Sistema de enfriamiento
Cuando 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:
- El aceite lubricante para las piezas en movimiento y la
cabeza de los pistones.
- 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 tratará
cuando se describa el sistema de lubricación, ahora nos
ocuparemos del sistema de enfriamiento por fluido.
Temperatura del motor
El 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:
- 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.
- 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.
- 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 potencia
La 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 piezas
El 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.
Estabilidad
Un 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 avería
Es 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 sistema
Con el conocimiento previo podemos ahora ver cuales son los componentes
básicos de un sistemas de enfriamiento.
Enfriamiento por líquido
El 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.
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 bomba que se acciona desde el motor
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.
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 Figura
1
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En la figura 2 se muestra
un esquema mas 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.
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Figura 2
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Enfriamiento por aire
El esquema de la figura 2
sirve para ilustrar un diagrama simplificado de un sistema de
enfriamiento por aire que pudiera ser utilizado en un automóvil.
Una hélice radial movida desde el cigüeñal del motor
a través de una correa, está ubicada dentro de un cuerpo
de forma adecuada para dirigir el flujo de aire hacia la camisa del
cilíndro que es la parte a refrigerar. El diámetro de la
hélice así como la relación de transmisión
entre las poleas están bien elaborados para garantizar la
cantidad de aire necesario. La camisa del cilindro está dotada
de aletas para aumentar la superficie de transferencia de calor con el
aire y así mejorar el enfriamiento.
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.
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Figura 2
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