Commande du mélange
La commande de richesse est le levier dans le cockpit qui ajuste la quantité de carburant mélangée à l'air entrant dans un moteur à pistons d'aéronef. Une utilisation correcte de la richesse améliore les performances du moteur, empêche l'encrassement des bougies, réduit la consommation de carburant et protège le moteur des dommages, en particulier à des altitudes plus élevées.
Définition du contrôle du mélange
Dans un moteur d'avion à piston, le contrôle du mélange est la commande pilotée par le pilote qui modifie le rapport carburant-air fourni aux cylindres. Cela se fait en ajustant la quantité de carburant mesurée par le carburateur ou le système d'injection de carburant par rapport à la masse d'air entrant dans le moteur.
Le rapport carburant-air est souvent décrit par rapport au mélange stœchiométrique, qui est le rapport chimiquement idéal où tout le carburant et tout l'oxygène sont consommés lors de la combustion. Pour l'essence aviation (Avgas), cela correspond à environ 15 parts d'air pour 1 part de carburant en masse. En fonctionnement normal, les moteurs d'avion fonctionnent légèrement plus riches (plus de carburant) ou plus pauvres (moins de carburant) que cette valeur idéale pour gérer la puissance, la température et la longévité du moteur.
Le mélange est couramment décrit à l'aide des termes riche et pauvre :
- Riche : Plus de carburant par rapport à l'air (mélange riche en carburant).
- Pauvre : Moins de carburant par rapport à l'air (mélange pauvre en carburant).
Objectif du contrôle du mélange
Le principal objectif du contrôle du mélange est de maintenir le moteur en fonctionnement dans des limites sûres et efficaces, car la densité de l'air change avec l'altitude, la température et le réglage de la puissance. Parce que le carburateur ou le système d'injection de carburant dose le carburant en fonction du débit d'air, et non directement en fonction de la densité de l'air, le mélange qui est correct au niveau de la mer deviendra trop riche à mesure que l'avion monte et que la densité de l'air diminue.
Une gestion correcte du mélange sert plusieurs objectifs clés :
- Maintenir la puissance : un mélange trop riche ou trop pauvre réduit la puissance disponible et peut provoquer un fonctionnement irrégulier.
- Contrôler les températures moteur : la richesse a un effet important sur la température de tête de cylindre (CHT) et la température des gaz d'échappement (EGT). Un réglage correct aide à éviter la surchauffe ou un fonctionnement trop froid.
- Protéger le moteur : des mélanges extrêmement pauvres à forte puissance peuvent provoquer du cliquetis et l'auto-allumage, endommageant pistons, soupapes et culasses. Des mélanges très riches peuvent entraîner l'encrassement des bougies et des dépôts de carbone.
- Améliorer l'efficacité carburant : appauvrir le mélange en croisière peut réduire nettement le débit carburant, augmentant ainsi l'autonomie et l'endurance.
- S'adapter à l'altitude et à la température : lorsque l'altitude augmente ou que la température change, la densité de l'air change aussi ; la commande de richesse compense cela pour que la combustion reste dans la plage souhaitée.
Utilisation du contrôle du mélange en aviation
Dans les avions légers d'entraînement à moteurs à pistons, la commande du mélange est généralement un bouton ou un levier rouge sur le quadrant des gaz. Il peut s'agir d'une commande push-pull avec verrouillage par friction ou d'un type vernier avec une molette de réglage fin. Dans les avions multi-moteurs, chaque moteur dispose de sa propre commande de mélange.
Le mélange est géré différemment selon les phases de vol. Les procédures exactes dépendent du type d’aéronef, du fabricant du moteur et de l’instrumentation (par exemple, si l’aéronef dispose uniquement d’un indicateur EGT basique ou d’un moniteur complet du moteur avec CHT et EGT pour chaque cylindre). Le Pilot’s Operating Handbook (POH) ou le Aircraft Flight Manual (AFM) priment toujours.
Contrôle du mélange dans les différentes phases de vol
L'utilisation typique du mélange selon la phase de vol dans les avions d'entraînement à aspiration normale est la suivante (confirmez toujours avec le POH pour votre avion spécifique) :
- Démarrage moteur et réchauffement
Au niveau de la mer ou à basse altitude, la richesse est généralement réglée sur plein riche pour le démarrage et le réchauffement initial. Dans les aéroports d'altitude élevée, un mélange partiellement appauvri peut être nécessaire pour le démarrage, comme recommandé par le POH. - Roulage
Le mélange est souvent appauvri de façon marquée pendant le roulage afin d'éviter l'encrassement des bougies, surtout lors des vols d'entraînement avec de longues périodes au sol. Le pilote doit penser à remettre la richesse au réglage approprié (souvent plein riche) avant le décollage. - Décollage et montée
Dans les aéroports de basse altitude, le mélange est normalement réglé sur plein riche au décollage pour assurer le refroidissement et la puissance maximale. En conditions de haute densité-altitude, le POH peut demander d'appauvrir le mélange pour obtenir le régime maximal ou l'EGT maximale avant le décollage afin d'obtenir la puissance nominale. - Croisière
En croisière, le mélange est ajusté (appauvri) pour équilibrer puissance, efficacité carburant et températures moteur. C'est là que des notions telles que riche au pic et pauvre au pic d'EGT s'appliquent. - Descente
Pendant la descente, la puissance est généralement réduite et le mélange est progressivement enrichi à mesure que l'altitude diminue afin de maintenir un rapport carburant-air approprié et d'éviter un fonctionnement trop pauvre. - Approche et atterrissage
Pour l'approche et l'atterrissage dans les aéroports de basse altitude, le mélange est souvent réglé sur plein riche en dessous d'une certaine altitude (par exemple, 3,000 ft au-dessus de l'altitude du terrain), comme indiqué dans le POH. Dans les aéroports d'altitude élevée, le mélange est généralement réglé comme en croisière ou selon les recommandations du POH.
Régler le mélange moteur : principes généraux
Appauvrir le moteur signifie réduire la quantité de carburant dans le mélange afin que le rapport carburant-air passe d’un mélange riche à un mélange pauvre. Dans la plupart des avions d’entraînement, cela se fait en tirant lentement le contrôle de la richesse depuis la position pleine richesse tout en surveillant les indications et les performances du moteur.
Les indications clés du moteur utilisées lors de l'appauvrissement comprennent :
- Régime moteur (pour les hélices à pas fixe) : le régime maximal correspond généralement au mélange qui produit la puissance maximale pour un réglage de gaz et une altitude donnés.
- Pression collecteur (pour les hélices à vitesse constante) : utilisée avec le débit carburant et l'EGT/CHT pour régler la puissance et la richesse.
- Température des gaz d'échappement (EGT) : indique la température des gaz d'échappement ; utilisée pour identifier le point d'EGT maximale lors de l'appauvrissement.
- Température de tête de cylindre (CHT) : indique la contrainte thermique globale du moteur ; aide à s'assurer que les réglages de richesse ne provoquent pas de surchauffe.
- Régularité du moteur : un fonctionnement irrégulier ou des vibrations peuvent indiquer un mélange trop pauvre ou une répartition inégale du carburant.
La technique exacte d'appauvrissement dépend du fait que le moteur soit équipé d'une hélice à pas fixe ou à vitesse constante, ainsi que de l'instrumentation disponible. Les pilotes étudiants doivent d'abord apprendre et utiliser la méthode de base approuvée par le POH pour leur avion d'entraînement avant d'appliquer des techniques plus avancées.
Procédure de réglage basique du mélange en croisière (avion d'entraînement typique)
Voici une procédure générique pour appauvrir un moteur normalement aspiré, carburateur ou à injection, en croisière, avec une hélice à pas fixe et un indicateur EGT à sonde unique. Suivez toujours le POH de votre avion spécifique.
- Stabilisez l'avion en palier à l'altitude de croisière et laissez le moteur se stabiliser au réglage de puissance choisi.
- Réglez la puissance de croisière avec les gaz (et la commande d'hélice si elle est installée) conformément au POH.
- Tirez lentement la commande de richesse (appauvrir) tout en surveillant l'EGT et en écoutant le moteur.
- Continuez l'appauvrissement jusqu'à ce que l'EGT atteigne un pic puis commence à diminuer, ou jusqu'à ce que le moteur commence juste à fonctionner légèrement irrégulièrement.
- Enrichissez légèrement le mélange jusqu'à ce que le moteur tourne de manière régulière et que l'EGT se situe à la valeur souhaitée par rapport au pic (par exemple, 50 °F riche au pic d'EGT si cela est spécifié par le POH).
- Notez le débit carburant (si disponible) et les températures moteur, puis ajustez si nécessaire pour rester dans les limites.
S'il n'y a pas de jauge EGT installée, une méthode de base courante consiste à appauvrir le mélange jusqu'à ce que le moteur commence à tourner légèrement irrégulièrement, puis à enrichir juste assez pour rétablir un fonctionnement fluide. C'est une méthode approximative et qui peut ne pas offrir un contrôle précis du mélange par rapport au pic d'EGT, mais elle est souvent acceptable pour les avions d'entraînement simples à des réglages de puissance modérés, si cela est autorisé par le POH.
Fonctionnement riche au sommet versus fonctionnement pauvre au sommet
Lors de l'ajustement du mélange en utilisant l'EGT, les pilotes font souvent référence à l'opération rich of peak (ROP) ou lean of peak (LOP). Ces termes décrivent si le mélange est réglé plus riche ou plus pauvre que celui qui produit la température maximale des gaz d'échappement (le point de pic EGT).
Température maximale EGT et son importance
Lorsque le mélange est appauvri de très riche à très pauvre à une puissance constante, la température des gaz d'échappement (EGT) augmente d'abord, atteint un maximum (pic EGT), puis redescend. Ce point de pic EGT correspond approximativement au mélange qui donne la combustion la plus complète et, dans de nombreux cas, une puissance proche du maximum pour ce réglage des gaz. De part et d'autre du pic EGT, le comportement de la puissance et de la température change de manière prévisible.
La relation entre le mélange et la température des gaz d'échappement (EGT) est utilisée pour définir le fonctionnement ROP et LOP :
- Riche au pic (ROP) : le mélange est réglé plus riche que le point de pic d'EGT (plus de carburant). L'EGT est inférieure au pic, mais la CHT peut rester relativement élevée selon la richesse par rapport au pic à laquelle le moteur fonctionne.
- Pauvre au pic (LOP) : le mélange est réglé plus pauvre que le point de pic d'EGT (moins de carburant). L'EGT est à nouveau inférieure au pic, et la CHT diminue généralement à mesure que le mélange est encore appauvri, à condition que la puissance soit réduite de manière appropriée.
Opération Rich of Peak (ROP)
Dans de nombreux avions d'entraînement et pour de nombreux moteurs, le fabricant recommande d'opérer avec une EGT rich of peak lors du croisière à des réglages de puissance plus élevés. Une cible courante se situe autour de 50 °F à 100 °F rich of peak EGT, mais la valeur exacte doit provenir du POH ou des données du fabricant du moteur.
Les caractéristiques typiques de l'exploitation ROP incluent :
- Puissance plus élevée pour une pression collecteur et un régime donnés par rapport à des mélanges plus pauvres.
- Débit carburant plus élevé et donc consommation de carburant plus importante.
- CHT modérée à élevée, selon la richesse par rapport au pic à laquelle le mélange est réglé.
- Bonne marge de sécurité contre le cliquetis à des réglages très riches (par exemple, plein riche à forte puissance pour le refroidissement et la protection contre le cliquetis).
Dans la formation des pilotes étudiants, l'utilisation du mode ROP est généralement mise en avant car elle est simple et conforme aux pratiques conservatrices de refroidissement du moteur, notamment lorsque l'équipement de surveillance détaillée du moteur n'est pas installé.
Fonctionnement Lean of Peak (LOP)
Le fonctionnement Lean of peak signifie régler le mélange de manière à ce que la température des gaz d’échappement (EGT) soit du côté pauvre du point de pic EGT, généralement entre 10 °F et 50 °F lean of peak ou plus, selon la conception du moteur et les recommandations du fabricant. Le fonctionnement LOP est généralement associé à un débit de carburant plus faible et à une température de culasse (CHT) plus fraîche à des réglages de puissance appropriés réduits.
Les caractéristiques clés de l'opération LOP incluent :
- Débit carburant plus faible et meilleure consommation spécifique de carburant (plus de miles par gallon de carburant).
- CHT plus basse qu'en ROP à puissance égale, ce qui peut être bénéfique pour la longévité du moteur.
- Puissance réduite pour un réglage donné des gaz et du régime, par rapport au ROP.
- Rugosité possible si la répartition du carburant entre les cylindres est inégale, car certains cylindres peuvent être beaucoup plus pauvres que d'autres.
L'utilisation du mode LOP n'est pas recommandée pour tous les moteurs et est rarement enseignée comme technique principale dans la formation de base. Elle nécessite généralement :
- L'approbation du constructeur pour le fonctionnement pauvre au pic.
- Une bonne répartition du carburant (souvent plus régulière sur les moteurs à injection).
- Une surveillance moteur détaillée (EGT et CHT multipoints) pour s'assurer que tous les cylindres restent dans des limites sûres.
Les pilotes étudiants ne doivent pas tenter une opération lean-of-peak sans l'approbation claire de leur instructeur et la confirmation que l'aéronef et le moteur spécifiques sont adaptés.
Considérations opérationnelles et sécurité
Le contrôle du mélange a un effet direct sur la santé et la sécurité du moteur. Des réglages incorrects du mélange, surtout à haute puissance, peuvent entraîner des dommages au moteur ou une perte de puissance. Les pilotes débutants doivent comprendre les principaux risques et comment les éviter.
Risques liés à une richesse trop pauvre
Faire fonctionner le moteur avec un mélange trop pauvre à des réglages de puissance élevés peut provoquer des températures et des pressions internes excessives. Deux dangers principaux sont :
- Cliquetis : combustion incontrôlée et explosive dans le cylindre, pouvant endommager pistons, segments et culasses.
- Auto-allumage : inflammation du mélange air-carburant avant l'étincelle de la bougie, souvent due à des points chauds dans la chambre de combustion, ce qui peut surchauffer et endommager rapidement les composants.
Pour réduire ces risques, de nombreux POH précisent que l'appauvrissement du mélange n'est pas autorisé au-delà d'un certain réglage de puissance (par exemple, au-delà de 75 % de la puissance), sauf si une procédure spécifique est suivie. Les pilotes débutants doivent toujours respecter ces limites.
Risques liés à un fonctionnement avec un mélange trop riche
Fonctionner avec un mélange excessivement riche présente également des inconvénients :
- Encrassement des bougies : du carburant imbrûlé et des dépôts de plomb peuvent encrasser les bougies, provoquant un fonctionnement irrégulier, des ratés ou des difficultés de démarrage.
- Accumulate de carbone : suie et dépôts de carbone peuvent s'accumuler sur les soupapes et dans les chambres de combustion.
- Rendement réduit : la consommation de carburant augmente sans gain correspondant de puissance utile ni bénéfice de refroidissement.
- Risque de post-combustion : l'excès de carburant dans l'échappement peut s'enflammer, provoquant des retours de flamme ou des détonations.
Au sol, un appauvrissement agressif pendant le roulage est souvent recommandé pour réduire l'encrassement des bougies, en particulier lors des vols d'entraînement répétés. En vol, le mélange doit être ajusté pour éviter d'être inutilement riche, surtout en croisière.
Mélange et altitude
À mesure que l'altitude augmente, la densité de l'air diminue. Si la commande du mélange est laissée en plein riche pendant la montée, le mélange devient progressivement plus riche car la même quantité de carburant est mélangée à moins d'air. Cela entraîne une perte de puissance et un encrassement potentiel des bougies. Par conséquent, un appauvrissement est généralement nécessaire au-dessus d'une certaine altitude de densité, souvent spécifiée dans le POH (par exemple, au-dessus de 3 000 pieds).
Dans les aéroports situés en haute altitude, il est souvent nécessaire d'appauvrir le mélange au sol, tant pour le roulage que pour le décollage. Une technique courante consiste à appauvrir pour obtenir un régime maximal au ralenti à plein gaz lors de la montée en régime statique avant le décollage, comme décrit dans le POH. Les pilotes étudiants opérant depuis des aéroports situés en haute altitude devraient recevoir des instructions spécifiques sur ces procédures.
Mélange et givrage du carburateur
Les moteurs à carburateur sont sensibles à la formation de glace dans le carburateur, ce qui peut réduire la puissance ou arrêter le moteur. La chaleur du carburateur introduit de l'air plus chaud et moins dense dans le moteur, ce qui enrichit efficacement le mélange. Lorsque la chaleur du carburateur est appliquée, surtout en croisière, il peut être nécessaire d’appauvrir davantage le mélange pour maintenir le rapport air-carburant souhaité. Lorsque la chaleur du carburateur est retirée, le mélange devient à nouveau plus pauvre, il peut donc être nécessaire de l’enrichir.
Les pilotes en formation doivent surveiller le régime moteur (RPM) et la régularité du moteur lors de l'application ou du retrait du chauffage du carburateur et ajuster le mélange en conséquence, en suivant le POH.
Exemples pratiques
Les exemples courts suivants illustrent comment le contrôle du mélange peut être utilisé dans des scénarios d'entraînement typiques. Ils sont génériques ; suivez toujours le POH et les conseils de votre instructeur.
Exemple 1 : Affinage du mélange en croisière à 5 500 pieds
Un pilote étudiant dans un avion école biplace à 5 500 pieds règle la puissance de croisière à 2 400 tr/min. Le mélange est lentement appauvri jusqu'au pic de la température des gaz d'échappement (EGT), puis enrichi jusqu'à ce que l'EGT soit environ 75 6F riche par rapport au pic et que le moteur tourne en douceur. Le débit de carburant diminue par rapport au mélange riche complet, et la vitesse reste proche de la vitesse de croisière attendue selon le POH.
Exemple 2 : Départ d'un aéroport en haute altitude
À une altitude de terrain de 6 000 pieds, le POH indique au pilote d'appauvrir le mélange pour un régime maximal lors d'un essai statique à pleine puissance avant le décollage. L'élève pousse la manette des gaz à fond, appauvrit le mélange jusqu'à ce que le régime atteigne son pic, puis laisse le mélange à ce réglage pour le décollage, garantissant que le moteur développe une puissance adéquate dans l'air raréfié.
Exemple 3 : Mélange au taxi pour éviter l'encrassement des bougies
Lors d'une journée d'entraînement chargée dans un aéroport situé à basse altitude, l'élève pilote appauvrit agressivement le mélange pendant le roulage afin que toute tentative d'application de la pleine puissance fasse caler le moteur. Cela réduit l'encrassement des bougies et sert également de rappel pour enrichir le mélange avant le décollage, dans le cadre de la checklist pré-décollage.
Résumé
Le contrôle du mélange permet au pilote d'ajuster le rapport carburant-air en fonction de l'altitude, de la température et des réglages de puissance. Une utilisation appropriée du mélange améliore les performances, réduit la consommation de carburant et protège le moteur contre les dommages. Des concepts tels que rich of peak et lean of peak EGT décrivent comment le mélange est réglé par rapport au point de température maximale des gaz d'échappement et sont particulièrement pertinents en croisière. Les pilotes étudiants doivent apprendre et appliquer les procédures spécifiques de mélange données dans le POH pour leur avion d'entraînement et consulter leurs instructeurs avant d'utiliser des techniques avancées telles que l'opération lean-of-peak.
