Refrigeración en motores de combustión interna

Diagrama de la refrigeración por agua en un motor de combustión interna.

La refrigeración en motores de combustión interna debe hacerse para eliminar el exceso de calor generado durante el funcionamiento de éstos y es de uso indispensable en los motores de pistones o alternativos.

Razones para refrigerar el motor

Durante la combustión, parte de la energía generada no es convertida en energía mecánica y se pierde en forma de calor. Según la velocidad de giro del motor y el diseño de éste, sólo alrededor del 30% de la energía almacenada en el combustible se aprovecha para realizar trabajo mecánico, y el resto es necesario eliminarlo para evitar que la temperatura alcance valores críticos que puedan comprometer la integridad física del motor.​

Controlar la temperatura del motor es necesario no sólo para evitar daños al mismo, su rendimiento depende en buena medida del desempeño del sistema de refrigeración. Una temperatura estable indica una carburación y puesta a punta correctas.​ La temperatura óptima depende del diseño del motor, pero en general se encuentra entre 80 y 100ºC

Si el motor trabaja por encima de su temperatura óptima, se corre el riesgo de disminuir la viscosidad del aceite y aumentar el desgaste del motor, se produce un recalentamiento de las piezas y una mayor fricción entre estas. También puede producirse detonaciones al encenderse la mezcla combustible antes de tiempo.

Si el motor trabaja por debajo de su temperatura óptima, se aumenta el consumo de aceite y el desgaste de las piezas, ya que éstas están diseñadas para dilatarse por efecto del calor a un tamaño determinado, se reduce la potencia por falta de temperatura para una combustión eficiente, se producen incrustaciones de carbón en válvulas, bujías y pistones.

Métodos de refrigeración

Puede hacerse por agua (por termosifón o por circulación forzada) o por aire.

Por agua

Circulación por termosifón

Su funcionamiento está basado en la diferencia de densidad existente, entre el agua caliente que está en el block y la tapa de cilindros, y el agua fría que se encuentra en el radiador. Para esto se requiere poca resistencia a la circulación del agua. El depósito superior debe ser de gran capacidad para evitar que el nivel del agua en caso de evaporación no descienda por debajo del nivel del orificio de llegada al radiador. Este sistema ya no se utiliza debido a las restricciones de posicionamiento y volumen.

Circulación forzada

Es de los más difundidos y seguros. La circulación del agua, es impulsada a través una de bomba centrífuga, pasa por los cilindros del block, luego por la tapa de cilindros, y de allí, al deposito superior del radiador, aquí empieza el enfriamiento, al circular el agua por el panel del radiador, intercambiando el calor con el aire producida por un ventilador. El agua ya fría ingresa al depósito inferior, donde comienza nuevamente el ciclo. La bomba de agua es accionada generalmente por el mismo motor mediante correas y poleas, que por lo general también hacen girar el ventilador. En los sistemas más modernos, el ventilador es movido por un motor eléctrico comandado por un termostato, y entra en funcionamiento sólo cuando la temperatura del agua lo requiere.

Ventajas y desventajas de la refrigeración por agua

Las ventajas de la refrigeración por agua son: fácil regulación, refrigeración más homogénea, motor más silencioso, menor gasto de energía. Las desventajas son: mayor mantenimiento, mayor peso, y mayor posibilidad de fallas.

Entre las desventajas son: aumento en el peso del motor y aumento en su complejidad. Una falla mínima en el sistema (por ejemplo, una pequeña perdida de agua) puede dejar el motor inutilizable. En caso de funcionar el motor con poca agua o sin agua y no ser advertido por el usuario, pueden producirse graves daños estructurales en pistones, camisas y culata.

Elementos constitutivos del sistema de refrigeración por agua

Radiador

Situado generalmente en la parte delantera del vehículo, de forma que reciba directamente el paso de aire a través de sus paneles y aletas refrigerantes durante el desplazamiento del mismo y donde se enfría el agua procedente del motor.

Este elemento esta formado por dos depósitos, uno superior y otro inferior, unidos entre si por una serie de tubos finos rodeados por numerosas aletas de refrigeración, o por una serie de paletas 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 generalmente de latón, facilitando, con su mayor conductibilidad térmica, la rápida evacuación de calor a la atmósfera.

El deposito superior lleva una boca de entrada lateral que se comunica por medio de un manguito de goma con la salida de agua calienta de la culata o tapa de cilindros. En el depósito inferior va instalada la boca de salida del agua refrigerada, unida por otro manguito de goma a la entrada de la bomba.

Diseños más utilizados

• Nido de abejas: El agua circula por la parte externa, y el aire por el interior de los orificios. Alto costo de fabricación.
• De laminillas: Muy poco utilizado debido a su fragilidad
• De tubos y aletas: El agua circula por el interior de los tubos, estos se encuentran soldados en su periferia con láminas, siendo ambos barridos por la corriente de aire. Es el más utilizado actualmente.

La tapa del radiador o tapa presostática tiene como función el cierre del tanque superior, y al mismo tiempo limita la presión de trabajo del circuito mediante una válvula, con lo cual se logran circuitos presurizados, aumentando la temperatura de régimen sin que se produzca la ebullición del agua.

Bomba centrífuga

Se halla instalada en el bloque del motor y es movida directamente por la polea del cigüeñal, a través de una transmisión por correa trapezoidal. Dicha bomba aspira el agua del radiador y la hace circular por el interior del bloque y la culata para refrigerar los cilindros y la cámara de combustión.

La bomba está formadas por una carcasa de aleación ligera o de fundición (en los autos más antiguos), unida al bloque del motor con interposición de una junta de cartón amianto para hacer estanca la unión. En el interior de la misma se mueve una turbina de aletas unida al árbol de mando de la bomba, el cual se apoya sobre la carcasa por medio de uno o dos cojinetes de bolas, con un reten 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, y el ventilador.

Ventilador

Ventilador del sistema de refrigeración de un motor de combustión interna.

Adosado generalmente a la polea de la bomba, que activa el paso de aire a través del radiador. El rotor tiene cuatro o seis aspas inclinadas convenientemente para la aspiración del aire y esta fabricado en chapa o plástico duro. En muchos diseños el ventilador es movido por un motor eléctrico. Éste motor es comandando por un termostato que se encuentra en el bloque de cilindro o en la culata en contacto con el agua, de tal manera que al alcanzar ésta un temperatura determinada, cierra el circuito eléctrico poniendo en marcha el motor y el ventilador.

La válvula termostática cumple la función de limitar el pasaje del agua desde el motor hacia el radiador, en función de la temperatura del mismo. Lo que significa que si la temperatura del motor no supera la temperatura de régimen permanece cerrada, recirculando el agua solamente por el motor, de superar la temperatura de régimen la válvula abre y permite la circulación del agua a través del radiador. Su construcción esta basada en elementos deformables en función de la temperatura de régimen.

Motor de aviación Bristol Jupiter, enfriado por aire. Son claramente visibles las aletas de refrigeración de los cilindros, utilizadas para aumentar la superficie de disipación.

Se pueden utilizar termostatos de fuelle o termostatos de cera, los cuales ambos funcionan por el principio de dilatación o contracción a diversas temperaturas, para la apertura o cierre de la válvula. Actualmente se utilizan válvulas con cápsula de resina.

El líquido refrigerante se utiliza para evitar incrustaciones debido a bicarbonatos y silicatos, el líquido deberá ser agua pura. A su vez, se agregan inhibidores para evitar el efecto oxidante y a efectos de disminuir el punto de congelamiento, para este ultimo punto se agrega alcohol o glicerina, llegando a temperaturas de –9 C a –23 C.

Refrigeración por aire

En la refrigeración por aire el enfriamiento se obtiene barriendo los cilindros por una corriente de aire efectuada por el desplazamiento de la máquina, o mecánicamente. Este sistema es muy utilizado en motores para aviones de turismo o de pequeño porte, debido a su menor peso y mayor fiabilidad.

Las ventajas de este sistema son: fácil mantenimiento, seguridad en invierno al no poseer agua, rápido alcance del equilibrio térmico, menor peso, y menor costo.

Las desventajas son: motor ruidoso, regulación delicada, y absorción de energía por la turbina.