Pourquoi le moteur refroidi par air est-il mort ? La victoire du refroidissement liquide

Le moteur automobile à refroidissement par air est une architecture qui évacue la chaleur en soufflant directement de l'air sur les ailettes de refroidissement métalliques situées au-dessus des cylindres, sans radiateur ni pompe, et qui a aujourd'hui presque totalement disparu des voitures produites en série. La cause de sa disparition n'est pas un manque de simplicité, mais bien plutôt le prix de cette simplicité : un bloc qui reste froid longtemps au démarrage à froid, des émissions incontrôlables, des points chauds ingérables et des normes de bruit impossibles à respecter.

Comment fonctionne le refroidissement par air et pourquoi était-il si simple ?

Dans un moteur à refroidissement par air, ce que nous appelons le système de refroidissement se compose en réalité des ailettes à la surface des cylindres et d'un ventilateur. Il n'y a ici ni radiateur, ni vase d'expansion, ni durites, ni pompe à eau, dont le pendant à refroidissement liquide a besoin. La chaleur passe directement à l'air par la surface élargie des ailettes. Du point de vue de l'ingénierie, cela signifie moins de pièces, moins de poids, moins d'entretien : pas de fuite de liquide de refroidissement, pas de panne de pompe, aucun risque de gel.

Mais lorsqu'on examine le bilan énergétique, le tableau devient clair. Environ 44 % de l'énergie contenue dans le carburant s'échappe déjà par l'échappement et 8 % part dans l'huile. Dans un moteur à refroidissement par air, seule environ 12 % de la chaleur restante peut s'évacuer par les ailettes métalliques. La capacité du système à évacuer la chaleur est donc structurellement limitée et le moteur doit fonctionner dans une plage de températures bien plus large qu'une conception à refroidissement liquide. Cette large plage signifie des tolérances plus souples, un abaissement du seuil de cliquetis (combustion avant l'allumage) et, surtout dans les climats chauds, une gestion thermique plus difficile.

Elle a pourtant un avantage, et il est considérable : la facilité d'entretien. Dans un compartiment moteur exigu, intervenir sur le système de refroidissement ou remplacer des pièces est généralement moins cher et plus simple avec une conception à air. C'est pourquoi le secteur aéronautique ne l'a jamais abandonnée ; les moteurs Lycoming et Continental des avions d'aviation générale utilisent toujours cette architecture.

De Benz à Franklin : le premier siècle du moteur à air

L'histoire du refroidissement par air est presque aussi vieille que celle de l'automobile. Le premier moteur à refroidissement par air réussi fut développé à la fin des années 1800 par l'ingénieur allemand Karl Benz, et l'idée mûrit dans les années 1920-1930. Du côté américain, l'histoire s'écrit avec Franklin. Le projet, commencé avec le véhicule expérimental de John Wilkinson en 1901, sans radiateur ni pompe à eau, entra en production en 1902 à Syracuse, dans l'État de New York, et Franklin devint le constructeur automobile à refroidissement par air le plus performant d'Amérique.

Franklin n'a pas seulement produit ; il a aussi prouvé. En 1904, une Franklin parcourut la ligne San Francisco–New York en 32 jours 23 heures 20 minutes ; le record précédent était de 61 jours. En 1905, la marque présenta l'une des premières automobiles à six cylindres et accomplit le même trajet en 15 jours . Il faut aussi préciser : ces récits de records de la première époque proviennent non pas d'archives primaires mais de sources muséales et mémorielles, de sorte que leur précision historique est limitée.

Chaque tentative ne fut pas couronnée de succès. Entre 1921 et 1923, Chevrolet tenta de porter le refroidissement par air à la production de série avec la Series M Copper-Cooled mais recula face aux problèmes d'ingénierie ; très peu d'exemplaires purent être produits et le projet fut considéré comme un échec.

Aviation et Coccinelle : l'âge d'or du refroidissement par air

La victoire dans le ciel, la première ombre dans le ciel

Le domaine où le refroidissement par air gagna véritablement en prestige fut l'aviation. En 1921, la Marine américaine encouragea, en raison de sa simplicité, le développement des moteurs refroidis par air chez Pratt & Whitney et Wright Aeronautical. La NACA cowl, introduite en 1929 (un capot aérodynamique enveloppant les cylindres), résolut en grande partie le problème de la gestion du flux d'air des moteurs à refroidissement par air. Mais durant la même décennie, le camp adverse progressait aussi : l'eau sous pression, puis à partir de 1929 l'éthylène glycol - une solution réduisant la taille du radiateur de 50 % - ouvrit la voie à des géants refroidis par liquide aux hautes performances comme le Rolls-Royce Merlin et le Daimler-Benz DB601.

Le cœur de la voiture du peuple

Côté automobile, le plus grand succès du refroidissement par air survint à l'ère d'après-guerre des économies compactes. Le moteur flat-4 conçu par Ferdinand Porsche pour sa "voiture du peuple" devint, à partir de 1938, le cœur de la VW Beetle, puis de la Type 2, de la Karmann Ghia et de la Type 3 ; il fut produit dans diverses cylindrées jusqu'en 2013. Dans l'Europe d'après-guerre, Tatra, Fiat et Citroën suivirent le même chemin. La Citroën 2CV (1948–1990) simplifia encore le système en reliant directement le ventilateur au vilebrequin. La Trabant (1957–1991), la ZAZ Zaporozhets (1958–1994), la Fiat 126 (1972–1987) et les Citroën GS/GSA sont d'autres exemples de cette génération.

Chevrolet Corvair : l'expérience américaine du refroidissement par air

Parmi les grands constructeurs américains de l'après-guerre, Chevrolet fut la seule marque à tenter un moteur refroidi par air en production de série. Le moteur Corvair, flat-6 fabriqué entre 1960 et 1969, est considéré comme une réussite sur le plan de l'ingénierie ; ce fut même l'un des moteurs de Chevrolet dont le coût de développement fut le plus élevé. Mais son moteur placé à l'arrière du véhicule devint la cible des campagnes de sécurité des consommateurs et des critiques adressées à l'architecture à moteur arrière. Résultat : après la Corvair, tous les moteurs de General Motors furent refroidis par liquide. Cette séparation fut le premier signe de la fermeture du grand bastion du refroidissement par air.

Porsche 911 : 35 ans de résistance du refroidissement par air

Le survivant le plus fidèle du refroidissement par air fut sans aucun doute Porsche. Conçu par Hans Mezger et Paul Hensler, le flat-6 entra en service en 1964 dans la première Porsche 911 et Pendant 35 ans refroidi par grands ventilateurs et ailettes de cylindre. Cette durée fut peut-être la plus longue continuité de l'architecture fondamentale d'une voiture de sport.

Mais dans les années 1990, l'équilibre a changé. Les normes d'émissions et de bruit se sont durcies ; comme la configuration à moteur arrière regroupait deux grandes sources de bruit au même endroit, la réglementation a rendu le refroidissement par air pratiquement impossible. En 1997, Porsche a fait passer la 911 au refroidissement par eau ; la génération 993 fut la dernière 911 refroidie par air. Le dernier modèle refroidi par air fut livré le 30 mars 1998. livré.

Cette transition a ouvert un débat qui perdure encore aujourd'hui parmi les fidèles de la marque. Les passionnés considèrent les moteurs d'avant la 993 comme iconiques, soutiennent que le moteur à air chauffe plus vite et offre une sensation plus mécanique ; ils considèrent la période postérieure à la 996 refroidie par eau comme une époque à part. Sur le plan technique, il était clairement évident que le véritable avantage résidait dans la simplicité et le nombre réduit de pièces, et que cette architecture ne s'accordait plus avec les objectifs modernes d'émissions et de performance.

Trois raisons techniques qui ont tué le moteur refroidi par air

Les émissions et le problème du démarrage à froid

C'était la raison la plus déterminante. Dans un moteur refroidi par liquide, le thermostat détourne le radiateur pour permettre au moteur d'atteindre rapidement sa température de fonctionnement. Dans un moteur refroidi par air, le système de refroidissement est toujours ouvert ; au démarrage à froid, le moteur reste froid longtemps et émet plus de polluants issus d'une combustion partielle. Or la majorité des émissions d'échappement restantes se produit précisément au moment du démarrage à froid. Ce mécanisme est la principale justification technique du passage au refroidissement par liquide, tant chez Porsche que, dans une moindre mesure, chez VW. Le refroidissement par air ne pouvait pas gérer les températures de combustion élevées exigées par les normes d'émissions.

Points chauds et limite de cliquetis

Le deuxième problème est local : la zone de la soupape d'échappement et du port d'échappement accumule une chaleur intense que la surface des ailettes ne peut pas évacuer. Le refroidissement par liquide, en dirigeant directement le liquide vers ces points chauds, offre un design bien plus efficace. La conséquence naturelle en est le taux de compression : les designs refroidis par liquide sont moins sensibles à la qualité du carburant et plus tolérants aux taux de compression élevés et à la suralimentation. C'est la raison physique pour laquelle la révolution du turbo a fermé la porte aux moteurs refroidis par air.

La réglementation sur le bruit

La troisième raison est invisible : la chemise d'eau est en soi un amortisseur acoustique. Le moteur refroidi par liquide est donc naturellement plus silencieux et se conforme facilement aux normes de nombreux pays couvrant également le bruit moteur. Le moteur à air, avec le bruit du ventilateur et la résonance métallique des ailettes, n'avait plus aucune chance de franchir ce seuil.

Le refroidissement par air est-il vraiment mort ?

Oui pour les voitures ; non pour l'ingénierie. Dans les moteurs d'aviation à pistons, la légèreté et la simplicité priment sur les objectifs de performance et d'émissions, c'est pourquoi les moteurs Continental et Lycoming restent refroidis par air ; Rotax, quant à lui, propose une solution hybride combinant cylindre refroidi par air et culasse refroidie par liquide. Dernier résistant sur terre, Tatra produit toujours son camion T815 refroidi par air. Ainsi, l'architecture n'est pas morte ; elle s'est retirée de l'automobile routière lorsque les exigences qui la rendaient superflue - contrôle précis de la chaleur, faibles émissions, silence - ont commencé à y régner. Le refroidissement par air, dans sa forme la plus pure de simplicité, ne perdure que dans les domaines où ces exigences restent relâchées.

Sources

• Moteur à refroidissement par air - Wikipédia
• Pourquoi la Porsche 911 est passée au moteur à refroidissement par eau - Porsche
• Le style rétro : tout sur les moteurs à refroidissement par air - State of Speed
• Refroidissement par air : rester simple - Audrain Auto Museum
• Les premières voitures à refroidissement par air : l'histoire des automobiles Franklin et Holmes - Tampa Bay Automobile Museum
• La fin d'une époque : les derniers moteurs de voiture à refroidissement par air - Auto Universum
• Quand Porsche a-t-elle construit sa dernière voiture à refroidissement par air ? (30 mars 1998) - Histoire automobile
• Comment fonctionnent les moteurs à refroidissement par air, et pourquoi cela n'a plus d'importance - CNET
• Pourquoi les moteurs à refroidissement par air ne se trouvent plus dans la plupart des voitures - Capital One
• La compacte insolite : la vie et la mort de la Chevrolet Corvair - Ate Up With Motor