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Rôle du refroidissement

         Le circuit de refroidissement a pour rôle de restituer à l’atmosphère une grande partie de la chaleur produite à l’intérieur de la chambre de combustion. En effet, le bon fonctionnement du moteur n’est plus possible au delà de certaines températures. 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.
 



Chaleur à évacuer

                Le rôle du refroidissement du moteur est essentiel. En effet, seuls 45 % environ de l'énergie libérée lors de la combustion est transformée en
        énergie mécanique, directement utilisable sur l'arbre.

                60% de l’énergie apportée par la combustion est donc dissipée sous forme de chaleur. Une bonne partie de cette énergie est évacuée avec les gaz
        l'échappement (environ 35% de l'énergie de combustion).

                La partie restante, non négligeable, de l'énergie de combustion 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, qui, on l’a vu, seraient dommageables pour
        le bon fonctionnement du moteur.
 
 



 








Types de refroidissement

        Deux types de refroidissement sont alors envisageables : le refroidissement par air, où celui-ci est projeté par des ventilateurs sur la culasse et sur les cylindres, et le refroidissement par eau (ou par un liquide réfrigérant), celle-ci faisant office d'intermédiaire en prélevant une partie de la chaleur du moteur et en la cédant à l'atmosphère à travers un radiateur.

        Le refroidissement par air présente l’avantage de ne pas nécessiter de pompe pour faire circuler le fluide. Cette pompe absorbe, en effet, une partie de la puissance disponible et représente un poids supplémentaire.

        Toutefois, le coefficient de conductivité de l’air est environ 25 fois plus faible que celui de l’eau. Ainsi, pour assurer un refroidissement équivalent, il est nécessaire d’augmenter considérablement la surface métallique en contact avec le fluide de refroidissement, ce qui est réalisé pratiquement au moyen d’ailettes. Ces ailettes nécessitent une place considérable autour des cylindres.

        Le système par air 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. Cependant, les progrès du refroidissement par eau, qui permet une architecture de moteur plus compacte et l’obtention de puissances spécifiques plus élevées, font que le refroidissement par air est de moins en moins utilisé dans la construction automobile. En conséquence, nous avons choisi de refroidir notre moteur à l’aide d’un circuit d’eau.



Refroidissement par eau
 Objectifs :
 
Le système de refroidissement doit assurer un certain nombre de fonctions :
 
       Refroidissement des parties chaudes du moteur.
       Refroidissement de l’eau par un radiateur sur lequel circule l’air ambiant.
       Circulation de l’eau à l’aide d’une pompe à eau.
       Régulation de la température d’eau à une valeur déterminée.
       Dégazage pour évacuer les inévitables bulles qui se forment dans le circuit.
       Mise en pression du circuit d’eau pour éviter la cavitation au niveau de la pompe
       Mise en température du moteur aussi rapide que possible (après démarrage moteur froid).
       Transfert de calories à l’habitacle pour assurer le chauffage de ce dernier.
 
  Les différents éléments:

Le circuit de refroidissement est alors constitué de différents organes, visibles sur la figure suivante :

Les principaux éléments sont :

  -  Le circuit d’eau, dans lequel circule l’eau chargée de refroidir les parois du moteur.
  -  La pompe, qui permet d’obtenir le débit voulu dans le circuit d’eau.
  -  Le radiateur
  -  Le radiateur de chauffage (ou aérotherme)
  -  Le thermostat
  -  Le ventilateur
  -  Le vase d’expansion (ou boîte de dégazage)
  -  Le bouchon avec clapet de surpression
  -  Le liquide de refroidissement

Nous allons maintenant étudier un peu plus en détail chacun de ces organes.

            a) Le circuit d’eau

                La circulation de l’eau est réalisée dans un espace supplémentaire situé autour de la chemise. Le schéma suivant modélise une coupe transversale
            du  cylindre.
 


            b)  La pompe à eau

                La pompe à eau a pour rôle d’assurer la circulation du liquide de refroidissement dans le moteur et le radiateur, afin d’éliminer les calories. Plus le
        liquide va circuler rapidement, plus grande sera l’élimination de calories par le radiateur et plus petite pourra être la surface de ce dernier.

                Les pompes sont généralement de type centrifuge et doivent avoir un débit suffisant pour assurer que l'écart de température entre la sortie et
        l'entrée du moteur soit de l'ordre de 4 à 6°C. Elles sont généralement entraînées par une poulie liée au vilebrequin par l'intermédiaire d'une courroie.

                Toutefois, la pompe ne doit pas demander une puissance trop importante car celle-ci est directement prélevée sur la puissance disponible fournie
        par le moteur. Il faut donc éviter d’utiliser une pompe trop encombrante (perte de place et charge supplémentaire) ou absorbant une puissance trop
        importante (constituant ainsi un manque à gagner de puissance pour le moteur).
 



 


            Ainsi, la puissance absorbée pour l’entraînement de la pompe dépend des caractéristiques de perte de charge du circuit complet. Elle peut représenter
        1,5 à 3% de la puissance fournie par le moteur en pleine charge mais ne doit en aucun cas dépasser ces valeurs.

            c) Le radiateur

            Le radiateur est un échangeur de chaleur eau/air utilisé pour abaisser la température du liquide de refroidissement, qui s’est échauffé en traversant le
        bloc-cylindres et la culasse.
 



 


    Un radiateur est composé de deux réservoirs (appelés boîtes à eau), reliés par des tubes porteurs d’ailettes extérieures.

    Les réservoirs constituent les collecteur d’entrée et de sortie. Les tubes les reliant peuvent être de section circulaire (ou ovale) ou plats. Pour améliorer les échanges entre le liquide et les tubes, on trouve parfois à l'intérieur de ceux-ci des turbulateurs ou perturbateurs. Ces éléments servent à briser les écoulements laminaires. Les ailettes constituent des surfaces secondaires d'échange.. Ces éléments peuvent être des feuilles planes traversées par les tubes ou des feuillures plissées en accordéon et intercalées entre les tubes.

    Trois types de technologies sont utilisées en ce qui concerne les tubes et les ailettes.

       Radiateurs en aluminium « mécaniques ».

                Les ailettes sont enfilées sur des tubes de section circulaire ou ovale. Les ailettes et les tubes sont en alliage d’aluminium. Ce type de réalisation est
            économique à fabriquer. C’est également le plus répandu.
       Radiateurs en aluminium brasés.
                Les tubes sont plats. Les ailettes sont constituées d’une fine tôle serpentant entre deux tubes plats successifs. Pour améliorer l’échange thermique
            entre l’air et les ailettes, ces dernières sont souvent munies de « persiennes », permettant de créer des micro-turbulences. Ce type de réalisation est
            plus performant que le précédent, mais également plus coûteux à réaliser.
        Radiateurs en cuivre brasés.
                La réalisation est analogue à la précédente, mais l’aluminium est remplacé par du cuivre, ce qui permet d’obtenir un gain d’efficacité par rapport à
            l’aluminium.

d)  Le radiateur de chauffage (ou aérotherme)

    Pour assurer le chauffage de l'habitacle, on trouve sur le circuit d'eau un échangeur appelé aérotherme.

    L’eau va circuler dans le radiateur de chauffage que le thermostat soit ouvert ou fermé (et donc que l’eau circule dans le radiateur principal ou pas).

    Le réglage de le température de l'habitacle se fait en dosant la quantité d'air qui passe au travers de l'aérotherme.
 
e)  Le thermostat
    Le thermostat a pou rôle de permettre au moteur d'atteindre rapidement et de maintenir une température d'opération désirée.

    Le principe de fonctionnement du thermostat est le suivant : Le thermostat est immergé dans le liquide de refroidissement et va laisser passer plus ou moins de liquide de refroidissement vers le radiateur, en fonction de la température du liquide. La température idéale de fonctionnement d'un moteur se situe en effet entre 95 et 110 °C et le thermostat va tenter de le maintenir cette température.

    Ainsi, au démarrage, lorsque le moteur est froid, le thermostat doit faire en sorte que le liquide de refroidissement n'atteigne pas le radiateur avant d'avoir atteint la température optimale de fonctionnement.

Les intérêts d'une montée en température rapide du liquide de refroidissement sont essentiellement :
- Amélioration du chauffage de l'habitacle par temps froid.
- Diminution de la pollution.
- Réduction des pertes par frottement par diminution de la viscosité de l'huile.
    Les thermostats utilisent des cires dilatables qui provoquent l'ouverture du circuit d'eau en direction du radiateur au dessus d'une température limite fixée par le constructeur.
    Pour assurer une circulation d’eau plus importante dans le moteur pendant la montée en température de ce dernier (thermostat fermé), on peut utiliser un thermostat à double effet. Ce type de thermostat est conçu de façon à ouvrir le passage d’eau de by-pass lorsque le moteur est froid et que le passage vers le radiateur principal est fermé, puis à fermer ce by-pass lorsque le moteur est chaud ; la totalité du débit va alors dans le radiateur principal.

 

    On peut trouver le thermostat à l'entrée ou à la sortie du moteur:

     -  Thermostat en sortie moteur: Lorsque la température de l'eau atteint le seuil d'ouverture du thermostat (de l'ordre de 88°C), celui-ci commence à s'ouvrir. L'eau chaude pénètre dans le radiateur et de l'eau froide entre dans le moteur. Le thermostat ne perçoit l’arrivée de l’eau froide provenant du radiateur qu’après que celle-ci ait rempli tout le volume des chambres du moteur. Ce principe entraîne des variations d'une dizaine de degrés en sortie culasse et d'une vingtaine de degrés en entrée de moteur. Ces battements constituent des petits chocs thermiques permanents qui contribuent à un vieillissement accru du joint de culasse.

 
    - Thermostat en entrée moteur : Dans ce cas, le thermostat est placé dans le circuit de retour de l’eau entre le radiateur et l’entrée de la pompe à eau. Cette disposition permet de mieux régler la température de l’eau entrant dans le moteur, notamment au moment de l’ouverture du circuit principal car le thermostat est immédiatement sensible à l’arrivée de la masse d’eau froide venant du radiateur et ne laisse entrer cette eau que de manière progressive. En effet, l'information donnant la température de la culasse est apportée par un by-pass dont la présence est indispensable. Le bulbe du thermostat lit la température du mélange (eau qui arrive du by-pass / eau retour du radiateur). L'ouverture du circuit en provenance du radiateur aura lieu quand la température de la culasse atteindra l'indexation du thermostat. Dès son ouverture, le thermostat détecte de l'eau froide en provenance du radiateur : il se ferme immédiatement puis se rouvre très rapidement. Il en résulte une régulation très fine de la température à l'entrée de la pompe (variations de l’ordre de 2°C).

f)  Le ventilateur

    L'air de refroidissement est forcé à travers le radiateur par effet dynamique (c’est à dire grâce à l’avancement du véhicule) mais un ventilateur peut être utilisé lorsque celui-ci est insuffisant (véhicule à l'arrêt, moteur en fonctionnement ; montagne...).

    Ces ventilateurs ont, dans tous les cas, une puissance relativement faible (de l’ordre de 500 watts). Le ventilateur n'est utilisé en moyenne que pendant 3% du temps d'utilisation du moteur.

            g)  Le vase d’expansion

                Il est également appelé boîte de dégazage.

                Lors de l'échauffement du moteur, le liquide de refroidissement se dilate et la pression monte dans le circuit. Les variations de pression entre moteur
            froid et moteur chaud sont absorbées par le volume d'air situé à la partie supérieure du vase d'expansion. Comme le tube d'arrivée se trouve en
            dessous du niveau de liquide, il n'y aura pas d'introduction d'air dans le circuit. Le vase d’expansion assure ainsi la mise en pression du circuit sans
            perte de liquide de refroidissement.

                Le vase d’expansion permet aussi de dégazer le circuit, si l’on a pris soin de le placer en un point haut de celui-ci, là où se concentrent les bulles
            d’air ayant pu entrer accidentellement. Ces bulles peuvent provenir de micro-fuites au niveau du joint de culasse, de la pompe à eau, des raccords de
            durites, etc…).
 



 


h)  Le bouchon avec clapet de surpression

    Pour éviter d'atteindre des niveaux de pression trop importants dans le circuit d'eau en cas de problème (surchauffe du moteur, rupture d’un joint de culasse), le  bouchon du vase d’expansion est muni d’un clapet permettant de limiter la pression à une valeur n’entraînant pas d’autres dégâts dans le moteur.

    Le sifflement émis par ce clapet constitue également un signal d’alerte pour le conducteur.
 

i) Le liquide de refroidissement
 

    Le liquide de refroidissement est, en réalité, un mélange de trois composants :

            - Eau déminéralisée
            - Monoethylèneglycol (antigel)
            - Inhibiteur de corrosion
    La proportion du mélange va dépendre de l’objectif à atteindre. La présence de l'éthylène-glycol augmente la température d'ébullition et abaisse celle de congélation. C’est donc un moyen efficace de protection contre le gel.
Toutefois, l’eau a une meilleure capacité calorifique que le monoethylèneglycol et la teneur en eau peut être augmentée dans les climats chauds.
    Le liquide de refroidissement que nous avons utilisé dans ce projet est composé uniquement d’eau.