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Mis à jour !                 Contrails ! Liquide de refroidissement

 

image liquide Yacco
Photo Yacco

 

Un peu de physique

La question est souvent posée par les utilisateurs de moteurs à refroidissement liquide, Rotax ou conversion automobile.
En 2004 puis 2006, Rotax a émis une série de Bulletins Service sur le choix du liquide de refroidissement. Voici quelques informations pour y voir plus clair.

 

Quel liquide choisir ?

L'eau

coolant
Photo GTH

Le meilleur en terme de capacité thermique est l'eau. Pour des raisons de point de congélation on lui adjoint souvent de l'éthylène glycol (Éthane-1,2-diol) dans les proportions d'environ 50/50.

Dans le monde des sports mécaniques (moto) on conserve l'eau pure, imbattable pour évacuer les calories, et non glissante en cas de fuite.

Pour prévenir la cavitation de la pompe et la formation de poches de vapeur, le circuit est pressurisé. On utilise pour cela un bouchon muni d'une soupape tarée (+0,9 bar à +1,2 bar dans le cas du Rotax).

 
Propriétés physiques des liquides de refroidissement
Nom Formule brute T ébullition
°C @ 760 mm Hg
Masse volumique
kg/m3
Capacité thermique massique
J.kg-1.K-1
Eau H2O 100 1000 4180
Éthylène glycol C2H6O2 197 1109 2400
Propylène glycol C3H8O2 187 1036 2500

 

Ce qui se passe dans le moteur

L'ébullition est toujours présente !

nucleation
© TUD-TTD

On pense parfois à tort que l'ébullition dans le moteur doit être évitée à tout prix. L'ébullition nucléée est pourtant un processus normal dans un circuit de refroidissement.

Au niveau des points chauds du moteur des micro bulles de vapeur apparaissent, évacuant une grande quantité de chaleur. En effet, la vaporisation d'un gramme d'eau absorbe 800 fois plus d'énergie que son élévation de température d'un degré.

Bien entendu, avec la convection et la circulation imposée par la pompe, les bulles ainsi formées sont rapidement entraînées loin du point chaud, puis disparaissent.

 

Le problème serait différent en cas d'arrêt de la circulation, ou d'une température de paroi trop élevée : formation d'une pellicule de vapeur (film boiling) ralentissant l'échange de chaleur, avec évolution possible en une poche importante. La température du point chaud augmente alors et les suites peuvent être catastrophiques.

Le phénomène s'accentue dans l'espace, où l'absence de pesanteur fait disparaître la poussée d'Archimède.

 

Bulles circulantes

nucleate animation

Les études récentes sur le refroidissement diphasique (deux phases liquide/vapeur) sont nombreuses, particulièrement dans le domaine du nucléaire et de la microélectronique.

Les travaux du NACA au cours des années 40, montrent que l'ébullition nucléée améliore considérablement le transfert de chaleur dans un moteur à pistons, et contribue à accroitre le refroidissement lorsque le débit du liquide de refroidissement diminue (TN-1498, TN-2049).

 

Et le glycol pur ?

Les liquides waterless

coolant
Doc Rotax

En 2004, des BS de Rotax, sur le changement du liquide de refroidissement pour le coûteux liquide Evans, ont alarmé les MCR boys rotaxistes. Le GSAC a suivi en émettant une CN sur ce changement pour les moteurs certifiés.

En substance ces documents préconisent de remplacer le liquide 50/50 par le liquide Evans constitué de propylène-glycol (1,2-propanediol) pratiquement pur.
La raison invoquée : éviter les poches de vapeur en profitant du point d'ébullition plus élevé de l'Evans (187°C au niveau de la mer).

 

Que faut-il en penser ?

evans
Photo Evans

A priori l'idée parait bonne : plus de poches de vapeur donc plus de risques d'échauffement du moteur. Seulement voilà, tout se paye. La capacité thermique massique du propylène glycol ne représente que 60% de celle de l'eau. Toutes choses égales par ailleurs, ce liquide emportera donc moins de chaleur et le moteur tournera plus chaud. Le transfert de chaleur s'améliorant avec la température du moteur, la nouvelle température de fonctionnement se stabilisera quand ces deux aspects se compenseront.

Tourner plus chaud en échange de plus de sécurité, pourquoi pas ? Mais le moteur lui, a ses limites. Sur le Rotax, si les culasses atteignent ou dépassent 150°C, leur état de trempe se modifie et un test de dureté est nécessaire avant remplacement éventuel. Ainsi le liquide supporte les températures élevées, mais pas forcément le moteur.

 

Conclusion

Si votre refroidissement est marginal, l'utilisation de l'Evans peut vous mettre dans le rouge, et vous allez tout casser en croyant bien faire. S'il est suffisant, vous ne risquez rien à garder le 50/50, passer à l'Evans ne faisant qu'augmenter les coûts.

La solution pour l'emploi du glycol pur, serait l'augmentation du débit de la pompe. Evans l'admet d'ailleurs sur son site, mais c'est évidemment irréaliste sur le Rotax.

Le meilleur choix, soigner l'aérodynamique du refroidissement, pour éviter le recours à ces fausses solutions.

 

Les suites

Pas obligatoire

On peut observer que Rotax a très vite rectifié le tir en précisant que le changement n'est en rien obligatoire :
Selon les manuels d'installation et de maintenance modifiés 2004, on peut continuer à utiliser le liquide 50/50 à condition de ne pas dépasser les températures culasse suivantes

115°C avec le bouchon taré à 0.9 bar
120°C avec le bouchon taré à 1.2 bar

Le GSAC a relevé le rectificatif, et reprend dans sa Directive de Navigabilité de février 2006, en vigueur au 31 août 2006, la possibilité de continuer à utiliser le mélange de refroidissement classique 50/50.

Automne 2006 : derniers développements                 Mis à jour !

Dans son Service Bulletin 912-043/914-029 de septembre 2006, Rotax modifie ses températures limites, et impose une surveillance en continu de la température réelle du liquide de refroidissement en cas d'utilisation du mélange 50/50 :

- Obligation des bouchons tarés à 1.2 bar
- Températures culasses inférieures à 135-150°C selon type de moteur
- Surveillance continue de la température du liquide de refroidissement, qui doit rester inférieure à 120°C
- Cette surveillance peut se faire par un instrument, ou par la température culasse après mesures en vol

 

Ce que nous avons fait

Un refroidissement optimal

tempés_vol
Photo GTH

Bien évidemment, nous avons privilégié une étude correcte des radiateurs carénés.

Les mesures en vol sur le MCR 4S nous ont permis de vérifier que la température culasse n'atteint jamais les 115°C fatidiques avec le liquide 50/50, quelle que soit la température extérieure de -14°C à +37°C. Les volets de capot permettent de régler les températures à 5°C près.

Nous avons donc conservé notre liquide 50/50, en changeant néanmoins le bouchon taré à 0,9 bar pour le modèle 1,2 bar. La température culasse maximale autorisée est donc maintenant de 120°C.

Automne 2006                 Mis à jour !

Les derniers Bulletins Service Rotax nous rassurent : nous avions déjà le bouchon 1,2 bar, nos températures sont très en-deçà des limites, alors que les mesures de température d'huile effectuées pendant les essais en vol nous permettraient une température culasse théorique de 125°C.
En vol, l'huile ne sort jamais de l'arc vert 90-110°C.

Et les autres ?

Comme on pouvait s'y attendre, les constructeurs ayant adopté le liquide Evans enregistrent des augmentations substantielles de température culasse :

 

-----Original Message-----
Subject: Europa-List: MAndatory Service Bulletin
-->Europa-List message posted by: ...

I just complied with the Rotax mandatory service bulletin by replacing my coolant with the new NPG+ coolant - waterless. [...]
I have three flight with it now and I can say that the temps are running warmer than they have in the past. I am not sure this is a good thing, since it is now winter and the air temp is cool. I suppose I will see what happens when we warm up again. My engine monitor reads about 10 degrees high, so I am seeing 240 degrees (116°C) where I would normally see about 230 (110°C) in climb. The CHTs also seem to come up faster taxiing out, but the oil temp doesn't warm up any faster.

 

----- Original Message -----
Subject: Evans coolant

I have recently changed to Evans Coolant from 50/50 Water/Antifreeze. My cyl head temp is now running approx 20 deg centigrade higher than before. Oil temp has not changed.

My cooling system is as per the book. Anyone else had any experience with this?
XS Mono
914
Airmaster CS
360 Hrs

 

-----Original Message-----
--> Europa-List message posted by: ...
Subject: Evans coolant

Yes exactly the same with G-JULZ.
I understand that some people have reverted to water/glycol because of the problem.

 

Pour en savoir plus

Les documents de référence (2004)

 

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