Dossier: fonctionnement de la climatisation

Dossier: fonctionnement de la climatisation

Guillaume Darding - 03 janvier 2014

La climatisation est devenue un organe quasi-incontournable d'une automobile: elle équipe près de 9 véhicules neufs sur 10 en France. Parce qu'elle permet une meilleure régulation de la température dans l'habitacle, elle est un élément de sécurité indirect du fait qu'elle permet aux automobilistes de conduire dans des conditions de confort optimales.

Le système de climatisation repose sur l'échange de chaleur entre deux fluides, l'air ambiant et un fluide réfrigérant (autrement appelé frigorigène). La circulation de ce dernier se décompose en deux boucles: le circuit haute pression et le circuit basse pression.

Schéma principe climatisation ETAI

Réfrigérant: circuit haute pression

Le circuit haute pression se compose de 3 éléments. Le compresseur, entraîné par la courroie "accessoires" du moteur, est le premier d'entre eux. La poulie du compresseur est munie d'un embrayage pour que ce dernier soit déconnecté lorsque la climatisation n'est pas en fonction.

Le réfrigérant, sous forme gazeuse, est comprimé à une pression pouvant atteindre 30 bars (pression initiale d'environ 3 bars). Le fluide est alors à une température de 80 °C.

Compresseur Delphi

La puissance du compresseur est dépendante du régime moteur. Pour pallier à ces variations de puissance et ajuster le débit du fluide réfrigérant en fonction des besoins du système de climatisation, le compresseur peut être à volume variable. Lorsqu'il fonctionne à volume constant, il est alors périodiquement désembrayé.

Le réfrigérant passe ensuite dans le condenseur dont le rôle est de dissiper la chaleur dûe à la compression. Le fluide passe alors à une température de 55 °C. A cette température, le fluide réfrigérant passe de l'état gazeux à l'état liquide. La dissipation de chaleur se fait par la circulation de l'air extérieur à travers le condenseur. Lorsque le débit d'air n'est pas suffisant (véhicule à faible vitesse par exemple), la circulation de l'air peut être forcée à l'aide d'un ventilateur.

Condenseur ventilateurs radiateur Delphi

Enfin, le fluide passe à travers le déshydrateur, un petit réservoir contenant un asséchant retenant l'eau. Cette étape évite la formation de glace dans le circuit basse pression.

Déshydrateur Delphi

Réfrigérant: circuit basse pression

Une fois passé le déshydrateur, le fluide passe dans le détendeur. La température du fluide passe alors de 55 °C à 10 °C et la pression s'établit à 3 bars. Pour abaisser la pression, le liquide pénètre dans un grand volume. La régulation de pression se fait via une soupape.

Parfois, le fluide passe dans le détendeur via un simple orifice (moins de pièces en mouvement), la régulation de pression se fait alors soit en coupant la climatisation momentanément soit à l'aide d'un accumulateur monté entre l'évaporateur et le compresseur.

La dernière étape se passe au sein de l'évaporateur. Son rôle est d'absorber la chaleur de l'air extérieur. Le fluide réfrigérant peut atteindre une température de -30 °C à l'entrée de l'évaporateur.

Evaporateur Delphi

Ensuite, la température du fluide augmente par échange de chaleur avec l'air extérieur jusqu'à ce que le fluide redevienne à l'état gazeux. Une fois passé à travers l'évaporateur, l'air atteint une température de 5 °C environ avant d'être injecté, par l'intermédiaire du pulseur, dans l'habitacle.

Au passage de l'évaporateur, l'air s'assèche naturellement par condensation. Lorsque le système est stoppé, la condensation devient à l'état purement liquide, c'est ce phénomène qui explique les pertes d'eau, via le drain de l'évaporateur, observées sous un véhicule, notamment par temps chaud.

Différents types de fluides réfrigérants

Les fluides réfrigérants sont des gaz à effet de serre. Ils devraient théoriquement fonctionner en circuit fermé. Toutefois,  le réfrigérant s'évapore d'un véhicule au gré de son fonctionnement et ces pertes peuvent atteindre 30 g/an voire plus sur une quantité totale d'environ 800g (masse variant selon le modèle de véhicule).

C'est d'ailleurs pour cette raison qu'il peut être nécessaire de recharger périodiquement le circuit de climatisation en fluide réfrigérant: lorsque la quantité de fluide est insuffisante, le système de climatisation n'aura plus la capacité de refroidir suffisamment l'air pénétrant dans l'habitacle.

Ces fuites posent néanmoins problème car les effets des gaz frigorigènes ont des effets néfastes dans l'atmosphère. Alors que le CO2 a, par définition, un potentiel de réchauffement global (PRG) de 1 sur 100 ans (durée de vie estimée du CO2 dans l'atmosphère), le PRG du fluide réfrigérant couramment utilisé dans l'automobile, le R134a, s'élève plus de 1.300 et a une durée de vie d'environ 13 ans.

Dupont R134a - Wikimedia

Jusqu'au début des années 2000, l'industrie automobile utilisait le R12, un gaz ayant un PRG de plus de 8.000 et une durée de vie dans l'atmosphère de 150 ans.

Depuis 2013, les constructeurs auraient dû abandonner le R134a au profit d'un gaz ayant un PRG inférieur à 150. Cette règlementation s'applique normalement à tout nouveau type de véhicule. Depuis 2009, les constructeurs, après moultes discussions, s'étaient accordés à utiliser le R1234yf, un gaz dont le PRG se limite à 4 et dont la durée de vie dans l'atmosphère est de l'ordre d'une semaine.

Mercedes Classe A

Toutefois, fin 2012, Mercedes n'a pas souhaité équiper la nouvelle Classe A avec ce nouveau fluide, conduisant à un blocage des immatriculations en France. Pour ce faire, le constructeur allemand a fait homologuer ce nouveau modèle comme étant un simple restylage de la précédente Classe A (ce qu'ont fait Renault et Peugeot, par exemple, avec le Captur et le 2008 pour éviter d'utiliser, eux-aussi, le nouveau fluide). Il a ensuite remis en cause le bien-fondé de ce fluide sous prétexte qu'il était inflammable.

Au final, l'homologation des Mercedes a été validée par décision européenne. D'autre part, il a été conclu que les accusations de Mercedes concernant l'inflammabilité du R1234yf n'était pas fondées. Si le R1234yf est bien plus inflammable que le R134a, de nombreux tests ont établis que le nouveau fluide ne remettait pas en cause la sécurité du véhicule et de ses occupants.

Si le R1234yf présente de meilleures caractéristiques environnementales, il coûte aussi beaucoup plus cher (le surcoût est estimé à 40€ par véhicule par rapport au fluide actuel) et jusqu'à présent, les fournisseurs n'avait pas la capacité de fournir suffisamment de fluide pour couvrir les besoins de l'industrie automobile.

A l'avenir, les constructeurs pourraient utiliser le CO2 en tant que fluide réfrigérant. Toutefois, au contraire du R1234yf, une climatisation fonctionnant avec du dioxyde de carbone nécessite de repenser complètement les différents organes du système de climatisation.

Codification des fluides

La première lettre (R) indique que le fluide est un fluide réfrigérant. Le premier chiffre en partant de la droite (celui des unités) caractérise le nombre d'atomes de fluor, le deuxième chiffre (les dizaines) montre le nombre d'atome d'hydrogène +1. Le troisième chiffre, celui des centaines, spécifie le nombre d'atomes de carbone -1. Enfin le quatrième chiffre (les milliers) indique le nombre de doubles liaisons carbone insaturées (C=C).

La lettre ou les lettres servant éventuellement de suffixe caractérisent la nature asymétrique des isomères autour de la liaison carbone-carbone.

Dans le cas du R1234yf, cela signifie que c'est un fluide réfrigérant (R) ayant une double liaison carbone-carbone (1), 3 atomes de carbone (2), 2 atomes d'hydrogène (3) et 4 atomes de fluor. D'autre part, les lettres "yf" indiquent une construction asymétrique de la molécule.

Pour le R134a, il s'agit toujours d'un fluide frigorigène (R) sans double liaison carbone (pas de chiffre des milliers) contenant 2 atomes de carbones (1), 2 atomes d'hydrogène (3) et 4 atomes de fluor (4) avec un ordonnancement asymétrique (a).

Climatisation automatique

Pour réguler la température à l'intérieur de l'habitacle, la climatisation automatique revêt différents raffinements pour le confort des usagers. D'une simple climatisation automatique monozone, elle peut se transformer en un complexe système capable de gérer plusieurs zones de l'habitacle, d'activer automatiquement le désembuage des vitres ainsi que le recyclage de l'air.

Climatisation automatique Citroën C4

Une climatisation automatique repose sur un ou plusieurs capteurs de température disposés dans l'habitable (selon que la régulation de la climatisation soit monozone ou plus). De plus, une même zone peut comprendre plusieurs capteurs de température (un au niveau de la tête des occupants et un autre au niveau des pieds par exemple) afin d'optimiser le fonctionnement de la climatisation.

Les systèmes de climatisation automatique font généralement appel à un capteur d'intensité solaire de manière à répartir différemment la ventilation selon les conditions d'ensoleillement. Par exemple, la climatisation automatique priviligiera la ventilation vers le visage des occupants lorsque le véhicule se retrouvera face au soleil.

Ainsi, la climatisation automatique est capable de gérer de manière autonome le débit d'air ainsi que la répartition vers chaque buse de l'habitacle à l'aide de plusieurs servo-moteurs actionnant les clapets de répartition dirigeant vers le pare-brise, le visage, les pieds, l'avant, l'arrière, la droite, la gauche, etc.

Zones de ventilation Audi A6

Enfin, certains véhicules peuvent être équipés d'un capteur de pollution (autrement appelé sonde de qualité d'air). Mesurant la concentration dans les ambiants des COV (Composés Organiques Volatiles tels que gaz d'échappement, vapeurs de solvants, ...), il commande à la climatisation de passer en mode de recyclage d'air automatiquement.

Influence sur la consommation d'essence

L'utilisation de la climatisation peut entraîner dans les cas les plus défavorables une surconsommation de l'ordre d'1 l/100km voire plus, alors que le véhicule circule en ville par temps chaud et que la ventilation fonctionne au maximum avec une température d'air minimum. Sur une année complète, l'ADEME estime que la climatisation contribue à augmenter la consommation de carburant de l'ordre de 5%.

En été, lorsque l'habitacle est surchauffé, il est conseillé d'aérer l'habitacle avant d'enclencher la climatisation, ceci afin de baisser la température de l'habitacle. D'autre part, il peut être bénéfique, pendant les 15 premières minutes, d'enclencher le recyclage d'air au lieu d'alimenter l'habitacle avec l'air chaud extérieur. Après ce quart d'heure, il est conseillé de repasser la climatisation en mode normal (alimentation en air extérieur), ceci afin de ne pas avoir de l'air vicié au sein de l'habitacle.

La climatisation: en hiver aussi?

Parce qu'elle assèche l'air, la climatisation est bénéfique même en hiver. En fonction, elle permet de désembuer plus rapidement les vitrages du véhicule et évite la reformation de buée.

A l'avenir

L'avenir de la climatisation devrait se traduire par la généralisation des compresseurs électriques comme en sont déjà équipées les Toyota Prius par exemple. Le fonctionnement du compresseur pourra être optimisé selon les besoins du système et non plus selon la vitesse de rotation du moteur. Au fil des années, le moteur se retrouve ainsi déchargé de nombreuses sollicitations (direction assistée, pompe à eau,...) pour se concentrer sur sa fonction première et réduire ses émissions nocives. 

Plus particulièrement pour les véhicules électriques, ne pouvant compter sur la chaleur émise par les moteurs thermiques, les systèmes de pompes à chaleur réversibles (capable de produire de l'air chaud comme de l'air froid) sont amenés à se généraliser pour ne pas dégrader l'autonomie des voitures électriques comme l'ont fait Renault pour la Zoé et BMW pour l'i3.

Pompe à chaleur Renault Zoé

 Crédits images: Audi, Citroën, Delphi, ETAI, Renault, Wikimedia

Les 10 derniers commentaires sur le sujet (voir les 24 commentaires):

Lapointe

03 juin 2019 à 08h37

Bonjour,
Merci de votre réponse mais si en mode clim j ai du chaud très rapidement je peux penser avoir assez de gaz car le chaud viens du refoulement du compresseur donc si il a plus rien à aspirer il ne peux donc rien refouler. C est pour cela que je pensais soit à un détendeur soit à une vanne .
Lapointe

03 juin 2019 à 08h43

Bonjour,
Le compresseur est il sec ou avec de l huile ? Si fuite je pourrais voir avec des traces de gras sur les durites cela aiderai .
Guillaume Darding [administrateur]

03 juin 2019 à 16h45

Bonjour Lapointe,

le chauffage n'est pas géré par le circuit de climatisation: il provient du circuit de refroidissement moteur - voir l'article à ce sujet https://www.guillaumedarding.fr/dossier-gestion-de-la-temperature-moteur-5114863.html .

J'ai l'impression que vous prenez en référence la dernière illustration de l'article. Si c'est le cas, attention, il s'agit d'une pompe à chaleur réversible et son fonctionnement est différent d'une climatisation traditionnelle. Il faut prendre en compte la première illustration.

Concernant le compresseur, il est effectivement lubrifié.
Lapointe

03 juin 2019 à 21h36

Bonjour, oui effectivement je pensais que c était le cas donc la clim ne gère que le froid et regul la température avec l air chaud ok merci j étais complètement à côté.
Bruno_1621

04 juin 2019 à 12h06

Bonjour à tous.

Les compresseurs à cylindrée variable sont utilisés en série depuis la fin des années 90.
Les compresseurs utilisent effectivement de l'huile qui est mélangée au fluide frigorigène, mais en cas de fuite, on ne voit que très rarement des traces d'huile.
Le conseil de refaire un plein est le bon : la procédure standard avant de refaire le plein est de tester le circuit en dépression (tirage au vide), puis en pression, puis de nouveau tirage au vide : ce processus permet de vérifier qu'il ne s'agit pas de joint qui bouge. Le bon garage ne vous fera pas le plein s'il y a une fuite et vous changera les joints voire les conduits.
Pour vérifier si le compresseur fonctionne, c'est assez simple : mettez la clim sur OFF ouvrez la porte ou la fenêtre et mettez la sur ON : si la pression (donc le niveau de fluide) est suffisante, le compresseur s'enclenchera : vous entendrez alors un clac sec (c'est l'embrayage électromagnétique d'entrainement du compresseur). Si vous entendez plusieurs clac dans les minutes qui suivent, cela veut dire que le compresseur cycle suite à problème de pression dans le circuit : donc pas assez (ou trop) de fluide.

Par rapport à la conso, une clim ON consomme moins qu'une vitre ouverte. Donc effectivement quand vous avez une position auto, laissez la en permanence. Si vous avez une clim manuelle, il faut quoi qu'il en soit l'allumer de temps en temps afin que le fluide et l'huile circule. Cela évite que les joints "sèchent".

Pour l'histoire de l'air chaud : cela peut provenir d'une CTP : pour faire simple, il s'agit d'un radiateur électrique qui est souvent ajouté dans le groupe clim sur les véhicules diesel, ces derniers mettant plus de temps à monter en température.

Bonne journée.

NB : Très bon site que je viens de découvrir. Bravo.
Guillaume Darding [administrateur]

04 juin 2019 à 23h43

Bonjour Bruno, merci beaucoup pour vos encouragements et vos informations complémentaires!
lentulo

02 juillet 2019 à 22h07

Bonjour
Je désirerai savoir si une clim qui n'a pas fonctionnée depuis 5 ans par exemple,se retrouve avec des fuites à tous les joints?De plus on entend qu'un circuit fuyard laisse l'air remplir le circuit et que cet air rend l'huile de clim acide qui oxyde tout et surtout le compresseur.Est-ce vraiment la catastrophe?
lentulo

04 juillet 2019 à 10h02

Bonjour
On aurait bien envie de tester le produit anti fuite a injecter dans le circuit de clim mais quand on lit le mode d'emploi des imprécisions subsistent:à priori il faut que le circuit ne soit pas vide pour injecter;du coup si on va pour refaire un complément de charge ,l'opérateur va d'abord tout vider avant de recharger alors quid du produit?
Si tout va bien,on voit pas la nécessité de ce produit;c'est quand le circuit est complètement vide que l'on voudrait l'utiliser,mais est ce que seulement avec de l'air c'est possible,je pense que c'est dangereux pour le compresseur,d'autant qu'il faut faire fonctionner le système au moins 30 mns.Qu'en est-il de l'avis d'un expert?
lentulo

04 juillet 2019 à 14h08

Le produit en question est l'anti-fuite TORALIN
Guillaume Darding [administrateur]

05 juillet 2019 à 21h55

Bonjour lentulo,

ce n'est pas tant l'absence de fluide réfrigérant qui est gênante: il faut surtout que le circuit puisse rester sous pression pour que l'anti-fuite ait une chance de fonctionner.

Concernant l'efficacité de ce type de produit, je n'ai pas de recul là-dessus, mais il me semble tout de même plus prudent, dans un premier temps, de faire une recherche de fuite (ce qui permettra par la même occasion d'évaluer s'il s'agit d'une petite fuite ou d'une fuite plus importante).

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Commentaires
Guillaume Darding à propos de l'article «Présentation moteur: Renault 1.3l TCe / Mercedes A 200»

Hier

Bonjour Bruno, non, il y a nécessairement des différences mécaniques entre les moteurs, en tout cas entre les versions moins puissantes et les plus puissantes. On peut estimer qu'entre le 115 et le 130 chevaux, ce sont les même moteurs avec une calibration différente. Il devrait en être de même pour les variantes entre 140 et 160 ch. Je ne connais malheureusement pas les détails concernant les différentes évolutions moteurs du 1.3 TCe, cela reste donc des suppositions.

Guillaume Darding à propos de l'article «Présentation moteur: Audi 2.0l TFSI»

Hier

Bonjour r16 ts, merci beaucoup pour vos encouragements. J'ai effectivement noté ce point et je suis en attente de confirmation pour mettre à jour l'article. A ce jour, il semble acquis que les moteurs de génération 3 ont effectivement perdu l'injection indirecte avec le passage au normes Euro 6c / Euro 6d temp, tandis que les moteurs Gen 3b ont bien conservé l'injection indirecte. De fait, les moteurs Gen 3b ont été conçus dès le départ dans une optique de fonctionnement sur le cycle Miller à charge partielle, ce qui implique notamment l'AVS qui est passé sur l'admission et un taux de compression plus élevé. Il faut comprendre que les moteurs Gen 3b sont conçus dans une optique de rendement maximal et ne sont pas appelés à remplacer les Gen 3 (qui permettent d'aller chercher des puissances plus élevées pour les modèles sportifs grâce, en particulier, à un taux de compression plus faible) et supprimer l'injection indirecte des gen 3b ne ferait pas vraiment de sens.

Guillaume Darding à propos de l'article «Dossier: les différents types de boîtes de vitesses»

Hier

Bonjour pjmdur, il y a effectivement des craintes sur une éventuelle conductivité de l'huile qui pourrait transmettre une partie de l'énergie électrique au niveau du carter et les composants alentours jusqu'à la carrosserie. Toutefois, le risque semble très faible. D'autre part, si l'huile n'est pas du tout conductrice, cela pourrait aussi être néfaste car il y a un risque de générer un arc électrostatique, ce qui pourrait dégrader significativement les qualités de l'huile. Il faut donc un juste compromis, tout en sachant qu'il y a un nombre certains de constructeurs qui ont estimés après test, qu'une huile spécifique n'était pas indispensable. D'autres sont effectivement partis sur une huile spécialement développée pour les transmissions hybrides telles que celle que vous évoquez. Concernant les adaptations, il m'est compliqué de vous donner plus de précisions : le monde des huiles et additifs reste un secteur bien opaque ...

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