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Advanced Design of Very High Power Density Piston Engine and Thermal Management Challenges for Aircraft Application

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Un concept d’aéromoteur rentable et respectueux de l’environnement soutient le transport aérien des petits avions

Les moteurs d’avion sont un élément clé dans la gestion des paramètres interdépendants de l’efficacité, de la consommation de carburant, du bruit et des émissions. Une nouvelle architecture de moteur pour les petits avions aborde ces questions et fournit une alternative compétitive aux moteurs existants.

Transports et Mobilité
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Le vaste programme Clean Sky, financé par l’UE, un partenariat commun public privé entre l’UE et l’industrie aéronautique européenne, soutient la réduction des émissions et du bruit produits par les avions. Dans le cadre de Clean Sky 2, le projet CS2-WP714-DE a développé une architecture pionnière d’un moteur de densité de puissance élevée pour le transport aérien des petits avions (SAT pour «small air transport»).

Il n’existe pas deux moteurs identiques

En ce qui concerne la technologie des moteurs d’avion, de multiples architectures prennent en compte la taille des avions, l’altitude de croisière et la distance de vol. Les moteurs à piston utilisent le gaz chaud issu de la combustion de combustibles pour actionner le mouvement des pistons qui fait tourner le vilebrequin, et par conséquent les hélices; les gaz d’échappement constituent des déchets. Les turbopropulseurs sont également des moteurs à combustion interne; cependant, les gaz d’échappement sont le principal produit des turbines qui font tourner les engrenages et les hélices. En général, les avions à turbopropulseurs sont plus efficaces à des altitudes et des vitesses plus élevées; les moteurs à piston sont moins puissants et généralement utilisés dans les avions de plus petite taille. Selon Vincent Maginot du Groupe Danielson et coordinateur du projet CS2‑WP714‑DE: «La technologie à piston existante pour la gamme à faible puissance (aviation générale ou petits avions de transport) est confrontée à plusieurs problématiques. Soit l’essence au plomb (carburant d’aviation [AVGAS]) fait l’objet d’une combustion avec une consommation de carburant élevée par unité de puissance de sortie, soit le Jet A (un mélange de kérosène) fait l’objet d’une combustion avec une faible puissance de sortie par unité de volume (densité de puissance).» L’AVGAS, en tant que combustible au plomb, fait l’objet de restrictions en Europe et s’avère plus coûteux que le Jet A; sa disponibilité est également souvent restreinte. Ainsi, notre objectif consistait à concevoir un moteur à piston de densité de puissance élevée, avec une faible consommation de carburant pour une gamme de puissance donnée et capable de fournir de l’énergie allant jusqu’à 300 kW (environ 400 ch) à une faible vitesse de rotation afin de réduire le bruit.

Vers l’avant et vers le haut

Le nouveau moteur SR460 est l’évolution six cylindres de SR305, un moteur à piston quatre cylindres de 230 ch, actuellement en cours de production par SMA. Vincent Maginot explique: «Le Groupe Danielson et DFM Europe ont amélioré la conception de l’architecture complète du moteur, en tenant compte des charges thermomécaniques, des considérations en matière de poids et des matériaux modernes. En outre, le système de refroidissement du moteur a été conçu pour accroître la performance et la fiabilité du moteur, tout en répondant aux spécifications aéronautiques concernant des paramètres tels que la sécurité, la résistance au feu et la conformité à l’environnement.» Le système de gestion thermique, une considération majeure dès le début, a fourni des avantages encore plus importants que prévu. Le principal échangeur thermique est un refroidisseur d’huile. Ce concept a été testé pour deux configurations. En outre, l’utilisation de sources inhérentes, telles que la vibration mécanique, pour améliorer le transfert de chaleur a considérablement contribué à la performance globale du moteur sans le moindre coût financier.

Une nouvelle architecture de moteur qui prend son envol

Le projet CS2-WP714-DE est parvenu à mettre au point quatre prototypes de moteurs améliorés et à les tester. «En trois petites années, nous avons livré des prototypes qui offrent une alternative notable aux moteurs à piston conventionnels fonctionnant à l’essence ainsi qu’aux petits turbopropulseurs. Ils réduisent de 50 à 60 % la consommation de carburant en comparaison au turbopropulseur de la même gamme de puissance et utilisent un carburant abordable et disponible pour un impact environnemental moindre. Ils soutiendront directement nos collègues travaillant sur la prochaine étape — l’installation et l’optimisation du moteur — qui peuvent désormais amener les architectures des moteurs à des niveaux de maturité technologique plus élevés», souligne Vincent Maginot. Le marché du SAT peut désormais se tourner vers l’avenir avec une alternative compétitive aux moteurs actuels qui diminue également les émissions de CO2, élimine le besoin en essence au plomb et réduit le bruit.

Mots‑clés

CS2-WP714-DE, moteur, puissance, avion, essence, piston, bruit, turbopropulseur, transport aérien des petits avions (SAT), AVGAS

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