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Refroidissement d'air de suralimentation

Vous trouverez ici les connaissances de base utiles et des conseils pratiques concernant le refroidissement d'air de suralimentation.

Les turbocompresseurs amènent plus d'air de combustion dans les cylindres. Cependant, l'air est chauffé lors de la compression et cela a aussi des inconvénients. C'est la raison pour laquelle tous les moteurs suralimentés sont équipés d'un refroidissement d'air de suralimentation. Découvrez sur cette page comment fonctionnent ces systèmes et avec quelles astuces techniques les ingénieurs de conception réussissent à répondre aux exigences actuelles et futures dans le domaine du refroidissement d'air de suralimentation. Vous y trouverez également des conseils pratiques pour remplacer un refroidisseur d'air de suralimentation.

Consigne de sécurité importante
Les informations techniques et les conseils pratiques compilés ci-après ont été rédigés par HELLA afin de fournir une aide professionnelle aux ateliers de la réparation automobile dans le cadre de leurs activités. Toutes les informations mises à disposition sur ce site sont destinées à être exploitées uniquement par des professionnels qualifiés.

 

CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT DE L'AIR DE SURALIMENTATION: BASES

Les tendances à l'augmentation de la puissance du moteur et au "downsizing" (réduction) conduisent, sur les VL, à une part croissante de moteurs suralimentés, la suralimentation s'effectuant aujourd'hui principalement avec d'air de suralimentation refroidi. La plus grande densité d'air de suralimentation ainsi obtenue permet d'augmenter la puissance et le rendement du moteur. Mais il n'y a pas que la part des moteurs suralimentés qui augmente, il y a aussi - en raison des baisses de consommation et d'émissions toujours nécessaires - les exigences de capacité de refroidissement d'air de suralimentation. Celles-ci peuvent être satisfaites par un refroidissement d'air de suralimentation avec un liquide de refroidissement à la place de l'air. 

 

Mais en raison des coûts du système, cette technologie était jusqu'à présent réservée aux véhicules légers haut de gamme. De nouveaux développements permettent également une régulation du refroidissement d'air de suralimentation. Cela permet, en plus des émissions de NOx, de diminuer aussi les émissions de HC et d'augmenter l'efficacité du post-traitement des gaz d'échappement. 

 

En plus de l'augmentation de la puissance de refroidissement s'ajoute une autre exigence envers le refroidissement d'air de suralimentation : la thermorégulation de l'air du processus du moteur par la régulation du refroidissement d'air de suralimentation. 

 

La thermorégulation devient nécessaire en raison des exigences croissantes concernant le post-traitement des gaz d'échappement. La température d'air de suralimentation tient ici un rôle important. Le refroidissement d'air de suralimentation par liquide de refroidissement offre donc aussi des avantages déterminants sur les VU.

 

Types :
Refroidissement par air et refroidissement par liquide. Direct et indirect.

 

Fonctionnement :
Augmentation de la puissance du moteur par augmentation de la densité d'air (plus d'air de combustion, taux d'oxygène plus élevé).

 

Caractéristiques :

  • Augmentation de la puissance de refroidissement dynamique
  • Amélioration du rendement du moteur par l'augmentation de la densité d'air de suralimentation
  • Baisse de la température de combustion, d'où amélioration des valeurs de gaz d'échappement
  • Moins d'oxydes d'azote entre -40 °C et 160 °C
  • Pression d'essai = 20 bars avec une pression d'éclatement de 50 bars

TURBOCOMPRESSEUR: BASES

La puissance d'un moteur à combustion dépend de la quantité de carburant brûlée. Sur les moteurs à essence, 1 kg de carburant nécessite 14,7 kg d’air pour la combustion complète. Il s'agit du rapport stoechiométrique. La suralimentation des moteurs à combustion constitue un moyen efficace d'augmenter la puissance.

Suralimentation par turbocompresseur
VIDÉO RELATIVE AU THÈME

Remplacement du refroidisseur d'air de suralimentation après une panne du turbocompresseur

Remplacement du refroidisseur d'air de suralimentation après une panne du turbocompresseur.

 

00.57 min

REFROIDISSEMENT DIRECT ET INDIRECT DE L'AIR DE SURALIMENTATION: FONCTIONNEMENT

Dans les VL, le besoin croissant de puissance de refroidissement fait face à des restrictions croissantes d'encombrement dans le bloc avant du véhicule. Aujourd'hui, ce sont les refroidisseurs d'air de suralimentation compacts les plus courants. Le passage du refroidisseur d'air de suralimentation compact à un refroidisseur doté d'une grande surface et monté en amont du radiateur de refroidissement, solution standard utilisée sur les grands véhicules utilitaires, offre une solution au problème constitué par la faible profondeur de montage. L'utilisation de cette conception augmente en conséquence. Ceci n'est toutefois pas possible dans de nombreux véhicules car l'espace requis est déjà occupé ou n'est plus disponible en raison d'autres exigences, comme la protection des piétons. Le conflit entre l'encombrement et le besoin de performance peut être résolu avec deux nouveaux systèmes : le refroidissement préalable d'air de suralimentation et le refroidissement indirect d'air de suralimentation.

Refroidissement direct d'air de suralimentation

En utilisant le nouveau pré-refroidisseur d'air de suralimentation, alimenté avec du liquide de refroidissement du circuit moteur, une partie de la chaleur d'air de suralimentation est transférée du refroidisseur d'air de suralimentation au radiateur de refroidissement. Puisque la chaleur supplémentaire d'air de suralimentation, qui est produite suite à l'augmentation de la puissance, est évacuée de cette manière par le pré-refroidisseur, le concept d'un refroidisseur d'air de suralimentation en forme de bloc peut être conservé. Le pré-refroidisseur d'air de suralimentation, également un refroidisseur compact, est placé entre le turbocompresseur et le refroidisseur d'air de suralimentation par air. Le refroidissement préalable d'air de suralimentation permet d'augmenter sensiblement la performance d'un concept existant. L'encombrement nécessaire d'un refroidisseur d'air de suralimentation par liquide de refroidissement correspond à 40 - 60 % de celui d'un refroidisseur par air.

La deuxième possibilité de résoudre le conflit entre l'encombrement et le besoin de puissance réside dans l'utilisation du refroidissement indirect d'air de suralimentation.

Refroidissement indirect d'air de suralimentation

Sur les VL, ce système de refroidissement est généralement composé d'un circuit complet de liquide de refroidissement, indépendant du circuit de refroidissement moteur. Un radiateur de refroidissement basse température et un refroidisseur d'air de suralimentation par liquide de refroidissement sont intégrés dans ce circuit. La chaleur d'air de suralimentation est tout d'abord transmise au liquide de refroidissement, puis évacuée dans l'air ambiant via le radiateur de refroidissement basse température. Ce radiateur est situé dans le bloc avant du véhicule où se trouve le refroidisseur d'air de suralimentation par air pour le refroidissement habituel réalisé par air.

Comme le radiateur de refroidissement basse température occupe nettement moins de place qu'un refroidisseur d'air de suralimentation par air comparable, cela dégage de l'espace dans le bloc avant. En outre, les conduits d'air de suralimentation volumineux entre le bloc avant et le moteur disparaissent. Globalement, l'intégration dans le bloc avant est nettement simplifiée, ce qui améliore d'autant l'écoulement d'air de refroidissement à travers le compartiment moteur.

 

Par rapport au refroidissement préalable d'air de suralimentation (direct), le refroidissement indirect d'air de suralimentation produit les effets positifs suivants :

  • Chute de pression d'air de suralimentation nettement réduite
  • Dynamique moteur améliorée grâce à un volume d'air de suralimentation plus faible
  • Augmentation de la puissance de refroidissement dynamique
  • Amélioration du rendement du moteur par l'augmentation de la densité d'air de suralimentation

THERMORÉGULATION DE L'AIR POUR L'OPÉRATION DE COMBUSTION DANS LE MOTEUR

Après un démarrage à froid et également à températures extérieures extrêmement basses, il est judicieux de désactiver le refroidissement d'air de suralimentation pendant le trajet. Le moteur et le catalyseur atteignent alors très vite une température de fonctionnement optimale, ce qui donne moins d'émissions de démarrage à froid, principalement d'hydrocarbures (HC). Sur un refroidisseur d'air de suralimentation par air, ceci s'avère complexe car un by-pass côté air de suralimentation est nécessaire. En revanche, avec le refroidissement indirect d'air de suralimentation, une simple régulation du débit volumétrique du liquide de refroidissement permet non seulement de désactiver le refroidissement d'air de suralimentation, mais aussi de réguler sa température. En reliant le circuit de liquide de refroidissement d'air de suralimentation et celui du refroidissement moteur et en régulant intelligemment les débits de liquide de refroidissement, le refroidissement indirect d'air de suralimentation peut servir pour la thermorégulation d'air de suralimentation. Le refroidisseur d'air de suralimentation peut être traversé soit par du liquide de refroidissement chaud du circuit moteur, ou par du liquide de refroidissement froid du circuit basse température.

 

La régulation de la température d'air de suralimentation est importante pour le traitement postérieur des gaz d'échappement par des filtres à particules et des catalyseurs. Ces deux éléments nécessitent une température spécifique mini de gaz d'échappement pour assurer un fonctionnement optimal. Sur le catalyseur, cette température minimale est identique à sa "température d'amorçage" ; pour le filtre à particules, elle est identique à la température de régénération qui est nécessaire à la combustion de la suie qui s'est déposée. Lorsque le véhicule est en charge partielle (circulation urbaine, stop-and-go), ces températures de gaz d'échappement ne sont pas toujours atteintes. Même dans ces cas-là, les émissions peuvent être réduites par une désactivation du refroidissement ou même un réchauffement d'air de suralimentation car dans chaque cas, la température des gaz d'échappement s'en trouve augmentée. Le moyen le plus simple de réaliser les deux options est le refroidissement indirect d'air de suralimentation.

REMPLACEMENT DU REFROIDISSEUR D'AIR DE SURALIMENTATION: VIDÉO

Remplacement du refroidisseur d'air de suralimentation

Remplacement du refroidisseur d'air de suralimentation y compris démontage et montage.

 

01.27 min

DESIGN MODERNE POUR DES EXIGENCES ÉLEVÉES: BON À SAVOIR

Comparaison des performances des nouveaux concepts

L'avantage de performance pouvant être atteint des nouveaux concepts de refroidissement préalable d'air de suralimentation et de refroidissement indirect d'air de suralimentation se voit en comparaison avec les refroidisseurs d'air de suralimentation compacts courant aujourd'hui ainsi qu'avec les refroidisseurs d'air de suralimentation d'une grande surface plus performants :

  • le refroidissement d'air de suralimentation est nettement amélioré ;
  • dans le cas du refroidissement indirect d'air de suralimentation, la perte de pression d'air de suralimentation est de plus réduite de façon significative.

Refroidisseur d'air de suralimentation pour des exigences de résistance plus élevées

Les contraintes croissantes des refroidisseurs d'air de suralimentation en ce qui concerne les pressions et les températures exigent un nouveau design et de nouvelles matières pour la matrice du radiateur et les chambres de récupération. Dans le cas des VL, l'air de suralimentation a aujourd'hui une température de jusqu'à 150 °C et une pression de 2,2 bar lorsqu'elle pénètre le radiateur radiateur. À l'avenir, les températures vont augmenter jusqu'à env. 200 °C et les pressions jusqu'à 3 bas. Pour répondre à ces exigences, les chambres de récupération sont fabriquées en plastique résistant à la chaleur. Ou bien le refroidisseur d'air de suralimentation, y compris les chambres de récupération, est entièrement fabriqué en aluminium.

 

Pour les véhicules utilitaires, il faut s'attendre à des contraintes encore plus importantes. Par rapport à 200 °C et 3 bar aujourd'hui, il faut s'attendre à 260 °C et jusqu'à 4 bar suite aux valeurs limites d'émissions EURO 5 plus basses. Grâce aux modifications de la construction des refroidisseurs d'air de suralimentation, le niveau de tension atteint à cause de la contrainte de compression est baissé de sorte qu'il puisse sans problème supporter ces contraintes plus élevées. Grâce à sa forme compacte, le refroidisseur d'air de suralimentation à liquide de refroidissement offre un potentiel supplémentaire pour l'augmentation de la résistance.