La combustion a l’interieur d’un cylindre atteint brievement des temperatures bien superieures a 2000°C — assez chaudes pour faire fondre plusieurs fois l’aluminium ou la fonte qui l’entourent. Un moteur ne survit que parce qu’un circuit de liquide constant et soigneusement gere extrait la chaleur du metal a chaque seconde de fonctionnement, assez vite pour maintenir le bloc et la culasse a une temperature de service stable et sure. Si ce circuit tombe en panne, le resultat n’est pas un probleme progressif : c’est une culasse deformee, un joint de culasse grille, ou un moteur grippe en quelques minutes.
Les chemises d’eau : le liquide circule la ou la chaleur est vraiment
Coulés dans le bloc moteur et la culasse, enveloppant chaque alesage de cylindre et les chambres de combustion au-dessus, se trouvent des passages creux appeles chemises d’eau. Le liquide de refroidissement est pompe a travers ces passages, en contact direct avec le metal le plus chaud du moteur, et evacue la chaleur par simple convection avant de poursuivre son chemin pour etre lui-meme refroidi. Les chemises sont deliberement facconnees de maniere inegale : davantage de debit de liquide est dirige vers les zones autour des soupapes d’echappement et le haut des alesages de cylindre, qui chauffent le plus, que vers les parois inferieures des cylindres, relativement plus froides.
La pompe a eau : generalement entrainee par le moteur lui-meme
Faire circuler le liquide dans ce circuit, en continu, est le role de la pompe a eau — sur la plupart des moteurs a combustion, une simple pompe a roue centrifuge entrainee directement par le moteur via une courroie ou la chaine de distribution, si bien que sa vitesse s’ajuste automatiquement au regime moteur : plus de chaleur generee, plus de debit de liquide, sans aucune electronique impliquee. Cette simplicite mecanique est aussi sa principale faiblesse, raison pour laquelle un nombre croissant de moteurs modernes utilise desormais une pompe a eau electrique a la place, totalement decouplee du regime moteur, pilotee par le calculateur : elle peut continuer a pomper apres l’arret du moteur pour eviter les dommages lies a l’accumulation de chaleur residuelle, tourner a une vitesse precisement calculee plutot qu’a celle imposee par le vilebrequin, et rester totalement a l’arret pendant la montee en temperature pour aider le moteur a atteindre plus vite sa temperature de service.
Le thermostat : une vanne qui maintient deliberement le moteur chaud
De maniere contre-intuitive, le premier role du circuit de refroidissement n’est pas du tout de refroidir le moteur — c’est de l’empecher de refroidir trop, trop tot. Le thermostat est une vanne a cire situee entre le moteur et le radiateur, qui reste completement fermee tant que le moteur est froid, forcant le liquide a recirculer uniquement a l’interieur du moteur lui-meme plutot qu’a travers le radiateur, afin que le moteur atteigne le plus vite possible sa temperature de fonctionnement efficace (generalement 90-105°C). Ce n’est que lorsque le liquide atteint la temperature d’ouverture calibree du thermostat que la vanne commence a laisser le liquide s’ecouler vers le radiateur. Un moteur froid consomme plus de carburant, s’use plus vite et produit plus d’emissions qu’un moteur chaud, raison precise pour laquelle les constructeurs retardent deliberement le refroidissement complet plutot que de le maximiser des la mise du contact.
Le radiateur : se debarrasser definitivement de la chaleur
Une fois le liquide suffisamment chaud pour en avoir besoin, le thermostat le dirige vers le radiateur : un reseau de tubes fins et d’ailettes monte a l’avant de la voiture, concu pour maximiser la surface d’echange afin que l’air qui le traverse — genere par l’avancement de la voiture, par un ventilateur electrique, ou les deux — puisse extraire la chaleur du liquide avant qu’il ne soit repompe dans le moteur pour en absorber davantage. Le ventilateur electrique, contrairement au flux d’air genere simplement par la conduite, est active par le calculateur chaque fois que la temperature du liquide ou la seule vitesse du vehicule ne fournit pas assez de flux d’air — ce qui explique pourquoi c’est le ventilateur, et non le radiateur lui-meme, que l’on entend continuer a tourner une minute ou deux apres avoir gare une voiture chaude et coupe le moteur.
Pourquoi le liquide n’est pas simplement de l’eau
L’eau pure est en realite un mauvais liquide de refroidissement a long terme pour un moteur : elle gele a 0°C, ce qui fissurerait le bloc moteur en hiver, elle bout a 100°C au niveau de la mer, et elle corrode a elle seule les composants en fer et en aluminium du moteur. Le liquide de refroidissement automobile est un melange d’eau et de glycol ethylenique ou propylenique (antigel), generalement dans une proportion d’environ 50/50, qui abaisse le point de congelation bien en dessous de 0°C et, plus important pour un moteur qui fonctionne chaud, releve le point d’ebullition. Ce point d’ebullition est encore releve par le fait que tout le circuit est mis sous pression, generalement autour de 1 a 1,5 bar au-dessus de la pression atmospherique, via un bouchon a ressort : augmenter la pression releve encore le point d’ebullition, permettant au liquide de fonctionner en toute securite au-dessus de 100°C sans se transformer en vapeur et perdre sa capacite a transporter la chaleur. Le melange contient egalement des inhibiteurs de corrosion specifiquement formules pour le mélange d’aluminium, de fer, de durites en caoutchouc et de joints contre lesquels il doit rester pendant des annees sans en attaquer aucun.
Ce qui tombe vraiment en panne, et pourquoi c’est rarement progressif
Une panne du circuit de refroidissement n’est presque jamais un declin lent — une courroie qui glisse, un thermostat bloque ferme, une durite qui fuit ou une pompe a eau defaillante peuvent transformer un moteur qui tourne normalement en moteur en surchauffe en l’espace de deux minutes, car la chaleur generee par la combustion ne s’arrete pas pendant que la panne est diagnostiquee. Le mode de defaillance le plus couteux est le joint de culasse grille : la fine couche d’etancheite entre la culasse et le bloc moteur, situee juste a cote a la fois des chambres de combustion et des chemises de liquide de refroidissement, qui peut ceder sous une surchauffe prolongee et laisser les gaz de combustion penetrer dans le circuit de liquide, ou le liquide penetrer dans les cylindres — les deux cas transformant un probleme de refroidissement en une reconstruction complete du moteur.
Un probleme completement different sur une electrique
Une voiture electrique n’a aucune combustion a 2000°C a gerer, mais elle n’est pas exempte de besoins de refroidissement : la batterie, le moteur electrique et l’electronique de puissance generent tous de la chaleur en charge et, tout aussi important, un pack de batteries lithium-ion vieillit plus vite et peut perdre de l’autonomie utilisable s’il fonctionne trop chaud ou trop froid pendant des periodes prolongees, raison pour laquelle la plupart des voitures electriques disposent d’un circuit de refroidissement (et parfois de chauffage) liquide separe et regule avec precision, dedie exclusivement au pack de batteries, entierement independant de la climatisation de l’habitacle — un probleme d’ingenierie veritablement different de celui decrit plus haut, concu pour proteger la chimie de la batterie plutot que pour proteger le metal de la chaleur de combustion.
Photo : © Car-Shooters