Dans les automobiles et les motos équipées d’un moteur à combustion interne à refroidissement liquide, un radiateur est relié à des canaux traversant le moteur et la culasse, dans lesquels un liquide (liquide de refroidissement) est pompé. Ce liquide peut être de l’eau (dans les climats où l’eau ne risque pas de geler), mais il s’agit plus souvent d’un mélange d’eau et d’antigel dans des proportions adaptées au climat. L’antigel lui-même est généralement de l’éthylène glycol ou du propylène glycol (avec une petite quantité d’inhibiteur de corrosion).
Un système de refroidissement automobile typique comprend :
- une série de galeries moulées dans le bloc moteur et la culasse, entourant les chambres de combustion avec un liquide en circulation pour évacuer la chaleur ;
- un radiateur, constitué de nombreux petits tubes équipés d’un nid d’abeille d’ailettes pour dissiper rapidement la chaleur, qui reçoit et refroidit le liquide chaud du moteur ;
- une pompe à eau, généralement de type centrifuge, pour faire circuler le liquide de refroidissement dans le système;
- un thermostat pour contrôler la température en faisant varier la quantité de liquide de refroidissement allant au radiateur;
- un ventilateur pour aspirer l’air frais à travers le radiateur.
Le radiateur transfère la chaleur du fluide à l’intérieur vers l’air à l’extérieur, refroidissant ainsi le fluide, qui à son tour refroidit le moteur. Les radiateurs sont également souvent utilisés pour refroidir les fluides de transmission automatique, le réfrigérant du climatiseur, l’air d’admission, et parfois pour refroidir l’huile moteur ou le liquide de direction assistée. Les radiateurs sont généralement montés dans une position où ils reçoivent le flux d’air provenant du mouvement vers l’avant du véhicule, comme derrière une calandre. Lorsque les moteurs sont montés au milieu ou à l’arrière, il est courant de monter le radiateur derrière une calandre pour obtenir un flux d’air suffisant, même si cela nécessite de longs tuyaux de refroidissement. Le radiateur peut également tirer l’air du flux au-dessus du toit du véhicule ou d’une grille montée sur le côté. Pour les véhicules longs, tels que les bus, le flux d’air latéral est le plus courant pour le refroidissement du moteur et de la transmission et le flux d’air supérieur le plus courant pour le refroidissement du climatiseur.
Construction du radiateurModification
Les radiateurs d’automobiles sont construits à partir d’une paire de réservoirs collecteurs en métal ou en plastique, reliés par un noyau avec de nombreux passages étroits, ce qui donne une surface élevée par rapport au volume. Ce noyau est généralement constitué de couches empilées de feuilles de métal, pressées pour former des canaux et soudées ou brasées ensemble. Pendant de nombreuses années, les radiateurs étaient fabriqués à partir de noyaux en laiton ou en cuivre soudés à des collecteurs en laiton. Les radiateurs modernes ont des noyaux en aluminium et, pour économiser de l’argent et du poids, utilisent souvent des collecteurs en plastique avec des joints d’étanchéité. Cette construction est plus sujette aux pannes et moins facilement réparable que les matériaux traditionnels.
Une méthode de construction antérieure était le radiateur en nid d’abeille. Des tubes ronds étaient rétreints en hexagones à leurs extrémités, puis empilés et soudés. Comme ils ne se touchaient qu’à leurs extrémités, cela formait ce qui devenait en fait un réservoir d’eau solide traversé par de nombreux tubes d’air.
Certaines voitures anciennes utilisent des noyaux de radiateur en tube enroulé, une construction moins efficace mais plus simple.
Pompe de refroidissementModification
Les radiateurs ont d’abord utilisé un écoulement vertical descendant, entraîné uniquement par un effet thermosiphon. Le liquide de refroidissement est chauffé dans le moteur, devient moins dense, et monte donc. Lorsque le radiateur refroidit le fluide, le liquide de refroidissement devient plus dense et descend. Cet effet est suffisant pour les moteurs stationnaires de faible puissance, mais inadéquat pour toutes les automobiles, sauf les plus anciennes. Depuis de nombreuses années, toutes les automobiles utilisent des pompes centrifuges pour faire circuler le liquide de refroidissement du moteur, car la circulation naturelle a des débits très faibles.
Edit de chauffage
Un système de vannes ou de chicanes, ou les deux, est généralement incorporé pour faire fonctionner simultanément un petit radiateur à l’intérieur du véhicule. Ce petit radiateur, et la soufflerie associée, est appelé le radiateur de chauffage, et sert à réchauffer l’intérieur de la cabine. Comme le radiateur, le radiateur de chauffage agit en évacuant la chaleur du moteur. C’est pourquoi les techniciens automobiles conseillent souvent aux opérateurs d’allumer le chauffage et de le régler à un niveau élevé si le moteur surchauffe, afin d’aider le radiateur principal.
Régulation de la températureModification
Régulation du débit d’eauModification
La température du moteur des voitures modernes est principalement contrôlée par un thermostat de type cire-.un thermostat à cire et à pastilles, une soupape qui s’ouvre lorsque le moteur a atteint sa température de fonctionnement optimale.
Lorsque le moteur est froid, le thermostat est fermé, à l’exception d’un petit débit de dérivation, de sorte que le thermostat subit les changements de température du liquide de refroidissement lorsque le moteur se réchauffe. Le liquide de refroidissement du moteur est dirigé par le thermostat vers l’entrée de la pompe de circulation et est renvoyé directement au moteur, en contournant le radiateur. Le fait de faire circuler l’eau uniquement dans le moteur permet à ce dernier d’atteindre sa température de fonctionnement optimale le plus rapidement possible tout en évitant les « points chauds » localisés. Une fois que le liquide de refroidissement atteint la température d’activation du thermostat, celui-ci s’ouvre, permettant à l’eau de circuler dans le radiateur pour éviter que la température n’augmente davantage.
Une fois à la température optimale, le thermostat contrôle le flux de liquide de refroidissement du moteur vers le radiateur afin que le moteur continue à fonctionner à la température optimale. Dans des conditions de charge maximale, comme la conduite lente d’une colline escarpée tout en étant lourdement chargé par une journée chaude, le thermostat s’approchera de l’ouverture complète parce que le moteur produira près de la puissance maximale alors que la vitesse du flux d’air à travers le radiateur est faible. (La vitesse du flux d’air à travers le radiateur a un effet majeur sur sa capacité à dissiper la chaleur). À l’inverse, lors d’une descente rapide sur une autoroute par une nuit froide avec un régime léger, le thermostat sera presque fermé car le moteur produit peu de puissance et le radiateur est capable de dissiper beaucoup plus de chaleur que le moteur n’en produit. Un débit trop important de liquide de refroidissement vers le radiateur entraînerait un refroidissement excessif du moteur et un fonctionnement à une température inférieure à la température optimale, ce qui réduirait la consommation de carburant et augmenterait les émissions de gaz d’échappement. En outre, la durabilité, la fiabilité et la longévité du moteur sont parfois compromises si certains composants (tels que les paliers du vilebrequin) sont conçus pour tenir compte de la dilatation thermique et s’emboîter avec les bons jeux. Un autre effet secondaire du refroidissement excessif est la réduction des performances du chauffage de l’habitacle, bien que dans les cas typiques, il souffle toujours de l’air à une température considérablement plus élevée que la température ambiante.
Le thermostat se déplace donc constamment sur toute sa plage, répondant aux changements de la charge de fonctionnement du véhicule, de la vitesse et de la température extérieure, pour maintenir le moteur à sa température de fonctionnement optimale.
Sur les voitures anciennes, vous pouvez trouver un thermostat de type soufflet, qui a un soufflet ondulé contenant un liquide volatil tel que l’alcool ou l’acétone. Ces types de thermostats ne fonctionnent pas bien à des pressions du système de refroidissement supérieures à environ 7 psi. Les véhicules à moteur modernes fonctionnent généralement à environ 15 psi, ce qui exclut l’utilisation du thermostat à soufflet. Sur les moteurs à refroidissement direct par air, ce n’est pas un problème pour le thermostat à soufflet qui contrôle un clapet dans les passages d’air.
Contrôle du débit d’airModification
D’autres facteurs influencent la température du moteur, notamment la taille du radiateur et le type de ventilateur de radiateur. La taille du radiateur (et donc sa capacité de refroidissement) est choisie de telle sorte qu’elle puisse maintenir le moteur à la température de conception dans les conditions les plus extrêmes qu’un véhicule est susceptible de rencontrer (comme l’ascension d’une montagne alors qu’il est à pleine charge par une journée chaude).
La vitesse du flux d’air à travers un radiateur a une influence majeure sur la chaleur qu’il dissipe. La vitesse du véhicule l’affecte, de manière grossièrement proportionnelle à l’effort du moteur, donnant ainsi une rétroaction autorégulatrice grossière. Lorsqu’un ventilateur de refroidissement supplémentaire est entraîné par le moteur, il suit également la vitesse du moteur de manière similaire.
Les ventilateurs entraînés par le moteur sont souvent régulés par un embrayage de ventilateur provenant de la courroie de transmission, qui glisse et réduit la vitesse du ventilateur à basse température. Cela améliore le rendement énergétique en évitant de gaspiller de l’énergie pour entraîner le ventilateur inutilement. Sur les véhicules modernes, une régulation supplémentaire du taux de refroidissement est assurée par des ventilateurs de radiateur à vitesse variable ou à cycle. Les ventilateurs électriques sont commandés par un interrupteur thermostatique ou par l’unité de commande du moteur. Les ventilateurs électriques ont également l’avantage de donner un bon débit d’air et un bon refroidissement à bas régime ou à l’arrêt, comme dans la circulation lente.
Avant le développement des ventilateurs à viscocoupleur et des ventilateurs électriques, les moteurs étaient équipés de simples ventilateurs fixes qui aspiraient l’air à travers le radiateur à tout moment. Les véhicules dont la conception nécessitait l’installation d’un grand radiateur pour faire face à des travaux lourds à des températures élevées, comme les véhicules utilitaires et les tracteurs, fonctionnaient souvent au frais par temps froid sous des charges légères, même en présence d’un thermostat, car le grand radiateur et le ventilateur fixe provoquaient une chute rapide et importante de la température du liquide de refroidissement dès l’ouverture du thermostat. Ce problème peut être résolu en installant un store de radiateur (ou une protection de radiateur) sur le radiateur qui peut être ajusté pour bloquer partiellement ou totalement le flux d’air à travers le radiateur. Dans sa forme la plus simple, le store est un rouleau de matériau tel que la toile ou le caoutchouc qui est déployé sur la longueur du radiateur pour couvrir la partie souhaitée. Certains véhicules anciens, comme les chasseurs monomoteurs S.E.5 et SPAD S.XIII de l’époque de la Première Guerre mondiale, sont équipés d’une série de volets qui peuvent être réglés depuis le siège du conducteur ou du pilote pour assurer un certain contrôle. Certaines voitures modernes ont une série de volets qui sont automatiquement ouverts et fermés par l’unité de contrôle du moteur pour fournir un équilibre entre le refroidissement et l’aérodynamisme selon les besoins.
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Pression du liquide de refroidissementEdit
Parce que l’efficacité thermique des moteurs à combustion interne augmente avec la température interne, le liquide de refroidissement est maintenu à une pression supérieure à la pression atmosphérique pour augmenter son point d’ébullition. Une soupape de décompression calibrée est généralement incorporée dans le bouchon de remplissage du radiateur. Cette pression varie selon les modèles, mais se situe généralement entre 4 et 30 psi (30 et 200 kPa).
Lorsque la pression du système de refroidissement augmente avec l’élévation de la température, elle atteint le point où la soupape de décharge permet à l’excès de pression de s’échapper. Cela s’arrêtera lorsque la température du système cessera d’augmenter. Dans le cas d’un radiateur (ou d’un réservoir collecteur) trop rempli, la pression est évacuée en permettant à un peu de liquide de s’échapper. Celui-ci peut simplement s’écouler sur le sol ou être recueilli dans un récipient ventilé qui reste à la pression atmosphérique. Lorsque le moteur est arrêté, le système de refroidissement se refroidit et le niveau de liquide diminue. Dans certains cas, lorsque l’excédent de liquide a été recueilli dans une bouteille, il peut être « aspiré » dans le circuit de refroidissement principal. Dans d’autres cas, il ne l’est pas.
Refroidissement du moteurEditer
Avant la Seconde Guerre mondiale, le liquide de refroidissement des moteurs était généralement de l’eau ordinaire. L’antigel était utilisé uniquement pour contrôler le gel, et cela n’était souvent fait que par temps froid.
Le développement des moteurs d’avion à haute performance a nécessité des liquides de refroidissement améliorés avec des points d’ébullition plus élevés, ce qui a conduit à l’adoption de mélanges de glycol ou d’eau-glycol. Ceux-ci ont conduit à l’adoption des glycols pour leurs propriétés antigel.
Depuis le développement des moteurs en aluminium ou en métal mixte, l’inhibition de la corrosion est devenue encore plus importante que l’antigel, et ce dans toutes les régions et saisons.
Ebullition ou surchauffeModification
Un réservoir de trop-plein à sec peut entraîner la vaporisation du liquide de refroidissement, ce qui peut provoquer une surchauffe localisée ou générale du moteur. Des dommages graves peuvent en résulter, tels que des joints de culasse explosés et des culasses ou blocs-cylindres déformés ou fissurés. Parfois, il n’y aura pas d’avertissement, parce que le capteur de température qui fournit les données pour l’indicateur de température (mécanique ou électrique) est exposé à la vapeur d’eau, et non au liquide de refroidissement, ce qui fournit une lecture erronée nuisible.
L’ouverture d’un radiateur chaud fait chuter la pression du système, ce qui peut le faire bouillir et éjecter du liquide et de la vapeur dangereusement chauds. Par conséquent, les bouchons de radiateur contiennent souvent un mécanisme qui tente de relâcher la pression interne avant que le bouchon ne puisse être complètement ouvert.
HistoireModification
L’invention du radiateur à eau automobile est attribuée à Karl Benz. Wilhelm Maybach a conçu le premier radiateur en nid d’abeille pour la Mercedes 35 ch.
Radiateurs supplémentairesEdit
Il est parfois nécessaire qu’une voiture soit équipée d’un second radiateur, ou radiateur auxiliaire, pour augmenter la capacité de refroidissement, lorsque la taille du radiateur d’origine ne peut être augmentée. Le second radiateur est branché en série avec le radiateur principal du circuit. C’était le cas lorsque l’Audi 100 a été turbocompressée pour créer la 200. Il ne faut pas les confondre avec les refroidisseurs intermédiaires.
Certains moteurs ont un refroidisseur d’huile, un petit radiateur séparé pour refroidir l’huile moteur. Les voitures avec une transmission automatique ont souvent des connexions supplémentaires au radiateur, permettant au liquide de transmission de transférer sa chaleur au liquide de refroidissement dans le radiateur. Il peut s’agir de radiateurs huile-air, comme pour une version plus petite du radiateur principal. Plus simplement, il peut s’agir de radiateurs huile-eau, où un tuyau d’huile est inséré à l’intérieur du radiateur à eau. Bien que l’eau soit plus chaude que l’air ambiant, sa conductivité thermique supérieure offre un refroidissement comparable (dans certaines limites) à partir d’un refroidisseur d’huile moins complexe et donc moins cher et plus fiable. Plus rarement, le liquide de direction assistée, le liquide de frein et d’autres liquides hydrauliques peuvent être refroidis par un radiateur auxiliaire sur un véhicule.
Les moteurs turbocompressés ou suralimentés peuvent avoir un refroidisseur intermédiaire, qui est un radiateur air-air ou air-eau utilisé pour refroidir la charge d’air entrant – et non pas pour refroidir le moteur.