Technique : Le refroidissement

Généralités

Tous les moteurs sont conçus de façon à pouvoir restituer à l'atmosphère une quantité importante de la chaleur produite par la combustion pour pouvoir maintenir, dans les limites de sécurité, la température de leurs organes ou pour en permettre le fonctionnement.

L'ensemble des moyens utilisés pour la construction et la fabrication de ce dispositif est appelé communément installation de refroidissement.

La température maximale de fonctionnement d'un moteur est limitée par la résistance mécanique et par les variations dimensionnelles dues à la dilatation, pouvant être tolérées par les organes internes. sans compromettre le fonctionnement.

Les points critiques concernant celui-ci seront :

- Les parois internes des cylindres, ou la température ne doit pas dépasser 150-200 °C afin de ne pas détériorer, par des modifications physico-chimiques, les qualités de l'huile de lubrification. ce qui peut constituer un danger de grippage, de production de dépôts charbonneux, de collage de segments, ou d'ovalisation.

- La surface de la chambre de combustion non lubrifiée où, au-delà de 250 °C, on compromet la durée des soupapes, des bougies et de la culasse aux points ou l'épaisseur existant entre les sièges des bougies et les sièges des soupapes est moindre.

En outre, si l'on ne tient pas compte de l'uniformité de refroidissement de la culasse, des allumages anormaux dans des points chauds pourront se produire (détonation, pré-allumage).

- Le piston. dont le point le plus chaud, placé presque au centre de la tête du piston, ne doit pas dépasser 300 °C car sa résistance mécanique se trouverait diminuée de façon importante, surtout pour ceux réalisés en alliage léger.

- Les soupapes d'échappement qui, bien qu'ayant une limite de résistance de 700-750 °C. courent un grand risque de corrosion rapide de la surface d'étanchéité en contact avec le siège et de diminution de leur résistance mécanique, s'il ne se produit plus une cession de chaleur à travers les sièges des soupapes pendant leur brève période de fermeture.

D'autre part, la température des cylindres ne doit pas descendre au-dessous de certaines valeurs, ceci pour éviter le dépôt sur les parois des cylindres de la fraction de carburant non évaporé, qui mélangée à l'huile remonterait alors par les segments entraînant, mélangée aux gaz de combustion, une corrosion et une usure rapide. L'intervalle optimal de fonctionnement est donc assez limité.

La chaleur produite par certains organes internes étant évacuée par conduction métallique entre les zones chaudes et les zones froides refroidies par le fluide de réfrigération, les organes vont donc être étudiés pour remplir cette fonction. Un cas typique est représenté par les soupapes d'échappement refroidies par sodium qui en passant à l'état liquide transmet la chaleur à la queue de soupape.

Le circuit de refroidissement

La chaleur du moteur se dissipe dans le fluide de réfrigération qui peut être constitué par l'air, projeté par des ventilateurs sur la culasse et sur les cylindres, ou simplement par un mouvement relatif de l'air par rapport au moteur, ou encore par de l'eau ou par un liquide réfrigérant qui fait fonction d'intermédiaire en prélevant une partie de la chaleur du moteur et en la cédant à l'atmosphère à travers un radiateur.

Les premières constructions automobiles utilisèrent un circuit par eau avec circulation par thermosiphon. Parmi les constructeurs qui ont conservé ce système jusqu'à une époque récente, on citera la Régie Renault. Les progrès techniques, par suite de l'augmentation constante de puissance, ont accru la nécessité d'un bon refroidissement, mais ils ont réduit l'espace disponible autour du moteur (carrosserie plus profilée et section frontale de plus en plus réduite). Dans les dernières installations de refroidissement par thermosiphon, le radiateur était placé à l'arrière du moteur, là où il était possible de le surélever. Cette disposition nécessitait un arbre d'entraînement entre la poulie et le ventilateur et créait des difficultés dans l'arrivée d'air frais.

Du refroidissement par thermosiphon, on est passé aux systèmes à circulation forcée avec pompe à eau et thermostat et, par la suite, afin d'en améliorer l'efficacité, au circuit sous pression et à l'emploi de liquides spéciaux. Pour régulariser la circulation du liquide réfrigérant, on place le plus souvent un thermostat sur le circuit de refroidissement à la sortie et, sur des modèles récents, à l'entrée du moteur. On trouve également des exemples de thermostats disposés sur le ventilateur à l'endroit de l'arrivée d'air (Fiat 600).

Le thermostat est une soupape commandée par une capsule renfermant soit un un liquide, soit un métal sensibles aux variations de température. Ces schémas représentent un type de thermostat à cire(en haut) et un thermostat bimétallique(en bas). Un petit trou pratiqué dans le haut de la soupape maintient la même pression dans les deux chambres lorsque, le thermostat est fermé. Pendant très longtemps les radiateurs des circuits sous pression ont conservé le flux vertical du liquide des installations par thermosiphon. Mais ce genre de « circulation » n'est pas adapté aux radiateurs bas et larges exigés par les sections frontales très étroites des lignes modernes, car le liquide finit par suivre des parcours préférentiels sans passer par l'ensemble du faisceau tubulaire du radiateur.

C'est pourquoi on a eu de plus en plus recours aux « radiateurs tropicaux», à flux horizontal, qui constituent les modèles les plus modernes.

Parallèlement au refroidissement par liquide, il existe aussi le système par air qui a connu un énorme succès sur les moteurs d'avions; la Coccinelle Volkswagen, la Fiat 500, la Porsche et la 2 CV Citroën en sont, pour l'automobile, des exemples typiques.

Dans ce type de refroidissement, les culasses et les cylindres sont pourvus d'ailetages profonds, parallèles au sens de la circulation de l'air, qui portent la surface d'échange thermique à des valeurs satisfaisantes et qui, tout en respectant les exigences technologiques de fabrication, sont conçus de façon à obtenir un rendement optimal. Ces ailetages sont évidemment plus profonds et plus étendus au niveau des points chauds, c'est-à-dire vers la culasse. Ils sont de forme rectangulaire ou, plus souvent, trapézoïdale.

Parfois, sur certains moteurs, l'air est canalisé complètement les chemises des cylindres et à passer sur les têtes des cylindres en évitant les zones de ralentissement ou de stagnation et en assurant une répartition uniforme entre les divers points du circuit.

Pour les moteurs à chemises amovibles (chemises humides), on utilise les espaces qui se créent entre les chemises et le corps du bloc, tandis que dans les groupes à cylindres non chemisés, les chambres d'eau sont réalisées soit au moment de la fusion, soit au moment de l'usinage.

Cet ensemble de conduits aboutit à une entrée et à une sortie uniques.

Une pompe, généralement du type centrifuge, est placée à l'entrée du circuit, elle est le plus souvent commandée par une courroie entraînée par le vilebrequin. Une soupape thermostatique, disposée à la sortie, empêche que l'eau ne traverse le radiateur avant d'avoir atteint la bonne température. Elle ferme donc le conduit de sortie d'eau vers le radiateur et la renvoie à la pompe jusqu'à la température prévue.

Dans les moteurs refroidis par air. on limite, dans le même but, l'arrivée de l'air sur les ailettes en modifiant la section du conduit au moyen d'un écran mobile, soit à l'entrée, soit, de façon plus efficace, à la sortie (Fiat 500). Pour les moteurs à refroidissement par eau, la structure du radiateur en nid d'abeilles à tubulures en quinconce permet d'obtenir une surface maximale d'échange entre l'air et l'eau.

Le passage de l'air à travers le radiateur est facilité par l'aspiration obtenue par un ventilateur actionné par le moteur au moyen d'une transmission à courroie ou, dans les versions plus élaborées, par un électroventilateur à commande par thermostat.

Pour permettre les variations de volume par dilatation du liquide réfrigérant, on s'est tourné vers deux solutions :

Dans la première, la partie supérieure du radiateur fait office de vase d'expansion. Le remplissage du circuit s'effectue à travers ce vase. On visse un bouchon étalonné sur la partie supérieure du radiateur, qui se trouve alors sous pression pendant la marche du moteur.

Dans la seconde, un réservoir supplémentaire, à la pression atmosphérique, communique avec le radiateur. Le passage du liquide est réglé par deux soupapes placées souvent dans le même bouchon, avec deux étalonnages différents :

- L'une s'ouvre dans le cas de faible dépression dans le circuit (- 0,005 atm) et fait remuer le liquide dans le réservoir supplémentaire .

- L'autre s'ouvre dans le cas de pression élevée (de 0,5 à 0,9 atm) dans le radiateur et provoque le reflux vers le réservoir de l'eau, qui, par suite de la dilatation, ne peut plus être contenue dans le circuit.

Le bouchon remplit ainsi trois fonctions : l'introduction du liquide, le maintien à la pression prévue par le projet de fabrication grâce à la soupape étalonnée pour la haute pression, et le reflux au radiateur de l'air, lorsque celui-ci se trouve en phase de dépression par suite de la contraction du liquide (dans le cas de circuit avec vase d'expansion sous pression), ou du liquide dans les autres cas.

L'étalonnage de ces soupapes est très délicat et peut être faussé par suite des desserrages continuels du bouchon, aussi la tendance actuelle consiste à les placer de façon à en éviter la manipulation. Le bouchon n'assure plus alors que la fermeture étanche du circuit.

Calcul des dimensions du radiateur

La quantité de chaleur que les gaz de combustion cèdent aux parois des cylindres peut être calculée avec une certaine précision, mais, pratiquement, on déterminera d'abord approximativement les paramètres de refroidissement et l'on procédera ensuite aux essais d'installation. La chaleur à évacuer varie suivant le type du cycle, la charge, le nombre de tours, elle peut aller de 1/6 à 1/3 de la chaleur totale produite .

Dans l'étude des dimensions d'un radiateur on doit tenir compte du fait qu'une partie de la chaleur est évacuée directement par le moteur (ce dernier est également refroidi par le flux d'air) et qu'une autre partie importante l'est par l'huile de lubrification.

La quantité de chaleur qu'un radiateur peut évacuer dans une unité de temps est équivalente à :

Q = KS (tmh - tma), où K est le coefficient de conduction; S, la surface d'échange , tmh et tma , la moyenne entre les températures d'entrée et de sortie de l'eau et de l'air. Si ma est la masse d'air qui traverse le radiateur, K est fonction de celle-ci suivant la formule expérimentale : K = 6 + 8,5 ma 0,7 (kcal/m2 h °C).

Une fois connues, la température maximale que peut atteindre l'eau, sans risquer d'arriver à ébullition dans un point quelconque du circuit t1), la température maximale de l'air ambiant t2) pouvant exister au cours du fonctionnement normal du moteur, et la puissance de ce dernier, on détermine les dimensions S du radiateur.

Pour limiter éventuellement S, on pourra augmenter le débit de l'eau en ayant recours à des pompes plus puissantes et diminuer l'épaisseur du radiateur.

Le radiateur et le ventilateur sont prévus pour répondre aux conditions de fonctionnement les plus dures, il s'agit pour le premier, d'un parcours prolongé à plein régime, et pour le second d'un fonctionnement à bas régime et même à l'arrêt à la température maximale.

Toutefois, les constructeurs, utilisant des ventilateurs qui ne sont pas de leur fabrication (les électroventilateurs. par exemple), se fixent le plus souvent, après avoir effectué une évaluation et une analyse de principe des caractéristiques des ventilateurs, sur une mise au point pratique pour repérer le meilleur couplage entre le ventilateur et le radiateur et le meilleur emplacement sous le capot moteur.

A part les mesures du débit global ou partiel d'eau et de la température à l'intérieur de points donnés du moteur, les essais portent surtout sur les contrôles des températures, à différents régimes. au moyen de relevés effectués sous le capot dans des points critiques ou caractéristiques. Ces expériences sont menées à l'arrêt. moteur fonctionnant au ralenti, dans des cellules climatisées à diverses températures ambiantes. à des altitudes différentes et dans différentes conditions de marche.

La capacité et le débit des pompes ont été augmentés, soit parce que l'on en est venu à des structures du moteur toujours plus complexes (boxer, 6-cylindres en V) avec des pertes de charge supérieures, soit pour des raisons d'encombrement.

Le moyen le plus simple pour augmenter le débit de l'eau consiste à augmenter le régime de rotation de la pompe mais, en opérant de la sorte, on s'approche de la limite de cavitation de la pompe elle-même. D'autres causes de la cavitation sont constituées par la température excessive de l'eau et la présence dans le liquide de réfrigération de particules d'air, parfois même sous forme de petites bulles.

En outre, si un phénomène semblable se produit, les gaz qui se développent à la hauteur des ailettes provoquent une plus faible résistance à la rotation et, partant, une augmentation ultérieure de la vitesse de rotation de la pompe. En d'autres termes, une pompe soumise à un processus de cavitation crée des conditions favorables à la stabilisation du phénomène, On constate en moyenne un débit d'eau de 40-70 l à la vitesse de 2-3 m/s.

Pour améliorer les conditions de fonctionnement du radiateur il conviendrait de maintenir l'eau à la sortie à une température très élevée, avec le risque d'une formation de vapeur et aussi d'une cavitation de la pompe.

Pour tourner la difficulté, on a eu recours à l'utilisation de circuits sous pression :

si l'on augmente la pression d'environ 1/4 d'atmosphère on élève la limite d'ébullition de l'eau de 6 à 8 °C. On a également envisagé le remplacement de l'eau par de la glycérine ou, mieux encore, par du glycoléthylène qui a un point d'ébullition de 180-200 °C et dont la viscosité à 100 °C est égale à celle de l'eau.

Cette solution employée dans les moteurs d'avion s'impose difficilement dans le domaine automobile, étant donné le prix élevé du glycoléthylène et la difficulté d'en trouver dans le commerce.

En revanche, on utilise couramment dans les circuits fermés des mélanges d'eau et de glycol. Ce procédé n'a pas pour objet essentiel d'augmenter le point d'ébullition (que l'on peut porter seulement à 108 °C avec des mélanges à 50 %), mais surtout d'abaisser le point de congélation (avec le même pourcentage, on descend à - 36 °C. Les circuits fermés qui utilisent ces types de liquides sont appelés circuits permanents.

L'entretien

Avec le refroidissement par circulation d'air, les difficultés peuvent provenir uniquement du risque de surchauffe car le coefficient de cession de la chaleur entre l'air et les parois étant d'environ 1/ 100 de celui de cession entre les parois et l'eau, il ne sera pas facile de maintenir, à un degré uniforme et peu élevé, la température des divers points du cylindre et de la culasse.

La mise au point de ces circuits est relativement difficile et porte surtout sur l'étude de l'efficacité et de l'importance du refroidissement assuré par l'huile (son volume et la durée de circulation dans le carter d'huile).

Souvent, on recourt au montage de radiateurs d'huile qui seront. parfois, insérés dans l'installation de circulation d'air elle-même.

Dans la mise au point du système de refroidissement par eau, on doit faire face à de grandes difficultés, surtout lorsque la structure générale du moteur ne permet pas une circulation uniforme entre les diverses surfaces à refroidir, soit à cause de tourbillonnements, soit à cause de phénomènes de stagnation, soit en raison de risques éventuels de formation de poches d'air causée par des difficultés de remplissage.

Dans les radiateurs à vase d'expansion incorporé, les risques sont encore plus grands étant donné que, lors de l'ouverture du thermostat, une partie de l'air est entraînée par l'eau, en quantité d'autant plus grande que la vitesse du courant est supérieure.

Les radiateurs à flux horizontal sont plus exposés à cet inconvénient et c'est pourquoi ils sont montés en position légèrement inclinée.

On obtient de meilleurs résultats avec les systèmes à vase d'expansion. Pour éviter la formation d'une poche d'air à la hauteur de la soupape thermostatique, fermée au moment du remplissage, on pratique dans cette dernière une petite perforation qui permet la purge et qui, de plus, offre l'avantage d'assurer une faible circulation d'eau sur le thermostat. Dans certains cas, il existe un robinet de purge sur le circuit, que l'on ouvre au moment du remplissage.

Les pannes et recommandations

La température du circuit de refroidissement peut être constamment contrôlée par l'utilisateur : le relevé s'effectue en un point donné de l'installation défini expérimentalement par le constructeur, la température est indiquée par un thermomètre ou par un voyant lumineux placé sur le tableau de bord.

Une température excessive amène souvent la détérioration des joints et provoque entre autres une déformation définitive de la culasse. Les causes des surchauffes sont diverses :

- insuffisance d'eau dans le radiateur : obstruction des tubulures par des dépôts: fuites d'eau des garnitures. joints ou durites

- usure ou détérioration de la pompe à eau ; usure de la courroie trapézoïdale de commande du ventilateur ou de la pompe qui patine aux vitesses élevées

- radiateur dont la face antérieure est encrassée et ne permet pas un passage suffisant d'air: manque d'huile qui diminue le refroidissement

- mauvais réglage de l'allumage : thermostat endommagé

- carburation insuffisante ou mal réglée

- dépôts sur les parois de la chambre de combustion ; étalonnage défectueux du bouchon.

Les pertes en amont de la pompe sont dangereuses et particulièrement difficiles à déceler.

Elles se produisent souvent sous la forme d'un simple suintement d'eau, mais, au cours d'accélérations brusques, la dépression de la pompe est telle qu'une certaine quantité d'air peut pénétrer dans le circuit, avec tous les dangers que cela comporte.

Rappelons enfin, tout particulièrement, le danger constitué par l'ouverture du bouchon du radiateur, moteur chaud.

Si on ne laisse pas au liquide le temps nécessaire pour refroidir, il se produit, à l'ouverture du bouchon, une chute de pression qui provoque un important dégagement de vapeur accompagné d'un jet d'eau bouillante. brûlant et dangereux.

Les bouchons modernes et perfectionnés sont fabriqués de façon à ce que l'utilisateur soit obligé. pour les ouvrir, de les tourner d'un certain angle et ensuite de les pousser vers le bas pour en compléter l'ouverture.

Lors de la première phase la charge du ressort fermant la soupape de pressurisation diminue et il s'ensuit un dégagement de vapeur vers l'extérieur ou dans le réservoir supplémentaire. La vapeur ainsi dégagée augmente alors de façon importante la température de la partie inférieure du bouchon et oblige l'utilisateur a renoncer momentanément à l'ouvrir ou, tout au moins, à se protéger à l'aide d'un chiffon.

Le remplissage effectué pour rétablir le niveau doit se faire avec le moteur en marche, afin de mélanger l'eau froide de remplissage à l'eau chaude se trouvant dans le circuit et de limiter ainsi les surtensions provoquées par les différences de température de l'eau froide qui vient au contact des parois surchauffées.

D'autres ruptures peuvent également survenir si, a la suite de l'abaissement de la température ambiante, l'eau de refroidissement gèle et de ce fait augmente de volume. Les ruptures éventuelles pourraient se produire sur les durites, dans le radiateur et même dans le bloc.

Si la congélation est partielle, il en résulte, dans la plupart des cas, une obstruction des conduits et une impossibilité de circulation de l'eau dans les premiers moments du fonctionnement du moteur, ce qui provoque des surchauffes locales.

On évite ces risques en ajoutant à l'eau un liquide antigel. Il arrive souvent que certains conducteurs, forts du fait que l'auto se trouve à l'abri dans un box chauffé, n'utilisent pas d'antigel pendant l'hiver. Quand le véhicule quitte le box chauffé. il se trouve alors soumis à une température bien inférieure à celle nécessaire pour commander l'ouverture du thermostat et l'eau, stagnant dans le radiateur qui, lui, se trouve plongé dans une atmosphère très froide, peut geler.

En dehors de l'antigel, on peut aussi incorporer des additifs divers dans le circuit de refroidissement (anti-tartre, anti-mousse, etc.). Parmi ces produits, on citera le bicarbonate de soude pur que l'on peut ajouter en petites quantités. D'autres produits à base de sodium, s'ils n'ont pas fait l'objet d'essais, peuvent provoquer la corrosion des parties en aluminium.

Si le remplacement du liquide, de la pompe à eau ou d'autres accessoires du circuit, s'avère nécessaire, l'eau peut être vidangée par les bouchons ou les robinets prévus pour cet usage (Sur le bloc et sur le radiateur).

Ainsi, on pourra vidanger le circuit si l'on craint que l'eau ne gèle quand on ne possède pas d'antigel.

Les robinets doivent être laissés longtemps ouverts afin de permettre l'évacuation totale de l'eau. Des petits trous de drainage existent dans le circuit, dans le corps de la pompe, et parfois le liquide s'écoule lentement.

Si l'on referme les bouchons et les robinets sans avoir attendu la complète vidange, les poches d'eau resteront et pourront geler par la suite. Si ce phénomène se produit par exemple dans la pompe, on risque le blocage.

Mieux vaut ne pas modifier le cubage d'air sous le capot moteur en le maintenant partiellement ouvert en cours de marche par exemple. Cette façon de procéder, souvent adoptée pour les véhicules a moteur arrière plus par routine que dans un but précis, modifie totalement la circulation de l'air autour du moteur et, par conséquent, la ventilation des divers organes pour lesquels les constructeurs ont effectué des essais et des relevés et dont ils se portent garants.

De la même manière, l'emploi de couvre-radiateurs pendant l'hiver est d'une utilité relative. On ne devrait les utiliser que lorsqu'ils sont conseillés par le constructeur. Dans certains cas, ils sont carrément inutiles ou même dangereux, car ils privent de refroidissement d'autres parties du moteur (collecteurs d'échappement, freins).

Le refroidissement des organes annexes

Il faut également parler du refroidissement des autres organes du véhicule automobile. L'huile de graissage du moteur, en particulier, entraîne une quantité importante de chaleur et doit donc être refroidie.

Quand l'ailetage du carter inférieur n'est pas suffisant, on prévoit un radiateur monté en série avec la pompe, comme dans les moteurs à carter sec ou en parallèle, comme cela se pratique sur les moteurs de série " préparés " pour la compétition. On trouvera aussi sur certains moteurs (Diesel ou Wankel), des échangeurs huile-eau : le radiateur d'huile fait corps avec le radiateur d'eau.

Ce dernier procédé présente également l'avantage de permettre un réchauffement plus rapide de l'eau et de maintenir les deux fluides fluides. huile et eau, à une température égale, ce qui est difficile à réaliser avec des circuits séparés.

Les boites de vitesses et les différentiels sont souvent logés dans des carters à ailettes ce qui facilite l'évacuation de la chaleur : dispositifs nécessaires d'ailleurs dans les transmissions automatiques avec convertisseur de couple pour éviter l'échauffement du fluide.

Sur les voitures de compétition, l'installation de refroidissement est particulièrement complexe étant donné les problèmes posés par les températures élevées, l'aérodynamique, la limitation de charges et leur distribution. L'évacuation de la chaleur concerne de très nombreuses parties de la voiture et l'on utilise un grand nombre d'échangeurs de chaleur pour tous les fluides. soit pour le refroidissement. soit pour la lubrification du moteur et du groupe boite-différentiel ou du pont arrière. On procède aussi, très souvent. au refroidissement du carburant afin d'éviter la formation de bulles de vapeur.

D'autres procédés sont à l'étude, notamment la récupération des gaz d'échappement pour provoquer un courant d'air qui éviterait d'exposer directement le radiateur au flux principal d'air frais. Ce système apporterait d'énormes avantages aérodynamiques.