre temps Rotax sont également à carter sec. Le puisard sec signifie qu'il y a une plus grande réserve d'huile, de sorte que l'huile passe relativement plus de temps à l'extérieur du moteur dans un réservoir et dégage donc naturellement plus de chaleur qu'un carter humide conventionnel Continental ou Lycoming. Les Rotax sont également refroidis à l'eau, ce qui signifie que moins de chaleur de culasse se retrouve dans l'huile en premier lieu.

Les Continentals montent leurs refroidisseurs directement sur le moteur. Ils utilisent également la construction de refroidisseur de style barre et plaque plus efficace en matière de transfert de chaleur et plus durable physiquement. L'intégration du moteur à la cellule est donc simplifiée ; une entrée adéquate et des volets de capot sont généralement suffisants.

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L'examen critique de l'huile de vidange donne une excellente fenêtre sur ce qui se passe à l'intérieur du moteur. Des laboratoires spécialisés offrent de tels services ; ils utilisent la spectroscopie et d'autres méthodes avancées pour détailler avec précision en quantités infimes ce qu'il y a dans l'huile, et donc le moteur.

Des quantités excessives d'acier pourraient par exemple prédire une défaillance de la came et du poussoir. Une teneur élevée en aluminium peut être due à l'usure du piston ou du bouchon de piston, le fer provient probablement des segments de piston, l'étain provient normalement des roulements, etc. La composition de l'huile est également facilement suivie, de sorte que l'épuisement des additifs ou les contaminations sont facilement repérés.

L'analyse d'huile est un outil puissant, en particulier lorsqu'elle est utilisée régulièrement afin que les changements puissent être identifiés rapidement et avec précision. Bien sûr, c'est aussi une dépense supplémentaire, donc la plupart des opérateurs privés l'utilisent occasionnellement ou lorsque des problèmes sont suspectés. Au moins, c'est un autre outil dont il faut être conscient, au mieux, c'est une partie régulière d'un programme approfondi de fonctionnement du moteur qui donne la tranquillité d'esprit, semble bon à la revente et pourrait bien attraper un désastre imminent.

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Remplir un moteur d'avion typique lors d'une vidange d'huile donne l'impression de faire le plein d'un super pétrolier. Pourquoi contiennent-ils autant d'huile de toute façon ?

Il existe plusieurs raisons. Premièrement, plus il y a d'huile disponible, moins il y a de trajets dans le moteur pour une quantité donnée d'huile par unité de temps. Ainsi, plus d'huile signifie moins de contamination, un chauffage de l'huile moins rapide et peut-être une température totale de l'huile légèrement inférieure. Mais principalement nos bons vieux moteurs d'avion refroidis par air à faible tolérance aspirent l'huile au-delà des segments de piston et la brûlent dans la chambre de combustion, parfois de façon spectaculaire.

Lorsque la réglementation a été rédigée il y a des décennies, une consommation massive d'huile était assez normale car l'étanchéité des cylindres n'était pas aussi bonne qu'aujourd'hui. Ainsi, les 6 cylindres typiques ont droit à près d'un litre d'huile par heure (!) Consommation, donc une étape de sept heures avec des réservoirs de carburant à longue portée signifie qu'il est possible de consommer cinq litres pendant un tel voyage.

Dans le monde moderne, la consommation d'huile devrait ressembler davantage à un litre toutes les 10 heures, et vous constaterez également que mettre 12 litres dans un 540 Lycoming ou huit litres dans un 360 entraîne un litre soufflé dans le reniflard du moteur et dans le ventre de l'avion en environ une heure. C'est pourquoi les anciennes mains courent toujours un litre de moins que le maximum affiché.

Cet article a été initialement publié dans le numéro d'avril 2016 de Kitplanesmagazine.

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