Excellente performance pour faible consommation
Avions non habités, également appelés drones, ont besoin de moteurs fiables assurant de longues heures de vol avec de très faibles quantités de carburant. Jusqu'ici, il n’existait pour ces entraînements que des carburateurs qui n’étaient pas en mesure de traiter le mélange combustible de manière optimale lors de nombreuses phases de vol. Désormais, un nouveau dispositif d’injection miniaturisé conçu spécialement pour les moteurs à combustion de petite taille offre les avantages d’une injection d’essence similaire à celle des gros moteurs. D’excellentes performances pour une faible consommation ainsi qu’un niveau de fiabilité très élevé : voilà les propriétés majeures de ce système. Des micromoteurs fournissent la pression requise dans le circuit d’essence.
Le monde de la recherche, l’armée ainsi que, de plus en plus, l’industrie, les médias et les services de sauvetage, utilisent des petits avions, des « drones », pour effectuer des vols de reconnaissance et des mesures. Leur acquisition et leur entretien sont beaucoup moins onéreux que pour les avions habités. En raison de leur taille modeste, ces drones ont besoin d’être entraînés par des petits moteurs, qui étaient jusqu'ici dotés uniquement de carburateurs pour la préparation du mélange. L’entreprise Currawong Engineering Pty Ltd de Kingston, en Tasmanie (Australie), propose aujourd'hui une solution par la mise en œuvre de petits dispositifs d’injection, qui garantissent un mélange du combustible toujours optimal même sur les avions de petite taille, et dans toutes les situations de vol. L’air d’admission est dosé dans le carburant sous pression par régulation électronique. Pour établir la pression requise pour le carburant, il faut de l’énergie auxiliaire. Un micromoteur CC de puissance élevée pour un faible poids assure une pression homogène du carburant, indépendamment de l’altitude de vol, de la contenance du réservoir et des manœuvres de vol.
Le problème des avions équipés d’un carburateur est que celui produit un mélange trop riche en altitude s’il est parfaitement réglé au niveau de la mer. S’il son réglage est impeccable en altitude, le mélange est trop maigre au niveau du sol. Un compromis est toujours nécessaire, qui réduit les performances tout en augmentant la consommation de carburant. L’injection électronique d’essence apporte aujourd'hui la solution.
Comme le carburant est soumis à une pression de plusieurs bars, il n’y a pas de percolation, même à haute altitude. Des buses injectent le carburant dans la tubulure d’admission ; autrement dit, un passage d’admission libre, sans buse Venturi, optimal au plan aérodynamique, est désormais possible. Le moteur peut « respirer » plus librement et développer plus de puissance. C’est notamment très perceptible à haute altitude, lorsque l’air se raréfie. La quantité injectée est constamment recalculée par un dispositif électronique sur la base de données de mesure comme la température d’admission, la pression de l’air et l’exigence fonctionnelle du moteur. Le point d’injection et la durée sont coordonnés avec l’angle de vilebrequin. La pression dans le circuit de carburant combinée à la forme de la buse assurent alors une pulvérisation très fine du carburant, les gouttes ultrafines se vaporisent plus facilement que les grosses et forment un mélange plus homogène. Ainsi, un mélange optimal est assuré, aussi bien au démarrage avec quasiment pas d’écoulement qu’à haute altitude, avec un air raréfié, et à pleine charge au sol, avec un air dense. Au final, l’utilisation d’un dispositif d’injection entraîne une consommation réduite de 15 à 30%, de meilleures performances et une fiabilité accrue du moteur.
Une pompe à piston établit la pression essentielle et un accumulateur de pression placé en aval, avec régulateur de pression, assure une pression constante de 2,9 à 3,2 bars dans le circuit. Dans la pompe à carburant, un micromoteur fonctionne via un engrenage conique sur un vilebrequin, qui actionne le piston de la pompe. Grâce au renvoi de force à 90° de la transmission, le micromoteur CC, d’un poids de 27 g, commuté par contacts en métal précieux peut être parfaitement placé derrière le cylindre de pompe, ce qui réduit l’encombrement. Tout le bloc-pompe ne mesure que 65 mm de haut, 21 mm de large et 34 mm de profondeur. La commutation mécanique permet une commande simple par modulation de largeur d’impulsions, pour une durée de vie plus que suffisante pour ce cas d’application. Pour augmenter le couple et transférer les 2,5 W de puissance de sortie au vilebrequin de la pompe de manière optimale, un réducteur à engrenages planétaires est placé en aval du moteur. Pour un diamètre de 15 mm, il réduit la vitesse à l’entrée de 19:1. Il fonctionne sur une plage de températures de -30 à +65 °C, plus que suffisante pour l’exploitation des drones dans le monde entier. Le couple de la transmission en plastique à deux étages, qui ne pèse que 5 g, peut aller jusqu'à 200 mNm.
Formation du mélange en vol
Les moteurs utilisés dans les avions ont des exigences particulièrement élevées quant à la préparation du mélange. Le combustible et l’air ne sont inflammables que dans des limites très strictes ; cette fenêtre est encore plus étroite lorsque le moteur doit tourner avec des performances toujours optimales et une faible consommation spécifique. Sur les avions de petite taille, une faible consommation est très importante, car chaque gramme économisé rallonge la durée de vol ou augmente la charge utile. Comme les petits avions ne fonctionnent qu’avec un seul moteur, les dysfonctionnements entraînent nécessairement un crash ; tous les composants doivent donc impérativement avoir une fiabilité maximale.Le problème des avions équipés d’un carburateur est que celui produit un mélange trop riche en altitude s’il est parfaitement réglé au niveau de la mer. S’il son réglage est impeccable en altitude, le mélange est trop maigre au niveau du sol. Un compromis est toujours nécessaire, qui réduit les performances tout en augmentant la consommation de carburant. L’injection électronique d’essence apporte aujourd'hui la solution.
Comme le carburant est soumis à une pression de plusieurs bars, il n’y a pas de percolation, même à haute altitude. Des buses injectent le carburant dans la tubulure d’admission ; autrement dit, un passage d’admission libre, sans buse Venturi, optimal au plan aérodynamique, est désormais possible. Le moteur peut « respirer » plus librement et développer plus de puissance. C’est notamment très perceptible à haute altitude, lorsque l’air se raréfie. La quantité injectée est constamment recalculée par un dispositif électronique sur la base de données de mesure comme la température d’admission, la pression de l’air et l’exigence fonctionnelle du moteur. Le point d’injection et la durée sont coordonnés avec l’angle de vilebrequin. La pression dans le circuit de carburant combinée à la forme de la buse assurent alors une pulvérisation très fine du carburant, les gouttes ultrafines se vaporisent plus facilement que les grosses et forment un mélange plus homogène. Ainsi, un mélange optimal est assuré, aussi bien au démarrage avec quasiment pas d’écoulement qu’à haute altitude, avec un air raréfié, et à pleine charge au sol, avec un air dense. Au final, l’utilisation d’un dispositif d’injection entraîne une consommation réduite de 15 à 30%, de meilleures performances et une fiabilité accrue du moteur.
L’injection dans la pratique
Autant le principe est simple, autant la conception d’un système d’injection pour petits moteurs est compliquée. Les spécialistes australiens sont parvenus à équiper des moteurs d’une cylindrée d’env. 10 à 250 cm3 avec leur système compact. L’installation se compose de plusieurs modules pouvant être adaptés aux moteurs respectifs. Outre la commande, les capteurs pour le positionnement du vilebrequin, la température d’admission et de la tête de cylindre, le système comporte un module d’allumage, la buse d’injection, un accumulateur de pression et la pompe à carburant. L’ensemble de ces composants mécaniques de haute précision ne pèse même pas 200 g, pour un encombrement de seulement 74 x 58 x 39 mm (h x l x p). En l'occurrence, le champ d’utilisation de ces pièces certifiées couvre une plage de températures de -30 à +50 °C et une altitude allant jusqu'à 6000 m. Des essais sur plus de 1500 h et des tests d’endurance de 700 h nonstop confirment la grande fiabilité de tous les composants.Une pompe à piston établit la pression essentielle et un accumulateur de pression placé en aval, avec régulateur de pression, assure une pression constante de 2,9 à 3,2 bars dans le circuit. Dans la pompe à carburant, un micromoteur fonctionne via un engrenage conique sur un vilebrequin, qui actionne le piston de la pompe. Grâce au renvoi de force à 90° de la transmission, le micromoteur CC, d’un poids de 27 g, commuté par contacts en métal précieux peut être parfaitement placé derrière le cylindre de pompe, ce qui réduit l’encombrement. Tout le bloc-pompe ne mesure que 65 mm de haut, 21 mm de large et 34 mm de profondeur. La commutation mécanique permet une commande simple par modulation de largeur d’impulsions, pour une durée de vie plus que suffisante pour ce cas d’application. Pour augmenter le couple et transférer les 2,5 W de puissance de sortie au vilebrequin de la pompe de manière optimale, un réducteur à engrenages planétaires est placé en aval du moteur. Pour un diamètre de 15 mm, il réduit la vitesse à l’entrée de 19:1. Il fonctionne sur une plage de températures de -30 à +65 °C, plus que suffisante pour l’exploitation des drones dans le monde entier. Le couple de la transmission en plastique à deux étages, qui ne pèse que 5 g, peut aller jusqu'à 200 mNm.
