Un moteur fournit de l’énergie mécanique à partir d’un mélange air / carburant avec un rendement compris entre 20 et 45%. Le reste se dissipe en énergie cinétique et thermique dans les gaz d’échappement et en énergie thermique à travers les corps métalliques. Dans ce contexte, le système de refroidissement doit permettre au moteur d’être performant, assurer la pérennité de ces performances et assurer la fiabilité du moteur en garantissant un niveau acceptable de contraintes thermomécaniques en tout point du moteur. Cela se fait grâce à l’évacuation des calories excessives vers l’atmosphère extérieure.

Les types de systèmes de refroidissement

Il existe différents principes physiques pour évacuer la chaleur :

• Les calories peuvent être évacuées par convection, conduction ou rayonnement
• Plusieurs fluides intermédiaires peuvent être utilisés pour évacuer les calories vers le milieu absorbant (ces fluides sont appelés fluides de refroidissement)
• Le fluide de refroidissement peut être gazeux, liquide ou en changement de phase

Dans l’industrie automobile, les systèmes de refroidissement principaux sont le refroidissement à air par convection naturelle, le refroidissement à air par convection forcée et le refroidissement liquide. La convection naturelle signifie que la culasse et le cylindre ont des ailettes pour assurer la convection et la conduction, tandis que la convection forcée signifie qu’une turbine à air et un boîtier d’air de refroidissement sont installés sur le moteur. Dans les deux cas, le fluide de refroidissement est l’air qui est le seul fluide qui évacue les calories. Le refroidissement liquide utilise deux fluides, de l’air et de l’eau. L’eau évacue les calories du moteur et les échanges avec l’air ambiant dans un radiateur, ce qui est aujourd’hui le système le plus utilisé dans l’industrie automobile.

Bilan thermique

Les graphiques suivants donnent la répartition de la puissance fournie par le moteur à pleine charge pour différents types de moteurs :

Ces graphiques montrent des bilans thermiques moyens mais les moteurs diesels d’aujourd’hui peuvent atteindre un rendement allant jusqu’à 40% et les moteurs essence à injection directe peuvent désormais atteindre une efficacité de 30% avec des pertes thermiques entre 18% et 20%.

Cependant, en réduisant les échanges de chaleur, le besoin en refroidissement est réduit et il n’y a pas assez de calories dans l’eau pour réchauffer l’habitacle dans certaines situations, comme le démarrage à froid, la circulation en ville et les embouteillages. Les fabricants ont apporté plusieurs réponses pour résoudre ce problème de confort :

• Réduire l’efficacité du moteur en dégradant la calibration de la combustion
• Installer des résistances électriques pour chauffer l’air
• Installer une résistance électrique pour chauffer l’eau
• Installer un chauffage d’appoint

Procédures de validation

Les procédures de validation des constructeurs automobiles sont construites autour de problématiques que sont les contraintes thermomécaniques, la fréquence et le risque d’apparition de ces contraintes ainsi que le climat. La validation vise à satisfaire les conditions aux limites des fabricants et fournisseurs comme la température maximale de l’eau (118 ° C), la température d’huile maximale en pente (150 ° C) ou la température d’huile maximale à la vitesse maximale (135 ° C). Les valeurs indiquées ici sont assez similaires pour tous les constructeurs automobiles et sont habituellement conséquences de l’expérience et des études statistiques.

Jusque dans les années 80, les tests des fabricants européens étaient effectués en situation réelle sur les routes du Mont Ventoux (France) ou de la Sierra Nevada (Espagne) avec une remorque. Ils sont aujourd’hui principalement réalisés dans une chambre aéro-climatique, sur un banc d’essai à rouleaux.

Les conditions de test les plus fréquemment utilisées sont les suivantes :

• Vitesse véhicule maximale
• Ascension de pente 1 : pente de 10 à 12%, 2ème rapport, pleine charge avec remorque, de 50 à 60 km/h
• Ascension de pente 2 : pente de 8 à 10%, 3ème rapport, pleine charge avec et sans remorque
• Pente de 4% sur autoroute, 130 km/h, pleine charge

Rôles secondaires des systèmes de refroidissement

Le système de refroidissement liquide est également utilisé pour assurer le chauffage des occupants de la cabine, pour réguler la température de l’huile moteur, pour réguler la température d’huile de transmission automatique et pour refroidir l’EGR.

Dans certains cas particuliers, il peut également être utilisé pour limiter la température de l’alternateur, pour réchauffer le boitier papillon, pour refroidir la direction assistée, pour extraire des calories du système d’échappement, pour refroidir les roulements du turbo …

Par conséquent, le nombre de situations critiques augmente, ainsi que les difficultés de contrôle et de surveillance ou les interférences entre les différentes exigences. 

L’avis de Romain Nicolas :

Il devient de plus en plus important pour un moteur d’être aussi efficace que possible. En effet, toutes les pertes doivent être réduites au maximum afin d’obtenir un avantage significatif par rapport aux concurrents. Pour ce faire, le système de refroidissement est actuellement une solution potentielle pour récupérer l’énergie d’échappement, par exemple. Par conséquent, le système de refroidissement a de plus en plus d’exigences  qui le rendent complexe à concevoir. Pensez-vous que le système de refroidissement tel qu’il est utilisé aujourd’hui a le potentiel pour répondre à de nouvelles exigences supplémentaires? Une rupture technologique est-elle nécessaire?