Moteur en étoile

Fonctionnement des cylindres en étoile

Un moteur en étoile, ou plus exactement à cylindres en étoile, est un type de moteur à pistons dont les cylindres sont placés sur un même plan autour du vilebrequin et axe de sortie moteur.

Types

Un moteur en étoile à 7 cylindres monté sur un avion

Le moteur peut être fixe ou rotatif :

• rotatif, le vilebrequin ou axe de rotation est fixé sur le bâti, ce sont les cylindres et le carter qui tournent (Gnome et Rhône).
• fixe, le moteur est fixé au châssis et le couple rotatif est disponible en sortie de vilebrequin.

Dans sa version classique, le vilebrequin, très court, ne comporte qu'un seul maneton auquel est connectée l'une des bielles dite « bielle maîtresse », sur laquelle viennent s'articuler les « bielles secondaires », de façon à ce que les courses soient égales (en fait, la course des bielles secondaires n'est pas tout à fait égale à celle de la bielle maîtresse, mais la différence est négligeable). L'architecture en étoile, en général, a été très utilisée en aviation. Le nombre de cylindres est obligatoirement impair pour des raisons d'équilibrage et de régularité cyclique, soit 3, 5, 7, 9 pour un moteur simple étoile.

Cette architecture présente certains avantages :

• refroidissement par air permanent, même véhicule à l'arrêt,
• régularité de fonctionnement du fait de l'inertie importante (tout le moteur tourne),

Mais présente des inconvénients non négligeables

• l'effet gyroscopique est très important, masse en mouvement importante,
• la distribution est délicate à mettre au point (certains moteurs avaient une soupape d'admission intégrée au piston),
• généralement la consommation d'huile était prohibitive.

Le moteur rotatif le plus puissant qui ait été construit, (Gnome et Rhône), développait environ 240 ch réels. Le réglage de la puissance se faisait par coupure d'allumage sur un groupe de cylindres : la procédure utilisée avec ce dernier moteur : 3 cylindres au ralenti, 6 cylindres au décollage, 9 cylindres à pleine puissance. Sans action sur les commandes, l'avion partait en roulis par le seul effet gyroscopique, lorsque l'on enclenchait les neuf cylindres.

Avantages et inconvénients

Un moteur rotatif, monté dans la roue avant d'une Megola

Deux des principaux avantages de ces moteurs sont qu'ils sont plus faciles à refroidir par air, d'autant plus qu'ils sont montés sur des avions. Les moteurs en V nécessitent, dans les fortes puissances, un refroidissement par liquide (ex: le célèbre V12 Rolls-Royce Merlin). Un moteur en étoile est également plus compact, plus léger et moins coûteux que d'autres architectures. Le graissage se fait toujours par carter sec, ce qui facilite l'adaptation de ce type de moteur au vol acrobatique : l'huile est stockée dans un réservoir séparé du moteur appelé « bâche », et, après avoir fait son office dans le moteur, est réaspirée dans le collecteur du bas moteur par une pompe spéciale (émulsion air/huile) et retourne au réservoir. Lorsque le moteur est arrêté, l'huile résiduelle s'écoule dans les cylindres du bas, s'infiltre lentement dans les chambres de combustion, ce qui explique la forte émission de fumée au démarrage de ces moteurs et la nécessité de les « brasser » (tourner l'hélice manuellement pour évacuer l'huile des chambres) avant de les lancer après un arrêt prolongé.

En revanche, la commande de distribution (commande des soupapes), l'alimentation en carburant qui doit se faire de façon identique pour tous les cylindres et la torsion due au mouvement sont un peu plus difficiles à gérer que pour un moteur en ligne. La surface frontale et la traînée de refroidissement par air sont plus élevées que celle d'un moteur en ligne refroidi par eau, ce qui explique le montage de moteurs en ligne (le plus souvent en V) sur les chasseurs très rapides. Cependant, le chasseur Hawker Sea Fury (vitesse maxi de 740 km/h, soit 37 km/h plus rapide qu'un Mustang P-51) construit à la fin de la guerre, utilisait un moteur en étoile, mais en l'occurrence, il s'agissait d'un Bristol Centaurus, moteur de 18 cylindres sans soupapes de 2 480 ch dont le diamètre est inférieur à celui d'un moteur en étoile équivalent à distribution classique.

Les cylindres peuvent être agencés en plusieurs rangées, de une à quatre. La puissance du moteur dépendant de la cylindrée, cette organisation permettait de placer jusqu'à 28 cylindres en quatre rangées (moteur Wasp Major de Pratt & Whitney)^[1], pour éviter d'augmenter la cylindrée unitaire au-delà de 3,3 litres. La puissance maximale dépend également du régime de rotation ; pour éviter de dépasser le mur du son en bout de pales d'hélice et pour éviter d'avoir recours à un réducteur lourd et gourmand en puissance, le moteur doit nécessairement tourner à un régime « lent » de l'ordre de 2 000 à 3 000 tr/min. Les dernières forteresses B-29 étaient équipées de moteurs Pratt & Whitney 28 cylindres (quatre rangées de sept), 3 500 ch. À ce niveau, la complexité générale et le refroidissement devenaient très problématiques. La mise au point des réacteurs de forte puissance a entraîné l'abandon de cette configuration.

Production

Le moteur en étoile le plus puissant qui ait été construit en série a été le Wright Cyclone R-3350 à 18 cylindres turbo compound (avec turbine de récupération de la poussée des gaz d'échappement) en double étoile de 3 750 ch dans sa version ultime, qui a notamment été monté sur le Lockheed Constellation (sur cet avion, le moteur, en version 3 250 ch, disposait d'ailleurs d'une injection directe d'essence). Le dernier avion qui a volé en service régulier avec ce moteur est le Lockheed P2V-7 Neptune de la Marine nationale française.

Un autre appareil français célèbre récemment retiré du service actif (il en reste un seul maintenu en état de vol par une association), le Noratlas, était équipé de moteurs en étoile 14 cylindres sans soupapes construits par la Snecma sous licence Bristol : la distribution des sans-soupapes était assurée par des chemises louvoyantes (combinaison de rotation et de translation) qui découvraient des lumières : ce dispositif était très efficace et fiable, mais occasionnait une importante consommation d'huile.

Actuellement, seuls de petits moteurs en étoile sont encore fabriqués, notamment en Australie par Rotec (un sept-cylindres de 110 ch et un neuf-cylindres de 150 ch) et par HCI Aviation aux USA (un cinq-cylindres de 75 ch et un sept-cylindres de 125 ch : ces derniers sont à soupapes latérales pour réduire coût, encombrement et poids). Le plus gros moteur encore en fabrication est un neuf-cylindres de fabrication russe vedenyev M-14 de 360 à 450 ch qui est utilisé notamment sur des avions de voltige aérienne, ou sur des avions de nostalgiques des moteurs en étoile, en particulier américains. Ces moteurs, réputés extrêmement fiables, peuvent maintenant également être équipés d'une injection électronique (non certifiée) qui en améliore considérablement la consommation de carburant et la facilité de démarrage.

Il a également existé des moteurs en étoile Diesel 2-temps, les fameux Clerget d'avant guerre aux performances et à la fiabilité tout à fait étonnantes. Leur développement a été stoppé par la guerre et, après la seconde guerre mondiale, le temps des moteurs à pistons semblait révolu, les recherches s'orientant vers les turbomachines certes beaucoup plus gourmandes en carburant et d'un bruit peu agréable, mais moins lourdes et encombrantes, sans vibrations et nécessitant beaucoup moins de maintenance.

Notes et références

Voir aussi

• Liste des motoristes aéronautiques

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• Portail du génie mécanique
• Portail de l’aéronautique