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🧰 Le coup d'Ă©crou #6 - Le refroidissement

Refroidissement

Les combustions qui se succĂšdent dans le cylindre d’un moteur, Ă©lĂšvent rapidement la tempĂ©rature de ce dernier.
Si une grande partie de la chaleur ainsi produite n’était pas Ă©vacuĂ©e, la tempĂ©rature dans la chambre de combustion approcherait les 2000°C et, dans ces conditions, les piĂšces seraient dĂ©truites par fusion. Avant d’atteindre cet Ă©tat, les dilatations seraient telles qu’il y aurait rapidement grippage, puis blocage des piĂšces, aucun produit de graissage ne pouvant rĂ©sister Ă  des tempĂ©ratures comme celles qui seraient atteintes.
Pour cette raison, tous les moteurs sont conçus pour Ă©liminer la plus grande partie de la chaleur produite, dans l’air ambiant.

Le principe du refroidissement d’un moteur consiste Ă  utiliser un fluide entourant le moteur pour Ă©vacuer dans l’air ambiant, la chaleur en excĂšs ; ce fluide Ă©tant sans cesse renouvelĂ©. Le fluide s’échauffe au contact du moteur et extrait la chaleur nuisible au moteur. Le fluide utilisĂ© peut ĂȘtre 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 trÚs efficace mais il nécessite, par contre, un agencement assez compliqué.
Les cylindres du moteur sont entourĂ©s Ă  leur partie supĂ©rieure de cavitĂ©s ou chemises d’eau, mĂ©nagĂ©es lors de la coulĂ©e du bloc et qui communiquent avec la cavitĂ© entourant, dans la culasse, les chambres de combustion.
C’est l’eau, constamment renouvelĂ©e dans ces cavitĂ©s, qui Ă©vacue la chaleur en excĂšs. Cette eau circule, en effet, constamment entre le moteur et un appareil appelĂ© radiateur qui n’est autre qu’un Ă©changeur de tempĂ©rature, autrement dit un refroidisseur.
C’est dans le radiateur que l’eau cĂšde sa chaleur Ă  l’air ambiant, lui-mĂȘme sans cesse renouvelĂ©.

- Le radiateur : 
Il est placĂ© le plus souvent en avant du moteur, que celui-ci se trouve Ă  l’avant du vĂ©hicule ou Ă  l’arriĂšre (comme la Renault 4CV), mais sur certains vĂ©hicules le radiateur peut ĂȘtre placĂ© derriĂšre le moteur.
Le radiateur construit en tĂŽle de cuivre ou de laiton, voire d’aluminium, se compose de deux rĂ©servoirs (l’un supĂ©rieur et l’un infĂ©rieur) rĂ©unis 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 cĂŽte Ă  cĂŽte 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 Ă  l’intĂ©rieur des tubes cĂšde sa chaleur Ă  la paroi de ces derniers, puis aux lamelles ondulĂ©es qu’ils traversent. Le refroidissement est assurĂ© par l’air qui circule entre les tubes et les lamelles grĂące Ă  la dĂ©pression crĂ©Ă©e derriĂšre le radiateur par le ventilateur. Ce type de faisceau est le plus utilisĂ©.

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Le faisceau de tubes horizontaux dits “à nids d’abeilles” :
Le faisceau rĂ©unissant les deux rĂ©servoirs du radiateur est constituĂ© par des tubes disposĂ©s dans le sens de la marche du vĂ©hicule et ayant pour longueur l’épaisseur du radiateur.
Les extrĂ©mitĂ©s de ces tubes sont façonnĂ©es en forme d’hexagone. Ces tubes s’empilent les uns sur les autres et leurs bords sont soudĂ©s pour l’étanchĂ©itĂ©. Vu en bout, l’ensemble des tubes rappelle un gĂąteau de cire d’oĂč le nom de nids d’abeilles.
L’eau circule dans les interstices subsistant autour des parties cylindriques des tubes, tandis que l’air passe Ă  l’intĂ©rieur des tubes ouverts Ă  leurs extrĂ©mitĂ©s hexagonales. Ce type de faisceau est trĂšs efficace, mais son prix de revient est plus Ă©levĂ© que celui d’un faisceau vertical, ce qui explique qu’il est moins rĂ©pandu.

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Le réservoir inférieur : 

II est muni d’un orifice de vidange fermĂ© 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 fermĂ© par un bouchon et un orifice de trop plein. Sur le rĂ©servoir supĂ©rieur est soudĂ© Ă©galement un embout qui reçoit le tuyau venant du moteur.
Le radiateur est fixĂ© sur le chĂąssis du vĂ©hicule par l’intermĂ©diaire de ressorts ou de blocs de caoutchouc jouant le rĂŽle d’amortisseurs qui le mettent Ă  l’abri des vibrations pouvant le dĂ©tĂ©riorer. C’est pour la mĂȘme raison que le radiateur est liĂ© au moteur par des tuyaux de caoutchouc ou de toile caoutchoutĂ©e (durites) serrĂ©s sur les embouts du radiateur et du moteur par des colliers.

Le ventilateur :

Le ventilateur qui tourne derriĂšre le radiateur sous l’action du moteur, possĂšde un nombre variable de pales orientĂ©es de telle maniĂšre que l’air soit aspirĂ© Ă  travers le faisceau.
Lorsque le nombre de pales est Ă©levĂ©, l’une d’elles est parfois dĂ©calĂ©e dans le plan de rotation pour crĂ©er, au point de vue sonore, une perturbation ayant pour effet de supprimer le sifflement qui se produirait si toutes les pales Ă©taient Ă©quidistantes.
Le ventilateur est montĂ© soit sur un axe particulier, soit sur l’axe de la pompe Ă  eau lorsque le systĂšme en comporte une, ce qui est gĂ©nĂ©ralement le cas. Sur l’axe du ventilateur est montĂ©e une poulie, reliĂ©e par courroie Ă  une autre poulie se trouvant en bout du vilebrequin.

La courroie :

En gĂ©nĂ©ral, la courroie de ventilateur possĂšde une section trapĂ©zoĂŻdale, et assure en mĂȘme temps l'entraĂźnement du ventilateur, et celui de la dynamo qui sert de tendeur.
Une courroie insuffisamment tendue patine, s’échauffe, puis se dĂ©sagrĂšge et n’entraine plus les poulies. Trop serrĂ©e, 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 Ă  2 centimĂštres (suivant la longueur du brin).

Différents systÚmes de refroidissement par eau : 

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

- Le refroidissement par thermosiphon : 
La circulation de l’eau entre le moteur et le radiateur se fait par diffĂ©rence de densitĂ© entre l’eau chaude et l’eau froide.

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L’eau Ă©chauffĂ©e dans le moteur devient moins dense, s’élĂšve et gagne la partie haute du radiateur. En se refroidissant, elle descend peu Ă  peu vers le rĂ©servoir infĂ©rieur. Par le principe des vases communicants, elle repasse dans le moteur oĂč elle s’échauffe de nouveau.

Pour que la circulation ne soit pas interrompue, il est indispensable que le systĂšme soit toujours plein et que l’orifice d’arrivĂ©e d’eau au rĂ©servoir supĂ©rieur soit toujours immergĂ©. Dans le cas contraire, l’eau ne circulerait plus, entrerait en Ă©bullition et se vaporiserait.
Ce systĂšme nĂ©cessite des tuyaux d’assez fort diamĂštre et un volume d’eau assez important d’oĂč un certain encombrement et un certain poids.

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

- Le refroidissement par pompe : 
L’agencement du systĂšme est sensiblement le mĂȘme que dans le prĂ©cĂ©dent, mais les conduits et le volume d’eau sont plus rĂ©duits.
Sur la partie antĂ©rieure du bloc (ou de la culasse) est fixĂ©e une pompe Ă  eau ou turbine entrainĂ©e par le moteur. Cette pompe, constamment immergĂ©e dans l’eau, refoule l’eau chaude vers la partie supĂ©rieure du radiateur. Son action s’ajoute alors Ă  l’effet de thermosiphon qui subsiste quoi qu’il en soit. Pour cette raison, le systĂšme est appelĂ© parfois “thermosiphon activĂ©â€.

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 fixĂ© 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 oĂč le corps de pompe est noyĂ© dans le carter d’huile. La turbine, en fonte ou en bronze, comportant une face garnie d’aubes incurvĂ©es projette, en tournant, l’eau Ă  la pĂ©riphĂ©rie du corps de la pompe d’oĂč part le conduit de refoulement. Il se produit au centre de la turbine une dĂ©pression constamment comblĂ©e par l’eau.
Le graissage de la pompe Ă  eau nĂ©cessite une graisse spĂ©ciale (graisse pour pompe Ă  eau) ayant un point de fusion Ă©levĂ© en raison de la tempĂ©rature qu’atteint l’eau de refroidissement (80 Ă  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 systÚmes 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 disposĂ©s verticalement devant le radiateur et commandĂ©s par le thermostat au moyen de biellettes. A l'arrĂȘt du vĂ©hicule, l'eau Ă©tant froide, les volets sont fermĂ©s par le thermostat et l'air ne peut passer Ă  travers le radiateur. Au fur et Ă  mesure que l'eau s'Ă©chauffe, les volets s'ouvrent, rĂ©glant le passage de l'air en fonction de la tempĂ©rature.

Le refroidissement par air

Ce mode de refroidissement a Ă©tĂ© beaucoup utilisĂ© sur les moteurs de cyclomoteurs et de motocyclettes mais a Ă©tĂ© adoptĂ© par certains constructeurs d’automobiles en raison de sa simplicitĂ©.

La chaleur en excĂšs est emportĂ©e par l’air qui lĂšche les cylindres du moteur. Pour augmenter la surface en contact avec l’air, les cylindres et les chambres de combustion sont entourĂ©s d’ailettes moulĂ©es avec le bloc. La chaleur cĂ©dĂ©e Ă  la paroi du cylindre se propage par la base des ailettes et gagne la surface de celles-ci oĂč elle est entrainĂ©e par l’air.
Le courant d’air engendrĂ© par la vitesse du vĂ©hicule est assez actif lorsque le moteur est bien dĂ©gagĂ© et ne comporte qu’un nombre rĂ©duit de cylindres, pour assurer un refroidissement satisfaisant.
Cependant, pour amĂ©liorer encore l’efficacitĂ© de ce dernier, certains constructeurs ont adoptĂ© un refroidissement par air forcĂ©. Devant le moteur est placĂ©e une turbine tournant Ă  l’intĂ©rieur d’un coffrage de tĂŽle qui enveloppe les cylindres du moteur. L’air activĂ© par la soufflerie est contraint de lĂ©cher les cylindres.

Grùce à ce systÚme, 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 vĂ©hicules, l’admission de l’air dans la soufflerie est rĂ©glĂ©e par un obturateur actionnĂ© par un thermostat placĂ© Ă  un point chaud du moteur. Le rĂŽle de l’appareil est, comme dans le refroidissement par eau, de permettre un Ă©chauffement rapide du moteur et de stabiliser sa tempĂ©rature.
Ce type de refroidissement est prĂ©sent sur les moteurs des CitroĂ«n 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 nĂ©cessite un agencement particulier du moteur et la prĂ©sence d’organes encombrants qui augmentent, avec l’eau de refroidissement, le poids Ă  vide du vĂ©hicule.
Par ailleurs la complexitĂ© de l’installation rend les pannes plus frĂ©quentes.
Enfin, lorsque la tempĂ©rature extĂ©rieure est trĂšs basse, il y a risque de congĂ©lation de l’eau si l’on ne prend pas la prĂ©caution de vidanger le systĂšme ou d’ajouter Ă  l’eau un liquide antigel (glycol/Ă©thanol). Le rapport de mĂ©lange eau/antigel doit se situer entre 60:40 et 50:50 ; cela correspond gĂ©nĂ©ralement Ă  une protection antigel de -25 °C Ă  -40 °C.

Le refroidissement par air nĂ©cessite des cylindres conçus spĂ©cialement et parfois mĂȘme une soufflerie mais n’en reste pas moins beaucoup plus simple que les systĂšmes Ă  eau et reste insensible au froid.

Merci à Alexandre Degrandcourt pour cet article