Article technique n°2 – Le paradoxe du refroidissement du moteur diesel HUMVEE

Les systèmes de refroidissement des moteurs ont suivi une voie de développement parallèle depuis le développement des tout premiers moteurs à combustion interne. Depuis le premier en 1794 avec le moteur à combustion interne à essence de Robers Street et plus particulièrement jusqu'à cette discussion plus tard en 1926 avec le moteur à allumage par compression à charge comprimée de Rudolf Diesel (image ci-dessous), communément nommé d'après son inventeur comme moteur diesel, le refroidissement a été primordial. Les deux principaux types de refroidissement étaient à base de liquide et à base d'air/huile. Les moteurs refroidis par liquide étaient l'évolution logique des moteurs purement refroidis par air qui ont atteint leur apogée à la fin des années 90 avec Porsche, le dernier véritable modèle de technologie refroidie par air. Le liquide était capable de refroidir de manière plus cohérente et avec une ingénierie moins compliquée que celle requise avec la technologie de refroidissement par air. Cependant, la relative facilité d'utilisation du refroidissement liquide a conduit à des raccourcis pour des raisons d'emballage et de réduction des coûts. Il a été demandé aux ingénieurs de simplifier les systèmes de refroidissement et leur conception afin qu'une même famille de moteurs puisse être adaptée plus rapidement et plus facilement à plusieurs plates-formes. Le résultat final était, et est, une configuration courante parmi la plupart des moteurs refroidis par liquide, où le liquide de refroidissement est introduit dans le bloc moteur inférieur à l'avant et retiré à nouveau au sommet avant des culasses.

Pour comprendre le processus de fonctionnement du refroidissement liquide, nous devons comprendre la dynamique impliquée. Au fur et à mesure que le liquide de refroidissement traverse le moteur, sa température augmente grâce à un processus appelé conduction ou diffusion thermique (image ci-dessous), par lequel le moteur et le liquide de refroidissement tentent d'atteindre un point d'équilibre thermique. En d’autres termes, ils veulent avoir la même température statique. Si vous laissez un verre d’eau dehors assez longtemps, il se réchauffera à la température de l’air autour du verre. Étant donné qu'un moteur en marche perd une partie de son énergie de combustion sous forme de chaleur (dans une moindre mesure, de la chaleur est également ajoutée par friction) conduite dans le bloc, il dispose d'une source de chaleur externe au liquide de refroidissement qui ajoute de la chaleur. Le liquide de refroidissement dispose également d'une source de refroidissement externe au moteur lorsqu'il traverse le radiateur et conduit sa chaleur dans l'atmosphère. Ce processus de conduction thermique est censé maintenir votre moteur dans une plage de température de fonctionnement étroitement contrôlée. Des dispositifs supplémentaires dans le système régulent la quantité de refroidissement ayant lieu au cours de ce processus.

L'un des dispositifs les plus importants d'un système de refroidissement moteur est le thermostat, commun à presque tous les systèmes de refroidissement liquide. Les thermostats automobiles sont généralement des éléments thermostatiques en cire (image ci-dessous) qui, comme leur nom l'indique, fonctionnent en fondant et en se solidifiant à l'intérieur d'un élément qui, lorsqu'il atteint une température conçue, se dilate et se contracte en actionnant une vanne pour permettre à plus ou moins de liquide de refroidissement de s'écouler. Étant donné que les thermostats limitent le débit du liquide de refroidissement, plus la température est élevée, plus ils s'ouvrent jusqu'à la position d'ouverture complète. Au cours de ce processus, ils régulent le débit de fermé à ouvert. Une dynamique importante, et souvent négligée, est le temps de saturation conductrice. Depuis que nous avons commencé à modifier les voitures, les coureurs ont supposé que la suppression des thermostats améliorerait le refroidissement et supprimerait une pièce potentielle supplémentaire susceptible de tomber en panne, provoquant un DNF de course (qui n'a pas terminé). Cependant, en fonction de la dynamique complexe des flux dans chaque système, cela peut en fait réduire l'efficacité du refroidissement. En retirant le thermostat, plus de liquide de refroidissement s'écoulera en raison de la réduction de la restriction de passage à travers le thermostat. Cette augmentation du débit semble bonne, mais elle augmente également la vitesse du liquide de refroidissement et, en tant que tel, le liquide de refroidissement passe moins de temps dans le radiateur. Moins de temps passé dans le radiateur signifie que le liquide de refroidissement ne peut transmettre qu'une quantité limitée de chaleur à l'air extérieur avant de retourner à l'entrée du liquide de refroidissement du moteur avec une réduction limitée de la température. Les pilotes surchauffaient et ont depuis introduit des restricteurs qui s'insèrent dans l'emplacement du thermostat et sont disponibles en différentes dimensions pour régler le temps de saturation du liquide de refroidissement dans le radiateur afin d'obtenir un équilibre entre un débit et une conduction thermique améliorés.

Un autre dispositif important dans le système de refroidissement d’un moteur est le ventilateur de refroidissement. Presque tous les véhicules routiers sont équipés d'une sorte de ventilateur pour faciliter la conduction de la chaleur du liquide de refroidissement du radiateur vers l'air extérieur. Ceux-ci sont là pour compléter le flux d'air normal pendant le fonctionnement du véhicule lorsque le flux d'air passif est insuffisant pour refroidir correctement le liquide de refroidissement (charges élevées à basse vitesse, ou dans le cas du HUMVEE également une mauvaise conception du flux d'air du radiateur). Les ventilateurs peuvent être mécaniques, pneumatiques ou électroniques et peuvent être actionnés via de nombreuses conceptions d'embrayage différentes. La plupart sont des embrayages mécaniques, qui, comme un thermostat, régulent, dans ce cas, d'une roue libre à un blocage à pleine vitesse (tournant au régime moteur plus ou moins le rapport de poulie). Contrairement à un thermostat cependant, l'utilisation d'un visco-accouplement avec une bande bimétallique permet de réguler depuis un état de roue libre jusqu'à un état verrouillé « pleine vitesse ». Les ventilateurs électroniques sont contrôlés par des capteurs de température électroniques et un contrôleur de ventilateur qui allume et éteint électroniquement le(s) ventilateur(s) et, dans certains exemples plus modernes, peut même contrôler la vitesse à laquelle les ventilateurs fonctionnent (technologie de modulation de largeur d'impulsion ou PWM). De nombreux véhicules utilisent une combinaison de ventilateurs mécaniques et électroniques. Dans le cas du HUMVEE, son système utilise un capteur de température électronique et une commande électronique pour actionner une vanne hydraulique (vanne Cadillac) qui engage ou libère un ventilateur hydromécanique (le ventilateur HUMVEE déplace une immense quantité d'air mais nécessite également d'importantes énergie du moteur pour fonctionner). L’image ci-dessous montre une surchauffe du HMMWV en Afghanistan.

La plage de température de fonctionnement idéale pour un moteur diesel est bien plus étroite et plus critique que celle d’un moteur à essence. Les diesels utilisent la chaleur dans le cadre de l'équation d'allumage avec la compression et l'air. Les moteurs diesel ont en fait deux événements d'allumage : une période de retard d'allumage ou événement de pré-allumage (à ne pas confondre avec le pré-allumage ou la détonation indésirable du moteur à essence) et un événement d'allumage/combustion rapide. La période de retard d'allumage est « l'étincelle » qui enflamme le reste du processus de combustion. Pour que la période de retard atteigne son point de combustion, le carburant et l'air doivent avoir une température et une pression (compression) suffisantes pour démarrer un processus de combustion en cascade lors de l'événement d'allumage/combustion rapide qui s'ensuit. Contrairement aux conventions, plus froid n’est PAS meilleur. La chaleur est bonne dans un moteur diesel et sans elle, on ne peut jamais obtenir une puissance et une énergie maximales à partir du carburant qui y est injecté. Cependant, avec toutes les bonnes choses, la modération est de mise. Si un moteur diesel tourne trop chaud, en dehors de la plage de fonctionnement idéale, il perd à nouveau son efficacité/puissance et, dans la plupart des cas, perd en fiabilité. Si trop de chaleur est introduite dans la chambre de combustion, le délai d'allumage peut s'enflammer trop tôt. Comme pour un moteur à essence, vous ne voulez pas que l'expansion rapide d'un événement de combustion brûlant avec ses pressions et températures élevées rencontre trop tôt un piston se déplaçant rapidement alors qu'il est encore en train de monter dans la course de compression. Le piston et la combustion en expansion se rencontrant de cette façon se terminent souvent par des pistons défectueux (exemple d'image d'un piston et d'un cylindre n°8 défectueux ci-dessous), des segments de piston, des bielles, des vilebrequins, des joints de culasse, des culasses et du bloc (exemple d'image Web du roulement principal de bloc fissuré ci-dessous). ) et les cylindres également. De plus, une chaleur excessive peut faire perdre à l’huile lubrifiante sa viscosité et sa capacité à empêcher les ensembles rotatifs d’entrer en contact les uns avec les autres. Trop de chaleur dilate les métaux au-delà de leurs tolérances conçues, ce qui entraîne une friction supplémentaire (ajoutant encore plus de chaleur) et une éventuelle défaillance.

En regardant maintenant spécifiquement les petits moteurs V8 développés par Detroit Diesel, puis Chevy/GMC et plus encore, les petits moteurs V8 de marque GEP (AM General) dans les configurations civiles et militaires, nous voyons le même emballage de système de refroidissement commun. Cela est vrai avec toutes les variantes, y compris 6.2 et 6.5, ainsi qu'en versions turbo ou atmosphérique. Le liquide de refroidissement poussé ou tiré (les deux sont vrais étant un système en boucle fermée) par une pompe à eau pénètre dans le bloc avant inférieur. Le liquide de refroidissement passe d'abord à travers les chemises de refroidissement autour des cylindres pour les refroidir, puis remonte dans la ou les culasses avant d'être renvoyé à l'avant du moteur. Cependant, pour vraiment comprendre ce modèle de flux, il faut une représentation visuelle comme indiqué ci-dessous. Ce qu'il faut comprendre, c'est que le liquide de refroidissement ne passe pas complètement de l'avant du bloc à l'arrière du bloc, puis remonte jusqu'aux têtes et ressort par l'avant. Le liquide de refroidissement passe en fait à l'avant du bloc, mais peut immédiatement passer verticalement dans les culasses, juste à l'avant du moteur. Étant donné que le flux sort par l'avant des têtes, le chemin de moindre résistance est la distance la plus courte, donc la majorité du liquide de refroidissement entre par l'avant du bloc et tourne verticalement vers l'avant des têtes et retourne vers le radiateur. Cette facilité de reflux vers l'avant des culasses fait que la plupart des cylindres en avant fonctionnent le plus frais. Par la suite, avec leur débit de refroidissement réduit à l'arrière du bloc et des culasses, les cylindres les plus en arrière chauffent le plus.

Ce phénomène de cylindres avant trop refroidis et de cylindres arrière surchauffés est courant parmi la plupart des moteurs dotés de cette configuration de refroidissement entrée/sortie avant, certains étant plus sensibles que d'autres. Ce n'est que maintenant que certains des moteurs de « nouvelle génération » les plus récents, avec l'aide d'une modélisation informatique moderne, limitent désormais le débit à l'avant du bloc en modifiant le moulage des orifices de refroidissement pour faciliter le débit à l'arrière du bloc, réduisant ainsi l'insuffisance. le liquide de refroidissement y coule. Les moteurs plus anciens comme les petits V8 de Detroit Diesel ne disposent pas d'une telle ingénierie supplémentaire pour équilibrer le refroidissement à travers le bloc et les culasses. Afin de vivre avec le déséquilibre créé, les fabricants ajustent le système de refroidissement (température et restriction du thermostat, taille du radiateur, taille du ou des ventilateurs et température de fonctionnement, pompe à eau, etc.) à une meilleure moyenne globale là où la superficie du bloc central est l'idéal théorique et le sous-refroidissement inhérent de l'arrière et le surrefroidissement de l'avant sont un compromis accepté. Malheureusement, dans le cas des 6,2/6,5, ce déséquilibre était particulièrement grave. Les cylindres les plus en arrière chauffent si fort que des imperfections mineures dans la conception originale des premiers moteurs, le bloc 6.2 et le 6.5, se sont transformées en pannes catastrophiques des cylindres, culasses fissurées, joints de culasse et roulements de bielle grillés, pannes de manivelle et chapeaux de palier principaux fissurés. et zone de bloc. Dans le but de réduire ces pannes, chaque refonte ultérieure du moteur a ajouté un renforcement, des taux de compression réduits et même des jeux entre pistons et cylindres élargis uniquement dans les cylindres les plus en arrière pour s'adapter à la dilatation excessive due à la chaleur. La perte de puissance et d'efficacité ressentie dans la plupart des cylindres avant en raison d'un refroidissement excessif n'est souvent pas abordée. Étant donné que les températures de fonctionnement idéales ne sont jamais atteintes, une fumée excessive et une combustion inefficace se produisent dans ces cylindres. Bien que cela ne soit pas aussi notable qu'une défaillance catastrophique de l'assemblage, une réduction du MPG, du HP et des émissions de particules plus élevées sont des effets secondaires indésirables d'un refroidissement excessif.

La plupart des moteurs aspirent du liquide de refroidissement pour alimenter le radiateur de chauffage depuis l'arrière du moteur afin d'y puiser le liquide de refroidissement surchauffé. L’avantage évident est une augmentation plus rapide de la température de l’habitacle et une production thermique globale plus élevée. L'avantage supplémentaire est la réduction des températures dans les cylindres arrière pendant l'utilisation du noyau chauffant, car il évacue la chaleur là où il y avait autrefois peu de flux. Bien entendu, pendant les mois d’été, un tel avantage ne serait pas disponible. Dans le HUMVEE cependant, le chauffage est alimenté par l'avant du bloc et non par l'arrière. Cela fait que les radiateurs mettent plus de temps que nécessaire à chauffer et à abaisser la température globale.

Voilà donc le paradoxe : comment remédier à un défaut inhérent à l’ingénierie sans une refonte complète du moteur ? La solution est utilisée dans l'industrie du sport automobile depuis des décennies, une idée originale des premiers ingénieurs qui ajustaient les moteurs de course pour obtenir une puissance maximale. Ces ingénieurs ont découvert qu'ils devaient régler des mélanges pauvres et au bord de la détonation pour tirer le meilleur parti de leurs centrales électriques. Plus ils se rapprochaient de la puissance maximale, plus ils commençaient à constater des pannes à l’arrière des moteurs. Ils se sont rendu compte que les arrières étaient trop chauds pour fonctionner avec les mélanges pauvres auxquels le reste des cylindres pouvait fonctionner en toute sécurité. Après des années de tests et de réglages, ils ont commencé à alimenter le liquide de refroidissement à travers des collecteurs dotés de restricteurs de taille variable pour alimenter séparément chaque section du moteur de course spécialement conçu afin d'équilibrer les besoins de refroidissement à travers le bloc et d'atteindre un équilibre permettant à chaque cylindre de fonctionner de manière idéale. écart de température. Bien qu’il s’agisse d’une solution complexe et coûteuse, elle a fonctionné. Cependant, cette solution n'était pas possible dans toutes les formes de sport automobile où des classes restreintes comme NASCAR et Grand Touring devaient conserver le bloc produit en usine. Les premiers grands comme Smokey Yunick (image ci-dessous) et Bill Jenkins, deux ingénieurs notables à cette époque, ont commencé à alimenter ou à aspirer du liquide de refroidissement de l'extérieur vers/depuis l'arrière du bloc pour équilibrer les températures. Tous deux discutent de leurs découvertes dans leurs livres respectifs, mais pour résumer, ils ont réussi.

Entrez dans Paradox by Design. Notre expérience est également dans l'industrie du sport automobile où nous avons également utilisé ce « correctif » pour faire fonctionner les blocs moteurs d'usine à une puissance jusqu'à 4 fois supérieure à la puissance d'origine en HP et TQ et ce, pour des courses d'endurance de 24 heures. Même si le HUMVEE est à peu près aussi loin que l'on puisse obtenir d'une voiture de course d'endurance valant plusieurs millions de dollars, nous sommes toujours des ingénieurs et nous ne restons pas souvent les bras croisés lorsqu'une solution est disponible pour résoudre un problème d'ingénierie. Oui, nous sommes du genre à posséder des tondeuses à gazon modifiées et il y a peu de stock dans la maison. Ainsi, lorsque nous avons pris goût au HUMVEE en 2009, nous avons également commencé à travailler sur les moyens de les améliorer là où nous le pouvions. Une grande partie de ce que nous avons réalisé n’est pas disponible à la vente et ne le sera peut-être jamais. Nous n'avons pas commencé notre travail sur les HUMVEE en tant qu'entreprise commerciale mais en tant que passionnés, ce qui reste notre priorité. Cependant, nous avons commencé à aider nos amis tout-terrain locaux avec les problèmes qui survenaient et, lorsqu'ils ont vu ce que nous faisions, ils voulaient la même chose pour leurs camions. Ainsi est né Paradox by Design. Nous ne sommes pas un grand magasin et c'est peut-être pour cela que nous sommes capables de faire ce que nous faisons. Les frais généraux sont faibles et nous suivons un mantra simple : si nous le faisons pour nous, offrons-le également aux autres. Ainsi, après avoir constaté que les cylindres arrière étaient 40 à 50 degrés plus chauds que l'avant, nous avons commencé à rechercher des solutions pour résoudre le problème. Nous avons d’abord cherché des exemples déjà présents sur le marché et en avons trouvé deux. Les deux étaient identiques, nous supposons donc que l’un a copié l’autre. Cependant, nous avons immédiatement constaté un défaut dans ces conceptions, où ils utilisaient le circuit de chauffage pour renvoyer le flux depuis l'arrière du bloc. Le défaut inhérent à la conception est que sans le chauffage « ON », ces systèmes n'atteignent jamais un débit approprié. Même si faire fonctionner le chauffage tenterait d’équilibrer le débit, il est probable que les utilisateurs ne voudront pas que le chauffage soit allumé en été ! Ensuite, il y avait la mauvaise qualité de ces kits, nécessitant de découper des tuyaux et d'utiliser des colliers de serrage. Ensuite, pour ajouter à tout cela, ils coûtaient bien plus de 300 $, ce qui a fait de notre décision de concevoir, tester et construire la nôtre une fatalité.

Nous avons trouvé une solution simple mais efficace, en ouvrant un chemin permettant au liquide de refroidissement de s'écouler de la zone la plus en arrière du bloc directement vers le retour du liquide de refroidissement devant le moteur (illustré ci-dessous). Le croisement avant est l'endroit d'où la pompe aspire le liquide de refroidissement, donc maintenant un modèle d'écoulement est créé où le liquide de refroidissement autrefois stagnant à l'arrière s'écoule vers l'avant. Une fois ce débit établi, le liquide de refroidissement retiré est remplacé par le liquide de refroidissement provenant de l'alimentation à l'entrée inférieure avant du bloc, qui doit passer sur toute la longueur du bloc pour ce faire. Ce flux continu équilibre les températures à travers le bloc et se dirige là où il ne le faisait pas auparavant.

Nous utilisons tous les raccords AN de qualité aérospatiale et, dans les derniers kits, un tuyau tressé en acier inoxydable recouvert d'une couche extérieure douce pour éviter de frotter les pièces sous le capot avec lesquelles il entre en contact. Nous usinons nos propres plaques arrière personnalisées qui remplacent les plaques de blocage mort dans ces moteurs par une plaque en aluminium usinée CNC avec un raccord AN intégré. Tout est boulonné et de la plus haute qualité. Pas de colliers de serrage ni de tuyaux à couper et à épisser ici. Ces kits sont boulonnés et peuvent être retirés si vous vendez le camion. L'image ci-dessous est un kit pour un CUCV civil de 6,2 litres ou militaire.

Une question qui nous est posée est la suivante : pourquoi les dimensions du flux interne sont-elles relativement petites ? La taille est le résultat de nos tests. Nous avons commencé plus grand et avons augmenté et diminué la taille des orifices pour trouver un équilibre aussi proche que possible. Trop grand et vous pouvez en fait inverser les résultats et rendre l'arrière du moteur trop froid. Il ne faut pas beaucoup de fluidité ici pour obtenir les résultats souhaités. L'image ci-dessous est celle de notre kit civil de 6,5 litres.

Après le développement et les tests approfondis qui ont conduit à ces kits, les moteurs bénéficient désormais d'un équilibre presque parfait des températures dans tout le moteur, ce qui réduit les pannes courantes dans ces moteurs et améliore l'efficacité du moteur. Quelques effets positifs notables de ces kits :

• Les températures du liquide de refroidissement sont équilibrées à travers le bloc et les têtes
• Les moteurs atteignent leur température de fonctionnement plus rapidement
• Les radiateurs atteignent leur température de fonctionnement plus rapidement et produisent des niveaux de chaleur plus élevés
• La production globale de fumée est réduite
• La plupart voient les cycles d'engagement des ventilateurs réduits et la durée de fonctionnement plus courte.
• Le bruit du moteur est réduit
• Les températures du cockpit sont plus basses
• Légère augmentation HP/TQ ainsi qu’amélioration MPG
• Réduction des poches de vapeur et du liquide de refroidissement aéré stagnant
• Purge constante du système de refroidissement vers le réservoir de trop-plein
• Réduction des pannes courantes du bloc, des culasses et des joints de culasse

Bien que cet article se concentre sur les HMMWV, la même dynamique de base s'applique aux camions CUCV ainsi qu'aux véhicules civils équipés des moteurs 6.2 et 6.5.

Une image de séparation ci-dessous est un schéma du système de refroidissement des moteurs basés sur GM LS. Ces moteurs ont remplacé le modèle original V8 à petit bloc GM qui était en production depuis des générations. Il y a eu de nombreuses améliorations, trop nombreuses pour être énumérées ici, mais une chose qui n'a pas été entièrement prise en compte dans la refonte était le déséquilibre inhérent au refroidissement. Très peu de temps après le début de la production, GM s'est rendu compte qu'il lui fallait mieux répartir le liquide de refroidissement à l'arrière du bloc et des culasses. Leur solution est un ensemble de tuyaux partant de l'arrière du moteur des deux côtés menant à l'avant du système de refroidissement. Ce système se connecte ensuite au côté retour ou aspiration du radiateur afin que le liquide de refroidissement puisse être aspiré hors de l'arrière du bloc et des têtes. Ce système aide à équilibrer les températures de fonctionnement dans tout le moteur. Il s'agit de la version GM d'un kit d'équilibrage de refroidissement qu'ils appellent un évent de vapeur.