Sistemas de refrigeración

          

INTRODUCCIÓN

             Las elevadas temperaturas que se producen en los cilindros del motor como consecuencia de los procesos de combustión que en ellos se desarrollan, han de ser rebajadas de manera notable, rápida y eficaz para conseguir un buen funcionamiento del motor. Si estas temperaturas sobrepasan unos determinados valores, la dilatación del los materiales seria tan grande que se produciría un agarrotamiento entre pistón y cilindro, e incluso la fusión de algunos elementos.

 

            Se considera que el máximo rendimiento de un motor se obtiene cuando funciona a una temperatura tal, que las dilataciones sufridas por sus elementos proveen un acoplamiento de los mismos con el huelgo ideal que facilita el rozamiento sin apenas desgaste. Estas temperaturas se logran cuando el agua del sistema de refrigeración alcanza una temperatura comprendida entre 85 y 95 ºC.

 

            Para evacuar el calor excedente del proceso de combustión se utiliza un sistema de refrigeración, en el cual se hace circular un fluido alrededor de los cilindros, que toma el calor de ellos para evacuarlo directamente o por medio del radiador. El sistema generalmente empleado es el de refrigeración por líquido, en el que una bomba impulsa el líquido refrigerante hacia el bloque motor y la culata, de los que recoge el calor para evacuarlo.

            Sistema de refrigeración

            La misión de sistema de refrigeración de un vehículo es evacuar el calor generado por el motor, o moderar su temperatura hasta llegar a un valor determinado.

Los sistemas de refrigeración que se utilizan en la actualidad son:

  • Refrigeración por aire.
  • Refrigeración por líquido.

Estos sistemas serán explicados un poco mas adelante.

            En el funcionamiento de un motor de explosión se aprovecha la energía del combustible que mas tarde será transformada en energía mecánica. Esta transformación se hace mediante la inflamación de la mezcla que produce la explosión. En las explosiones se genera un calor elevado, dando lugar al calentamiento y elevando la temperatura de los elementos y piezas de la cámara de explosión, principalmente durante el tiempo de escape. La temperatura normal de funcionamiento oscila entre los 75º y los 90º y en la explosión se alcanzan temperaturas de hasta 2000º (esta temperatura es alcanzada en casos puntuales). El exceso de calor produciría dilatación y como consecuencia agarrotaría las piezas móviles. Por otro lado, estropearía el lubricante, por lo que el motor se griparía al no ser adecuado el engrase y sufrirían las piezas vitales del motor. Por lo que en definitiva lo que queremos es eliminar ese calor y evitar los perjuicios que puede ocasionar recurriendo a la refrigeración de las piezas y elementos del motor que más calor reciben. Aproximadamente se debe eliminar con el sistema de refrigeración un 30% del calor producido en la combustión. Las partes sometidas a las temperaturas mas altas son la culata, las válvulas y los cilindros.

            Refrigeración por aire

            Esta refrigeración se utiliza en motocicletas y automóviles con motores pequeños y principalmente en los que los cilindros de sus motores van dispuestos en horizontal. Se consigue exponiendo las partes mas calientes del motor a la corriente de aire que se produce por la marcha del vehículo o por una turbina. El motor debe ser construido a partir de una aleación ligera (bajo coeficiente de conductividad térmica) aumentándole la superficie de contacto con el aire y dotándole de aletas para disipar el calor, ver figura 14.

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Figura 14: Esquema de refrigeración por aire.

            Dependiendo de la forma en que llegue el aire a lo cilindros existen dos tipos de refrigeración:

  • Refrigeración por aire directa.
  • Refrigeración por aire forzada.
Refrigeración por aire directa

            La refrigeración depende de la velocidad del vehículo ya que el aire incide sobre él y éste se refrigera, al ralentí no hay refrigeración. Es empleado en motocicletas de pequeña cilindrada.

Refrigeración por aire forzada

Esta refrigeración encauza el aire canalizándolo hacia los cilindros y la culata. Se instala una turbina movida por una correa montada en una polea situada en el extremo del cigüeñal. El ventilador aspira el aire exterior y lo dirige a las partes a refrigerar. Un estrangulador automático regula el paso de aire en función de las necesidades del motor.

Ventajas

  • Diseño y construcción simplificada.
  • Poco peso del motor (no tiene elementos como radiador, manguitos o bomba).
  • Mínimo entretenimiento, al carecer de líquido refrigerante, bomba o manguitos.
  • Tamaño pequeño del motor, al no tener cámara para líquido.
  • Mayor rendimiento térmico (menos pérdidas de calor por refrigeración).
  • Se alcanza la temperatura de régimen óptimo del motor antes que en la refrigeración líquida.

Inconvenientes

  • Refrigeración irregular, debido a que depende de la temperatura del aire, la altitud y la velocidad del vehículo.
  • Son más ruidosos, debido a que el aire al pasar entre las aletas produce vibraciones.
  • Se enfrían muy rápidamente (uso del estrangulador muy a menudo).
  • Peor llenado de los cilindros (menor potencia útil), debido a las temperaturas alcanzadas.
  • Se utiliza en motores bóxer o de cilindros opuestos, por canalizar mejor el aire.

            Refrigeración por líquidos

            Es el sistema mas extendido por los vehículos actuales. En la refrigeración por líquidos, el líquido circula a través de unas oquedades practicadas en el bloque y en la culata, llamadas cámaras de agua. Este líquido, que se calienta al contacto con las paredes, es a continuación dirigido hacia el radiador, donde cede su calor al aire ambiente, para volver después al bloque de cilindros, es importante decir que este líquido no puede llegar a su punto de ebullición.

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Figura 15: Sistema de refrigeración líquida.

A continuación describiremos los elementos componentes de un sistema de refrigeración por circulación forzada de líquido (ver figura 15):

  •  Cámara de agua.
  •  Radiador.
  •  Uniones elásticas.
  •  Bomba de agua.
  • Ventilador o electroventilador.
  •  Termostato.
  •  Elementos de control.
  •  Circuito sellado.
  • Líquidos anticongelantes.

 

  • Cámara de agua: son unos huecos practicados en el bloque motor y en la culata. Por las cuales circula el líquido refrigerante. Rodean las partes que están en contacto directo con los gases de la combustión (cilindros, cámaras de combustión, asientos de bujías y guías de válvulas). Se caracterizan por el caudal de líquido que circula en el motor.
  • Radiador: su misión es enfriar el agua caliente procedente del motor. Está situado, generalmente, en la parte delantera del vehículo de forma que el aire incida sobre él durante su desplazamiento. Para su fabricación se emplean generalmente, aleaciones a base de cobre (latón). Si bien es cierto que cuanto mayor sea la superficie frontal del radiador mayor será también la refrigeración. Por ello, la efectividad de un radiador, depende de la superficie del mismo expuesta a la incidencia del aire. Hay varios tipos de radiador, los más comunes, son (Fig. 16):
  • Tubulares
  • De láminas de agua.
  • De panal.

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Figura 16: Tipos de radiador.

  • Uniones elásticas: el radiador se une a la carrocería elásticamente (tacón de goma) y al motor mediante conducciones flexibles (manguitos) de tal forma que las vibraciones no perjudiquen al radiador.
  • Bomba: En el proceso de refrigeración, la circulación es activada por una bomba que se intercala en el circuito, entre la parte baja del radiador y el bloque, obligando la circulación del líquido refrigerante (refrigeración forzada). La bomba más usada es de paletas de tipo centrífugo, es decir, que el agua que llega a la rueda de paletas, la cual gira dentro de un cuerpo de bomba de aleación ligera, es recogida por éstas y en su giro la dirige con fuerza hacia la periferia, obligándola a pasar a las cámaras de agua. La bomba va instalada frontal o lateralmente y recibe su movimiento del cigüeñal a través de la correa que en algunos casos también mueve el ventilador, aunque actualmente se encuentra en desuso. Para evitar que el agua se salga por el eje, se le monta un dispositivo tipo prensa o junta de frotamiento, que es la más usada actualmente. El eje de la bomba está montado de forma excéntrica en el cuerpo de la misma, con objeto de economizar el paso de agua alrededor de la rueda. Se debe comprobar y revisar el estado y la tensión de la correa de la bomba. Si está destensada podría producirse el calentamiento del motor al patinar ésta. Si estuviera muy tensada le afectaría a los cojinetes de la bomba y a la propia correa. No tiene que estar ni muy tensada ni destensada, permitiéndose una flexibilidad de unos 2 centímetros, aproximadamente.
  • Ventilador. Electro-ventilador: elemento encargado de hacer pasar una corriente de aire suficiente para refrigerar el agua a través del radiador. Además refrigera algunos órganos externos como generador, bomba, bomba de gasolina y carburador. Los automóviles actuales tienen un electroventilador con un mando termoeléctrico, los cuales entran en funcionamiento cuando el agua adquiere una determinada temperatura, evitando perdidas de potencia funcionando este aparato cuando el motor no lo necesita. El termocontacto va situado, generalmente, en una parte baja del radiador, o bien en la misma culata. Por lo que el electroventilador funciona cuando la temperatura del motor es superior a la del régimen, lo pone en funcionamiento el termocontacto que recibe la temperatura del líquido refrigerante.
  • Termostato: dispositivo que gestiona la refrigeración para que esta actué de forma completa, parcial o no actué dependiendo de la temperatura del motor. Por lo que la misión del termostato es mantener la temperatura del motor en la temperatura de óptimo rendimiento del motor. Los termostatos que se emplean son aparatos capaces de producir una acción de tipo mecánico cuando varía la temperatura del ambiente donde están situados, utilizándose generalmente dos tipos:
    • Termostato de fuelle.
    • Termostato de cera.
  • Elementos de control: a partir de estos elementos el conductor debe detectar inmediatamente las anomalías posibles en el circuito de refrigeración o motor.
    El tablero de control está equipado con un testigo luminoso o con un indicador de temperatura. El indicador de temperatura estará provisto de una graduación, indicando la temperatura exacta del motor, en zonas de colores diferentes, correspondiendo a un funcionamiento normal o anormal. Estos elementos son mandados eléctricamente por un termistor que se sitúa en la culata o sobre el radiador.

            En la actualidad, se emplea la refrigeración por circuito cerrado o sellado, aunque existen otros tipos de circuitos.

  • Circuito cerrado o sellado: este circuito consiste en conectar el radiador con un pequeño depósito denominado vaso de expansión. De esta manera el líquido no se pierde en el exterior y puede ser recuperable. La válvula de seguridad que permite la salida del líquido del radiador, se encuentra en el tapón de cierre o a la entrada al vaso de expansión. Esta válvula permite el paso del vapor de agua a presión hacia el vaso de expansión, hasta que se iguale con la presión en el radiador. Si la presión baja demasiado en el radiador, la válvula permite el paso del líquido del vaso de expansión hacia el radiador y restablece así la presión y el nivel en el radiador.
  • Líquidos refrigerantes: se emplea el agua tratada con ciertos aditivos, como líquido refrigerante, debido a su estabilidad química, buena conducción, por su abundancia y economía. El agua sola presenta grandes inconvenientes como:
    • Sales calcáreas que obstruyen las canalizaciones del circuito. Se corrige destilando el agua.
    • A temperaturas de ebullición es muy oxidante, atacando el circuito y sus elementos.
    • Por debajo de 0º C solidifica y aumenta su volumen, pudiendo inutilizar el circuito de refrigeración.

            Para evitar estos inconvenientes se mezcla el agua con anticongelante y otros aditivos, denominándose a la mezcla líquido refrigerante. Este líquido presenta las siguientes propiedades:

  • Disminuye el punto de congelación del agua hasta – 30º C, según su concentración.
  • Evita la corrosión de las partes metálicas del circuito, debido a los aditivos que entran en su composición.