La refrigeración del motor


refrigeracion-esquema

Durante el funcionamiento del motor, la temperatura alcanzada en el interior de los cilindros es muy elevada, superando los 2000 ºC en el momento de la combustión. Esta temperatura, al estar por encima del punto de fusión de los metales empleados en la construcción del motor, podría causar la destrucción de los mismos.

Aunque esta temperatura sea instantánea, pues baja durante la expansión y escape de los gases, aun así la temperatura media es muy elevada, y si no se dispusiera de un buen sistema de refrigeración, para evacuar gran parte del calor producido en la explosión, la dilatación de los materiales seria tan grande que produciría en ellos agarrotamientos y deformaciones.

Por lo tanto el sistema de refrigeración tendrá que evacuar el calor producido durante la combustión hasta unos limites donde se obtenga el máximo rendimiento del motor, pero que no perjudiquen la resistencia mecánica de las piezas ni el poder lubricante de los aceites de engrase.

Sistemas de refrigeración

Los sistemas actualmente empleados para la refrigeración de los motores, tanto de gasolina como Diesel, son los siguientes:

* Refrigeración por aire

* Refrigeración por agua o mixtos

Refrigeración por aire

Este sistema consiste en evacuar directamente el calor del motor a la atmósfera a través del aire que lo rodea. Para mejorar la conductibilidad térmica o la manera en que el motor transmite el calor a la atmósfera, estos motores se fabrican de aleación ligera y disponen sobre la carcasa exterior de unas aletas que permiten aumentar la superficie radiante de calor. La longitud de estas aletas es proporcional a la temperatura alcanzada en las diferentes zonas del cilindro, siendo, por tanto, de mayor longitud las que están mas próximas a la cámara de combustión.

La refrigeración por aire a su vez puede ser:

* Directa

* Forzada

Refrigeración directa

Se emplea este sistema en motocicletas, donde el motor va situado expuesto completamente al aire, efectuandose la refrigeración por el aire que hace impacto sobre las aletas durante la marcha del vehículo, siendo por tanto mas eficaz la refrigeración cuanto mayor es la velocidad de desplazamiento. En la figura inferior se puede ver un motor de motocicleta de la marca BMW, con dos cilindros horizontales refrigerados por aire.

Refrigeración forzada

El sistema de refrigeración forzada por aire es utilizado en vehículos donde el motor va encerrado en la carrocería y, por tanto, con menor contacto con el aire durante su desplazamiento. Consiste en un potente ventilador movido por el propio motor, el cual crea una fuerte corriente de aire que canalizada convenientemente hacia los cilindros para obtener una eficaz refrigeración aun cuando el vehículo se desplace a marcha lenta. Este sistema de refrigeración fue utilizado por la marca Volkswagen en su mítico escarabajo, también lo utilizo Citroën en su no menos mítico 2CV y GSA.

Ventajas de este sistema:

* La sencillez del sistema. Se obtiene un menor peso muerto del motor al eliminar los elementos de refrigeración

* Menor entretenimiento del sistema. Se consigue al eliminar posibles averías en los elementos auxiliares de refrigeración.

* El motor ocupa menor espacio. Factor importante, a tener en cuenta en vehículos pequeños y sobre todo en motocicletas, donde el espacio destinado al motor es reducido.

* No esta sometido a temperaturas criticas del elemento refrigerante, como ocurre en los motores que emplean el sistema de refrigeración por agua, en el que se puede producir la ebullición o congelación del agua. En este sistema se puede dimensionar las aletas o canalizar el aire convenientemente para que el caudal de aire, que atraviesa el motor, asegure una eficaz refrigeración y mantenga una temperatura optima en el motor.

* Disminuye las pérdidas de calor por refrigeración. Estas perdidas suelen ser un 18% menores que en la refrigeración por agua, obteniendose, por tanto, un mayor rendimiento térmico.

Inconvenientes:

* Los motores refrigerados por aire son más ruidosos que los refrigerados por agua. Esto es debido a que el paso del aire por las aletas de refrigeración origina un pequeño amplificador sonoro. En los refrigerados por agua, la capa líquida que circunda las camisas hace de amortiguador de los ruidos internos.

* La refrigeración es irregular. Esto es debido a la influencia de la temperatura ambiente que produce un mayor calentamiento al ralentí, cuando el vehículo no se mueve o circula muy lento. Están sometidos, por lo tanto, a un mayor peligro de gripaje lo que obliga a un mayor juego de montaje entre sus elementos.

* Debido a la mayor temperatura en los cilindros, la mezcla o aire aspirado se dilata. Con esto se reduce el llenado y, por tanto, la potencia útil del motor en un 6% aproximadamente.

Refrigeración por agua

Este sistema consiste en un circuito de agua, en contacto directo con las paredes de las camisas y cámaras de combustión del motor, que absorbe el calor radiado y lo transporta a un depósito refrigerante donde el líquido se enfría y vuelve al circuito para cumplir nuevamente su misión refrigerante donde el líquido se enfría y vuelve al circuito para cumplir su misión refrigerante. El circuito se establece por el interior del bloque y culata, para lo cual estas piezas se fabrican huecas, de forma que el líquido refrigerante circunde las camisas y cámaras de combustión circulando alrededor de ellas.

La circulación del agua por el circuito de refrigeración puede realizarse por “termosifón” (apenas se ha utilizado) o con circulación forzada por bomba centrífuga.

Circulación del agua por termosifón

Este sistema como se ha dicho antes, no se utiliza desde hace muchos años. El sistema esta basado en la diferencia de peso entre el agua fría y caliente, de forma que el agua caliente en contacto con los cilindros y cámaras de combustión pesa menos que el agua fría del radiador, con lo cual se establece una circulación de agua del motor al radiador.

Funcionamiento

El agua caliente entra por la parte alta del radiador donde se enfría a su paso por los tubos y aletas refrigerantes en contacto con el aire de desplazamiento. El agua fría, por el aumento de peso, baja al depósito inferior del radiador y entra en el bosque, donde al irse calentando va ascendiendo por el circuito interno para salir otra vez al radiador.

La circulación del agua en el sistema es autorregulable, ya que al aumentar la temperatura del motor, aumenta también la velocidad de circulación por su circuito interno, independientemente de la velocidad de régimen del motor.

Inconvenientes del sistema

El sistema es sencillo y económico, pero, debido a la pequeña velocidad del agua en el circuito, se requiere un gran caudal, un gran volumen de líquido y mucha superficie radiante en el radiador. Esto hace que el sistema requiera piezas muy voluminosos, que ocupan gran espacio muerto en el motor, solución que no es posible en los automóviles actuales.

Circulación de agua por bomba

Este es el sistema mayormente utilizado desde hace muchos años, ofrece una refrigeración más eficaz con menor volumen de agua, ya que, debido a las grandes revoluciones que alcanzan hoy día los motores, necesitan una evacuación más rápida de calor, lo cual se consigue forzando la circulación de agua por el interior de los mismos.

Constitución y funcionamiento del sistema

Este sistema tiene una bomba centrífuga intercalada en el circuito de refrigeración y accionada por el propio motor. La bomba centrífuga activa la circulación del agua en su recorrido con una velocidad proporcional a la marcha del motor.

En su funcionamiento, la bomba aspira el agua refrigerada de la parte baja del radiador y la impulsa al interior del bloque a través de los huecos que rodean las camisas y cámaras de combustión. El refrigerante sale por la parte superior de la culata y se dirige otra vez al radiador por su parte alta, donde es enfriada nuevamente a su paso por los paneles de refrigeración. Con esta circulación forzada, el agua se mantiene en el circuito a una temperatura de 80 a 85 ºC, con una diferencia entre la entrada y la salida de 8 a 10 ºC, controlada por medio de una válvula de paso (termostato) que mantiene la temperatura ideal de funcionamiento sin grandes cambios bruscos en el interior de los cilindros, que podría dar lugar a dilataciones y contracciones de los materiales.

El sistema de refrigeración del motor se aprovecha también para la calefacción interna del habitáculo del vehículo. Para ello, se intercala en serie, a la salida del agua caliente de la culata, un intercambiador de calor que trabaja como radiador, calentado el aire del vehículo.

Como se puede apreciar en los esquemas anteriores se dispone también de un ventilador, en este caso movido por el propio motor térmico. Este ventilador, ademas de forzar el paso del aire a través del radiador para obtener una refrigeración mas eficaz del agua sobre todo a marcha lenta, también suministra una corriente de aire al motor para refrigerar los elementos externos adosados al mismo, como son: el alternador, bujías, colectores de escape, etc.

Debido a la utilización del agua y del aire para refrigerar el motor, se le denomina también a este sistema como una refrigeración “mixta”.

Estudio de los elementos que componen el circuito de refrigeración

El circuito de refrigeración de los motores esta formado principalmente por los siguientes elementos:

* Radiador

* Bomba centrífuga de agua

* Válvula reguladora de temperatura (termostato)

* Ventilador

Radiador

El radiador sirve para enfriar el liquido de refrigeración. El liquido se enfría por medio del aire que choca contra la superficie metálica del radidor.

El radiador esta formado por dos depósitos, uno superior y otro inferior, también pueden estar en los laterales. Ambos están unidos entre si por una serie de tubos finos rodeados por numerosas aletas de refrigeración, o por una serie de paneles en forma de nidos de abeja que aumentan la superficie radiante de calor. Tanto los tubos y aletas como los paneles se fabrican en aleación ligera (actualmente sobre todo de aluminio), facilitando, con su mayor conductibilidad térmica, la rápida evacuación de color a la atmósfera.

 

El depósito superior lleva una boca de entrada que se comunica por medio de un manguito de goma con la salida caliente de agua de la culata del motor. En el depósito inferior va instalada la boca de salida del agua refrigerante, unida por otro manguito de goma a la entrada de la bomba.

Circuito de refrigeración abierto y cerrado

Debido a los cambios de temperatura que se producen en el circuito de refrigeración, sobre todo en el radiador, se necesita de un sistema que pueda adaptarse a estos cambios, para que no afecten sobre el buen funcionamiento del sistema. Cuando aumenta la temperatura del motor también aumenta la temperatura del liquido refrigerante, por lo que se genera una presión dentro del radiador. Esto es debido a que por efecto del aumento de temperatura, el agua se va evaporando, este vapor de agua queda concentrado en la parte superior del radiador, creando una sobrepresión en el mismo que si llegase a unos limites críticos, haría saltar el tapón de llenado o reventaría el radiador.

Otro problema ocurre cuando el motor una vez que ha estado en funcionamiento se para y se enfría rápidamente, se produce entonces, en el interior del radiador una condensación del vapor acumulado, creando un vacío interno que dificultará la perfecta circulación del agua en el circuito.

Para evitar estos problemas se disponen unas válvulas en el tapón de llenado que comunican con la atmósfera y eliminan la sobrepresión y el efecto del vacío cuando existen.

Existen dos tipos de circuitos de refrigeración:

* Abiertos: cuando el circuito de refrigeración se comunica a través de las válvulas de paso (del tapón de llenado) con la atmósfera, se denomina circuito abierto, produciendose la evacuación del vapor interno a la atmósfera y retornando aire al interior del depósito cuando se produce la condensación.

Este sistema tiene el inconveniente de que con la evaporación y evacuación se va perdiendo liquido en el circuito, con lo que el conductor tiene que rellenar frecuentemente el circuito (sobre todo en verano) para restablecer el volumen del mismo, lo que origina un mayor mantenimiento del sistema.

El tapón de llenado del radiador esta constituido (figura inferior) por dos válvulas, una de las cuales, P, puede abrirse hacia arriba y poner en comunicación el radiador con la atmósfera (C) cuando hay una sobrepresión por aumento de temperatura; la otra válvula (R) se abra hacia abajo y también pone en comunicación el radiador con la atmósfera (C), cuando hay una bajada brusca de temperatura y provoca una depresión. Estas válvulas se mantienen cerradas por medio de sendos muelles, y estando las dos cerradas no hay comunicación entre el radiador y la atmósfera. La fuerza de los muelles esta calculada para que las válvulas se abran con una presión determinada. Con ello se consigue aumentar la temperatura de ebullición del agua hasta unos 120ºC

Cerrados: actualmente los mas utilizados en todos los vehículos. El radiador no lleva tapón de llenado y se comunica mediante un tubo con un pequeño depósito auxiliar llamado “depósito de expansión”. El depósito de expansión contiene liquido refrigerante y recibe a través del tubo de unión con el radiador, los gases procedentes de la evaporación, los cuales al contacto con el liquido se licúan. Cuando se produce el vacío interno, el liquido procedente del depósito de expansión pasa al radiador, con lo cual se restablece el circuito sin perdida de liquido en el mismo por condensación.

El depósito de expansión cuenta con un tapón, que tiene unas válvulas, que como en el caso anterior, sirven para eliminar la sobrepresión y la depresión que se produce en el radiador y que se transmiten al depósito de expansión.


Bomba de agua

La bomba de agua se intercala en el circuito de refrigeración del motor, y tiene la misión de hacer circular el agua en el circuito de refrigeración del motor, y tiene la misión de hacer circular el agua en el circuito para que el transporte y evacuación de calor sea más rápido. Cuanto más deprisa gire el motor, mayor será la temperatura alcanzada en el mismo, pero como la bomba funciona sincronizada con él, mayor será la velocidad con que circula el agua por su interior y, por tanto, la evacuación de calor.

Las bombas utilizadas en automoción son de funcionamiento centrífugo, y están formadas por una carcasa de aleación ligera, unida al bloque motor con interposición de una junta unión. En el interior de la misma se mueve una turbina de aletas unida al árbol de mando de bomba, el cual se apoya sobre la carcasa por medio de uno o dos cojinetes de bolas, con un retén acoplado al árbol para evitar fugas de agua a través del mismo. En el otro extremo del árbol va montado un cubo al cual se une la polea de mando.

Estas bombas están calculadas para proporcionar el suficiente caudal de agua al circuito en función de la potencia del motor y la temperatura a evacuar, la cual difiere esencialmente de unos motores a otros y, sobre todo, entre los Diesel y los de gasolina.

Termostato

Hay que tener en cuenta que la temperatura interna del motor debe mantenerse dentro de unos limites establecidos (alrededor de 85ºC) para obtener un perfecto funcionamiento y un rendimiento máximo, debiendo mantener esa temperatura tanto en verano como en invierno.

La temperatura de funcionamiento en el motor incide directamente sobre la lubricación y la alimentación ya que, si está frío, el aceite se hace más denso dificultando el movimiento de sus órganos con perdida de potencia en el motor.

Por otra parte, a bajas temperaturas la mezcla de combustible se realiza en peores condiciones, no obteniendo toda su potencia calorífica en la combustión, con un mayor consumo para una potencia dada.

Si la temperatura, por el contrario, es elevada, el aceite se hace más fluido, perdiendo parte de sus propiedades lubricantes, con lo cual las partes móviles del motor pueden sufrir dilataciones y agarrotamientos, dificultando el movimiento se sus órganos móviles y absorbiendo una mayor potencia que reduce el rendimiento útil del motor.

El termostato se utilizara para mantener la temperatura de funcionamiento del motor entre unos limites preestablecidos. El termostato va situado frecuentemente en la boca de salida de la culata del motor. Cuando la temperatura del agua es inferior a la prevista, el termostato cierra la válvula de paso impidiendo la salida del agua hacia el radiador, con lo cual la circulación se establece directamente desde la bomba, que al aspirar el agua caliente y mandarla al circuito interno sin refrigerar, hace que el agua ya caliente alcance pronto mayor temperatura. Cuando el agua ha alcanzado la temperatura adecuada, el termostato abre la válvula dejando libre la circulación hacia el radiador, con lo cual se establece el funcionamiento normal del circuito de refrigeración.

Existen varios tipos de termostatos. Hay termostatos denominados de “fuelle” y los mas utilizados actualmente, los termostatos de “cera”.

Termostato de cera

El funcionamiento del termostato se basa en el considerable cambio del volumen de la cera a una temperatura predeterminada. Al llegar a esta temperatura, la cera (1) se expande en la cápsula (2) y empuja la membrana de goma (4) unida a la varilla (3); como ésta es solidaria al puente fijo (7), no puede moverse y, en consecuencia, la cápsula (2) se desplaza hacia abajo, venciendo la resistencia del muelle (5). El movimiento de la cápsula abre la válvula (6), que se apoya en el asiento (8), y el agua penetra a través del paso abierto.

Cuando la cera recupera su temperatura inicial, su volumen se reduce y la cápsula asciende de nuevo, ayudada por la reacción del muelle; al final de la ascensión, la válvula cierra el paso del agua de refrigeración. El termostato regula así el flujo del líquido refrigerante y permite que el circuito de refrigeración mantenga en el motor la temperatura idónea de la marcha.

Accionamiento del ventilador mediante motor eléctrico, en este caso el movimiento del ventilador es independiente del motor térmico. El ventilador se conecta y desconecta automáticamente mediante un interruptor térmico (termocontacto), tarado para la conexión entre 90 y 98 ºC y la desconexión 82 a 90 ºC.

El circuito eléctrico se compone de un termocontacto, un relé y el propio motor eléctrico. El termocontacto consta de un elemento bimetalico que al calentarse cierra un contacto eléctrico que alimenta el motor eléctrico. El termocontacto va instalado en la salida del radiador.

El tamaño del ventilador y la potencia del motor eléctrico depende de si el motor es Diesel o gasolina. También depende de si el automóvil monta o no aire acondicionado.


Se pueden montar uno o dos ventiladores, a su vez cada ventilador puede ser de una o dos velocidades. En los automóviles con aire acondicionado el “condensador” va situado junto con el radiador, con esto se consigue que ambos elementos se refrigeren con el aire que choca con la parte delantera del vehículo cuando este se mueve. El ventilador o los ventiladores ademas de refrigerar el “radiador” también lo hacen con el “condensador”. Por esta razón es necesario de unos ventiladores mas potentes o el uso de dos ventiladores cuando el vehículo monta aire acondionado.

Líquidos refrigerantes y anticongelantes

Como líquido refrigerante se emplea generalmente el agua por ser el líquido más estable y económico, pero se sabe que tiene grandes inconvenientes, ya que a temperaturas de ebullición el agua es muy oxidante y ataca a las partes metálicas en contacto con ella. Por otra parte, y debido a la dureza de las aguas (mucha cal) precipita gran cantidad de sales calcáreas que pueden obstruir las canalizaciones y el radiador. Otro de los inconvenientes del agua es que a temperaturas por debajo de 0 ºC se solidifica, aumentado de volumen, lo cual podría reventar los conductos por los que circula.

Para evitar estos inconvenientes del agua se emplean los anticongelantes, que son unos productos químicos preparados para mezclar con el agua de refrigeración de los motores y conseguir los siguientes fines:

* Disminuir el punto de congelación del líquido refrigerante, el cual, en proporciones adecuadas, hace descender el punto de congelación entre 5 y 35 ºC; por tanto, la proporción de mezcla estará en función de las condiciones climatológicas de la zona o país donde circule el vehículo.

* Aumentar la temperatura de ebullición del agua, para evitar perdidas en los circuitos que trabajen por encima de los 100 ºC.

* Evitar la corrosión de las partes metálicas por donde circula el agua.

El principal aditivo del anticongelante es el compuesto por glicerina o alcohol, el producto más utilizado es “etilenglicol”. El punto de congelación se determina según el porcentaje de este elemento. El anticongelante puro se mezcla, a poder ser, con agua destilada en distintas proporciones, que determinaran un punto de congelación mas bajo.

Anticongelante puro (%)

 

Punto de congelación (º C)

 

20
– 10
33
– 18
44
– 30
50
– 36

 

Esperamos que este post os sirva de ayuda para entender mejor cómo funciona el sistema de refrigeración de vuestro coche.

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