Un moteur à explosion en fonctionnement - qu’il soit essence ou diesel - produit beaucoup de chaleur, essentiellement produite par l’explosion et les frottements mécaniques internes.
Pour qu’un moteur à explosion fonctionne de façon optimale, sa température doit monter très rapidement : un moteur qui tourne trop froid s’use et ne donne pas son plein rendement, consomme et pollue. La température de fonctionnement optimale se situe aux alentours de 90°C. Cette température doit rester stable et homogène quels que soient les efforts qui sont demandés au moteur.
Pour maîtriser la température d’un moteur, on lui adjoint un système de refroidissement dont le rôle est de réguler cette température. On peut grossièrement le décrire comme un circuit fermé composé de divers éléments :
- du liquide de refroidissement (LdR) : une préparation à base d’eau additivée de glycol et différents agents chimiques qui ont des propriétés caloporteuses, anti-oxydantes, anti-tartre, détergentes, retardant le point d’ébullition, etc.
- des canalisations moulées qui parcourent bloc moteur et culasse pour l’irriguer en LdR. L’entrée du LdR dans le moteur se fait par le bas du bloc moteur, et la sortie par le haut de la culasse.
- une pompe à eau : pompe de circulation qui met en mouvement le LdR dans le circuit, elle est le plus souvent entraînée mécaniquement par une courroie actionnée par le vilebrequin et pulse en permanence.
- un radiateur : échangeur thermique qui diffuse la chaleur portée par le LdR dans le milieu extérieur pour le refroidir.
- un ventilateur électrique ou mécanique qui force la circulation d’air frais dans le radiateur pour en augmenter l’efficacité.
- un calorstat : une vanne disposée entre culasse, radiateur et pome à eau pour répartir le flux de LdR entre le radiateur et bloc moteur de façon à réguler la température de ce dernier.
- des durites en caoutchouc ou silicone qui transportent le LdR entre les différents éléments du circuit
2/ Fonctionnement et intérêt d’un calorstat
Pour bien comprendre le principe de fonctionnement d'un calorstat, il faut distinguer quelques notions, on parlera de :
- température d'entrée pour évoquer la température du LdR à l'entrée du radiateur (donc à la sortie de la culasse)
- température de sortie pour évoquer la température du LdR à la sortie du radiateur
- température de retour pour évoquer la température du LdR à l'entrée du bloc
- point d'ouverture pour évoquer la température à laquelle l'élément sensible commence à se dilater, et donc ouvrir la vanne coté radiateur.
- cavitation pour décrire le phénomène de remous du liquide de refroidissement induit par les turbulences créées par les pales de la roue de pompe eau, notamment lorsque celle-ci est barrée (c.a.d que son fonctionnement est entravé par un débit nul à son entrée). La cavitation crée une érosion des matériaux, notamment au niveau du centre de la roue de pompe à eau, qui la fragilise et peut conduire à sa destruction
Le fonctionnement mécanique d'une v2v étant à peu de choses près identique à celui d'une v3v simplifiée, nous allons d'abord détailler la v2V pour bien assimiler la mécanique d'un calorstat.
- Fonctionnement d'une vanne 2 voies.
On mettra au crédit de la v2v sa grande simplicité technique : le circuit de refroidissement est une simple boucle fermée, la v2v est glissée dans une durite entre la sortie du moteur et le radiateur.- Corps du calorstat, généralement en tôle emboutie.
- Ressort de rappel.
- Soupape.
- Élément sensible à la dilatation.
Au repos, la soupape est maintenue plaquée dans son siège par le ressort de rappel. Positionnée dans le circuit de refroidissement entre la culasse et le radiateur, cette vanne est en contact avec le LdR.
Quand la température d'entrée va s’élever consécutivement à la montée en température du moteur, le cylindre de matériau sensible va se dilater (3) et pousser la soupape hors de son siège.
A ce moment, il n’y a plus d’étanchéité entre siège et soupape : la vanne peut être traversée par le LdR (2). Au plus la température d'entrée va s’élever, au plus le cylindre va se contracter et ouvrir la soupape. A contrario, quand la température d'entrée retombera, le cylindre reprendra sa forme initiale et fermera la soupape, aidé par le ressort de rappel (1).
Tant que le moteur est froid, la vanne est fermée. Il n'y a aucun débit dans le circuit bien que la pompe à eau soit entraînée, celle-ci est barrée et cavite. Le LdR est stationnaire dans le bloc moteur et se réchauffe. Dès que la température d'entrée arrive au point d'ouverture, l’élément sensible a dilatation du calorstat réagit. La vanne s'ouvre alors progressivement et laisse passer de plus en plus de LdR au fur et à mesure que la température de celui-ci augmente. Le radiateur est irrigué, il refroidit le liquide, cela permet d'abaisser la température de sortie.
Ca marche assez bien dans les climats tempérés, mais le système atteint vite ses limites quand on évolue dans des conditions plus froides.
Imaginons le cas suivant : température extérieure est à 0°C. Une fois la température d'entrée arrivée au point d'ouverture (+/- 90°C), le LdR va circuler dans le radiateur. Vu la température extérieure, celui-ci n'aura aucun mal à ramener la température de sortie à 10°C - cela représente à peu près une amplitude de 80°C entre le bas et le haut du moteur. C'est énorme, et critique pour un moteur qui doit tourner à des températures élevées et encaisser des montées en régime brusques et répétées.
Voilà le point faible des v2v : elles permettent d'abaisser la température de sortie, mais pas de réguler la température de retour au bloc. Les moteurs actuels requièrant une température de fonctionnement homogènes et stabilisée, il a fallu trouver un moyen pour réguler la température autant a l’entrée qu’a la sortie du moteur : les vannes 3 voies sont apparues. - Fonctionnement d'une vanne 3 voies.
La force d'une v3v est d'arriver à réguler la température de retour au bloc en agissant à la manière d'un robinet mélangeur : elle ne se contente pas d'autoriser le passage du LdR vers le radiateur, mais permet le retour d'une certaine partie du LdR vers le bloc par le by-pass sans passer par le radiateur. Elle opère donc un dosage automatique entre radiateur & by-pass pour obtenir une température de retour homogène et constante.- Corps du calorstat, généralement en tôle emboutie.
- Soupape d'étanchéité vers radiateur
- Ressort de rappel
- Élément sensible à la dilatation
- Soupape d'étanchéité vers by-pass.
A froid, lorsque la vanne est fermée coté radiateur la circulation se fait quand même par le by-pass. La pompe à eau n'est pas barrée et donc n'est pas rongée par la cavitation comme dans le cas d'une v2v. De plus, le LdR qui est en circulation tend à homogénéiser la température partout dans le bloc, en attendant d’arriver à température de fonctionnement normal.
Lorsque la température d'entrée arrive au point d’ouverture, le calorstat s'ouvre et ne laisse passer que la quantité de LdR nécessaire a maintenir le moteur a cette température, et regulera sa position d'ouverture de façon à maintenir une température constante : la température de retour est parfaitement régulée.
3/ Questions & réponses.
- Pourquoi est-il important de réguler la température de fonctionnement ?
Sur un moteur à explosion, les parois des cylindres (des chemises) sont parcourues de micro-rainures hélicoïdales. A chaque cycle de combustion, pendant la remontée du piston jusqu'au point mort haut, de l'huile est projetée par l'embiellage sur les parois des cylindres.
Quand le piston redescend, le segment racleur ramène le surplus d'huile vers le carter à l'exception de celle contenue dans les micro-rainures qui lubrifie les segments . Lors de l'explosion, si le moteur est à température de fonctionnement normale, l'huile résiduelle est brûlée dans sa totalité.
Si la température du moteur est insuffisante l'huile ne brûlera pas bien, et petit a petit va se former un dépôt d'imbrûlés qui va obstruer les micro-rainures, empêchant l'huile fraîche d'y prendre place et compromettant progressivement la qualité de la lubrification.
Ce phénomène qui se produit si le moteur tourne trop froid pour cause de calorstat défectueux ou encore si l'on ne tire pas assez sur le moteur, est connu sous le nom de glaçage des cylindres. Il peut conduire au serrage du moteur par manque de lubrification. A titre d'info, on estime qu'un moteur neuf qui tourne stabilisé à 3000 tr/min sans charge, et donc avec des temperatures de combustion trop faibles, a une durée de vie de 200 heures.
Pour ces raisons, il est parfaitement complètement totalement débile de faire fonctionner son moteur sans calorstat - comme le font certains qui craignent que leur moteur chauffe quand ils partent dans des destinations chaudes. - Pourquoi le circuit doit être étanche ?
Deux raisons principales à cela : d'une part pour supporter les montées en pression (voir question suivante), et d'autre part car un circuit qui ne serait pas étanche aurait fatalement des prises d'air, donc un apport en oxygène dans le LdR.
Les chemises des cylindres en acier sont refroidies par contact direct de LdR. Si celui-ci est chargé en oxygène, une réaction chimique s'engendre entre l'acier chaud et les molécules d'oxygène, ces dernières se fixant sur l'acier pour entamer un processus corrosif. Une fois que le traitement de surface de l'acier est entamé, le processus s'accélère à chaque nouvel apport d'oxygène, allant jusqu'à la perforation pure et simple, et donc une destruction au moins partielle du moteur.
Les débris qui résultent de cette réaction tombent au fond du circuit de refroidissement sous forme de boues de couleur rouille. - Pourquoi le circuit de refroidissement doit-il être sous pression ?
Deux raisons principales à cela :
. le LdR, composé en majorité d'eau, entre en ébullition à 100/105° à pression atmosphérique. Certaines parties du moteur dites "chaudes" sont à plus de 150° (culasses, hauts de chemise) quand celui-ci fonctionne. Pour éviter que le LdR ne rentre en ébullition dans les parties chaudes du moteur - et donc qu'il y ait création de bulles d'air corrosives, il faut tenir le LdR a une pression d'environ 1 bar.
. lors de son cheminement dans le radiateur, le bloc, la culasse et autres durites, le LdR subit une perte de charge d'environ 0,8 bar.
La pompe à eau est donc calculée pour pressuriser à hauteur de 1 bar le circuit, de façon à ce que la pression à l'aspiration de la pompe ne soit pas inférieure à la pression atmosphérique car si tel était le cas, le LdR entrerait en ébullition aux environs de 70°C à l'aspiration de la pompe. Si le radiateur ou le vase d'expansion ne tiennent pas la pression imposée par la pompe à eau, la pression à l'aspiration de la pompe sera insuffisante, le LdR va se mettre à bouillir, la pompe va se mettre à caviter... la destruction de la pompe - au minimum - ne se fera pas attendre.
Prenez donc grand soin de votre bouchon de vase d'expansion, et du bouchon de radiateur. Au moindre doute sur son étanchéité, remplacez le. - Pourquoi le refroidissement des moteurs VM montés sur les Range Rover TD pose-t-il problème ?
Le moteur VM provient notamment de l'industrie et de la marine, domaines dans lesquels il a parfaitement montré son étonnante fiabilité. Dans ces applications, les ingénieurs ont tout le loisir d'implanter un radiateur de taille adaptée (rappel, ce n'est pas parcequ'un radiateur est énorme que le moteur sera mieux refroidi, il suffit qu'il soit cohérent par rapport au moteur et au calorstat. Si vous pensiez ca, remontez au chapitre sur la v3v)
Par manque de place, et surtout suite à une mauvaise étude d'implantation du moteur VM dans le Range Rover, le radiateur a été terriblement sous-dimensionné : le radiateur 2.4 VM avec une temperature de LdR de 90°, et d'air ambiant de 35° évacue 52 kW au maximum pour environ 60 kW théoriquement restitués par le moteur. Le calorstat - en température de fonctionnement normal - se trouve donc en permanence entre 70 et 100% d'ouverture. On voit tout de suite qu'il y a comme un problème de cohérence.
Les ingénieurs qui ont implanté le VM dans le Range Rover sont partis du postulat que le moteur ne serait jamais ou très rarement soumis a une charge de 100%. Ils se sont donc contentés de dimentionner le radiateur de façon à ce que le circuit ne monte jamais à plus de 110°C, température à laquelle les joints de culasse lachent. Pour dissiper les 60 kW théoriques du moteur à 35°C ambiants avec un radiateur de Range Rover VM, le liquide de refroidissement monte à 98°C, ce qui laisse une marge de sécurité.
Mais avec l’âge et l'encrassement, les capacités de dissipation thermique du radiateur diminuent dangereusement, et on ne va plus être à 98°C mais à 107 ou 109 ° au niveau des culasses.
Voilà pourquoi les culasses d'un moteur VM dont le circuit de refroidissement est négligé, et dont le propriétaire à le pied lourd finissent par lacher après 120/140000 km de bons services...