1) POSITION DU PROBLEME Rôle du refroidissement

Le but de cette partie est d'étudier le refroidissement du moteur et de donner à l'aide de calculs simples des hypothèses simplificatrices un ordre de grandeur pour le dimensionnement pour le circuit de refroidissement.

Le rôle du refroidissement du moteur est essentiel. En effet, seule 40 à 45 % de l'énergie libérée lors de la combustion est transformée en énergie mécanique, directement utilisable sur l'arbre. Une bonne partie de l'énergie de combustion est évacuée avec les gaz d'échappement (environ 30% de l'énergie de combustion). Il reste alors une part non négligeable de l'énergie de combustion qui est évacuée par les parois de la chambre de combustion. Il est donc absolument nécessaire de refroidir en permanence les parois des cylindres afin d'éviter des températures trop élevées forcément dommageables pour les matériaux ou encore la lubrification du piston et donc de manière générale pour le bon fonctionnement global du moteur.

Il existe deux possibilités : le refroidissement par air et le refroidissement par eau. Les avantages du refroidissement par air par rapport au refroidissement par eau sont intéressants. En effet un refroidissement par eau implique la présence d'une pompe pour faire circuler le fluide, ce qui non seulement absorbe une partie de la puissance moteur disponible (inférieure à 1% toutefois) mais implique une charge embarquée supplémentaire et un volume plus grand. Evidemment dans le cas d'un engin de course où la chasse au poids superflu et où le moindre gain en puissance est très apprécié, il semble que le refroidissement par air représente une solution particulièrement adaptée.


Refroidissement par eau

Le circuit de refroidissement comporte:

Circuit d'eau

La circulation de l'eau autour des cylindres est modélisée par un espace contenu entre deux cylindres coaxiaux et de hauteur égale à la course du piston. Il s'agit de dimensionner le débit d'eau, l'épaisseur de la chemise e1et l'épaisseur du circuit d'eau e2.

Les hypothèses retenues sont :

Les échanges thermiques à prendre en compte sont

Calcul du coefficient d'échange thermique thermique (hint) entre les gaz chauds dans le cylindre et la paroi extérieure du cylindre. Il est donné dans la littéature par la formule de Woscnni :

où :

Le coefficient d'échange thermique entre l'eau et la paroi extérieure est donné par une relation liant le nombre de Nusselt (Nu), le nombre de Re (Re) et le nombre de Prandlt(Pr)

et

Soit :

On a alors :

On obtient alors les températures de paroi internes et externes du cylindre :

Remarques:

.Il faut dimensionner le circuit d'eau de telle manière que la température de la paroi interne du cylindre ne dépasse pas 200°C afin de ne pas dégrader le lubrifiant et éviter les déformations du cylindre.

Pompe à eau

Elle est généralement entrainée par une poulie liée en rotation au vilebrequin par l'intermédiaire d'une courroie. Il faut éviter la cavitation dans la pompe, c'est pourquoi le circuit d'eau est sous pression. La pompe doit donc vaincre les pertes de charge du circuit et pressuriser l'eau.Elles s'expriment en hauteur d'eau par une relation de la forme .

En fait, on estime que l'essentiel des pertes de charges se produisent dans le radiateur et finalement que les pertes de charges linéaires autour des cylindres ne constituent que quelques pourcent de la perte de charge totale dans le circuit de refroidissement (< 5%).

Finalement la hauteur d'eau totale que doit vaincre la pompe est

Cela permet de calculer la puissance de la pompe: , avec un rendement d'environ 50 à 60 %.

Comme on pourra le constater, cette puissance de la pompe ne dépasse pas quelques % de la puissance du moteur.


Refroidissement par air

Le coefficient de conductivité de l'air est inférieur d'environ 25 fois à celui de l'eau. Pour évacuer la même quantité de chaleur, il faut donc augmenter considérablement la surface métallique en contact avec le fluide de refroidissement. Technologiquement cela se traduit par l'utilisation d'ailettes.

Ce type de refroidissement est utilisé dans les moteurs d'avions: en effet le critère est le fonctionnement du moteur dans toutes les situations et donc il vaut mieux utiliser l'air.

L'étude doit permettre de déterminer le nombre d'ailettes et leurs caractéristiques géométriques. La démarche est la suivante:

Le flux de chaleur à évacuer au niveau des ailettes est constant: Pour le montrer on étudie la propagation de la température interne du cylindre en se fixant sur la paroi interne du cylindre une température qui varie de façon sinusoidale autour de sa valeur moyenne( propagation d'un signal périodique dans un mur semi infini). Cela montre que l'atténuation de la température dans la chemise est très rapide si bien que la température extérieure de la chemise peut être supposée constante.

Flux de chaleur à évacuer: il est estimé de façon analogue à celle décrite dans la partie refroidissement à eau.

Air extérieur: pour le dimensionnement il faut se placer dans le cas le plus défavorable, c'est à dire pour un moteur tournant au ralenti (800 Tr/min pour le moteur d'avion de tourisme) et pour la température de l'air extérieure la plus élevée. C'est donc au sol et on prend Text=45°C.La vitesse de l'air est estimée à partir des caractéristiques de l'hélice.

L'efficacité d'une ailette est définie par

L'approximation hs=ha est justifiée en pratique, et hs est calculé par une corrélation Nu/Pr/Re:

Un rendement d'ailette est introduit pour tenir du compte du fait que la température n'est pas constante=Tp le long d'une ailette.

Le flux évacué par les ailettes s'exprime alors en fonction de la surface d'échange par: