Comment fonctionne le frein moteur ?
Plan de l'article :
Bien connu des montagnards, le frein moteur permet de descendre une très longue pente sans avoir à faire flamber ses freins (avec une perte de freinage très importante au fur et à mesure) et potentiellement voiler ses disques.
Nous allons ici, le plus simplement du monde, rappeler ce qui provoque et induit ce fameux frein moteur. Quelles forces dans le moteur permettent de ralentir et donc d'amenuiser l'énergie cinétique accumulée à l'accélération.
Rappelons que le frein moteur est d'autant plus important qu'on est haut en régime, et que sur les moteurs à injection l'injection est coupée au dessus du régime de ralenti (ce qui ne peut être le cas sur un moteur à carburateur).
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Aspiration moteur / pompage
Comme vous le savez, un moteur thermique a besoin de comburant pour fonctionner, à savoir de l'air. Sans ce dernier pas d'oxydation du carburant possible, et donc pas de réaction thermodynamique permettant la dilatation du mélange (ce qui va pousser le piston).
Il faut donc une admission d'air en direction des cylindres, mais ça n'est pas aussi aisé que cela en raison du goulot d'étranglement induit à l'entrée du moteur. Exactement comme il est difficile de pomper très rapidement une pompe à vélo, le moteur a lui aussi du mal à faire entrer l'air dans le moteur. Sur un moteur à plusieurs cylindres il y en a donc toujours un ou deux qui sont en phase d'admission (soupapes côté admission ouvertes) lors de la décélération sur le frein moteur, à savoir qu'ils deviennent des pompes aspirantes résistives qui admettent de l'air avec difficulté. C'est un peu la même chose avec les cylindres en phase d'admission ou échappement, à savoir qu'il faut aspirer ou expulser l'air du cylindre très rapidement (se compare à une pompe à vélo qu'on cherche à vider rapidement, on a un frein liée au débit d'air qui est limité en entrée et sortie, selon la taille de l'orifice justement).
On a donc ici un premier élément qui explique le frein moteur, à savoir le pompage. C'est d'ailleurs en partie pour ça que les moteurs essences sont plus gourmands, ils sont plus pénalisés par cet effet pompage en raison de l'existence du boîtier papillon destiné à faire respecter le mélange stoechiométrique (contrairement au diesel en excès d'air).
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compression : la principale force du frein moteur
Si comme vu précédemment il y a des cylindres en phase d'admission, d'autres sont au contraire totalement fermés, à savoir les soupapes d'admission et d'échappement fermées. Cette phase est appelée compression, car le comburant dans les cylindres est alors comprimé. Cette fois, si on continue l'analogie avec la pompe à vélo, c'est comme si on bouchait l'orifice et que vous deviez sortir l'air de la chambre. L'air emprisonné se comporte alors comme un ressort (cf suspension pneumatique) et va donc freiner la course des cylindres.
Ca rejoint finalement un peu l'effet de pompage sauf qu'ici c'est bien plus accentué, l'air ne peut en effet s'échapper (compression bien plus accrue) et la compression induite est décuplée.
Notez qu'avec la hausse de l'octane des carburants on a pu accroître le taux de compression (ce qui améliore le rendement et qui est caractérisé par l'écart entre le PMH et le PMB), mais qu'avec l'arrivée des turbos on la réduit. Désormais, les moteurs modernes ont plus de compression en fonctionnement (suralimentation) mais moins de taux de compression (décélération et mesure des compressions de chaque cylindre), me suis-je bien fait comprendre ?
Frottements ?
Les pièces mobiles induisent un frottement qui vient encore donner de la force au frein moteur. Et même si ils sont relativement minimes, ça compte quand même dans l'équation (et d'ailleurs, un moteur essence s'use en partie plus vite à cause de cela, le régime moyen étant plus élevé il y a plus d'usure par frottement). Le type d'huile et la segmentation vont jouer sur ce paramètre.
Inertie des pièces mobiles
Le frein moteur est aussi lié, en toute petite partie, à la masse gravitationnelle. En effet, les pistons/vilebrequin en mouvement sont freinés petit à petit par la gravité terrestre (dans l'espace ce ne serait pas le cas, le moteur resterait continuellement sur un régime constant sans décélération, si il n'y avait pas les effets de compression décrits avant évidemment).
De ce fait, le poids des pièces mobiles induit une décélération progressive de ces dernières, ce qui va ajouter un peu de frein au moteur.
Mieux vaut-il freiner ou utiliser le frein moteur ?
Comme dit en introduction, sur les moteurs à carburateur le moteur continue d'engloutir du carburant même à la décélération, ce qui n'est pas le cas sur les moteurs à injection (sauf quand on arrive au niveau du régime de ralenti, ça injecte pour ne pas caler ou faire d'à-coup). L'économie de carburant ne compte que pour les moteurs à injection donc.
Pour ma part, j'évite vraiment d'utiliser le frein moteur (malgré tout ce qu'on peut entendre ...), ça fatigue le moteur (contraintes de compression et usure par les frottements, sans oublier la sollicitation des supports moteur/boîte). Je préfère largement user les freins qui ne coûtent pas chers et qui se remplacent facilement ... Mieux vaut "poncer" de la plaquette et du disque plutôt que de solliciter les chambres de combustions, puisque pour avoir un frein moteur il faut en plus se mettre sur un régime plus élevé ! Bref, accroître les frottement et les contraintes de compression me paraissent moins viables que de solliciter des plaquettes, bien que le frein moteur soit loin d'être un supplice pour le moteur.
Je n'utilise ce dernier que dans le cas d'une très longue descente, type montagne, car dans le cas contraire on arrive trop vite à saturation des freins. Il devient donc ici salvateur, et c'est principalement pour ça que les boîtes automatiques ont un mode manuel.
Notez que le frein moteur est d'autant plus avantageux que le sol est glissant. Vous garderez en effet une meilleure motricité en utilisant ce dernier, les coups de frein induisant des blocages trop brusques, même en étant très doux. Si vous descendez une pente enneigée mettez-vous donc sur le frein moteur (avec une transmission intégrale c'est encore mieux, frein moteur sur les quatre roues !).
Frein moteur sur voiture électrique
Sur les moteurs électriques le frein moteur est pilotable de manière électrique (en changeant plus ou moins la résistance dans le circuit). En effet, le frein régénératif est caractérisé par une interaction entre les rotor et stator qui produisent tous les deux un champ magnétique. Tels deux aimants qui se repoussent, le frein moteur d'une voiture électrique freine avec cette même force. Il n'y a donc aucun frottement/chaleur ni usure bien qu'il faille quand même modérer cette affirmation un peu caricaturale. Il y a en effet de la chaleur liée à l'effet Joule induit dans les bobinages du moteur, et donc il y a bien perte d'énergie en chaleur (une partie de l'énergie cinétique de l'auto, à savoir l'énergie accumulée sur sa lancée) et un peu d'usure (le bobinage qui chauffe s'use un peu, et à l'extrême il fond et la bobine est foutue. Et sachez bien que les marques font en sorte de fabriquer des choses périssables, il faut bien pouvoir faire tourner le commerce !).
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