Le refroidissement des moteurs dans tous ses états

Révisons ! Interro écrite semaine prochaine ! 
 Quoique, vu la météo actuelle... 




par Jean François Robert | 07.02.2018 à 07:00

Le refroidissement des moteurs dans tous ses états

Un radiateur de 73 kW !

Par air, par huile, par eau... rôle et problématiques du refroidissement

Si l’on s’en réfère à la théorie, la puissance évacuée dans le circuit de refroidissement d’un moteur est environ équivalente à la moitié de la puissance développée au vilebrequin. Ainsi, sur une sportive de 200 chevaux à pleine puissance, cela fait donc approximativement 100 chevaux, soit 73,6 kW, à dissiper dans le système de refroidissement ! Un chiffre à comparer aux 2 kW du radiateur qui maintient agréablement 19° dans votre salon. Clairement ça dépote énormément et on comprend vite qu’il y a là un sujet qui peut très mal tourner s’il n’est pas pris au sérieux. Avec l’augmentation continue de la puissance des moteurs, il a fallu revoir sa copie et c’est entre autres pourquoi on est passé du refroidissement par air au refroidissement liquide. Heureusement, la quantité d’énergie dégagée étant proportionnelle à la puissance fournie, le problème n’est pas le même au ralenti ou sous fortes charges (grosse accélération). En règle générale, plus la puissance développée est importante, plus la vitesse de la moto est élevée et donc plus le vent apparent évacue facilement les calories. Cependant, cela n’empêche pas nombre de motos de vous chauffer les jambes et le reste dans les bouchons !



Le refroidissement par air

C’est par là que tout a commencé. En effet, les premiers moteurs, qui développaient de faibles puissances, étaient refroidis par air. La simplicité extrême du concept facilitait la tâche des constructeurs. Pas de pompe, ni de radiateur, pas de circuit d’eau risquant de fuir ou de geler. Juste quelques ailettes qui augmentent la surface d’échange pour mieux évacuer les calories. Mais le concept a ses limites. Impossible de maintenir le moteur à une température constante. L’hiver les ailettes sont trop grandes, le moteur ne chauffe pas assez. L’été elles sont trop petites et il chauffe trop. Même bazar entre le ralenti et les hautes vitesses. De plus, les ailettes vibrent et amplifient les bruits mécaniques. Cela rend plus difficile l’homologation des motos. Enfin, le refroidissement par air limite les configurations moteur. Il faut toujours que les parties chaudes soient exposées au courant d’air. C’est pourquoi les moteurs « à air » ont longtemps eu l’échappement devant et l’admission derrière par exemple. Mais certaines configurations n’étaient pas sans poser de problèmes. Même sur les moteurs en ligne, les cylindres centraux avaient souvent des ailettes plus longues que ceux de l’extérieur et une carburation « adaptée » (des gicleurs différents) pour compenser en partie les écarts de températures. Les moteurs V4 existaient certes déjà, mais ils étaient rares, du fait du refroidissement délicat des cylindres arrière. L’exemple type, c’est le moteur Harley avec ses 2 cylindres parfaitement alignés (bielle à fourche). L’arrière chauffe plus. Ça va tant que la puissance spécifique reste raisonnable, ce qui est le cas. Mais sur les Buell, on se souvient du bruyant ventilateur qui refroidissait justement le cylindre arrière.



Le refroidissement par air forcé

Pour arranger les choses, certains ont eu l’idée d’enfermer le moteur dans une coquille et de souffler dedans avec un ventilateur entraîné par le vilebrequin. Plus le moteur tourne vite, plus ça souffle. On a vu ça jadis sur pas mal de petites cylindrées et de scooters, mais aussi en automobile, sur les 2 CV, les GS, les coccinelles et autres Porsche. Là aussi, pas vraiment de régulation et un ventilateur qui mange des chevaux. Sur une BFG (moteur Citroën GS), à plein régime, le ventilateur consommait 10 chevaux pour brasser l’air. Un très mauvais point pour la consommation ! Il aurait fallu un ventilateur débrayable électriquement pour compenser en partie ce défaut.

Réguler c’est gagner

Comme on l’a dit plus haut et comme vous l’avez sûrement remarqué, la qualité de la carburation évolue avec la température du moteur. C’est pour cette raison que l'on met le starter à froid, si l’on roule (encore) avec une moto en carburateurs. Avec une injection, le calculateur gère la chose tout seul. De fait, si l’on veut moins polluer et consommer moins, impossible ou presque de garder un refroidissement par air, ce qui explique en partie sa disparition quasi-totale de nos jours. Outre la carburation qui est sensible à la température, la mécanique l'est aussi. Trop froid ou trop chaud les jeux ne sont pas corrects, l'huile est trop fluide ou pas assez et au final le moteur perd en puissance, en plus de s'user vite. Ainsi au banc d'essais, on voit clairement qu'il existe une plage thermique de fonctionnement où le moteur donne toute sa puissance (souvent entre 65 et 80°). C’est donc là qu'il faut le maintenir.

Refroidissement par eau : vive la liberté !



La solution à tous ces maux, c’est le refroidissement liquide. Ici on utilise un fluide caloporteur pour évacuer la chaleur émise par le moteur vers un lieu et un dispositif propices au refroidissement. Il s'agit presque toujours d'un radiateur placé à l'avant de la moto. Certains, comme John Britten ou Benelli l'ont aussi placé derrière, dans une zone de dépressions qui aspire l'air au travers. On peut donc mettre des cylindres dans tous les sens, les cacher, faire sortir l’échappement derrière. Toutes les fantaisies sont permises, comme sur la Yamaha 450 en photo ci-dessus. Notez cependant que le cylindre arrière du moteur Ducati 796 est lui aussi coiffé d'une culasse inversée. Tout n'est pas gravé dans le marbre. Si l’on considère souvent la Suzuki GT 750 comme la première moto « moderne » refroidie par eau, l’idée ne date pas d’hier. Les Scott utilisaient déjà ce procédé au début du siècle. L’avantage, c’est que l’on peut limiter la circulation de l’eau quand le moteur est froid, pour lui permettre d’atteindre rapidement sa bonne température de fonctionnement et ainsi réduire l’usure et la pollution. Ce rôle est dévolu au calorstat, sorte de membrane métallique placée dans le circuit d'eau qui s’ouvre ou se ferme selon la température du liquide. A contrario, si le moteur est trop chaud, le thermostat, sorte d'interrupteur électrique calibré actionné sous l’effet de la température, peut déclencher le ventilateur. On peut donc facilement réguler la température du moteur ! En prime, l’absence d’ailette diminue les bruits mécaniques et le petit matelas d’eau qui entoure les cylindres isole un peu les claquements des pistons, ce qui arrange les constructeurs pour l’homologation. Il n'y a donc là que des avantages, hormis le coût, le poids, la complexité et les risques de pannes. Joints de culasse qui fuient, cailloux qui percent le radiateur, entartrage ou surpression du circuit, tuyaux qui percent, colliers qui se desserrent, gel, etc. A noter qu'il existe différents types de constructions. Les chemises sèches sont emmanchées dans des blocs cylindres fermés, où circule de l'eau. Les chemises humides sont pour leur part emmanchées dans des blocs cylindres ouverts et viennent ainsi fermer le circuit d'eau de façon étanche, en étant directement en contact avec le liquide. Enfin, sur les blocs cylindres nikasil, on n'a pas de chemise, l'eau circule directement dans le bloc, dont la surface de contact avec le piston est traitée pour résister à la friction.



Le refroidissement mixte



C’était l’innovation du siècle à la sortie de la première 750 GSXR en 1985. Le SACS, pour Suzuki Advanced Cooling System. Un truc super malin pour gagner du poids, inspiré de l’industrie aéronautique. L’idée c’était d’utiliser directement l’huile comme fluide caloporteur, plutôt que de rajouter de l’eau, une pompe et un circuit. Tout ça existe déjà dans le circuit de lubrification du moteur. Et puis l’huile, elle est vraiment au cœur du moteur, en contact direct avec la chaleur, donc c’est encore mieux. On peut même en envoyer de force sous les pistons pour refroidir les calottes, ou en faire couler sur les basculeurs d’échappement pour mieux évacuer les calories des tiges de soupapes, etc. Pour ça, il suffit d’augmenter un peu la taille du radiateur et le tour est joué. C’est simple, léger, pas cher… Tellement simple que notre 2cv nationale associait elle aussi en série le radiateur d’huile et le refroidissement par air ! Mais la référence était moins prestigieuse que la glorieuse aviation. Reste qu’il faut quand même garder des ailettes et que la régulation de température est un poil plus compliquée, surtout si l’on ne veut pas altérer la lubrification. De fait aujourd’hui, le principe a disparu. En revanche, on utilise plus le mélange eau/huile, grâce à des échangeurs où l'on fait circuler l'eau au niveau du filtre à huile. Comme la température de l’huile est plus longue à monter, on la réchauffe avec l’eau au début. Ensuite, quand elle est très chaude, on la refroidit avec l’eau. Avec ce procédé, on diminue le temps de chauffe du moteur et on régule mieux sa température. C’est ce qu’on trouve sur toutes les motos modernes !

En complément et en sous rubrique du refroidissement par eau on peut ajouter le liquide de refoidissement sans eau 

Sachant qu'un moteur thermique devrait fonctionner plutôt aux alentours de 100/110° pour avoir son meilleur rendement voilà le produit qui peut être utilisé. De plus avec ça plus de problème de surpression dans les circuits étanches actuels qui ne peuvent pas dépasser de beaucoup les 100° sans que les soupapes de surpression s'ouvrent. Ici c'est 180° avant de rentrer en ébullition donc sans surpression, y'a de la marge

Et puis, pas besoin d'illustrer l'article avec un vieux moulin de BM alors qu'il y a des vrais moteurs increvables chez Honda ( Pan 1100 réalisé en gif à partir des croquis de la revue technique )

Bonjour,

Très bon exposé qui nous rappelle l'importance de l'huile et de l'eau dans un moteur ...

 Les 2 règles d'or que je m'efforce à appliquer quand je roule avec ma chère Gl1100:
1- Ne pas forcer avant la montée en température du moteur.
2- Par temps très chaud, rouler à allure modérée et contrôler la jauge de T° régulièrement ... le système de refroidissement sur cette moto n'est pas particulièrement bien régulé.

Alain.