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Sistema de enfriamientoCuando el motor de combustión funciona, solo una parte de la energía calorífica del combustible se convierte en trabajo mecánico a la salida del cigüeñal, el resto se pierde en calor.Una parte del calor perdido sale en los gases de escape pero otra se transfiere a las paredes del cilindro, a la culata o tapa y a los pistones, por lo que la temperatura de trabajo de estas piezas se incrementa notablemente y será necesario refrigerarlos para mantener este incremento dentro de límites seguros que no los afecten. Además las pérdidas por rozamiento calientan las piezas en movimiento, especialmente las rápidas, como cojinetes de biela y puntos de apoyo del cigüeñal. Para refrigerar las piezas involucradas se usan dos vías: 1.- El aceite lubricante para las piezas en movimiento y la cabeza de los pistones. 2.- Un sistema especialmente construido que usa un fluido en movimiento para refrigerar camisas de cilindros y culata. Este fluido puede ser aire, o líquido. La función refrigerante del aceite lubricante se ha tratado en el artículo sobre el sistema de lubricación, ahora nos ocuparemos del sistema de enfriamiento por fluido.Generalidades
Temperatura del motorEl motor no debe trabajar demasiado frío, ni demasiado caliente, múltiples estudios realizados desde hace muchos años demuestran que hay cierta temperatura óptima de trabajo para la cual el rendimiento del motor es bueno y su durabilidad mayor.Existen un grupo de factores relacionados con esto, veamos: 1.- Dimensiones de la piezas: La inmensa mayoría de las piezas sometidas a cargas en el motor son metálicas, y estos se dilatan con el incremento de la temperatura. Esta condición exige que entre todas las partes con movimiento relativo, exista un holgura que permita la dilatación sin que se produzca fuerte rozamiento, o atrancamiento de la unión cuando se calienten durante el trabajo después de un arranque frío. Estas holguras se establecen por los fabricantes de manera que sean óptimas cuando el motor trabaja a la temperatura óptima de funcionamiento, en este sentido la hermeticidad entre los anillos de pistón y los cilindros, cojinetes de biela y de puntos de apoyo de cigüeñal etc. se optimizan, elevando el rendimiento del motor y reduciendo las pérdidas por rozamiento y el desgaste entre las partes con movimiento relativo. 2.- Viscosidad del lubricante: Los lubricantes generalmente son aceites derivados del petróleo con ciertos aditivos, estos aceites disminuyen su viscosidad a medida que se calientan, durante el arranque frío el lubricante está muy viscoso y aunque garantiza una lubricación suficiente de las piezas en movimiento, produce mayores resistencias al movimiento que cuando está caliente y fluido. Esta resistencia adicional reduce el rendimiento del motor y empeora la función lubricante y por lo tanto aumenta el desgaste. La temperatura del aceite tiene un límite, si se calienta mas, la viscosidad se reduce en demasía y perjudica la lubricación, además de que se oxida y deteriora mas rápido. 3.- Pérdidas de calor: La transferencia de calor entre dos medios a diferente temperatura depende (además de otras cosas) de la diferencia de temperatura entre los medios. Cuando el motor está frío, las perdidas de calor desde los gases de la combustión a las paredes del cilindro y a la culata son mucho mayores que cuando estas piezas están calientes. Un motor trabajando frío por tanto tiene menor rendimiento mecánico que uno caliente. Desde este punto de vista mientras mas caliente mejor, pero un incremento indefinido de esta temperatura puede poner en peligro la estabilidad de los materiales de las piezas involucradas y hará que el aceite se deteriore rápidamente al caer en superficies muy calientes.Del cumplimento de estas exigencias surge la primera condición que debe cumplir el sistema de enfriamiento: Condición 1: El sistema de enfriamiento debe mantener estable la temperatura del motor entre ciertos límites en todo el rango de trabajo de este. Consumo de potenciaLa potencia utilizada por el sistema de refrigeración en su objetivo de eliminar el calor sobrante de las piezas del motor, forma parte de las pérdidas internas de funcionamiento del motor y se deduce de la energía final disponible en las ruedas del vehículo, lo deseable es que estas pérdidas sean lo menor posible. Un sistema sobre dimensionado resultará muy seguro teniendo en cuenta la ineficiencia creciente con el uso, y las posibilidades de mantenimiento inadecuado por parte del conductor, pero al mismo tiempo produce mayores consumos de potencia afectando el rendimiento.La potencia consumida para hacer circular de manera forzada un fluido, está en relación directa con su viscosidad por lo que un agente muy fluido es deseable para poco gasto en este sentido. De aquí la segunda condición: Condición 2: El sistema de enfriamiento debe cumplimentar de manera eficiente el compromiso entre seguridad de funcionamiento y su consumo de potencia, garantizando un enfriamiento seguro con el mínimo consumo de esta. Interacción con las piezasEl medio utilizado para extraer el calor sobrante de las piezas del motor como ya hemos mencionado puede ser aire o un líquido. En el caso del aire y debido a la naturaleza de este, la interacción con las piezas refrigeradas no es agresiva, pero cuando se usa un líquido hay que tener en cuenta que este no debe presentar motivo de fallo para las piezas refrigeradas, generalmente metálicas, y con las cuales tiene contacto íntimo. De este requisito surge la tercera condición:Condición 3: El medio refrigerante utilizado en el sistema no debe ser corrosivo para los metales que se usan en las partes del motor con las que tendrá contacto.
EstabilidadUn motor moderno actual puede trabajar durante mucho tiempo sin fallo, y además hacerlo en condiciones ambientales a muy bajas temperaturas en las zonas frías del planeta, tanto en funcionamiento como en reposo con el motor detenido. Salta a la vista entonces que nuestro agente refrigerante debe cumplir una cuarta condición:Condición 4: Ser estable al paso del tiempo sin reponerse, aun en las condiciones de alta temperatura de trabajo, y además mantenerse operante en las condiciones mas frías durante el arranque del motor. Señalización de averíaEs vital para el motor mantenerse trabajando por debajo de cierta temperatura crítica a partir de la cual se reduce notablemente su durabilidad y hasta incluso, se puede producir una grave avería que incluye la pérdida de operatividad definitiva, por tal motivo debe cumplirse una quinta condición:Condición 5: El sistema de enfriamiento debe estar dotado de un modo claro y práctico de informar al operador en todo momento cuando hay un fallo en el sistema y así evitar la avería del motor. Componentes del sistemaCon el conocimiento previo podemos ahora ver cuales son los componentes básicos de un sistemas de enfriamiento.Enfriamiento por líquidoEl la figura 1 se muestra un diagrama donde están representados esquemáticamente los componentes de un sistema de refrigeración por líquido. Se ha supuesto un volumen que representa la zona caliente y de donde hay que extraer el calor. Figura 1. Observe que el sistema funciona como un ciclo cerrado donde el líquido refrigerante se recircula constantemente por una camisa que rodea la zona caliente para enfriarla. El líquido es movido por una bombaque se acciona desde la polea del cigüeñal, de manera que siempre que este funcione, la bomba hace circular el líquido al sistema, una válvula de control de flujo cuya apertura depende de la temperatura, restringe el flujo de refrigerante en mayor o menor medida de acuerdo a esta, y así garantizar una temperatura temostatada en el agua que sale del motor y con ello su temperatura de trabajo. Esta válvula se conoce como termostato. El refrigerante caliente procedente del motor se hace circular por un intercambiador de calor dotado de múltiples tubos con aletas, conocido como radiador, por el que se hace circular un flujo de aire externo representado con flechas azules para enfriarlo. Una hélice accionada eléctricamente o bien desde el motor a través de un embrague térmico induce el flujo de aire para el funcionamiento del intercambiador de calor. Por último un sensor especial alimenta el indicador al conductor, que puede ser una señal luminosa de alarma o un aparato indicador de la temperatura o ambos. El aparato indicador de la temperatura generalmente es un termómetro de termo resistencia. Como el sistema está completamente lleno con agua y esta se dilata y contrae al calentarse y enfriarse, el sistema está povisto de una válvula de seguridad de presión calibrada, que se abre y cierra por la propia presión. El trasiego del volumen sobrante se hace a un recipiente aparte que a la vez sirve de reserva. Esta válvula no está representada en la figura y casi siempre es la propia tapa del radiador, y por donde además, se llena todo el sistema con refrigerante. En la figura 2 se muestra un esquema más real del sistema de refrigeración por líquido. Observe la existencia del tanque de reserva de refrigerante y como este está conectado al radiador a través de un conducto donde la propia tapa del radiador opera como válvula de apertura.  Figura 2. Enfriamiento por aireEl esquema de la figura 3 sirve para ilustrar un diagrama simplificado de un sistema de enfriamiento por aire que pudiera ser utilizado en un automóvil. Figura 3. Un termostato, que puede ser mecánico o electro-mecánico, regula la apertura de la compuerta de salida de acuerdo a la temperatura del aire procedente de la camisa para mantener el motor a la temperatura óptima. Este mecanismo es en cierto modo auto compensado, ya que a medida que crece la velocidad del motor y se producen mas ciclos de combustión, automáticamente se genera mas aire de enfriamiento debido al propio aumento de la velocidad de rotación de la hélice que está acoplada al cigüeñal. En la mayor parte de las aplicaciones la correa que mueve la hélice también mueve otros agregados del motor como el alternador, el fallo de la correa puede encender una alarma lunimosa al conductor en caso de fallo debido a la falta de servicio de alguno de los otros agregados, y por lo tanto, en ocasiones el indicador de temperatura del motor no existe en el tablero. Otros temas sobre el automóvil aquí. Para ir al índice general del portal aquí. |