Dossier: fonctionnement de la climatisation

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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