Sistema de enfriamiento

Tomado de www.youtube.com

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Motores enfriados por aire

Los motores enfriados por aire están equipados con aletas metálicas en el exterior de los cilindros y la culata para irradiar el calor del motor al aire circundante. Los cilindros suelen estar separados entre sí para permitir la libre circulación del aire alrededor de ellos. Se utiliza un ventilador para producir un flujo forzado y ductos para llevar el aire a los cilindros; éstos se encuentran rodeados por tolvas (bóvedas) metálicas para dirigir el aire a través de las aletas en los cilindros y culatas. 

En la figura, se ilustra el sistema de enfriamiento de un motor de dos cilindros. El ventilador en la parte delantera del motor se impulsa con dos bandas en V para producir flujo axial de aire; éste entra por el frente del ventilador y sus aspas en rotación lo envían hacia el motor. Hay tolvas y placas desviadoras dispuestas de modo de dirigir el aire entre las aletas en los cilindros y las culatas para disipar el calor. 

En ésta figura, se muestra un motor V-8, en un corte que permite ver las piezas internas del motor. El ventilador está montado en el frente del motor en un lugar en el cual envía el aire a lo largo de la V entre los dos bancos de cilindros. Unas tolvas de lámina en la parte superior del motor rodean los cilindros y retienen el aire de modo que sólo pueda escapar rodeando los cilindros en cada lado del motor. Con ello,el aire frío pasa sobre las aletas en los cilindros y culatas arrastra el calor y enfría el motor. 

El motor ilustrado tiene ventilador con control hidráulico, que permite controlar el volumen de aire del ventilador con la variación de la velocidad, y, esto, a su vez, controla la temperatura del motor.

El ventilador se impulsa con un eje mediante un acoplamiento hidráulico con control termostático para variar la velocidad del mismo. Durante el funcionamiento, el aceite del sistema de lubricación se conduce por el tubo  por el termostato y, luego, por el tubo para aceite de control para enviar aceite al acoplamiento hidráulico. El aceite también pasa por un filtro centrífugo y retorna al depósito (cárter) por el tubo de retorno de aceite.

El acoplamiento hidráulico consta de un elemento impulsor conectado con el eje de impulsión del ventilador y un elemento impulsado conectado con el ventilador. Ambos elementos tienen aspas y están dentro de una cubierta llena con aceite. El termostato controla el paso de aceite al acoplamiento hidráulico y, por tanto, la velocidad del ventilador.

El termostato es sensible a la temperatura del aire por medio del tubo para aire y también a los de los gases del escape. 

En el cubo del ventilador se incluyen filtros centrífugos para el aceite. La alta velocidad de rotación del ventilador se emplea para filtrar el aceite del motor. La fuerza centrífuga lanza las partículas de sólidos en el aceite contra el interior de la tasa de filtro y se eliminan del aceite antes de que retorne al depósito.

Líquido refrigerante

El líquido refrigerante es la solución que circula por las camisas de agua del motor. Consiste en una mezcla de agua con aditivos químicos especiales para proteger el sistema de enfriamiento y el motor. El líquido refrigerante tiene una función muy importante y debe cumplir con los siguientes requisitos:

1. Producir transferencia adecuada de calor.

2. Evitar la corrosión.

3. Evitar la formación de incrustaciones, herrumbre y depósitos.

4. Ser compatible con los sellos y mangueras.

5. Proteger contra la congelación en climas muy fríos.

Aunque el agua simple permite la transferencia del calor, se necesita agregar inhibidores de corrosión para evitar la corrosión y la formación de incrustaciones en el sistema de enfriamiento. Para climas muy fríos, también se emplean anticongelantes para impedir que se congele el agua.

Inhibidores de corrosión

Los inhibidores de corrosión (anticorrosivos) son compuestos solubles en agua que protegen las superficies metálicas del sistema de enfriamiento contra un ataque corrosivo. Los productos inhibidores disponibles en el comercio, que son una combinación de productos químicos, protegen contra la corrosión, controlan el ph y suavizan el agua.

Soluciones anticongelantes

Se necesitan soluciones anticongelantes para que el agua no se congele a temperaturas menores de O°C. Si se congela el agua simple en el motor, la fuerza de expansión, con frecuencia puede agrietar el bloque de cilindros y radiador. El anticongelante mezclado con el agua impide la congelación. Un buen anticongelante se debe mezclar con facilidad con el agua, evitar la congelación de la mezcla a la temperatura más baja que se espere, y debe circular con libertad. No debe producir corrosión en el sistema de enfriamiento ni perder sus propiedades después de un largo tiempo de uso.

Tapón de presión para el radiador

A fin de mejorar la eficiencia del enfriamiento y evitar las pérdidas por evaporación y derrames, se utiliza un tapón de presión en el radiador de muchos vehículos. 

A nivel del mar y presión atmosférica, el agua hierve a 100°C. A mayores altitudes, en que la presión atmosférica es menor, el agua hervirá a temperaturas más bajas. 

Con presiones altas se aumenta la temperatura de ebullición del agua. Por cada 10 kPa adicionales, el punto de ebullición aumenta alrededor de 2°C.  El empleo del tapón de presión en el radiador aumenta la presión dentro del sistema de enfriamiento, con lo cual el líquido circula a temperaturas más altas sin que haya ebullición. El líquido pasa del motor al radiador a una temperatura más alta; la diferencia en temperatura entre el líquido que hay dentro del radiador y el aire que lo circunda es más grande, con lo cual mejora la transferencia del calor.

Funcionamiento del tapón 

El tapón de presión se coloca en el tubo o cuello llenador del radiador y produce un sello hermético alrededor de los bordes. El tapón tiene dos válvulas, una de presión y una de vacío.

La válvula de presión consiste en una válvula mantenida contra un asiento mediante un resorte calibrado. El resorte mantiene cerrada la válvula para que se produzca presión en el sistema de enfriamiento. Si la presión aumenta a más de la especificada para el sistema, la válvula de presión se levanta de sus asiento y descarga el exceso de presión.

La válvula de vacío está destinada a impedir la formación de un vacío dentro del sistema de enfriamiento cuando se para el motor y empieza a enfriarse. Si se forma una vacío, la presión atmosférica en el exterior hace que se abra la válvula de vacío y que entre aire en el radiador. Sin la válvula de vacío, la presión dentro del radiador podría reducirse al grado de que la presión atmosférica ocasionaría la contracción o aplastamiento de las mangueras y, probablemente, del radiador.

Radiador

El radiador es un intercambiador de calor que permite transferir el calor del líquido refrigerante del motor al aire, más frío, que pasa a través del mismo. Consta de un tanque superior y uno inferior, con el núcleo (panal) entre ellos. El núcleo tiene dos secciones separadas: El líquido para por una y el aire por la otra. 

En la figura se ilustran dos construcciones diferentes de núcleo de radiador. En el tipo de tubos y aletas centrales (a), se emplean tubos verticales para el líquido con aletas en forma de tiras sujetas en cada lado de los tubos. En la construcción de aletas y tubos (b), se emplean aletas horizontales. En la segunda figura, se puede observar este tipo de núcleo tiene mayor superficie de aletas y, por tanto, más capacidad de enfriamiento. 

El líquido refrigerante pasa de la parte superior a la inferior del radiador. El aire pasa del frente hacia la parte posterior del radiador en casi todas instalaciones y absorbe el calor en las aletas; éstas, a su vez, absorben calor del líquido que baja por los tubos. En esta forma, se reduce la temperatura del líquido refrigerante.

Ventilador

En los motores pequeños, el ventilador suele estar montado en el eje de la bomba de agua y se impulsa con la misma banda que mueve a la bomba y al alternador. En los motores grandes, el ventilador está montado en un cubo por separado.

la finalidad de éste es producir una fuerte succión y corriente de aire a través del núcleo (panal) del radiador. En algunos motores se utiliza una tolva (bóveda) de ventilador para mejorar su eficacia. La tolva aumenta la eficiencia porque todo el aire que succiona el ventilador pasará a través del núcleo del radiador.

Bomba de agua

La bomba de agua suele ser del tipo con impulsor y se monta en el frente del bloque de cilindros, entre éste y el radiador.

la bomba consta de una cubierta, con aberturas para entrada y salida del líquido y un impulsor. Cuando gira el impulsor, el agua que hay entre las aspas es lanzada hacia fuera por la fuerza centrífuga y tiene que pasar por la salida de la bomba hacia el bloque de cilindros. La entrada de la bomba está conectada con una manguera por el tanque inferior del radiador; la bomba succiona el líquido para reemplazar al que descarga por la salida.

El eje del impulsor está montado en uno o más cojinetes y se emplea un sello para impedir las fugas del líquido alrededor del cojinete. La bomba se impulsa con una banda desde la polea en la parte delantera del cigüeñal. En algunos motores grandes se utiliza una bomba de agua impulsada por engranes. 

Camisas de agua

El bloque y la culata de cilindros tienen camisas de agua, que son un conducto que rodea los cilindros y dentro de la culata (cabeza) para conducir el líquido refrigerante. Las camisas de agua son parte integral de fundición en el bloque y la culata. Debido a que los asientos y guías de válvulas necesitan enfriamiento, la culata incluye camisas de agua que dejan llegar el líquido a esas zonas. El tamaño de los conductos y posición de los desviadores dirigen el flujo del líquido.

Termostato

El termostato está instalado en la conexión o codo de salida de agua en el frente de la culata de cilindros. Su finalidad es cerrar la salida hacia el tanque superior cuando el motor está frío, para que el líquido no pase por el radiador. Esto permite que el motor alcance la temperatura normal de funcionamiento con mayor rapidez. 

El termostato consta de un elemento detector o sensor y una válvula. El elemento sensor es una cápsula hermética que contiene un material que es un tipo parafina y que se expande con el calor. Un pistón pequeño en la cápsula está conectado con la válvula. Cuando aumenta la temperatura del líquido y se calienta el motor el sensor, la parafina se expande y mueve en forma gradual el pistón que abre la válvula.Esto permite que el líquido circule por la válvula y llegue al radiador. 

Motor enfriado por líquido

En la imagen anteriormente mostrada se ilustra la ubicación de las diversas partes del sistema de enfriamiento de un motor en V, que incluye un enfriador de aceite (intercooler).

La bomba de agua (5) en la parte delantera del motor se impulsa con la banda (correa) del ventilador. la bomba succiona el líquido del tanque inferior y entra en ella por el tubo de entrada (4) . Luego, se bombea el líquido por el enfriador de aceite (7), en donde el calor del aceite lubricante se transmite al líquido refrigerante; después, al banco izquierdo de cilindros y, directamente desde la bomba hasta el banco derecho de cilindros. Como la disposición del sistema es la misma para ambos bancos de cilindros, con la adición del enfriador de aceite en el banco izquierdo, sólo se describirá el flujo del líquido refrigerante en el banco izquierdo. Sin embargo, también se aplica para el banco derecho.

Dentro del motor el líquido refrigerante circula alrededor de los cilindros (8) y sube a la culata de cilindros (9). El líquido pasa alrededor de ésta y conductos de escape antes de llegar al frente de la culata.

En frente de la culata, el termostato (10) controla la dirección del flujo del líquido refrigerante. Cuando la temperatura de funcionamiento es menor que la normal , se envía al líquido por el conducto de derivación (11) hasta el lado de entrada de la bomba de agua para que re-circule  en todo el motor.

Cuando el líquido refrigerante llega a la temperatura de funcionamiento, se abre el termostato. Entonces, la mayor parte del líquido pasa por la manguera (16) hasta el tanque superior del radiador, en donde se enfría. El resto continúa circulando por el conducto de derivación (11) hasta la bomba del agua. La cantidad de líquido que fluye en cada dirección se controla con el termostato.

El líquido enfriador que va por la derivación, además de desviarse del radiador durante el período de calentamiento del motor, también impide la cavitación (burbujas de aire) en el líquido, en el lado de entrada a la bomba de agua. La derivación permanece abierta con el motor a temperatura normal y suministra líquido a la bomba. Esto reduce la posibilidad de que ocurra una presión muy baja en el lado de entrada de la bomba y produzca cavitación. El conducto de derivación también tiene una función cuando se llena el sistema de enfriamiento: El líquido puede pasar del bloque a la culata de cilindros sin pasar por la bomba del agua. 

¿Cuál es la finalidad del sistema de enfriamiento?

La finalidad del sistema de enfriamiento es mantener el motor a su temperatura de funcionamiento más eficiente a todas las velocidades y en todas las condiciones. Durante la combustión, las temperaturas son altas y se genera una gran cantidad de calor. Alrededor del 25% de calor se utiliza para efectuar trabajo útil, 31% se disipa con los gases de escape y 33% se absorbe en el sistema de enfriamiento. El resto de calor se utiliza para vencer la fricción del motor.

Esos porcentajes son sólo aproximados pero y pueden variar en tipos particulares de motores, pero muestran la necesidad de un sistema de enfriamiento. También permiten apreciar el trabajo que debe realizar el sistema de enfriamiento, cuando se tiene en cuenta que alrededor de una tercera parte de la energía térmica del combustible que entra al motor, sale por el sistema de enfriamiento.

Parte del calor de las cámaras de combustión lo absorben las paredes de los cilindros, culatas de cilindros y pistones; éstos a su vez deben ser enfriados por algún medio a fin de que las temperaturas no se vuelvan excesivas. la temperatura en la pared de los cilindros no debe subir por arriba de 300°C. Las temperaturas más altas hacen que se desintegre la película de aceite y pierda sus propiedades lubricantes; sin embargo, es deseable que el motor funcione a una temperatura lo más cercana, hasta donde sea posible, a los límites impuestos por las propiedades del aceite. Si se disipa demasiado calor a través de las paredes y de la culata de los cilindros, se reduciría la eficiencia térmica del motor.

dado que el motor es muy poco eficiente cuando está frío, el sistema de enfriamiento incluye componentes que evitan el enfriamiento normal durante el período de calentamiento. Estos componentes permiten que las piezas del motor alcancen con rapidez su temperatura de funcionamiento y reducen el ineficiente período de funcionamiento en frío. Por tanto, el sistema de enfriamiento, hace bajar la temperatura con rapidez cuando el motor está caliente y sólo permite enfriamiento lento o no lo permite durante el período de calentamiento y cuando el motor está frío. 

Se utilizan dos tipos generales de sistemas de enfriamiento: Por aire y por líquido. En casi todos los motores automotrices se emplea enfriamiento por líquido, aunque los motores de avión, de motocicleta, de cortadores de césped y los estacionarios pequeños se enfrían con aire. 

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