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🧰 Le coup d'écrou #6 - Le refroidissement

🧰 Le coup d'écrou #6 - Le refroidissement

Refroidissement

Les combustions qui se succèdent dans le cylindre d’un moteur, élèvent rapidement la température de ce dernier.
Si une grande partie de la chaleur ainsi produite n’était pas évacuée, la température dans la chambre de combustion approcherait les 2000°C et, dans ces conditions, les pièces seraient détruites par fusion. Avant d’atteindre cet état, les dilatations seraient telles qu’il y aurait rapidement grippage, puis blocage des pièces, aucun produit de graissage ne pouvant résister à des températures comme celles qui seraient atteintes.
Pour cette raison, tous les moteurs sont conçus pour éliminer la plus grande partie de la chaleur produite, dans l’air ambiant.

Le principe du refroidissement d’un moteur consiste à utiliser un fluide entourant le moteur pour évacuer dans l’air ambiant, la chaleur en excès ; ce fluide étant sans cesse renouvelé. Le fluide s’échauffe au contact du moteur et extrait la chaleur nuisible au moteur. Le fluide utilisé peut être soit de l’eau, soit de l’air.

Le refroidissement par eau 

Le refroidissement par eau est le plus employé sur les moteurs automobiles. Son fonctionnement est très efficace mais il nécessite, par contre, un agencement assez compliqué.
Les cylindres du moteur sont entourés à leur partie supérieure de cavités ou chemises d’eau, ménagées lors de la coulée du bloc et qui communiquent avec la cavité entourant, dans la culasse, les chambres de combustion.
C’est l’eau, constamment renouvelée dans ces cavités, qui évacue la chaleur en excès. Cette eau circule, en effet, constamment entre le moteur et un appareil appelé radiateur qui n’est autre qu’un échangeur de température, autrement dit un refroidisseur.
C’est dans le radiateur que l’eau cède sa chaleur à l’air ambiant, lui-même sans cesse renouvelé.

- Le radiateur : 
Il est placé le plus souvent en avant du moteur, que celui-ci se trouve à l’avant du véhicule ou à l’arrière (comme la Renault 4CV), mais sur certains véhicules le radiateur peut être placé derrière le moteur.
Le radiateur construit en tôle de cuivre ou de laiton, voire d’aluminium, se compose de deux réservoirs (l’un supérieur et l’un inférieur) réunis par un faisceau de tubes.

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Il existe plusieurs types de faisceaux :

Le faisceau de tubes verticaux : 
Ces tubes sont placĂ©s cĂ´te Ă  cĂ´te et relient le rĂ©servoir supĂ©rieur et le rĂ©servoir infĂ©rieur. Ils traversent des bandes de mĂ©tal disposĂ©es horizontalement et ondulĂ©es. Cette disposition a pour but d’augmenter la surface en contact avec l’air. 
En effet, l’eau circulant à l’intérieur des tubes cède sa chaleur à la paroi de ces derniers, puis aux lamelles ondulées qu’ils traversent. Le refroidissement est assuré par l’air qui circule entre les tubes et les lamelles grâce à la dépression créée derrière le radiateur par le ventilateur. Ce type de faisceau est le plus utilisé.

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Le faisceau de tubes horizontaux dits “à nids d’abeilles” :
Le faisceau réunissant les deux réservoirs du radiateur est constitué par des tubes disposés dans le sens de la marche du véhicule et ayant pour longueur l’épaisseur du radiateur.
Les extrémités de ces tubes sont façonnées en forme d’hexagone. Ces tubes s’empilent les uns sur les autres et leurs bords sont soudés pour l’étanchéité. Vu en bout, l’ensemble des tubes rappelle un gâteau de cire d’où le nom de nids d’abeilles.
L’eau circule dans les interstices subsistant autour des parties cylindriques des tubes, tandis que l’air passe à l’intérieur des tubes ouverts à leurs extrémités hexagonales. Ce type de faisceau est très efficace, mais son prix de revient est plus élevé que celui d’un faisceau vertical, ce qui explique qu’il est moins répandu.

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Le rĂ©servoir infĂ©rieur : 

II est muni d’un orifice de vidange fermé par un robinet ou par un bouchon et d’un embout sur lequel s’adapte le tuyau allant au moteur.

Le réservoir supérieur :

Il porte l’orifice de remplissage fermé par un bouchon et un orifice de trop plein. Sur le réservoir supérieur est soudé également un embout qui reçoit le tuyau venant du moteur.
Le radiateur est fixé sur le châssis du véhicule par l’intermédiaire de ressorts ou de blocs de caoutchouc jouant le rôle d’amortisseurs qui le mettent à l’abri des vibrations pouvant le détériorer. C’est pour la même raison que le radiateur est lié au moteur par des tuyaux de caoutchouc ou de toile caoutchoutée (durites) serrés sur les embouts du radiateur et du moteur par des colliers.

Le ventilateur :

Le ventilateur qui tourne derrière le radiateur sous l’action du moteur, possède un nombre variable de pales orientées de telle manière que l’air soit aspiré à travers le faisceau.
Lorsque le nombre de pales est élevé, l’une d’elles est parfois décalée dans le plan de rotation pour créer, au point de vue sonore, une perturbation ayant pour effet de supprimer le sifflement qui se produirait si toutes les pales étaient équidistantes.
Le ventilateur est monté soit sur un axe particulier, soit sur l’axe de la pompe à eau lorsque le système en comporte une, ce qui est généralement le cas. Sur l’axe du ventilateur est montée une poulie, reliée par courroie à une autre poulie se trouvant en bout du vilebrequin.

La courroie :

En général, la courroie de ventilateur possède une section trapézoïdale, et assure en même temps l'entraînement du ventilateur, et celui de la dynamo qui sert de tendeur.
Une courroie insuffisamment tendue patine, s’échauffe, puis se désagrège et n’entraine plus les poulies. Trop serrée, elle se distend et s’use rapidement. La tension est correcte lorsqu’en appuyant avec le pouce au milieu du brin le plus long, celui-ci rentre de 1 à 2 centimètres (suivant la longueur du brin).

DiffĂ©rents systèmes de refroidissement par eau : 

Suivant la manière dont se fait la circulation de l’eau de refroidissement, on classe les systèmes de refroidissement en deux types :

- Le refroidissement par thermosiphon : 
La circulation de l’eau entre le moteur et le radiateur se fait par différence de densité entre l’eau chaude et l’eau froide.

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L’eau échauffée dans le moteur devient moins dense, s’élève et gagne la partie haute du radiateur. En se refroidissant, elle descend peu à peu vers le réservoir inférieur. Par le principe des vases communicants, elle repasse dans le moteur où elle s’échauffe de nouveau.

Pour que la circulation ne soit pas interrompue, il est indispensable que le système soit toujours plein et que l’orifice d’arrivée d’eau au réservoir supérieur soit toujours immergé. Dans le cas contraire, l’eau ne circulerait plus, entrerait en ébullition et se vaporiserait.
Ce système nécessite des tuyaux d’assez fort diamètre et un volume d’eau assez important d’où un certain encombrement et un certain poids.

Ce type de refroidissement, peu employé, équipe notamment les DKW.

- Le refroidissement par pompe : 
L’agencement du système est sensiblement le même que dans le précédent, mais les conduits et le volume d’eau sont plus réduits.
Sur la partie antérieure du bloc (ou de la culasse) est fixée une pompe à eau ou turbine entrainée par le moteur. Cette pompe, constamment immergée dans l’eau, refoule l’eau chaude vers la partie supérieure du radiateur. Son action s’ajoute alors à l’effet de thermosiphon qui subsiste quoi qu’il en soit. Pour cette raison, le système est appelé parfois “thermosiphon activé”.

La pompe à eau est constituée :
•    D’un corps de pompe
•    D’une turbine

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Le corps de pompe (en fonte) est fixé sur le bloc moteur ou sur la culasse mais dans certains cas le bloc ou la culasse peuvent constituer une partie du corps de la pompe. C’est notamment le cas, par exemple, pour les Simca 1100 où le corps de pompe est noyé dans le carter d’huile. La turbine, en fonte ou en bronze, comportant une face garnie d’aubes incurvées projette, en tournant, l’eau à la périphérie du corps de la pompe d’où part le conduit de refoulement. Il se produit au centre de la turbine une dépression constamment comblée par l’eau.
Le graissage de la pompe à eau nécessite une graisse spéciale (graisse pour pompe à eau) ayant un point de fusion élevé en raison de la température qu’atteint l’eau de refroidissement (80 à 100°C).

Réglage de température - Thermostat

Pour qu'un moteur puisse donner toute sa puissance, il doit avoir une certaine température. Afin que cette température soit atteinte rapidement et se maintienne, les systèmes de refroidissement comportent parfois un thermostat.

Le thermostat est immergé dans l'eau de refroidissement à la sortie du moteur.
Il peut agir de deux façons différentes :
- par un clapet qui peut obturer la canalisation d'eau reliant le moteur au radiateur. Lorsque le moteur est en marche, l'eau s'échauffe rapidement et lorsqu'elle a atteint la température voulue, le thermostat se dilate, faisant ouvrir le clapet. Si la température de l'eau vient à s'abaisser, le thermostat fait refermer le clapet d'une quantité plus ou moins grande.
- par des volets disposés verticalement devant le radiateur et commandés par le thermostat au moyen de biellettes. A l'arrêt du véhicule, l'eau étant froide, les volets sont fermés par le thermostat et l'air ne peut passer à travers le radiateur. Au fur et à mesure que l'eau s'échauffe, les volets s'ouvrent, réglant le passage de l'air en fonction de la température.

Le refroidissement par air

Ce mode de refroidissement a été beaucoup utilisé sur les moteurs de cyclomoteurs et de motocyclettes mais a été adopté par certains constructeurs d’automobiles en raison de sa simplicité.

La chaleur en excès est emportée par l’air qui lèche les cylindres du moteur. Pour augmenter la surface en contact avec l’air, les cylindres et les chambres de combustion sont entourés d’ailettes moulées avec le bloc. La chaleur cédée à la paroi du cylindre se propage par la base des ailettes et gagne la surface de celles-ci où elle est entrainée par l’air.
Le courant d’air engendré par la vitesse du véhicule est assez actif lorsque le moteur est bien dégagé et ne comporte qu’un nombre réduit de cylindres, pour assurer un refroidissement satisfaisant.
Cependant, pour améliorer encore l’efficacité de ce dernier, certains constructeurs ont adopté un refroidissement par air forcé. Devant le moteur est placée une turbine tournant à l’intérieur d’un coffrage de tôle qui enveloppe les cylindres du moteur. L’air activé par la soufflerie est contraint de lécher les cylindres.

Grâce à ce système, on peut refroidir par air des moteurs à plusieurs cylindres en ligne sans que le refroidissement des derniers cylindres ne soit ralenti à cause des cylindres placés devant eux.
Sur certains véhicules, l’admission de l’air dans la soufflerie est réglée par un obturateur actionné par un thermostat placé à un point chaud du moteur. Le rôle de l’appareil est, comme dans le refroidissement par eau, de permettre un échauffement rapide du moteur et de stabiliser sa température.
Ce type de refroidissement est présent sur les moteurs des Citroën 2 CV (et 3 CV), Panhard (Dyna, PL17, 24), Deutz, Volkswagen (Coccinelle, Karmann), Fiat (126, 500, ...), Porsche, et bien d’autres encore.

Comparaison entre le refroidissement par eau et le refroidissement par air

Le refroidissement par eau nécessite un agencement particulier du moteur et la présence d’organes encombrants qui augmentent, avec l’eau de refroidissement, le poids à vide du véhicule.
Par ailleurs la complexité de l’installation rend les pannes plus fréquentes.
Enfin, lorsque la température extérieure est très basse, il y a risque de congélation de l’eau si l’on ne prend pas la précaution de vidanger le système ou d’ajouter à l’eau un liquide antigel (glycol/éthanol). Le rapport de mélange eau/antigel doit se situer entre 60:40 et 50:50 ; cela correspond généralement à une protection antigel de -25 °C à -40 °C.

Le refroidissement par air nécessite des cylindres conçus spécialement et parfois même une soufflerie mais n’en reste pas moins beaucoup plus simple que les systèmes à eau et reste insensible au froid.

Merci Ă  Alexandre Degrandcourt pour cet article 

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