Le refroidissement du moteur à combustion interne…c’est plus compliqué qu’il n’y parait !

Une grande partie de l’énergie apportée par le carburant est perdue, pourquoi ?
Découvrez comment cette chaleur est évacuée et comment optimiser ces échanges ?
Vous voulez monter un radiateur aluminium sur votre Renault ou sur votre Alpine ?? Votre auto chauffe découvrez pourquoi ?

La chaleur comme base du moteur thermique :

L’énergie mécanique qui permet d’entraîner vos roues est directement issue de la chaleur, en effet lors du remplissage de votre réservoir, vous introduisez une dose d’énergie. Cette donnée est appelée Pouvoir Calorifique Inférieur ( PCI ), environ 44000Kjoules/Kg et 27000Kjoules/kg pour l’Ethanol ( ce qui explique qu’il faille augmenter la quantité de carburant apportée avec l’éthanol pour arriver à la même performance du moteur).

L’inflammation du carburant entraîne une dilatation des gaz créant une pression sur la surface du piston et comme on le sait Pression x Surface = Force. Malheureusement l’intégralité de l’énergie contenue dans ce mélange air/essence se perd comme le montre ce schéma.

Seulement 30% de l’énergie introduite est récupérée par le vilebrequin…30 à 40% à l’échappement, 15% dans le circuit de refroidissement.
Cette évacuation de chaleur doit être contrôlée pour maintenir une température moyenne définie. Une température trop élevée pourrait entraîner une casse moteur ( Joint de culasse, dilatation des pistons, inflammation de l’huile etc…). Pour ce faire on a recours souvent à un refroidissement liquide et parfois à air.
Nous allons nous intéresser d’un peu plus près au refroidissement liquide qui est le plus répandu.

Le refroidissement liquide consiste donc à faire passer un fluide caloporteur, d’un point A où il vient capturer la chaleur à un point B où il la cède.

Le point A – Le moteur :

Dans le cas de chemise humide le fluide vient entourer en totalité les cylindres, il est important que la paroi extérieure de la chemise soit le plus lisse possible afin de favoriser le transfert. Par contre il faut veiller à ce que
le fluide en contact avec la chemise reste quelques degrés en dessous du point d’ébullition pour éviter la formation de bulle de vapeur, entraînant de la corrosion dynamique, ou cavitation.

Corrosion dynamique – cavitation

La cavitation peut être entraînée, par une surchauffe mais aussi des vibrations et résonances nous y reviendrons plus tard. Le fluide vient donc capter une partie de la chaleur, celui ci est conduit jusqu’au radiateur afin d’échanger cette chaleur avec le milieu extérieur. Jusque là ça parait assez simple, cependant le refroidissement d’un moteur est conditionné par de nombreuses variables :
– Radiateur : matériau, surface, disposition, débit d’air entrant
– Liquide : type de liquide, sa chaleur massique
– Pompe à eau : débit

Le radiateur d’eau :

Les bases de son fonctionnement

Le radiateur d’eau est en fait un échangeur de chaleur à courant croisé. Dans la littérature technique, ce type d’échangeur de chaleur est souvent représenté avec le symbole ci dessous. On distingue bien les 2 fluides : le fluide ” froid” et le fluide “chaud”, dans notre cas respectivement, l’air et l’eau. On associe à ces fluides au total 4 températures :

Tfe: Température froide d’entrée ==== > Tfs : température froide de sortie
Tce : Température chaude d’entrée ===> Tcs: Température chaude de sortie

Le coeur de la manoeuvre est de transférer la chaleur de l’un à l’autre sauf que….chaque fluide à ses propriétés… .
Une donnée très importante est la chaleur spécifique du fluide notée Cp.

On trouve une définition qui est assez facile à comprendre : ” La chaleur spécifique est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de l’unité de masse de 1°C. “, dans notre cas la chaleur spécifique de l’eau avec 30% d’éthylène glycol est de 3863 Joules/kg.C
tandis que l’air à une Cp de 1004 Joules/Kg.C . On pourrait comparer cette notion de chaleur spécifique avec 2 bouteilles, au lieu d’utiliser la contenance en Joule on va utiliser le litre, la bouteille d’un Kg de liquide de refroidissement contiendrait 3863 “litres” et celle de l’air peut accepter 1004 litres. On se rend compte avec cette bête comparaison qu’on ne pourra jamais transférer toute la chaleur contenue dans la bouteille du liquide de refroidissement à la bouteille de l’air…. Là est tout le problème, il nous faudrait plusieurs bouteilles d’air…c’est justement le rôle du débit d’air.
Plus de débit d’air ==> Plus de bouteilles 🙂
Ce sont en fait des vases communicants, la chaleur perdue par l’un est récupérée par l’autre, limité par ses capacités physiques propres.
On retrouve souvent la notion de débit thermique unitaire : Qm x Cp ( Qm étant le débit massique, Cp la chaleur spécifique)


Pour les matheux cela s’écrit :

Qm étant le débit massique – Cp la chaleur spécifique – DeltaT: la différence de température
La variation la plus forte de température sera subie par le fluide qui a le plus petit débit thermique

Maintenant qu’on connait les tenants et aboutissant, voyons comment le transfère s’opère réellement. Le radiateur est équipé de 2 collecteurs et
dans la grande majorité des cas d’un faisceau dit tubes-intercalaires

L’eau pénètre donc dans les tubes, la chaleur est transmise par conduction aux intercalaires et par convection l’air se charge de cette chaleur. Les intercalaires sont brasés sur les tubes pour faciliter ce contact thermique.

Il faut que l’air traversant arrive à se charger de cette chaleur, c’est le rôle de ces intercalaires de les aider. C’est comme dans une course de relais, seul le point de contact permet le passage de celui ci. Dans ce passage de relais ( la chaleur) plusieurs paramètres interviennent :

– La surface d’échange ( plus de surface d’échange => plus de point de relais)
– Le coefficient d’échange global

Pour la surface d’échange : On côte souvent les radiateurs en dimension de faisceau longueur x hauteur x épaisseur. C’est un abus car la surface est en fait la somme de toutes les surfaces en contact avec l’air. C’est pourquoi ces intercalaires ont cette forme afin de maximiser la surface d’échange.



Exemple avec le radiateur R5 Turbo aluminium type Cevennes que nous avons développé

Calculons la surface, le faisceau fait 50mm d’épaisseur.
Voici un schéma d’intercalaire ( ailette)
En faisant un calcul arrondi avec Pythagore ( ça vous rappellera sans doute des souvenirs), on trouve 8.94mm ( racine de 8²+4²)
On peut donc trouver la surface de contact avec l’air : 8.94mm x 50mm x 4
On multiplie par quatre car l’air peut passer au dessus de la moitié gauche de l’ailette ou en dessous de la moitié gauche, c’est identique pour la partie droite. Cela nous donne 1788mm² par ailette.
Ce radiateur se compose de 132 ailettes/rangée et 31 rangées ce qui donne 7.31m² , s’ajoute à ça la surface des tubes 1.23m²
On arrive à un total de 8.54m²
On a une surface d’échange bien plus importante que son encombrement, vous trouverez la mention parfois d’échangeur compact.

Un paramètre important à connaitre c’est que la surface à une grande importance, mais à partir d’un moment augmenter celle-ci à de moins en moins d’efficacité sur la température de sortie, ce n’est absolument pas proportionnel. Tout l’art de la conception consiste à trouver le bon compromis.

Le coefficient d’échange global :

L’efficacité de l’échange thermique est aussi liée au matériau qui compose l’échangeur. Pour arriver à faire des calculs, on utilise le coefficient d’échange global ( c’est une genre de moyenne ). La question qui nous intéresse est cuivre ou alu ?!
Bien entendu si on prend une donnée brute le cuivre conduit mieux la chaleur cependant comme à chaque fois c’est bien plus complexe que cela.
Souvent les radiateurs cuivres utilisent des tubes plus petits, ce qui occasionne des pertes entre les intercalaires ( ailettes) et les tubes

Nous voyons donc sur cette image le radiateur aluminium en haut et la configuration générale des radiateurs cuivre dessous. Les lettres B indiquent la perte de contact avec le tube et donc une perte de refroidissement. C’est le cas par exemple sur les radiateurs d’origine d’A310 4 cylindres et Alpine A110.

Le contact entre les ailettes et le tube n’est pas réalisé de la même manière entre un faisceau cuivre et un faisceau aluminium, il est moins bon sur le faisceau cuivre. A surface égale d’échange ( pas la surface frontale) et dans les meilleures conditions on aura un coefficient d’échange supérieur d’environ 25 à 28% pour le cuivre. En pratique ce n’est pas le cas, un faisceau dit “cuivre” ne l’est jamais en totalité. On parle de faisceau “copper/brass” donc cuivre et laiton. Les intercalaires sont en cuivre mais les tubes en laiton et la conductivité thermique est bien différente: 370 W/m.°C pour les ailettes et 120 W/m.°C pour les tubes la conductivité thermique est 3 fois moins bonne que sur les intercalaires , on arrive en pondérant à un coefficient de 325w/m².C. On ajoute à ça une différence de la hauteur des ailettes, celle radiateur cuivre sont en général plus petites, on a donc une surface d’échange réduite.


Voila la photo d’un faisceau de radiateur tronçonné de R21 Turbo , voit très nettement la différence de matériau entre tube et intercalaire.




Pour comparer tout ça il faut faire le calcul

Voici l’exemple sur 3 radiateurs R21 Turbo qui pourrait sembler identique mais il n’en n’est rien

Pour réellement les comparer, il faut prendre quelques mesures : hauteur des ailettes, le pitch donc l’espacement et le nombre de rang, nombre de tube et leurs dimensions. Ainsi nous pouvons calculer leur surface d’échange.

Les 3 radiateurs ont la même hauteur et largeur à savoir 670 x 290mm

1er modèle : le radiateur R21 Turbo d’origine
Il compte 33 rangées d’intercalaire et 32 tubes – épaisseur 23 mm
Le pitch ( écart entre ailette est de 2.54 environ) – Nous avons 263 ailettes / rangée
La hauteur d’ailette est de 6.80mm ( voir calcul plus haut) on arrive donc à une surface d’ailette
de 6.91mm x 23mm x 4 ( cf au dessus pourquoi 4) = 580mm² / ailette d’où 5,8cm² x 263 x 33 = 50338cm² soit 5.03m²

S’ajoute à ça les tubes :
23mmx670mm x 2 ( haut dessus du tube et en dessous) = 30820mm² soit 308cm²
308cm² x 32 = 0.98m²
Par conséquent la surface d’échange totale est de 5.03 + 0.98 = 6m²

2eme modèle : le radiateur R21 Turbo cuivre d’aftermarket….
Il compte 35 rangées d’intercalaires et 34 tubes – épaisseur 15mm
Le pitch est de 2.90 – Nous avons 230 ailettes/ rangée.
La hauteur d’ailette est de 5.64 la surface d’ailette est donc de
5.82x15x4= 349mm²/ ailettes d’où 3.49cm² x 230×35 = 28094mm² soit 2.80m² …. IMPRESSIONNANT on a quasiment 2 fois moins de surface d’échange!

S’ajoute à ça les tubes :
15mmx670mm x 2 ( haut dessus du tube et en dessous) = 20100mm² soit 201cm²
201 x 34 = 0.68m²
Par conséquent la surface d’échange totale est de 2.80 + 0.68 = 3.48m²

3ème modèle le radiateur R21 Turbo aluminium
Il compte 30 rangées d’intercalaires et 29 tubes – épaisseur 26mm
Le pitch est de 2.90 Nous avons donc 230 ailettes / rangée
La hauteur d’ailette de 8.67 la surface d’ailette est donc de
8.67x26x4 = 901mm² soit 9.01cm² x 230 x 30 = 6221592mm² soit 6.22m²

S’ajoute à ça les tubes :
26mmx670mm x 2 ( haut dessus du tube et en dessous) = 34840mm² soit 3,48cm²
3,48cm² x 29 = 1m²
Par conséquent la surface d’échange totale est de 6.22m² + 1m² = 7.22m²

Sur le radiateur aluminium R21 Turbo nous avons une surface d’échange plus importante ce qui est tout à fait normal compte tenu d’une conductivité plus faible sur les intercalaires mais comme nous le disions un peu plus haut les tubes laiton ont une conductivité thermique beaucoup plus faible environ 120W/m².C, les tubes alu eux ont une conductivité de 160w/m².C c’est environ 30% supérieur.

L’autre facteur à prendre compte sur le faisceau cuivre est sa corrosion. C’est d’ailleurs pour ça que l’intégralité des radiateurs cuivre sont peints afin de retarder l’arriver du vert de gris. Il semblerait que cette oxydation entache beaucoup la conductivité du cuivre, mais à ce jour malgré de nombreuses recherches il nous a été impossible de trouver une étude scientifique sur le sujet.
L’autre forme de corrosion qui atteint les radiateurs cuivre/laiton est la corrosion galvanique. C’est justement la présence de plusieurs métaux qui entraîne la dégradation de ceux ci, elle existe également quand le radiateur est en contact avec le châssis.
Voila comment elle se forme schématiquement. Il faut donc veiller à toujours monter votre radiateur isolé de tout contact électrique.

Le débit d’air

L’autre point important du transfert c’est le débit d’air. Vous aurez beau avoir la plus grande surface possible si une quantité d’air trop faible la traverse vous aurez un mauvais échange. Au début nous avons comparé ce transfert de chaleur à une course de relais, et nous avions vu avec l’histoire des bouteilles que l’air a une capacité plus faible à récupérer de la chaleur que l’eau/éthylène glycol à la céder.
Il faut donc assurer un bon débit d’air.
D’ailleurs on s’aperçoit facilement de cette nécessité dans les bouchons où la température grimpe très rapidement, entraînant la mise en route du ventilateur ( convection forcée), on augmente le débit d’air. A l’inverse dans une descente avec une charge moteur faible, la quantité d’air est importante la température chute immédiatement.

Il y a eu de nombreuses études sur le sujet, et une certitude existe, une partie de l’air qui pénètre dans la baie moteur ne traverse pas le radiateur.
Il y a une déviation du flux, il est donc très important, de bien remettre en place les “plastiques” entourant le radiateur, écope et autre guide d’air.
Certains avancent que seulement un tiers de l’air traverserait le radiateur quand il est exposé sans guide d’air, nous n’avons pas encore pu vérifier cette donnée. Toujours est il que c’est d’une importance capitale. SI vous envisagez un montage de radiateur frontale sur votre R8 Gordini ou sur votre A110 par exemple, pensez également à canaliser l’air.

La qualité du liquide de refroidissement :

On se demande bien comment un liquide de refroidissement peut intervenir sur la température…en fait c’est toujours notre histoire de chaleur spécifique.

Prenons 2 fluides, l’eau et l’eau/éthylène glycol à 30%

Eau : sa chaleur spécifique est de 4186 Joules/Kg.°C ( dans les conditions normales de pression et température – CNTP)
C’est à dire que pour augmenter la température d’un degrés d’un kilo d’eau il faut 4186 Joules.

Eau/éthylène glycol à 30% : sa chaleur spécifique est de 3672 Joules/Kg.°C ( sa masse volumique est un peu différente de l’eau mais pour une meilleure compréhension on va les considérer identique)

On voit clairement que pour élever la température du mélange Ethylène/Glycol d’un degrés on a besoin de moins d’énergie, approximativement 13%. Dans le même temps l’énergie “perdue” par le moteur ( cf plus haut) ne change pas en fonction du liquide que vous mettez…elle est identique. On va donc se retrouver avec une température de liquide plus importante dans un moteur tournant au liquide de refroidissement qu’à l’eau. Plus le pourcentage de d’éthylène glycol sera important dans le mélange et plus l’augmentation de température le sera.
C’est d’ailleurs tout le problème des liquides de refroidissement sans eau, qui sont quasiment de l’éthylène glycol pur, l’augmentation des températures est d’environ 10°C.

On pourrait se contenter de faire circuler nos véhicules à l’eau, mais cela entraîne quelques problèmes tout de même. Il y a de fort risque de cavitation, ( autrement appelée corrosion dynamique). La vaporisation de l’eau à l’intérieur du moteur peut entraîner la formation de bulle de vapeur qui en éclatant détruisent les organes mécaniques ( trous caractéristiques dans les cylindres). C’est aussi pour cela qu’on pressurise les circuits, pour “décaler” la température d’ébullition. On ne parle même pas du risque de gel de l’eau avec des températures négatives…
Le mieux est sans doute d’avoir un liquide de refroidissement ayant un pourcentage moyen d’éthylène/glycol, avec des additifs tel que inhibiteur de corrosion.
La vérification de son bouchon de tarage, ainsi que de la bonne santé de calorstat est essentielle. Une température de liquide trop froide peut également avoir pour conséquence une cavitation.

L’encrassement

On l’oublie souvent mais l’encrassement d’un radiateur d’eau pour entraîner une hausse de plusieurs degrés du liquide de refroidissement.
En effet sa capacité d’échange diminue fortement.

Voici un exemple toujours sur notre faisceau de Radiateur de r21 turbo

Nous avons ouvert un tube et procédé à un rapide nettoyage sur la partie droite, on voit clairement réapparaître le laiton. Le dépôt formé sur la gauche a possiblement une épaisseur d’un dixième de millimètre.

Le facteur d’encrassement est d’ailleurs un des paramètres de calcul des échangeurs
Il faut changer régulièrement votre liquide de refroidissement pour éviter d’avoir ce genre de dépôt et autre boue.
Une fois le radiateur encrassé il est impossible de le nettoyer correctement, d’autant plus que le reste du circuit d’eau côté bloc moteur est lui aussi souvent remplit de boue.

Voila nous avons fait un tour général du refroidissement moteur. Nous avons à votre disposition de nombreux radiateurs aluminium pour Alpine A310 V6, R5 Turbo, Renault 5 Alpine Turbo etc… Il s’agit de développement Mespiecesauto, fabriqué sur la base des radiateurs d’origine pour un montage en lieu et place

Nous développons également les radiateurs sur mesure, n’hésitez pas à nous contacter pour un radiateur aluminium que ce soit sur Peugeot / Renault / Citroën ou autres marques nous sommes ouvert à tout développement.
Nous prendrons le temps de faire un étude de votre radiateur d’origine souvent cuivre, pour décliner sa version en radiateur aluminium

Et pour aller plus loin :

Si vous décidez de réellement vous intéresser à l’échange thermique voici quelques liens :

Le livre de Jacques PADET ” les échangeurs thermiques”, une bible mais très technique sur le calcul.
http://www.sft.asso.fr/Local/sft/dir/user-3775/documents/Ouvrages/Padet_Ech_Thermiques/

Ici un super site avec un calcul détaillé – dimensionnement du radiateur
http://hmf.enseeiht.fr/travaux/CD9900/travaux/optemf/moteur/refre.htm

Si vous maîtrisez un peu la langue de Shakespeare voici la superbe chaîne Youtube de Joshua Meyer, avec des leçons et exercices sur les échangeurs
https://www.youtube.com/user/HeatTransferUP/videos


Bibliographie pour l’article:

Jacques Padet – Les échangeurs thermiques
Aurelien Buteri – Thèse Etude de l’endommagement en fatigue d’alliages d’aluminium brasés pour échangeurs thermiques
Marion d’hondt – Etude théorique, expérimentale et numérique de l’écoulement de refroidissement et ses effets sur l’aérodynamique automobile
Jean pierre Moranne – Refroidissement des moteurs à combustion Jean pierre Moranne




















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