Dossier: gestion de la température moteur

Dossier: gestion de la température moteur

publié le 25 juin 2016
Thème: Technique automobile
Par Guillaume Darding

La gestion de la température moteur est devenue, de par l'évolution des normes anti-pollution, un axe de développement majeur dans la conception d'un moteur. Le refroidissement moteur est désormais optimisé pour contrôler au mieux la température des différentes zones du moteur tout en limitant sa consommation d'énergie.

Rôle du circuit de refroidissement moteur 

Le circuit de refroidissement a pour fonction de maintenir les différents composants internes d'un moteur (cylindres, culasse, etc) et, le cas échéant, les éléments périphériques (le turbocompresseur par exemple) à leur température de fonctionnement idéal. 

Si la température du moteur est trop élevée, les gaz à l'intérieur du cylindre sont plus chauds: il y a donc moins de gaz dans le cylindre et les risques d'auto-inflammation (et de cliquetis) sont plus élevés. D'autre part, les composants se déformant plus, il y a un risque de casse conséquent.

Voiture en feu - Tony Webster via FlickR
Voiture en feu - Tony Webster via FlickR

Si le moteur est, au contraire, froid, les frictions sont généralement plus importantes entre le piston et la chemise du cylindre et la combustion est incomplète, ce qui génère des émissions de gaz polluants significativement plus élevées. 

A l'origine, les moteurs étaient plutôt refroidis par air (Porsche a notamment utilisé cette solution jusqu'en 1997 sur les 911). Néanmoins, l'abandon du refroidissement par air est devenu nécessaire du fait de l'évolution des normes de bruit et des normes de dépollution. Désormais, les moteurs sont plutôt refroidis par eau. 

De fait, si refroidir un moteur par air est techniquement plus simple (moins de composants), le refroidissement des composants du moteur est généralement moins bien maîtrisé. Un moteur refroidi par air est facilement reconnaissable à ses nombreuses ailettes servant à maximiser la surface d'échange entre les éléments chauds et l'air. 

Fonctionnement général 

Le contrôle de la température moteur consiste à faire circuler un liquide sous pression à travers le bloc moteur et la culasse (on peut aussi ajouter l'EGR et le turbo, le cas échéant) afin de transférer les calories issues de la combustion moteur à travers un fluide (le liquide de refroidissement dans le cas présent). 

Refroidissement BMW M3 M4 - radiateurs
Refroidissement BMW M3 M4 - radiateurs

Grâce à un échange avec l'air ambiant, les calories sont alors éliminées vers l'atmosphère. Le principe du refroidissement moteur repose donc sur l'échange de chaleur entre deux fluides: il s'agit donc de la même philosophie que celle utilisée par les systèmes de climatisation.  

Composants du circuit de refroidissement 

La gestion de la température moteur est assurée par les éléments suivants: 

Liquide de refroidissement 
Le liquide de refroidissement est constitué d'eau, de liquide antigel et d'agents anticorrosifs, dans des proportions qui peuvent varier significativement. En règle générale, l'eau et le liquide antigel (un alcool de type éthylène glycol) représentent plus de 90% du contenu du liquide. 

Thermostat 
Lorsque le liquide de refroidissement est encore froid, Le thermostat empêche la circulation du liquide dans la totalité du circuit: le liquide circule en boucle courte au sein du bloc moteur sans passer par le radiateur. Ce fonctionnement permet au liquide de refroidissement de monter plus rapidement en température.

Lorsque le liquide atteint une température élevée, le thermostat se déclenche afin que le liquide de refroidissement circule à travers la totalité du circuit. Le thermostat est normalement un dispositif purement mécanique.

Thermostat - Pompe à eau - Schaeffler
Thermostat - Pompe à eau - Schaeffler

Sonde de température 
La sonde de température permet de contrôler la température du liquide de refroidissement et de l'afficher, le cas échéant, au tableau de bord. Elle est normalement placée au point le plus chaud du circuit de refroidissement, au niveau de la culasse. 

Pompe à eau 
La pompe à eau est normalement entraînée par le moteur, soit à l'aide de la courroie de distribution, soit à l'aide de la courroie accessoires. Il s'agit, dans la plupart des cas, d'une pompe de type centrifuge à volute. La pompe à eau consomme de 1 à 3% de la puissance moteur. 

Pompe à eau - Hella
Pompe à eau - Hella

Radiateur 
Le radiateur est situé à l'avant du véhicule. Il permet d'abaisser significativement la température du liquide de refroidissement au contact de l'air. L'écoulement de l'air est naturel (lorsque le véhicule est en mouvement) ou forcé à l'aide de ventilateurs (lorsque le liquide de refroidissement est chaud et que le véhicule est à l'arrêt). 

Radiateur automobile - Mahle
Radiateur automobile - Mahle

Le radiateur est constitué de multiples canaux dans lesquels le liquide de refroidissement va s'écouler. La multiplication des canaux permet de maximiser les échanges thermiques entre l'air et le liquide de refroidissement. 

Vase d'expansion 
Le vase d'expansion sert à éviter les surpressions dans le circuit de refroidissement. Lorsque le liquide de refroidissement est à température ambiante, l'air contenu dans le bocal est à pression atmosphérique. 

Dès que le liquide monte en température, ce dernier se dilate et l'air présent dans le bocal monte en pression. Afin que le liquide ne soit pas en surpression, une soupape permet d'évacuer une petite quantité d'air lorsque la pression est trop élevée. 

Vase d'expansion BMW M2
Vase d'expansion BMW M2

Lorsque le liquide refroidit, la pression dans le système diminue et l'air présent revient à la pression atmosphérique. Si de l'air s'était échappé via la soupape moteur chaud, une soupape de dépression (normalement, le vase d'expansion ne comporte qu'une soupape à double effet, ce qui permet de gérer à la fois les surpressions et les dépressions dans le circuit de refroidissement) s'ouvre pour équilibrer la pression du vase d'expansion avec la pression atmosphérique. 

Ventilateur 
Le ventilateur sert à forcer le flux d'air à travers le radiateur lorsque le liquide de refroidissement devient trop chaud. Il est normalement entraîné électriquement, de manière à pouvoir se déclencher une fois le moteur éteint. 

Ventilateur Mahle
Ventilateur Mahle

Il entre normalement en fonction lorsque les conditions de circulation ne sont pas favorables, à savoir dans les embouteillages, en montagne, etc. Le déclenchement du ventilateur est conditionné par une sonde de température située au niveau du radiateur.

Chauffage habitacle 
Le circuit de chauffage dérive intimement du circuit de refroidissement moteur. C'est pour cette raison qu'il y a un certain laps de temps avant que de l'air chaud puisse être pulsé à l'intérieur de l'habitacle. 

Chauffage habitacle Renault
Chauffage habitacle Renault

Le liquide de refroidissement est normalement prélevé au niveau du haut moteur (dans la zone où le liquide de refroidissement est le plus chaud). Le liquide ainsi prélevé passe à travers un radiateur, ce qui permet de réchauffer l'air passant à travers. Un ventilateur à vitesses multiples force ensuite le passage de l'air à travers le radiateur avant que ce même air soit ensuite réparti dans l'habitacle par les multiples buses d'aération. 

Dans certains cas, une pompe à eau auxiliaire, électrique, permet d'améliorer le débit du liquide à travers le circuit de chauffage (l'air chaud est disponible plus rapidement dans l'habitacle). Cette pompe auxiliaire a aussi un autre avantage: elle permet de continuer à distribuer de la chaleur dans l'habitacle pendant 15 à 30 minutes après l'arrêt du moteur. 

Optimisations du circuit de refroidissement

En complément du circuit de refroidissement traditionnel, les éléments suivants permettent d'optimiser le fonctionnement du système de contrôle de la température moteur:

Module électronique de contrôle de la température 
Le thermostat agit uniquement en fonction de la température: il réagit donc à une situation donnée sans tenir compte de la rapidité (ou inversement la lenteur) de la montée en température. Dans certains cas, il peut être utile d'anticiper ou de retarder l'ouverture de la vanne qui permet de basculer du circuit court vers le circuit classique (qui passe par le radiateur). 

A l'aide d'un module électronique qui va, en fonction de l'évolution de la température, gérer le débit entre les deux circuits, il est possible de maîtriser plus précisément le refroidissement moteur. Ce type de module offre un avantage encore plus significatif lorsque le circuit de refroidissement est étagé (un circuit gère le refroidissement des cylindres, un autre est en charge du refroidissement de la culasse et un autre qui s'occuperait de gérer la température du turbocompresseur). 

Pompe à eau débrayable 
La pompe à eau reste entraînée mécaniquement par le vilebrequin via la courroie accessoire. Un embrayage permet néanmoins de déconnecter la pompe à eau lorsque cela n'est pas nécessaire, lors d'un démarrage à froid par exemple.

Pompe à eau débrayable - Pierburg
Pompe à eau débrayable - Pierburg

Dans ce cas, le liquide de refroidissement atteint plus vite sa température de fonctionnement idéale. D'autre part, la pompe n'étant pas en fonction, elle ne consomme pas d'énergie, ce qui permet de réduire sensiblement la consommation dans cette phase particulière. 

Pompe à eau électrique 
Si la pompe à eau électrique présente de nombreux avantages, elle reste aujourd'hui limitée par la capacité des batteries traditionnelles 12V. De fait, elle ne peuvent pas atteindre le même débit qu'une pompe mécanique. C'est d'ailleurs pour cette raison que les BMW M3/M4 utilisent une pompe à eau mécanique plutôt qu'une électrique largement répandue dans l'ensemble des moteurs du constructeur. 

Avec l'émergence des batteries de 48V (telles que pour le compresseur électrique Valeo), les constructeurs pourront dès lors s'affranchir de cette limitation sur les moteurs les plus exigeants.  

Enfin, une pompe à eau électrique est capable de fonctionner même lorsque le moteur est éteint. Aussi, malgré la limitation en matière de débit d'une pompe à eau électrique, il n'est pas rare qu'une telle pompe vienne en renfort de la pompe à eau mécanique afin d'assurer un bon refroidissement à l'arrêt par exemple. 

Circuit de refroidissement étagé 
Un circuit de refroidissement définit plusieurs zones telles que le bloc moteur, la culasse, le turbo et l'EGR. Chacune de ces zones est indépendante des autres (il y a donc plusieurs circuits) ou devient active selon la température du liquide de refroidissement: c'est notamment le cas du Renault 1.6 dCi twin turbo ou du Ford 1.0l Ecoboost

Volets de calandre actifs
Les volets de calandre actifs permettent de contrôler le débit d'air traversant le radiateur. En effet, lorsque le véhicule circule à haute vitesse et à faible charge, un écoulement d'air important n'est pas forcément indispensable pour refroidir correctement le moteur. 

BMW Série 5 - volets de calandre actif
BMW Série 5 - volets de calandre actif

De plus, l'air circulant à travers le radiateur perturbe le flux principal autour du véhicule et il génère donc une traînée aérodynamique. Aussi, il peut être avantageux d'obstruer les prises d'air situées en amont du radiateur grâce à des volets. Généralement, les volets ne comportent que deux positions (complètement ouverts ou fermés).  

Dans certains cas, l'ouverture des volets se fait sur deux niveaux: un étage libère tout d'abord la prise d'air dans le bas de la calandre avant que, lorsque les besoins de refroidissement sont plus importants, le deuxième étage ne s'active, laissant alors un maximum d'air circuler dans le compartiment moteur (c'est le cas, par exemple de la nouvelle Audi A4 dans sa version ultra). 

Crédits photos:

  • BMW (image d'entête / vase d'expansion / volets de calandre actifs)
  • Hella (pompe à eau)
  • Mahle (radiateur / ventilateur)
  • Pierburg (pompe à eau débrayable)
  • Renault (circuit de chauffage)
  • Schaeffler (thermostat / pompe à eau)
  • Tony Webster via FlickR (voiture en feu)

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Il y a 10 commentaires

anthony

27 février 2017 à 11h42

Bonjour,

Je travaille actuellement sur le thermo-mangement. Plus précisément sur les nouvelles technologies qui permettent une montée en température plus rapide du moteur. Certaines de ces technologies sont décrites dans cet article.

Ma question: connaissez-vous les conditions exactes du nouveau cycle wltp? Notament au niveau des température moteur.
J'ai pu voir votre étude sur le NEDC mais les conditions de réalisation du WLTP n'apparaissent pas.

Ces informations me permettraient de savoir si le thermo-management va devenir un point clé dans la course à la dépollution.

Merci d'avance.

Anthony

Professeur de maintenance automobile.
Guillaume Darding [administrateur]

27 février 2017 à 21h12

Bonjour Anthony, les premières études montrent que la mise en température est relativement similaire entre le NEDC et le WLTP sur les 100 premières secondes. Ensuite, sur le cycle WLTC, le moteur stoppe sa progression en raison d'une vitesse nulle pendant une trentaine de secondes. Puis, en raison de son profil plus sévère, le moteur monte alors plus vite en température sur le WLTC.

Néanmoins, il est de toute évidence que le démarrage à froid reste de tout évidence un point d'amélioration important pour réduire les émissions de gaz polluant et la consommation.

D'autant plus qu'il faut garder à l'esprit qu'à partir de 2020/2021, l'objectif est de respecter un maximum de 95 g/km de CO2 sur l'ensemble des véhicules vendus par un constructeur. Enfin, à cette date, la température des tests pourrait évoluer de 23 °C à l'heure actuelle à 14 °C en 2020: la gestion de la température moteur n'en sera que plus importante.

Je vous invite consulter l'un de mes précédents articles http://www.guillaumedarding.fr/nouvelles-normes-euro-6-les-effets-sur-les-emissions-de-nox-sont-incertains-3370887.html, vous y trouverez notamment les graphiques du NEDC et du WLTC.
anthony

27 février 2017 à 22h35

Merci de cette réponse claire.
anthony

03 mars 2017 à 10h39

Bonjour Guillaume, Peux tu me communiquer tes sources concernant les températures de test que tu as cité (23 °C à l'heure actuelle à 14 °C en 2020).
Guillaume Darding [administrateur]

03 mars 2017 à 11h54

Bonjour Anthony, concernant la température de test actuelle, il faut se référer au règlement des Nations Unies concernant la procédure WLTP (paragraphe 1.2.8.1) http://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/main/wp29/wp29r-1998agr-rules/ECE-TRANS-180a15e.pdf

Pour ce qui est du futur (j'évoquais 14 °C à l'horizon 2020), il s'agit d'une estimation personnelle (d'où l'emploi du conditionnel dans mon précédent commentaire) basée sur les nombreuses discussions autour de ce point, il n'y a toutefois rien de gravé dans le marbre pour le moment.

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Commentaires
Guillaume Darding à propos de l'article «Présentation moteur: Ford 1.0l Ecoboost»

il y a 15 jours

Bonjour Philoup69, d'après ce que vous décrivez, il me semble que le problème de durite (j'imagine le tuyau de dégazage du liquide de refroidissement qui a fait l'objet d'un rappel de la part de Ford) pourrait être la cause de vos soucis actuels. Il me semble probable que votre moteur ait surchauffé à cause de ce problème de durite. Pour sûr, j'ai pu répertorier plusieurs cas similaires sur les forums français et étrangers, sans que cela ne remette foncièrement en cause la bonne réputation de ce moteur.

vieri28 à propos de l'article «Essai: pneus Michelin CrossClimate»

il y a 18 jours

Bonjour, et merci pour cet essai longue durée, forcément plus intéressant et pertinent en terme de retour qu'une prise en main réalisée lors de la présentation par le fabricant, comme ce que j'ai pu lire jusqu'ici. J'utilise actuellement 2 jeux de roues (été et hiver), et cela représente un budget relativement important. J'ai la chance d'avoir encore une dimension de roue économique (195/65/R15), mais ce ne sera certainement plus le cas le jour du changement de voiture. N'habitant pas en montagne mais en plaine, la lecture de votre article me conforte sur le fait de passer sur ce pneu dans le futur.

Philoup69 à propos de l'article «Présentation moteur: Ford 1.0l Ecoboost»

il y a 19 jours

Bonjour, Et la fiabilité ? Mon Grand C-Max Titanium est immobilisé, dans un garage Ford depuis le 11 Janvier 2017. Au départ, j'ai constaté une absence de chauffage. Premier devis: remplacement de la pompe à eau = 1 800 €. Après cette réparation, le mécanicien a remarqué un dégagement de fumée par le pot d'échappement (mauvais signe ...). Démontage et analyse de la culasse: le troisième cylindre est endommagé. Suite à une surchauffe, il faut remplacer le moteur ! Second devis: remplacement du moteur = 7 078,94 €. Mon véhicule date de fin Janvier 2013 (moins de 4 ans au moment du problème) et a 122 000 Kms (moteur EcoBoost 1.0 125 cv). En Janvier 2016, j'avais déjà eu un problème de durite à 90 439 Kms (une première alerte ?). Est-ce un problème connu du moteur Ecoboost ?

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