Étant donné que l’efficacité thermique des moteurs à combustion interne augmente avec la température interne, le liquide de refroidissement est maintenu à une pression supérieure à la pression atmosphérique pour augmenter son point d’ébullition. Une soupape de surpression calibrée est généralement incorporée dans le bouchon de remplissage du radiateur. Cette pression varie selon les modèles, mais varie généralement de 4 à 30 psi (30 à 200 kPa).[4]
À mesure que la pression du système de refroidissement augmente avec la température, elle atteint le point où la soupape de surpression permet à l'excès de pression de s'échapper. Cela s'arrêtera lorsque la température du système cessera d'augmenter. Dans le cas d'un radiateur (ou d'un réservoir collecteur) trop rempli, la pression est évacuée en permettant à un peu de liquide de s'échapper. Celui-ci peut simplement s'écouler sur le sol ou être collecté dans un récipient ventilé qui reste à pression atmosphérique. Lorsque le moteur est arrêté, le système de refroidissement refroidit et le niveau de liquide baisse. Dans certains cas où un excès de liquide a été collecté dans une bouteille, celui-ci peut être « aspiré » vers le circuit de liquide de refroidissement principal. Dans d’autres cas, ce n’est pas le cas.
Avant la Seconde Guerre mondiale, le liquide de refroidissement du moteur était généralement de l’eau claire. L'antigel était utilisé uniquement pour contrôler le gel, et cela n'était souvent utilisé que par temps froid. Si l’on laisse de l’eau ordinaire geler dans le bloc d’un moteur, l’eau peut se dilater en gelant. Cet effet peut provoquer de graves dommages internes au moteur en raison de l'expansion de la glace.
Le développement de moteurs d'avion hautes performances a nécessité des liquides de refroidissement améliorés avec des points d'ébullition plus élevés, ce qui a conduit à l'adoption de glycols ou de mélanges eau-glycol. Celles-ci ont conduit à l’adoption des glycols pour leurs propriétés antigels.
Depuis le développement des moteurs en aluminium ou en métaux mixtes, l’inhibition de la corrosion est devenue encore plus importante que l’antigel, et ce, dans toutes les régions et toutes les saisons.
Un réservoir de trop-plein qui fonctionne à sec peut entraîner la vaporisation du liquide de refroidissement, ce qui peut provoquer une surchauffe localisée ou générale du moteur. De graves dommages peuvent survenir si le véhicule roule à une température excessive. Des défaillances telles que des joints de culasse grillés et des culasses ou blocs-cylindres déformés ou fissurés peuvent en résulter. Parfois, il n'y aura aucun avertissement, car le capteur de température qui fournit les données de la jauge de température (mécanique ou électrique) est exposé à la vapeur d'eau, et non au liquide de refroidissement, ce qui donne une fausse lecture dangereuse.
L'ouverture d'un radiateur chaud fait chuter la pression du système, ce qui peut le faire bouillir et éjecter du liquide et de la vapeur dangereusement chauds. Par conséquent, les bouchons de radiateur contiennent souvent un mécanisme qui tente de relâcher la pression interne avant que le bouchon puisse être complètement ouvert.
L'invention du radiateur à eau automobile est attribuée à Karl Benz. Wilhelm Maybach a conçu le premier radiateur en nid d'abeille pour la Mercedes 35 ch
Il est parfois nécessaire qu'une voiture soit équipée d'un deuxième radiateur, ou radiateur auxiliaire, pour augmenter la capacité de refroidissement, lorsque la taille du radiateur d'origine ne peut pas être augmentée. Le deuxième radiateur est installé en série avec le radiateur principal du circuit. C'était le cas lorsque l'Audi 100 a été turbocompressée pour la première fois, créant la 200. Ceux-ci ne doivent pas être confondus avec les refroidisseurs intermédiaires.
Certains moteurs ont un refroidisseur d'huile, un petit radiateur séparé pour refroidir l'huile moteur. Les voitures équipées d'une transmission automatique ont souvent des connexions supplémentaires vers le radiateur, permettant au liquide de transmission de transférer sa chaleur au liquide de refroidissement du radiateur. Il peut s'agir soit de radiateurs huile-air, soit d'une version plus petite du radiateur principal. Plus simplement, il peut s'agir de refroidisseurs huile-eau, dans lesquels un tuyau d'huile est inséré à l'intérieur du radiateur à eau. Bien que l'eau soit plus chaude que l'air ambiant, sa conductivité thermique plus élevée offre un refroidissement comparable (dans certaines limites) à partir d'un refroidisseur d'huile moins complexe et donc moins cher et plus fiable. Plus rarement, le liquide de direction assistée, le liquide de frein et d'autres liquides hydrauliques peuvent être refroidis par un radiateur auxiliaire sur un véhicule.
Les moteurs turbocompressés ou suralimentés peuvent avoir un refroidisseur intermédiaire, qui est un radiateur air-air ou air-eau utilisé pour refroidir l'air entrant et non pour refroidir le moteur.
Les avions équipés de moteurs à pistons refroidis par liquide (généralement des moteurs en ligne plutôt que radiaux) nécessitent également des radiateurs. Comme la vitesse est plus élevée que celle des voitures, celles-ci sont efficacement refroidies en vol et ne nécessitent donc pas de grandes surfaces ni de ventilateurs de refroidissement. De nombreux avions hautes performances souffrent cependant de problèmes de surchauffe extrêmes lorsqu'ils tournent au ralenti au sol - à peine sept minutes pour un Spitfire.[6] Ceci est similaire aux voitures de Formule 1 d'aujourd'hui, lorsqu'elles sont arrêtées sur la grille avec le moteur en marche, elles ont besoin d'air canalisé forcé dans leurs radiateurs pour éviter toute surchauffe.
La réduction de la traînée est un objectif majeur dans la conception des avions, y compris dans la conception des systèmes de refroidissement. Une des premières techniques consistait à profiter du flux d'air abondant d'un avion pour remplacer le noyau en nid d'abeille (de nombreuses surfaces, avec un rapport surface/volume élevé) par un radiateur monté en surface. Cela utilise une seule surface intégrée au fuselage ou au revêtement de l'aile, le liquide de refroidissement circulant dans des tuyaux à l'arrière de cette surface. De telles conceptions ont été vues principalement sur les avions de la Première Guerre mondiale.
Comme ils dépendent énormément de la vitesse, les radiateurs de surface sont encore plus sujets à la surchauffe lorsqu’ils fonctionnent au sol. Les avions de course tels que le Supermarine S.6B, un hydravion de course doté de radiateurs intégrés dans les surfaces supérieures de ses flotteurs, ont été décrits comme « pilotant sur la jauge de température » comme principale limite de leurs performances.
Les radiateurs de surface ont également été utilisés par quelques voitures de course à grande vitesse, comme la Blue Bird de Malcolm Campbell de 1928.
La plupart des systèmes de refroidissement sont généralement limités par le fait que le fluide de refroidissement ne peut pas bouillir, car la nécessité de manipuler du gaz dans le flux complique grandement la conception. Pour un système refroidi par eau, cela signifie que la quantité maximale de transfert de chaleur est limitée par la capacité thermique spécifique de l'eau et par la différence de température entre la température ambiante et 100 °C. Cela permet un refroidissement plus efficace en hiver ou à des altitudes plus élevées où les températures sont basses.
Un autre effet particulièrement important dans le refroidissement des avions est que la capacité thermique spécifique change et le point d'ébullition diminue avec la pression, et cette pression change plus rapidement avec l'altitude que la baisse de température. Ainsi, généralement, les systèmes de refroidissement liquide perdent de leur capacité à mesure que l’avion monte. Il s'agissait d'une limite majeure aux performances dans les années 1930, lorsque l'introduction des turbocompresseurs permettait pour la première fois de voyager facilement à des altitudes supérieures à 15 000 pieds, et que la conception du refroidissement est devenue un domaine de recherche majeur.
La solution la plus évidente et la plus courante à ce problème consistait à faire fonctionner l’ensemble du système de refroidissement sous pression. Cela maintenait la capacité thermique spécifique à une valeur constante, tandis que la température de l’air extérieur continuait de baisser. De tels systèmes amélioraient ainsi la capacité de refroidissement à mesure qu’ils montaient. Pour la plupart des utilisations, cela a résolu le problème du refroidissement des moteurs à pistons hautes performances, et presque tous les moteurs d'avion refroidis par liquide de la Seconde Guerre mondiale ont utilisé cette solution.
Cependant, les systèmes sous pression étaient également plus complexes et beaucoup plus susceptibles d'être endommagés : comme le liquide de refroidissement était sous pression, même un dommage mineur dans le système de refroidissement, comme un seul trou de balle de calibre de fusil, provoquerait une projection rapide du liquide hors du système de refroidissement. trou. Les pannes des systèmes de refroidissement étaient, de loin, la principale cause de pannes de moteur.
Bien qu’il soit plus difficile de construire un radiateur d’avion capable de gérer la vapeur, cela n’est en aucun cas impossible. L'exigence clé est de fournir un système qui condense la vapeur en liquide avant de la renvoyer dans les pompes et de compléter la boucle de refroidissement. Un tel système peut tirer parti de la chaleur spécifique de vaporisation, qui dans le cas de l’eau est cinq fois supérieure à la capacité thermique spécifique sous forme liquide. Des gains supplémentaires peuvent être obtenus en permettant à la vapeur de surchauffer. De tels systèmes, appelés refroidisseurs par évaporation, ont fait l'objet de recherches considérables dans les années 1930.
Considérons deux systèmes de refroidissement par ailleurs similaires, fonctionnant à une température de l'air ambiant de 20 °C. Une conception entièrement liquide peut fonctionner entre 30 °C et 90 °C, offrant une différence de température de 60 °C pour évacuer la chaleur. Un système de refroidissement par évaporation peut fonctionner entre 80 °C et 110 °C. À première vue, cela semble être une différence de température bien moindre, mais cette analyse ne tient pas compte de l'énorme quantité d'énergie thermique absorbée lors de la génération de vapeur, équivalente à 500 °C. En effet, la version évaporative fonctionne entre 80 °C et 560 °C, soit une différence de température effective de 480 °C. Un tel système peut être efficace même avec des quantités d’eau beaucoup plus faibles.
L'inconvénient du système de refroidissement par évaporation est la surface des condenseurs nécessaire pour refroidir la vapeur en dessous du point d'ébullition. Comme la vapeur est beaucoup moins dense que l’eau, une surface proportionnellement plus grande est nécessaire pour fournir suffisamment de flux d’air pour refroidir la vapeur. La conception Rolls-Royce Goshawk de 1933 utilisait des condenseurs conventionnels de type radiateur et cette conception s'est avérée être un sérieux problème de traînée. En Allemagne, les frères Günter ont développé une conception alternative combinant un refroidissement par évaporation et des radiateurs de surface répartis sur toutes les ailes, le fuselage et même le gouvernail de l'avion. Plusieurs avions ont été construits selon leur conception et ont établi de nombreux records de performances, notamment le Heinkel He 119 et le Heinkel He 100. Cependant, ces systèmes nécessitaient de nombreuses pompes pour renvoyer le liquide des radiateurs étalés et se sont avérés extrêmement difficiles à faire fonctionner correctement. , et étaient beaucoup plus sensibles aux dégâts de combat. Les efforts visant à développer ce système avaient généralement été abandonnés en 1940. Le besoin de refroidissement par évaporation allait bientôt être annulé par la disponibilité généralisée de liquides de refroidissement à base d'éthylène glycol, qui avaient une chaleur spécifique plus faible, mais un point d'ébullition beaucoup plus élevé que l'eau.
Un radiateur d’avion contenu dans un conduit chauffe l’air qui le traverse, provoquant sa dilatation et sa vitesse. C'est ce qu'on appelle l'effet Meredith, et les avions à pistons hautes performances dotés de radiateurs à faible traînée bien conçus (notamment le P-51 Mustang) en tirent une poussée. La poussée était suffisamment importante pour compenser la traînée du conduit dans lequel le radiateur était enfermé et permettre à l'avion d'atteindre une traînée de refroidissement nulle. À un moment donné, il était même prévu d'équiper le Supermarine Spitfire d'une postcombustion, en injectant du carburant dans le conduit d'échappement après le radiateur et en l'allumant. La postcombustion est obtenue en injectant du carburant supplémentaire dans le moteur en aval du cycle de combustion principal.
