Dossier: gestion de la température moteur

Dossier: gestion de la température moteur

Publié le 25 juin 2016
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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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)

Les 10 derniers commentaires sur le sujet (voir les 22 commentaires):

anthony

18 mai 2017 à 11h08

Merci beaucoup
gonzague

07 juillet 2018 à 19h09

Bonjour.
Je suis en bute à un problème de refroidissement sur une Renault Vel Satis 3l DCI.
Ces voitures sont réputées pour la mauvaise conception de leur circuit de refroidissement, lequel a tendance à se mettre en surpression probablement du fait de la température à laquelle monte le LDR, ce qui produit une ouverture de la valve du vase d’expansion qui à son tour diminue dans le circuit et entretient le phénomène…
Alors pour palier ce souci, les conducteurs de ce modèle préconisent deux solutions.
Pour ma part j’ai eu recours aux deux (j’y reviendrai).
D’une part l’installation d’un purgeur automatique qui élimine le surcroit de pression avant que celle-ci ne soit trop importante et ne génère une perte de liquide via le vase d’expansion.
Et d’autre part, le remplacement du LDR classique par du liquide de refroidissement sans eau à base de propylène glycol.
En effet, du fait de leur point d'ébullition élevé, les liquide de refroidissement sans eau permettent d'éviter l'ébullition du circuit de refroidissement.
Par conséquent ils là aussi ils corrigent le problème de surpression, qui manifestement est à l’origine de la perte constante de LDR sur ce modèle.
Alors le résultat est mitigé pour la raison suivante :
- en effet le problème de surpression a disparu et donc je ne pers plus de liquide de refroidissement ;
- en revanche la ‘’capacité thermique spécifique du propylène glycol est inférieure à celle des liquides de refroidissement classiques, ce qui induit des températures de fonctionnement légèrement supérieures’’.
Sur ma voiture, cela se traduit par une aiguille de température au tableau de bord qui monte dangereusement et flirte avec la surchauffe.
Le contexte étant posé, voici ma question :
Est-ce qu’on peut rouler sans dommages pour le moteur à une température qui serait supérieure à celle à laquelle se déclenchent les capteurs de surchauffe dès lors que le circuit de refroidissement est à son niveau optimal, et qu’il n’y a pas de surpression ?
En d’autres termes, qu’elle est la plage température de fonctionnement optimale d’un moteur diesel, si on considère que celle que définit le LDR classique est limitée par sa température d’ébullition (110 degrés contre 180 pour le propylène glycol).
En dernière instance : peut on rouler sans dommages pour le moteur, avec du propylène glycol qui serait à 120 degrés ? (et naturellement avec une aiguille au tableau de bord près de la zone rouge).
Merci d’avance pour votre éclairage, qui si j’en crois le niveau de votre site, ne manquera pas d’être argumenté et convaincant.
Guirgui

09 juillet 2018 à 09h34

Hello Gonzague, vous êtes allés voir votre concessionnaire RENAULT pour investiguer le phénomène. Nul doute que cela est connu et qu'il existe une solution dite "Après-vente" (ou une campagne de rappel) avec remplacement de pièces et/ou nouveau soft qui règlerait ce problème. En effet, le 3.0 V6 Dci d'origine Isuzu est très couteux à remplacer / réparer en cas de bricolage hasardeux.
Guillaume Darding [administrateur]

09 juillet 2018 à 23h53

Bonjour Gonzague et Guirgui,

en effet, le problème de liquide de refroidissement sur le 3.0l V6 DCi est malheureusement connu, les causes multiples (en particulier joint de culasse et calorstat) et les remèdes pas forcément bien maîtrisés.

Comme je l'indique au début de l'article, rouler avec un moteur plus chaud vous expose clairement à des risques de casse prématurée: c'est un peu comme si vous tractiez constamment une caravane.
Montaigne

05 août 2018 à 00h04

Bonjour à tous ! Enfin un dossier affiné sur le refroidissement moteur !. Avant de me lancer dans une expérience, la question est : comment descendre la température d'un liquide de refroidissement "sans eaux"? .
Ce liquide est mérifique; pas de corrosion, pas de tartre, n'attaque pas les organes moteur, pas de usure de le pompe à eaux, pas de pression , ne bouille pas à 100°;

par contre sont taux d'ébullition commence à: 180 °C.

J'ai fait l'acquisition de 12 litres de ce produit , plus 12 litres d'un autre produit CDE nétoyage et de déshumidification des réseaux , radiateur, durite, etc.

Pour une XJ8 X308 le constructeur jaguar dit : 82 °C au compteur, pour un bon fonctionnement du V8 - 4.2 L

Le soucie de ce produit; il serai un peu trop caloporteur, la chauffe , de 8/10 °C de plus .

Mettre un radiateur aluminium à grande capacité ?
Changer les sondes de ventilateur plus basse ?
Le thermostat d'origine waxstat ouvre à 83°C - remplacement par un à 79°C et à pleine ouverture "high-flow"?.

Mais un refroidissement bien stable à 82°C (c'est subtile) à mettre au point .

Quel serai la bonne formule ?, pour arrivé à la bonne température stabilisé. Avec ce produit ,

"www.evanscoolant.co.uk"..... produit : evans-power-cool-180.

Merci! Pour un conseil technique.

De Montaigne.

Montaigne

08 août 2018 à 23h35

Bonsoir GUILLAUME DARDING ,
Je revient sur le sujet des liquides de refroidissement "sans eau".

Oui ! comme dit GONZAGUE le 7 juillet dernier, le liquide "sans eau" est plus élevé en température .

Certain ont essayé ce produit, Le compteur annonce quand même de 8 à 13°C de plus .
Mon cas sera le même, avec 82 °C origine stable; je passerai à 95 ° C. Ou peu être plus ?.

En effet plusieurs personnes pocédant une XJ8-X308 , V8 4,2L ; ont constaté cette monté trop forte .
De ce faite ils ont tout vidé et remplacé en traditionnelle.

D'autres membres du club , ont préféré laissé le produit en trophé sur une étagère , malgré le prix abyssal de l'ensemble "kit nettoyage et le sans eau" 12L + 12L

Je dit ; ce produit est caloporteur quand même élevé !.

Par la suite j'ai fait un courrier au fabricant "evanscoolant.co.uk" , la réponse est :
Ne vous inquiété pas si parfois vous avez au compteur plus 8 / 10 °C , ce n'est pas un soucie ,
Car celons les modèles, il y a des varientes .
Pour exemple: nous avons demandé à Jaguar de nous préparer des véhicules, pour mettre notre produit .
Et "Evans coolant" m'envoye les photos de "propagande" de ce produit , sur des XK et XJ .

Ma conclusion; "Evans coolant" , ne parle pas des aménagements, modification, qui ont été faite par jaguar ?.

Si jaguar a fait des modifs .... Ils ont dû travaillé des thermostats à pleine ouverture et à température plus basse pour ouvrir, et ou peu être, avec des radiateurs à grande capacité en Alu, plus des sondes de ventilo calibré en fonction.
Oui ! Cela ce fait dans les rallies, et la compétition. Avec le produit sans eau . Mais je n'ai pas cette science .

Donc je revient sur la question : quel sera la bonne solution ?.

Cordialement
De Montaigne.
Guillaume Darding [administrateur]

09 août 2018 à 11h03

Bonjour Montaigne,

il n'y a pas forcément besoin d'aménagements à faire dans le cas du remplacement d'un liquide de refroidissement par un équivalent sans eau. Si le circuit de refroidissement est suffisamment dimensionné - voir surdimensionné (et ce ne serait pas étonnant que ce soit le cas s'agissant d'un V8), il n'y a pas besoin d'avoir un radiateur de plus grande dimension (augmentation de la surface d'échange pour refroidir le liquide) ou une pompe à eau plus puissante (augmentation du débit de circulation du liquide).

Si modification il y a, la plus courante consiste à neutraliser le thermostat afin de s'assurer que le liquide circule dans la totalité du circuit de refroidissement même lorsque le liquide est plus frais.
Cela se fait au détriment de la mise à température du moteur lors d'un démarrage à froid: le moteur mettra plus de temps pour atteindre sa température de fonctionnement optimale car il sera trop refroidi pendant cette phase (plus de frictions, plus d'émissions de gaz polluants, consommation accrue). Néanmoins, sur un V8, ça ne devrait pas être (trop) problématique non plus.

Concernant l'élévation de température que vos connaissances ont noté, elle paraît un peu élevée (plus de 10 °C) pour ne pas être un peu inquiet sur la santé du moteur. Il faut voir dans le temps si cette différence de température reste stable dans le temps. Il se peut très bien aussi qu'il y ait des zones difficiles d'accès (cavités) qui ne sont pas remplies de liquide (du fait que le liquide sans eau est plus visqueux à froid), ce qui pourrait expliquer des hausses notables de température du liquide de refroidissement lors des premiers démarrages.
Montaigne

12 août 2018 à 18h43

Bonjour GUILLAUME DARDING,

Merci pour votre réponse technique !.
Pour finaliseé mes prochains essais,

Avec le thermostat "MOTORAD USA", si je met un modèle à ouverture 79°C , et à pleine ouverture,"high-flow",
Contraire à celui d'origine "Wastat" à 84°C et peu d'ouverture , laissant au compteur 82°C.
Cela pourrai être un bon compromis pour réchauffé le moteur en temps moins long ??.

Quel serai votre avis ?.

Recevez mes salutations cordiales
De Montaigne.
Guillaume Darding [administrateur]

12 août 2018 à 23h05

Bonjour Montaigne,

oui, le thermostat que vous mentionnez est certainement un bon compromis pour une mise à température rapide et une bonne gestion de la température par après avec l'Evans. Il ne reste plus qu'à espérer que ledit thermostat ne coûte pas un bras...

Et si un jour, vous décidiez de faire marche arrière (de revenir à un liquide de refroidissement classique), il ne faudra pas oublier de remettre l'ancien thermostat pour un fonctionnement optimal du moteur!
Montaigne

30 août 2018 à 00h20

Je revient sur votre réponse attendue
Et merci pour tout les conseils.
Montaigne

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

Il y a 4 jours

Bonjour Jean-Jacques, la boîte TCT proposée sur les Alfa Romeo est une boîte robotisée à double embrayage. L'apparition du message d'erreur me semble quand même prématurée, mais elle peut s'expliquer par le fait que vous restez longtemps en côte avec une faible accélération. Vraisemblablement, l'un ou l'autre embrayage n'est pas complètement fermé, ce qui crée du frottement et génère donc de la chaleur. Si, de plus, lors d'un démarrage à froid, la puissance de refroidissement de la boîte est réduite (le temps que la température d'huile monte et que l'huile devienne moins visqueuse, générant ainsi moins de frictions, au bénéfice de la consommation de carburant), on se retrouve dans une situation critique où la température de la boîte devient potentiellement trop élevée. Il n'y a pas de réglage possible (autrement que par une mise à jour du constructeur ou à prendre le risque de reprogrammer la boîte par un spécialiste) et je n'ai pas le sentiment qu'un changement de boîte solutionnerait ce problème (puisqu'il s'agit vraisemenblablement d'un problème de calibration du logiciel de la boîte). Vu votre kilométrage, j'imagine que votre Giuletta est toujours sous garantie. Le cas échéant, n'hésitez donc pas à faire vérifier votre véhicule par votre concessionnaire.

Jean-Jacques Payan à propos de l'article «Dossier: les différents types de boîtes de vitesses»

Il y a 4 jours

Bonjour, Votre document est très intéressant. Je profite de votre site pour vous poser une question pratique. Je possède une Giulietta 170 TCT (dont vous ne parlez pas beaucoup .. de la boite) qui en remontant de mon 3eme sous sol avec un accès difficile cause un message d'erreur : Température élevée de la boite . Existe t il un réglage possible , changement de la boite ou tt simplement un défaut de conception ????? j'ai 15000 kms ... Avec mes remerciements.

Guillaume Darding à propos de l'article «Normes Euro 6c: filtre à particules et casse-tête hybride»

Il y a 6 jours

Bonjour Gabrielle, la Golf GTE fait partie des modèles dont l'homologation Euro 6c / Euro 6d temp est retardée en raison des faibles volumes de vente (en 2017, sur un total de 480.000 Golf construites, seules 10.000 étaient des GTE). De fait, sans cette homologation, il n'est plus possible d'immatriculer un nouveau véhicule. En théorie, quelques véhicules pourraient être encore vendus avec l'ancienne homologation (à titre d'une fin de série), à condition que le constructeur en fasse la demande. En fait, Volkswagen avait même stoppé les commandes sur ce modèle (et d'autres modèles de la gamme) en début d'année afin d'éviter de se retrouver dans la situation à laquelle vous faites désormais face. Vous concernant, votre concessionnaire aurait dû immatriculer votre Golf GTE avant le 1er septembre pour éviter les tracas (à condition que le véhicule était déjà en sa possession avant cette date). Désormais, il n'y a pas d'autre choix que de patienter jusqu'à ce que le modèle soit homologué (et cela pourrait prendre encore plusieurs semaines) pour débloquer la situation. Il faut aussi espérer, sans vouloir être (trop) pessimiste, qu'il ne s'agisse que d'une nouvelle homogation sans changement technique car si des changements techniques devaient intervenir (ajout d'un filtre à particules / calibration moteur), la livraison de votre véhicule pourrait être encore allongée.

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