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1. Système de climatisation - a/c

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Principes élémentaires du fonctionnement d’un système de climatisation de véhicule

Ce que nous essaierons de décrire, dans un langage simple, c’est comment le système de climatisation fonctionne sur un véhicule et ce qu’il se produit lorsque nous appuyons sur le bouton « A/C » sur le tableau de bord du véhicule.

Le principe élémentaire de fonctionnement de tous les systèmes de refroidissement, étant le congélateur ménager, le système de climatisation dans notre bureau ou celui intégré dans notre véhicule est le même. Les processus fondamentaux au travail sont quatre principes basiques de la physique que nous avons tous probablement rencontrés dans la vie quotidienne, la Densification, l’Expansion, l’Évaporation et la Liquéfaction.

Densification

Lorsque vous pompez une roue de vélo, le corps de la pompe où l’air est comprimé au-dessus de la pression dans la roue, causant le transfert de l’air dans la roue se réchauffe. Alors que la roue se gonfle et que plus d’efforts sont nécessaires pour comprimer l’air à une pression encore plus élevée, la pompe se réchauffe davantage. La roue s’échauffe également par les gaz chauds existants pénétrant à travers la vanne.

Expansion

Lorsque vous évacuez une bombe d’aérosol, le corps de la bombe se refroidit en raison de la pression réduite dans la bombe tandis que le contenu liquide est évacué en se transformant en gaz.

Évaporation

L’ancienne astuce des navigateurs pour trouver la direction du vent en trempant un doigt et en sentant quel côté est froid à travers le débit d’air passant.

Liquéfaction

À chaque fois que de l’air humide touche une surface fraîche telle que la surface extérieure d’un verre de bière froide glacée, la chaleur provient de l’air et est transférée à la surface froide en réduisant sa température, transformant de nouveau la vapeur d’eau en des gouttes liquides d’eau.

Le système de climatisation dans notre véhicule possède des composantes spécifiques qui emploient les procédés physiques ci-dessus afin de réduire la température de l’air circulant dans la cabine du véhicule. En plus de refroidir l’air, le système de refroidissement dispose de l’avantage supplémentaire d’enlever l’excès d’humidité de l’air pénétrant dans la cabine en réduisant la quantité de liquéfaction qui se forme dans les fenêtres des voitures, améliorant ainsi la visibilité du conducteur.

Éléments fonctionnels d’un système de climatisation de véhicule

Dirigeons-nous maintenant vers les mécanismes d’un climatiseur automobile et comment les principes ci-dessus sont appliqués. Nous prendrons composante par composante.

Compresseur : Il s’agit du cœur du système de climatisation. Le compresseur à dimension semblable à celle de l’alternateur électrique des véhicules peut normalement être identifié comme la composante siégeant en bas dans le compartiment moteur entraîné par les courroies du moteur via une poulie et connecté au reste du système de climatisation par deux flexibles renforcées. Lorsque vous allumez le climatiseur dans votre voiture, un circuit électrique actionne un embrayage dans la poulie des compresseurs permettant au compresseur de démarrer le pompage du gaz réfrigérant dans le reste du système sous une pression extrêmement élevée. En augmentant la pression, le gaz réfrigérant quittant le compresseur devient chaud.

Condenseur : Le condenseur est identifiable comme étant le second radiateur qui partage le débit d’air avec le principal radiateur de liquide moteur. Le condensateur aura normalement son/ses propre/s ventilateur/s de refroidissement électrique/s qui devient/nent actif/s lorsque le système de climatisation est allumé. Le condenseur recueille le gaz réfrigérant chauffé à haute pression du compresseur et le refroidit. La condensation du gaz réfrigérant dans un liquide libère la chaleur dans le procédé. Cette chaleur est expulsée dans l’atmosphère par l’écoulement de l’air à travers le condenseur.

Récepteur ou Sécheur : Il est identifiable comme étant un petit réservoir ou cartouche siégeant en ligne avec la buse de sortie du condenseur. Ici, toute humidité ayant contaminé le réfrigérant est capturée. Si l’humidité ou d’autres contaminants ont le droit de circuler, ils peuvent endommager le système de climatisation et les cristaux de glace formés provoquent des blocages.

Vanne d’expansion : Le réfrigérant près des flux dans la vanne d’expansion où la pression est réduite, provoquant le retour du liquide en gaz ce qui mène à un refroidissement rapide de la vapeur de refroidissement. Souvent dans les journées humides, de la glace est visible, permettant au tuyau de fonctionner immédiatement après la vanne d’expansion.

Évaporateur : Cette composante est rarement vue par des personnes autres que les ingénieurs de service, car elle est profondément enterrée sous le tableau de bord du véhicule et partage l’espace occupé par le système de chauffage de la cabine. Ici, la vapeur du réfrigérant hautement refroidie absorbe la chaleur de l’air dans la voiture en poussant l’air de l’extérieur ou l’air recyclé de l’intérieur de la cabine de l’extérieur de l’air froid circulant de l’évaporateur super refroidi dans la cabine du véhicule.

Tuyaux A/C : Ces composantes sont reliées à toutes les composantes avec des conditions de température et de pression différentes. Le matériau en caoutchouc doit être personnalisé en fonction des réfrigérants et des huiles connexes utilisés. Plusieurs solutions sont disponibles pour une performance NVH (nuisances acoustiques et vibratoires) améliorée basée sur l’intégralité des performances de vibration des systèmes.

RÉFRIGÉRANTS R12, R134A, R1234YF

Il existe encore de nombreux véhicules sur le marché comprenant des systèmes de climatisation originalement conçus pour le réfrigérant R12. 2001 était la date finale officielle pour le R12 dans les systèmes de climatisation des véhicules. À compter de cette date, le système R12 a dû être transformé lors des travaux d’entretien ou de réparation. R134a était et est utilisé comme réfrigérant de rechange en plus de plusieurs réfrigérants « en cas de défaillance » (mélanges de réfrigérants).

R134a dispose d’un PRC (potentiel de réchauffement climatique) élevé de 1430. Avec la Directive CE 2006/40/CE, il a été décidé de n’utiliser que les réfrigérants avec un PRC inférieur à 150 à l’avenir. Ainsi, les systèmes de climatisation des véhicules de classe M1 (voitures passagers, véhicules pour le transport de passagers avec un maximum de 8 sièges) et de classe N1 (véhicules commerciaux avec une limite de poids brute de plus de 3.5 tonnes), pour lesquels l’approbation type est émise dans l’UE à partir du 01.01.2011, ne peuvent plus être remplis de R134a. À partir du 01.01.2017, les véhicules remplis de R134a ne peuvent plus être initialement dotés d’une approbation de type. Cependant, l’utilisation du R134a sera ultérieurement permise pour les travaux d’entretien et de réparation sur les systèmes R134a existant déjà. Le R1234 avec un PRC de 4, doit être utilisé comme nouveau réfrigérant. Toutefois, l’utilisation d’autres réfrigérants est possible, à condition que les valeurs PRC soient inférieures à 150. Il reste à voir dans quelle mesure tous les fabricants automobiles passeront à des réfrigérants semblables ou différents.

2. SYSTÈME DE DIRECTION ASSISTÉE HYDRAULIQUE - D/A

Le système de direction assistée dans votre véhicule vous permet de diriger votre véhicule dans la direction de votre choix. La direction assistée est vraiment une direction « assistée électriquement ». La direction « assistée électriquement »vous permettra de diriger votre véhicule manuellement lorsque le moteur n’est pas en marche ou si vous rencontrez une panne dans le système de direction assistée qui le désactive.

La direction assistée utilise une pompe hydraulique fonctionnant en dehors d’une courroie entraînée par le moteur, cette pompe permet une petite quantité de fluide sous pression. Cette pression aide à son tour le mécanisme de direction dans la direction des roues alors que vous tournez le volant. Le système de direction assistée comprend essentiellement une pompe, un fluide de direction assistée, un assemblage de flexibles de pression, une vanne de contrôle et un conduit de retour.

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Voici deux types basiques de systèmes de direction assistée utilisés sur les véhicules. Le système de direction crémaillère et le système de transmission conventionnel/intégral, aussi connu comme étant un système de direction à recirculation de billes. Le système de direction crémaillère est le système de direction électrique le plus fréquemment utilisé dans les véhicules d’aujourd’hui. L’arbre de direction fait tourner un engrenage qui fait bouger l’armoire d’un côté vers l’autre, en utilisant une unité électrique intégrée directement dans l’ensemble de support. Le système de transmission est généralement utilisé le plus souvent sur les camions, il dispose d’une série de billes en acier qui agissent comme des fils de roulement entre l’arbre de direction et la crémaillère de piston. L’arbre du volant est relié à un ensemble de support et à une série de liens et/ou bras qui tournent les roues vers la gauche ou la droite.

La direction assistée aide le conducteur d’un véhicule à conduire en dirigeant une certaine puissance pour permettre le pivotement des roues dirigées sur leur axe de direction. Alors que les véhicules sont devenus plus lourds et sont passés à la traction avant, en utilisant en particulier une géométrie décalée négative, avec des augmentations dans la largeur et le diamètre des roues, l’effort nécessaire pour tourner les roues sur leur axe de direction s’est accru, souvent au point où un exercice physique majeur serait indispensable en cas de non assistance électrique. Pour alléger ceci, les fabricants d’automobiles ont développé des systèmes de direction assistée ou une direction assistée plus correcte – sur les véhicules routiers, il doit y avoir une fuite mécanique de sécurité. Il existe deux types de systèmes de direction assistée, hydraulique et électrique/électronique. Un système hybride hydraulique-électrique est également possible.

Une direction assistée hydraulique (DAH) utilise une pression hydraulique fournie par une pompe entraînée par moteur pour assister le mouvement de pivotement du volant. Les PC et LDV les plus récents utilisent maintenant la direction assistée électrique (DAE) tandis que la DAH est toujours très appliquée dans le marché MD et HD.

3. SYSTÈME DE COMBUSTIBLE

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La fonction du système de combustible du véhicule est de stocker et de fournir du carburant au moteur. Le système d’entrée du moteur est là où le carburant est mélangé à l’air, atomisé et vaporisé. Il peut ensuite être comprimé dans le cylindre du moteur et enflammé pour produire de l’énergie ou de l’électricité. Bien que les systèmes de combustible varient d’un moteur à un autre, tous les systèmes sont les mêmes du fait qu’ils doivent fournir du carburant à la chambre de combustion et contrôler la quantité de carburant fournie par rapport à la quantité d’air.

Le carburant est stocké dans le réservoir de carburant et la pompe de carburant aspire le carburant du réservoir. Il voyage ensuite à travers les tuyaux de combustible et est distribué au moyen d’un filtre de carburant aux injecteurs de carburant (les carburateurs et injection de boîtier papillon ont été utilisés sur les véhicules plus vieux).Tandis que le carburant est distribué, les conditions finales de fourniture de combustion complète sont l’atomisation et la répartition de pulvérisation du carburant. L’atomisation est accomplie en résultat de la pression d’injection, à cause en partie du diamètre des trous de l’injecteur. L’entretoise, l’angle et le nombre de trous dans l’embout de l’injecteur déterminent la répartition de pulvérisation.

Selon si le système de combustible de vos véhicules est un système de type retour ou de type sans retour, la pression du carburant est régulée différemment. Un système de combustible de type retour dispose d’un régulateur de pression de carburant qui varie la pression du carburant en fonction du vide provenant du système de prise. Ceci pour que la pression du carburant et le débit de carburant qui atteignent les injecteurs restent constamment pareils. Alors que le système de type sans retour utilise le module de commande du groupe motopropulseur (PCM) pour réguler la distribution de carburant, il y a un capteur de pression de carburant installé sur la rail de distribution des injecteurs de carburant pour permettre au PCM de contrôler la pression du carburant. Lorsque la pression et écoulement du carburant commencent à chuter en raison de l’augmentation de la vitesse ou de la charge du moteur, le PCM est compensé en augmentant la durée de l’injecteur et/ou la vitesse opérationnelle de la pompe de carburant.

Ci-après un type possible de carburants de moteur alternatif de carburant standard (avec un % différent d’alcool) et de gazole.

  • EMC : Ester méthylique d’huile de colza
  • EMS : Ester méthylique d’huile de soja
  • EMP : Ester méthylique d’huile de palme
  • EMC : Ester méthylique d’huile de coco
  • GNC : Gaz naturel comprimé
  • GPL : Gaz de pétrole liquéfié
  • CVL : Charbon vers liquide
  • GVL : Gaz vers liquide
  • BVL : Biomasse vers liquide

4. REFROIDISSEMENT PAR L’HUILE DE TRANSMISSION – RHT (TOC)

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Le refroidissement par l’huile est l’utilisation de l’huile de moteur en tant que liquide, pour enlever généralement le surplus de chaleur du moteur à combustion interne. Le moteur chaud transfère la chaleur à l’huile qui passe normalement à travers un échangeur thermique, généralement un type de radiateur connu sous le nom de refroidisseur d’huile. L’huile refroidie revient dans l’objet chaud pour le refroidir constamment.

Si un refroidissement par air s’avère suffisant pour une majeure partie de la durée de fonctionnement (comme un aéromoteur en vol, ou une moto en mouvement), le refroidissement par l’huile constitue alors la solution idéale pour ces moments où un refroidissement supplémentaire est nécessaire.

Les refroidisseurs de transmission sont une solution simple pour permettre la prolongation de la durée de vie de la transmission. La chaleur de la transmission est la raison primaire de la défaillance de celle-ci. Les applications en haute performance comme le remorquage et les moteurs à couple élevé peuvent réchauffer la transmission et neutraliser les fluides. Le fluide de transmission fonctionne au mieux à des températures plus basses.

Puisque votre transmission automatique travaille plus dur lorsque vous remorquez, elle peut devenir plus chaude, et la chaleur constitue l’un des ennemis majeurs de votre transmission. Un refroidisseur de transmission alternatif peut empêcher votre transmission de trop se réchauffer, vous permettant d’obtenir la meilleure performance et un long cycle de vie.
Le fluide chauffé par la transmission, le moteur ou la pompe de direction assistée coule dans le refroidisseur. L’air circulant sur les nervures du refroidisseur refroidit le fluide, qui est ensuite acheminé vers la transmission, le moteur ou la pompe de direction assistée dans la boucle continue à travers le conduit de retour.

5. RÉDUCTION CATALYTIQUE SÉLECTIVE - SCR

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La Réduction catalytique sélective (SCR) est un système technologique de contrôle des émissions actif avancé qui injecte un agent réducteur de liquide à travers un catalyseur spécial dans le courant de gaz d’échappement d’un moteur diesel. La source réductrice est normalement connue sous le nom d’AdBlue. L’AdBlue met en route une réaction chimique qui convertit les oxydes d’azote en azote, eau et minuscules quantités de dioxyde de carbone (CO2), composants naturels de l’air que nous respirons, qui est ensuite rejetée à travers l’échappement des véhicules.

La technologie SCR est conçue pour permettre aux réactions de réduction (NOx) d’oxyde d’azote de se produire dans une atmosphère oxydante. On l’appelle « sélective » car elle réduit les niveaux d’NOx en utilisant de l’ammoniaque en tant que réducteur dans un système catalyseur. La réaction chimique est connue comme étant la « réduction » où l’AdBlue constitue l’agent de réduction qui réagit avec les NOx pour transformer les polluants en azote, eau et minuscules quantités de CO2. L’AdBlue peut rapidement être brisé pour produire de l’ammoniaque oxydant dans le courant des gaz d’échappement. La technologie SCR seule peut atteindre jusqu’à 90 % des réductions d’NOx sur le moteur diesel.

Le système SCR est composé des éléments suivants :

  • Réservoir d’AdBlue et col de remplissage
  • Pompe – Module de fourniture
  • Système de chauffage
  • Vanne de ventilation et tuyau
  • Capteur d’ammoniaque
  • Conduit d’alimentation (chauffé ou non chauffé)
  • Pompe de dosage
  • Mixeur
  • Injecteur de dosage
  • Commande MCE
  • Chauffage et capteur MCE
  • Catalyseur SCR

6. SYSTÈME DE REFROIDISSEMENT D’EAU DU MOTEUR

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Le refroidissement par l’eau est une méthode d’évacuation de la chaleur de certains éléments chauds du moteur. Contrairement au refroidissement par air, l’eau est utilisée comme conducteur thermique. Le refroidissement par l’eau est communément utilisé pour refroidir les moteurs à combustion.

Les moteurs thermiques génèrent une puissance mécanique en extrayant l’énergie des flux de chaleur, tel que la roue à aubes extrait la puissance mécanique d’un flux de masse s’écoulant à une certaine distance. Les moteurs font l’objet de pertes de chaleur, une grande partie de l’énergie thermique qui pénètre dans le moteur s’évacue en puissance mécanique, la différence est la chaleur perdue à évacuer. Les moteurs à combustion internes évacuent la chaleur à travers l’entrée d’air frais, les gaz d’échappement chauds et le refroidissement de moteur rapide.

Les moteurs à plus haute efficacité disposent de plus d’énergie en mouvement mécanique et de moins de chaleur perdue. Une certaine chaleur perdue est essentielle, elle guide la chaleur à travers le moteur, autant que la roue à aubes fonctionne seulement en présence de vitesse de sortie (énergie) dans l’eau perdue pour l’évacuer et laisser de l’espace à plus d’eau. Ainsi, tous les moteurs thermiques ont besoin de refroidissement pour fonctionner.

Le refroidissement est également nécessaire car les températures élevées abîment les matériaux et lubrifiants du moteur. Le refroidissement devient plus important lorsque le climat devient très chaud. Les moteurs à combustion interne brûlent le carburant plus chaud que la température de fusion des matériaux du moteur, et assez chaud pour enflammer les lubrifiants. Le refroidissement du moteur évacue l’énergie assez vite pour garder des températures basses pour permettre au moteur de survivre.

Certains moteurs à haute efficacité fonctionnent sans refroidissement rapide et avec seulement une perte de chaleur accessoire, un design appelé adiabatique. Ces moteurs peuvent atteindre une haute efficacité mais compromettent la sortie électrique, le cycle de service, le poids du moteur, la durabilité et les émissions.

Principes élémentaires

La plupart des moteurs à combustion interne sont refroidis par des fluides en utilisant de l’air (un fluide gazeux) ou un liquide s’écoulant à travers un échangeur thermique (radiateur) refroidi par l’air. Ainsi, le liquide de refroidissement du moteur peut s’écouler à travers un échangeur thermique refroidi par le corps de l’eau.

La plupart des moteurs refroidis par liquide utilisent un mélange d’eau et de produits chimiques tels que l’antigel et les inhibiteurs de poussière. Le terme industriel pour le mélange antigel est le liquide de refroidissement. Certains antigels n’utilisent aucune eau, au lieu d’utiliser un liquide avec différentes propriétés tel que le glycol de propylène ou une combinaison de glycol de propylène et de glycol d’éthylène. La plupart des moteurs « refroidis par air » utilisent un certain liquide de refroidissement, pour maintenir des températures acceptables pour les pièces de moteur critiques et l’huile elle-même. La plupart des moteurs « refroidis par air » utilisent un certain liquide de refroidissement, avec la course d’entrée du refroidissement par air pour la chambre à combustion.

Il y a beaucoup d’exigences sur les systèmes de refroidissement. Une exigence clé est d’alimenter adéquatement l’intégralité du moteur, car tout le moteur tombe en panne si seulement une pièce surchauffe. Cependant, il est vital que le système de refroidissement garde toutes les pièces à des températures basses adaptées. Les moteurs refroidis par liquide peuvent varier la dimension de leurs passages à travers le bloc moteur pour que le débit de liquide de refroidissement soit adapté aux besoins de chaque zone. Les emplacements à pics de température (îles étroites autour de la chambre à combustion) ou débit thermique élevé (autour des ports d’échappement) peuvent exiger un refroidissement généreux. Ceci réduit l’occurrence des points sensibles, qui sont plus difficiles à éviter avec le refroidissement par air. Les moteurs refroidis par air peuvent aussi varier leur capacité de refroidissement en utilisant des ailettes de refroidissement plus étroitement espacées dans cette zone, mais cela peut rendre leur fabrication difficile et chère.

Seules les pièces fixes du moteur, telles que le bloc et la tête, sont refroidies directement par le principal système de refroidissement du liquide. Les pièces mobiles telles que les pistons, dans une moindre mesure, la bielle et les tiges doivent compter sur l’huile de lubrification en tant que liquide de refroidissement, ou sur une conduction très limitée dans le bloc et donc dans le principal liquide de refroidissement.

Les moteurs refroidis par liquide ont normalement une pompe de circulation. Les premiers moteurs ont compté sur le refroidissement thermosiphon seulement, où le liquide chaud quittait le haut du bloc moteur et traversait le radiateur, dans lequel il était refroidi avant de retourner en bas du moteur. La circulation était alimentée par convection seulement.

Le transfert de la chaleur par conduction est proportionnel à la différence de température entre les matériaux. Si le métal du moteur est à 250°C et que l’air est à 20°C, il y a donc une différence de température de 230°C pour le refroidissement. Un moteur refroidi par air utilise toute cette différence. En contraste, un moteur refroidi par liquide peut évacuer la chaleur du moteur à un liquide, en chauffant le liquide à 135°C (le point d’ébullition standard de l’eau de 100°C peut être dépassé tandis que le système de refroidissement est pressurisé, et utilise un mélange avec antigel) qui est ensuite refroidi avec de l’air à 20°C. Dans chaque phase, le moteur refroidi par liquide dispose de la moitié de la différence de température à sa disposition et semble donc en nécessiter deux fois la zone de refroidissement.

Cependant, les propriétés du liquide de refroidissement (eau, huile ou air) affectent également le refroidissement. En exemple, en comparant l’eau et l’huile en liquides de refroidissement, un gramme d’huile peut absorber environ 55 % de la chaleur pour la même augmentation de température (appelée la capacité thermique spécifique). L’huile dispose d’environ 90 % de la densité de l’eau, un volume d’huile donné peut absorber environ 50 % seulement de l’énergie du même volume d’eau. La conductivité thermique de l’eau est d’environ 4 fois celle de l’huile, qui peut aider le transfert de la chaleur. La viscosité de l’huile peut être dix fois plus grande que celle de l’eau, augmentant l’énergie requise pour pomper l’huile pour le refroidissement et réduisant la sortie électrique nette du moteur.

En comparant l’air et l’eau, l’air dispose d’une capacité thermique beaucoup plus basse par gramme et par volume (4000) et moins d’un dixième de la conductivité, mais aussi d’une viscosité beaucoup plus basse (environ 200 fois plus basse : 17.4 × 10−6 Pa·s pour l’air contre 8.94 × 10−4 Pa·s pour l’eau). En continuant le calcul des deux paragraphes ci-dessus, le refroidissement par air a besoin de dix fois la zone de surface, les ailettes et l’air ont ainsi besoin de 2000 fois la vitesse du débit et un ventilateur d’air de recirculation nécessite dix fois la puissance d’une pompe à eau de recirculation. Le déplacement de la chaleur du cylindre vers une zone de surface large pour le refroidissement de l’air peut présenter des problèmes tels que des difficultés de fabrication des formes nécessaires au bon transfert de la chaleur et l’espace requis pour l’écoulement libre d’un grand volume d’air. L’eau bout à environ la même température désirée pour le refroidissement du moteur. Ceci a l’avantage d’absorber une grande quantité d’énergie avec une très petite augmentation de la température (appelée chaleur de vaporisation), qui est bonne pour garder les éléments froids, surtout pour faire passer un courant de liquide sur plusieurs objets chauds et atteindre une température uniforme. En contraste, le passage de l’air sur plusieurs objets chauds en série chauffe l’air à chaque phase, pour que le premier soit trop refroidi et le dernier en surfusion. Cependant, une fois que l’eau bout, c’est un isolateur, menant à une perte soudaine de refroidissement où des bulles de courant se forment (pour plus d’information, voir le transfert de chaleur). Le courant peut retourner à l’eau car il se mélange avec d’autres liquides, l’indicateur de température du moteur peut indiquer une température acceptable bien que les températures locales sont suffisamment élevées pour endommager le moteur.