← Tous les articles

Moteur

Le refroidissement : un moteur de moto dans un châssis qui ne roule pas comme une moto

Le circuit a été dimensionné pour un radiateur dégagé, balayé d'air propre à cent vingt de moyenne. Dans un kart-cross, chacun de ces termes est cassé en même temps — et le circuit, lui, n'a pas changé.

Le circuit de refroidissement d'un moteur de moto a été dimensionné autour d'une hypothèse très précise : un radiateur placé à l'avant, dégagé, balayé par de l'air propre à cent vingt kilomètres-heure de moyenne, avec rien devant lui.

Monté dans un kart-cross, ce même moteur se retrouve derrière une carrosserie, dans un flux d'air que des panneaux détournent, sur une piste qui lui envoie de la terre, et à une vitesse moyenne qui ne dépasse souvent pas la moitié de celle d'une moto. Chacun des termes de l'hypothèse est cassé en même temps, et le circuit, lui, n'a pas changé.

C'est pour ça que le refroidissement est le premier problème de fiabilité sur ces machines — et c'est aussi le plus simple à traiter, parce qu'il relève de la tôlerie bien plus que de la mécanique.

01La chaleur à évacuer est du même ordre que la puissance

Un moteur à allumage commandé transforme à peu près un tiers de l'énergie du carburant en travail sur l'arbre. Le reste part en chaleur, grossièrement moitié dans l'échappement, moitié dans le circuit de refroidissement.

D'où un ordre de grandeur qui surprend toujours : la puissance thermique que le radiateur doit évacuer est comparable à la puissance mécanique que le moteur délivre. Un moteur qui donne cinquante kilowatts en moyenne demande d'en évacuer autant.

Une nuance décisive, et c'est elle qui sauve l'installation : ce qui compte n'est pas la puissance maximale mais la puissance moyenne sur un tour. Sur un tracé de terre, le plein gaz n'occupe qu'une fraction du temps. C'est cette moyenne qui chauffe, pas le pic — et c'est pourquoi un radiateur manifestement trop petit sur le papier peut suffire, tant que le reste de l'installation ne gaspille rien.

02Ce qui limite n'est pas l'eau, c'est l'air

Le radiateur transfère la chaleur de l'eau vers l'air. Le côté eau est rarement limitant : une pompe fait circuler largement ce qu'il faut. Le côté air, lui, est toujours le goulot.

La chaleur qu'un flux d'air peut emporter s'écrit simplement :

Q = ṁair × cp × ΔTair     avec     ṁair = ρ × A × v × η Q : puissance thermique évacuée. ṁ : débit massique d'air traversant le faisceau. cp : capacité thermique de l'air, environ 1005 J/(kg·K). ΔTair : échauffement de l'air en traversant le radiateur. ρ : masse volumique de l'air, environ 1,15 kg/m³ à température de piste. A : surface frontale du faisceau. v : vitesse de la machine. η : fraction de l'air qui traverse réellement le faisceau au lieu de le contourner.

Quatre des cinq grandeurs sont imposées : l'air est ce qu'il est, le faisceau fait la taille qu'il fait, et la vitesse est celle du tracé. La seule sur laquelle on a prise sans rien acheter est η — et c'est aussi celle qui varie le plus d'une installation à l'autre.

03Les quatre pertes, en cascade

Entre l'air qui arrive sur la machine et celui qui emporte effectivement de la chaleur, quatre prélèvements s'enchaînent.

Cascade des pertes entre l'air rencontré par la machine et l'air qui refroidit réellement. La vitesse réduite diminue le débit disponible, une partie de l'air contourne le faisceau au lieu de le traverser, une partie est déjà réchauffée par recirculation, et l'encrassement obture une partie de la surface frontale. 100 %Air rencontréà la vitesse de la machine55 %− contournementpasse autour du faisceau47 %− recirculationair déjà réchauffé repris36 %− encrassementsurface frontale obturéepourcentages donnés à titre d'exemple : seul l'enchaînement des pertes est général
Les pertes se multiplient au lieu de s'additionner : chacune s'applique à ce que la précédente a laissé. C'est pourquoi corriger la plus grosse — presque toujours le contournement — rapporte beaucoup plus que d'agrandir le radiateur.

Dans l'ordre où elles se présentent :

04L'écopage : l'air doit être obligé

Un faisceau de radiateur oppose une résistance au passage. L'air, lui, ne cherche pas à refroidir le moteur : il cherche la sortie la moins résistante. Si le pourtour du radiateur est libre, cette sortie est tout autour — et le faisceau ne voit presque rien passer.

Deux installations identiques en radiateur. Sans écopage, le pourtour est ouvert et la plupart des filets d'air contournent le faisceau. Avec une écope qui ferme le pourtour et une sortie dégagée à l'arrière, les mêmes filets sont contraints de traverser le faisceau. Pourtour ouvertfaisceaul'air contourne : le faisceau ne travaille qu'au centrePourtour ferméfaisceauécope fermée sur le pourtoursortie dégagéel'air est contraint de traverser sur toute la surface
Le radiateur est le même dans les deux cas. Ce qui change est la tôlerie autour, et elle décide de la fraction d'air qui traverse — le seul terme de l'équation sur lequel on ait prise sans rien acheter.

Deux règles en découlent, et la seconde est régulièrement oubliée :

05Dimensionner, ou au moins vérifier l'ordre de grandeur

Bilan thermique approché

Calcul d'ordre de grandeur, à hypothèses grossières assumées. La part de temps à pleine charge s'estime à l'oreille sur un tour. La fraction d'air traversant est le paramètre décisif et le plus incertain : une installation sans écopage tourne couramment autour de 35 %, une installation soignée dépasse 70 %. L'échauffement de l'air est borné par l'écart entre la température d'eau et l'air ambiant.

À évacuer —

Capacité du radiateur —

Marge —

Fais varier la seule fraction d'air traversant, en laissant tout le reste identique. C'est la démonstration la plus parlante de l'article : la même installation passe de confortable à déficitaire sans qu'on ait touché ni au moteur, ni au radiateur, ni au tracé.

06Le ventilateur ne remplace pas la vitesse

Un ventilateur déplace un débit à peu près fixe, indépendant de la vitesse de la machine. Comparé au débit qu'engendre le déplacement en piste, c'est peu — et c'est pour cette raison qu'il ne corrige jamais un défaut d'écopage.

Son utilité réelle est ailleurs : à l'arrêt. Au parc fermé, en file d'attente avant le départ, moteur tournant après l'arrivée — autant de moments où le débit d'air est nul et où la température grimpe sans que rien ne la freine. Sur un format sprint, c'est souvent là que se joue la casse, pas pendant la manche.

07L'encrassement, le problème propre à la terre

C'est la perte qui distingue le plus nettement la terre de l'asphalte, et la seule qui s'aggrave au fil de la journée.

Un faisceau s'obture par l'avant, et la surface frontale perdue l'est pour de bon jusqu'au nettoyage. Deux dispositions limitent les dégâts :

08Lire la température pour trouver la cause

La façon dont la température évolue désigne assez précisément le poste en cause. C'est le diagnostic le plus utile de l'article, et il ne demande qu'un relevé attentif.

Ce qu'on observeCe que cela désigneDirection à explorer
Monte dans les portions lentes, redescend en ligne droite Le débit d'air manque dès que la vitesse tombe Écopage, surface frontale, ventilateur pour les phases lentes
Haute en permanence, dès le début de la manche Capacité insuffisante ou circulation d'eau en défaut Pompe, thermostat, purge d'air, taille du faisceau
Correcte au début, monte manche après manche Encrassement progressif du faisceau Grille de protection, accès de nettoyage
Grimpe surtout à l'arrêt, après l'arrivée Aucun débit d'air à vitesse nulle Ventilateur et son déclenchement
Monte malgré une écope soignée L'air chaud ne s'échappe pas et revient devant Sortie d'air à l'arrière du faisceau, recirculation

09Ce qu'il faut retenir

Note sur les valeurs

Aucune taille de radiateur, aucune température de fonctionnement et aucune configuration ne sont recommandées ici : elles dépendent du moteur, de la catégorie, de la carrosserie et du tracé. Les valeurs pré-remplies dans le calcul sont arbitraires et servent à montrer les ordres de grandeur ainsi que le poids relatif de chaque paramètre.

Le bilan thermique repose sur des hypothèses volontairement grossières : répartition de l'énergie du carburant par tiers, masse volumique de l'air prise à 1,15 kg/m³, capacité thermique à 1005 J/(kg·K), et échauffement de l'air supposé uniforme sur toute la surface du faisceau. Un calcul d'échangeur réel fait intervenir l'efficacité du faisceau, la température d'entrée d'eau et le débit d'eau, qui ne sont pas modélisés ici. Les résultats sont des ordres de grandeur destinés à comparer deux configurations entre elles, pas à valider une installation.