El sistema de refrigeración de los motores de combustión interna utiliza aire o líquido para eliminar el calor residual de un motor de combustión interna . En el caso de motores pequeños o de usos especiales, la refrigeración mediante aire de la atmósfera permite obtener un sistema ligero y relativamente sencillo. Las embarcaciones pueden utilizar agua directamente del entorno circundante para enfriar sus motores. En el caso de los motores refrigerados por agua de los aviones y los vehículos de superficie, el calor residual se transfiere desde un circuito cerrado de agua bombeada a través del motor hasta la atmósfera circundante mediante un radiador .
El agua tiene una mayor capacidad térmica que el aire y, por lo tanto, puede alejar el calor del motor más rápidamente, pero un radiador y un sistema de bombeo agregan peso, complejidad y costo. Los motores de mayor potencia generan más calor residual, pero pueden mover más peso, lo que significa que generalmente están refrigerados por agua. Los motores radiales permiten que el aire fluya alrededor de cada cilindro directamente, lo que les da una ventaja para la refrigeración por aire sobre los motores rectos , los motores planos y los motores en V. Los motores rotativos tienen una configuración similar, pero los cilindros también giran continuamente, lo que crea un flujo de aire incluso cuando el vehículo está parado.
El diseño de aeronaves favorece más fuertemente los diseños de menor peso y refrigerados por aire. Los motores rotativos fueron populares en las aeronaves hasta el final de la Primera Guerra Mundial , pero tenían serios problemas de estabilidad y eficiencia. Los motores radiales fueron populares hasta el final de la Segunda Guerra Mundial , hasta que los motores de turbina de gas los reemplazaron en gran medida. Las aeronaves modernas impulsadas por hélice con motores de combustión interna todavía se refrigeran en gran medida por aire. Los automóviles modernos generalmente priorizan la potencia sobre el peso y, por lo general, tienen motores refrigerados por agua. Las motocicletas modernas son más livianas que los automóviles y ambos métodos de refrigeración son comunes. [1] Algunas motocicletas deportivas se refrigeraban con aire y aceite ( rociado debajo de las cabezas de los pistones ).
Los motores térmicos generan potencia mecánica extrayendo energía de los flujos de calor, de forma similar a como una rueda hidráulica extrae energía mecánica de un flujo de masa que cae a cierta distancia. Los motores son ineficientes, por lo que entra más energía térmica en el motor de la que sale en forma de energía mecánica; la diferencia es el calor residual que debe eliminarse. Los motores de combustión interna eliminan el calor residual a través del aire de admisión frío, los gases de escape calientes y la refrigeración explícita del motor.
Los motores con mayor eficiencia tienen más energía que sale en forma de movimiento mecánico y menos en forma de calor residual. Una parte del calor residual es esencial: guía el calor a través del motor, de forma similar a como una rueda hidráulica funciona solo si hay cierta velocidad de salida (energía) en el agua residual para eliminarla y hacer lugar para más agua. Por lo tanto, todos los motores térmicos necesitan refrigeración para funcionar.
El enfriamiento también es necesario porque las altas temperaturas dañan los materiales y lubricantes del motor y se vuelve aún más importante en climas cálidos. [2] Los motores de combustión interna queman combustible a una temperatura más alta que la temperatura de fusión de los materiales del motor, y lo suficientemente caliente como para incendiar los lubricantes. El enfriamiento del motor elimina energía lo suficientemente rápido como para mantener bajas las temperaturas para que el motor pueda sobrevivir. [3]
Algunos motores de alta eficiencia funcionan sin refrigeración explícita y con solo pérdidas de calor incidentales, un diseño llamado adiabático . Estos motores pueden lograr una alta eficiencia pero sacrifican potencia de salida, ciclo de trabajo, peso del motor, durabilidad y emisiones. [ cita requerida ]
La mayoría de los motores de combustión interna se enfrían mediante aire (un fluido gaseoso) o un refrigerante líquido que pasa por un intercambiador de calor ( radiador ) enfriado por aire. Los motores marinos y algunos motores estacionarios tienen fácil acceso a un gran volumen de agua a una temperatura adecuada. El agua se puede utilizar directamente para enfriar el motor, pero a menudo contiene sedimentos que pueden obstruir los conductos de refrigerante o sustancias químicas, como la sal, que pueden dañar químicamente el motor. Por lo tanto, el refrigerante del motor puede pasar por un intercambiador de calor que se enfría mediante la masa de agua.
La mayoría de los motores refrigerados por líquido utilizan una mezcla de agua y productos químicos como anticongelante , inhibidores de óxido y otros aditivos. Estas mezclas de anticongelante, también conocidas como "refrigerante del motor", son típicamente fluidos a base de glicol que contienen una mezcla de etilenglicol , aditivos y agua. Los tipos comunes de refrigerantes incluyen fluidos de tecnología de ácido inorgánico (IAT), tecnología de ácido orgánico (OAT) y tecnología de ácido orgánico híbrido (HOAT). [4] Algunos anticongelantes no usan agua en absoluto, sino que dependen de líquidos con diferentes propiedades, como propilenglicol o una combinación de propilenglicol y etilenglicol. Si bien los motores refrigerados por aire dependen principalmente del aire para regular la temperatura, muchos también usan enfriamiento de aceite para ayudar a mantener temperaturas óptimas tanto para los componentes del motor como para el aceite en sí. La mayoría de los motores refrigerados por líquido utilizan algo de enfriamiento por aire, y la carrera de admisión del aire enfría la cámara de combustión. Una excepción es en un motor Wankel , donde algunas partes de la cámara de combustión nunca se enfrían mediante la admisión, lo que requiere un esfuerzo adicional para un funcionamiento exitoso.
Los sistemas de refrigeración tienen muchas exigencias. Uno de los requisitos clave es que funcionen adecuadamente en todo el motor, ya que si una sola de sus partes se sobrecalienta, todo el motor falla. Por lo tanto, es vital que el sistema de refrigeración mantenga todas las partes a temperaturas adecuadamente bajas. Los motores refrigerados por líquido pueden variar el tamaño de sus conductos a través del bloque del motor para que el flujo de refrigerante se pueda adaptar a las necesidades de cada área. Las ubicaciones con temperaturas pico altas (islas estrechas alrededor de la cámara de combustión) o flujo de calor alto (alrededor de los puertos de escape) pueden requerir una refrigeración generosa. Esto reduce la aparición de puntos calientes, que son más difíciles de evitar con la refrigeración por aire. Los motores refrigerados por aire también pueden variar su capacidad de refrigeración utilizando aletas de refrigeración más espaciadas en esa área, pero esto puede dificultar y encarecer su fabricación.
Solo las partes fijas del motor, como el bloque y la culata, se enfrían directamente a través del sistema de refrigeración principal. Las partes móviles, como los pistones y, en menor medida, el cigüeñal y las bielas , deben depender del aceite lubricante como refrigerante, o en una cantidad muy limitada de conducción hacia el bloque y, desde allí, hacia el refrigerante principal. Los motores de alto rendimiento con frecuencia tienen aceite adicional, más allá de la cantidad necesaria para la lubricación, rociado hacia arriba sobre la parte inferior del pistón solo para una refrigeración adicional. Las motocicletas refrigeradas por aire a menudo dependen en gran medida de la refrigeración por aceite además de la refrigeración por aire de los cilindros.
Los motores refrigerados por líquido suelen tener una bomba de circulación. Los primeros motores dependían únicamente de la refrigeración por termosifón , en la que el refrigerante caliente salía de la parte superior del bloque del motor y pasaba al radiador, donde se enfriaba antes de volver a la parte inferior del motor. La circulación se impulsaba únicamente por convección.
Otras exigencias incluyen el coste, el peso, la fiabilidad y la durabilidad del propio sistema de refrigeración.
La transferencia de calor conductiva es proporcional a la diferencia de temperatura entre los materiales. Si el metal del motor está a 250 °C y el aire está a 20 °C, entonces hay una diferencia de temperatura de 230 °C para enfriar. Un motor enfriado por aire utiliza toda esta diferencia. Por el contrario, un motor enfriado por líquido podría transferir calor del motor a un líquido, calentando el líquido a 135 °C (el punto de ebullición estándar del agua de 100 °C puede superarse ya que el sistema de enfriamiento está presurizado y utiliza una mezcla con anticongelante) que luego se enfría con aire a 20 °C. En cada paso, el motor enfriado por líquido tiene la mitad de la diferencia de temperatura y, por lo tanto, al principio parece necesitar el doble de área de enfriamiento.
Sin embargo, las propiedades del refrigerante (agua, aceite o aire) también afectan la refrigeración. Como ejemplo que compara el agua y el aceite como refrigerantes, un gramo de aceite puede absorber aproximadamente el 55% del calor para el mismo aumento de temperatura (llamado capacidad calorífica específica ). El aceite tiene aproximadamente el 90% de la densidad del agua, por lo que un volumen dado de aceite puede absorber solo aproximadamente el 50% de la energía del mismo volumen de agua. La conductividad térmica del agua es aproximadamente cuatro veces mayor que la del aceite, lo que puede ayudar a la transferencia de calor. La viscosidad del aceite puede ser diez veces mayor que la del agua, lo que aumenta la energía necesaria para bombear aceite para enfriar y reduce la potencia neta de salida del motor.
Comparando el aire y el agua, el aire tiene una capacidad calorífica por gramo y por volumen mucho menor (4000) y menos de una décima parte de la conductividad, pero también una viscosidad mucho menor (aproximadamente 200 veces menor: 17,4 × 10 −6 Pa·s para el aire frente a 8,94 × 10 −4 Pa·s para el agua). Continuando con el cálculo de los dos párrafos anteriores, la refrigeración por aire necesita diez veces la superficie, por lo tanto, las aletas, y el aire necesita 2000 veces la velocidad de flujo y, por lo tanto, un ventilador de aire recirculante necesita diez veces la potencia de una bomba de agua recirculante.
El traslado del calor del cilindro a una gran superficie para su refrigeración por aire puede presentar problemas, como la dificultad de fabricar las formas necesarias para una buena transferencia de calor y el espacio necesario para el libre flujo de un gran volumen de aire. El agua hierve aproximadamente a la misma temperatura deseada para la refrigeración del motor. Esto tiene la ventaja de que absorbe una gran cantidad de energía con muy poco aumento de temperatura (lo que se denomina calor de vaporización ), lo que es bueno para mantener las cosas frescas, especialmente para pasar una corriente de refrigerante sobre varios objetos calientes y lograr una temperatura uniforme. Por el contrario, pasar aire sobre varios objetos calientes en serie calienta el aire en cada paso, por lo que el primero puede enfriarse demasiado y el último no. Sin embargo, una vez que el agua hierve, es un aislante, lo que lleva a una pérdida repentina de refrigeración donde se forman burbujas de vapor. El vapor puede volver al agua al mezclarse con otro refrigerante, por lo que un indicador de temperatura del motor puede indicar una temperatura aceptable aunque las temperaturas locales sean lo suficientemente altas como para que se estén produciendo daños.
Un motor necesita distintas temperaturas. La entrada, incluido el compresor de un turbo, así como las trompetas de admisión y las válvulas de admisión, deben estar lo más frías posible. Un intercambiador de calor en contracorriente con aire de refrigeración forzado cumple esta función. Las paredes del cilindro no deben calentar el aire antes de la compresión, pero tampoco enfriar el gas durante la combustión. Una solución intermedia es una temperatura de pared de 90 °C. La viscosidad del aceite está optimizada para esta temperatura. Cualquier enfriamiento del escape y de la turbina del turbocompresor reduce la cantidad de potencia disponible para la turbina, por lo que el sistema de escape a menudo está aislado entre el motor y el turbocompresor para mantener los gases de escape lo más calientes posible.
La temperatura del aire de refrigeración puede variar desde muy por debajo del punto de congelación hasta los 50 °C. Además, mientras que los motores en el servicio de barcos o trenes de larga distancia pueden funcionar con una carga constante, los vehículos de carretera a menudo ven una carga muy variable y que varía rápidamente. Por lo tanto, el sistema de refrigeración está diseñado para variar la refrigeración de modo que el motor no esté ni demasiado caliente ni demasiado frío. La regulación del sistema de refrigeración incluye deflectores ajustables en el flujo de aire (a veces llamados "obturadores" y comúnmente operados por un "obturador" neumático); un ventilador que funciona independientemente del motor, como un ventilador eléctrico, o que tiene un embrague ajustable; y una válvula termostática o un termostato que puede bloquear el flujo de refrigerante cuando está demasiado frío. Además, el motor, el refrigerante y el intercambiador de calor tienen cierta capacidad térmica que suaviza el aumento de temperatura en sprints cortos. Algunos controles del motor apagan un motor o lo limitan a la mitad del acelerador si se sobrecalienta. Los controles electrónicos del motor modernos ajustan la refrigeración en función del acelerador para anticipar un aumento de temperatura y limitan la potencia de salida del motor para compensar la refrigeración finita.
Por último, otras cuestiones pueden dominar el diseño del sistema de refrigeración. Por ejemplo, el aire es un refrigerante relativamente deficiente, pero los sistemas de refrigeración por aire son sencillos y las tasas de fallos suelen aumentar con el cuadrado del número de puntos de fallo. Además, la capacidad de refrigeración se reduce sólo ligeramente por pequeñas fugas de refrigerante de aire. Cuando la fiabilidad es de suma importancia, como en los aviones, puede ser una buena solución de compromiso renunciar a la eficiencia, la longevidad (el intervalo entre las reconstrucciones del motor) y el silencio a cambio de conseguir una fiabilidad ligeramente superior; las consecuencias de un motor de avión averiado son tan graves que incluso un ligero aumento de la fiabilidad merece la pena si se renuncia a otras buenas propiedades para conseguirlo.
Los motores refrigerados por aire y por líquido se utilizan comúnmente. Cada principio tiene ventajas y desventajas, y determinadas aplicaciones pueden favorecer a uno sobre el otro. Por ejemplo, la mayoría de los automóviles y camiones utilizan motores refrigerados por líquido, mientras que muchos motores de aviones pequeños y de bajo costo se refrigeran por aire.
Es difícil hacer generalizaciones sobre los motores refrigerados por aire y por líquido. Los motores diésel refrigerados por aire se eligen por su fiabilidad incluso en condiciones de calor extremo, porque la refrigeración por aire sería más sencilla y eficaz para hacer frente a las temperaturas extremas durante lo más crudo del invierno y lo más crudo del verano que los sistemas de refrigeración por agua, y se utilizan a menudo en situaciones en las que el motor funciona sin supervisión durante meses. [5]
De manera similar, suele ser deseable minimizar el número de etapas de transferencia de calor para maximizar la diferencia de temperatura en cada etapa. Sin embargo, los motores de dos tiempos de Detroit Diesel suelen utilizar aceite enfriado por agua, y el agua a su vez enfriada por aire. [6]
El refrigerante utilizado en muchos motores refrigerados por líquido debe renovarse periódicamente y puede congelarse a temperaturas normales, lo que provoca daños permanentes en el motor cuando se expande. Los motores refrigerados por aire no requieren mantenimiento del refrigerante y no sufren daños por congelación, dos ventajas que se citan comúnmente para los motores refrigerados por aire. Sin embargo, el refrigerante a base de propilenglicol es líquido a -55 °C, más frío que el que encuentran muchos motores; se encoge ligeramente cuando se cristaliza, lo que evita daños; y tiene una vida útil de más de 10.000 horas, esencialmente la vida útil de muchos motores.
Por lo general, es más difícil lograr bajas emisiones o poco ruido con un motor refrigerado por aire, dos razones más por las que la mayoría de los vehículos de carretera utilizan motores refrigerados por líquido. También suele ser difícil construir grandes motores refrigerados por aire, por lo que casi todos los motores refrigerados por aire tienen una potencia inferior a 500 kW (670 CV ), mientras que los grandes motores refrigerados por líquido superan los 80 MW (107 000 CV) ( Wärtsilä-Sulzer RTA96-C diésel de 14 cilindros).
Los automóviles y camiones refrigerados por aire (sin líquido intermedio) se construyeron durante un largo período desde el principio y terminaron con un pequeño cambio técnico que, por lo general, pasó desapercibido. Antes de la Segunda Guerra Mundial , los automóviles y camiones refrigerados por agua se sobrecalentaban sistemáticamente al subir por carreteras de montaña, lo que creaba géiseres de agua de refrigeración hirviendo. Eso se consideraba normal y, en ese momento, la mayoría de las carreteras de montaña más conocidas contaban con talleres de reparación de automóviles para atender el sobrecalentamiento de los motores.
El ACS (Auto Club Suisse) conserva monumentos históricos de esa época en el paso de Susten , donde aún quedan dos estaciones de recarga de radiadores. Tienen instrucciones en una placa de metal fundido y una regadera con base esférica colgada junto a un grifo de agua. La base esférica estaba destinada a evitar que se dejara en el suelo y, por lo tanto, no se pudiera usar en la casa, a pesar de lo cual fue robada, como muestra la imagen.
En esa época, empresas europeas como Magirus-Deutz fabricaron camiones diésel refrigerados por aire, Porsche fabricó tractores agrícolas refrigerados por aire [7] y Volkswagen se hizo famosa con sus turismos refrigerados por aire. En Estados Unidos, Franklin fabricó motores refrigerados por aire.
Durante muchos años, se optó por el enfriamiento por aire para aplicaciones militares, ya que los sistemas de enfriamiento líquido son más vulnerables a daños por metralla .
La empresa checa Tatra es conocida por sus motores V8 refrigerados por aire de gran cilindrada para automóviles; el ingeniero de Tatra Julius Mackerle publicó un libro sobre ellos. Los motores refrigerados por aire se adaptan mejor a temperaturas ambientales extremadamente frías y cálidas: se puede ver cómo los motores refrigerados por aire arrancan y funcionan en condiciones de congelación, mientras que los motores refrigerados por agua se atascan y siguen funcionando cuando los refrigerados por agua comienzan a producir chorros de vapor. Los motores refrigerados por aire posiblemente tengan una ventaja desde el punto de vista termodinámico debido a una temperatura de funcionamiento más alta. El peor problema que se encontró en los motores de aviación refrigerados por aire fue el llamado " refrigeración de choque ", cuando el avión entraba en picado después de ascender o volar nivelado con el acelerador abierto, con el motor sin carga mientras el avión desciende generando menos calor y el flujo de aire que enfría el motor aumenta, lo que puede provocar una falla catastrófica del motor ya que las diferentes partes del motor tienen diferentes temperaturas y, por lo tanto, diferentes expansiones térmicas. En tales condiciones, el motor puede agarrotarse y cualquier cambio repentino o desequilibrio en la relación entre el calor producido por el motor y el calor disipado por el enfriamiento puede resultar en un mayor desgaste del motor, como consecuencia también de las diferencias de expansión térmica entre las partes del motor, teniendo los motores refrigerados por líquido temperaturas de trabajo más estables y uniformes.
En la actualidad, la mayoría de los motores de combustión interna de automóviles y de mayor tamaño están refrigerados por líquido. [8] [9] [10]
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La refrigeración líquida también se utiliza en vehículos marítimos (buques, etc.). En el caso de los buques, se utiliza principalmente el agua de mar para la refrigeración. En algunos casos también se utilizan refrigerantes químicos (en sistemas cerrados) o se mezclan con la refrigeración por agua de mar. [11] [12]
El cambio de refrigeración por aire a refrigeración líquida se produjo al comienzo de la Segunda Guerra Mundial, cuando el ejército estadounidense necesitaba vehículos fiables. Se abordó el tema de los motores en ebullición, se investigó y se encontró una solución. Los radiadores y bloques de motor anteriores estaban diseñados adecuadamente y sobrevivieron a las pruebas de durabilidad, pero utilizaban bombas de agua con un sello de "cuerda" ( prensaestopas ) lubricado con grafito que goteaba en el eje de la bomba. El sello se heredó de las máquinas de vapor, donde se acepta la pérdida de agua, ya que las máquinas de vapor ya gastan grandes volúmenes de agua. Debido a que el sello de la bomba goteaba principalmente cuando la bomba estaba en funcionamiento y el motor estaba caliente, la pérdida de agua se evaporaba discretamente, dejando en el mejor de los casos un pequeño rastro oxidado cuando el motor se detenía y se enfriaba, por lo que no revelaba una pérdida de agua significativa. Los radiadores de los automóviles (o intercambiadores de calor ) tienen una salida que alimenta agua enfriada al motor y el motor tiene una salida que alimenta agua calentada a la parte superior del radiador. La circulación del agua se ve facilitada por una bomba rotativa que tiene un efecto muy leve, ya que debe trabajar en un rango tan amplio de velocidades que su impulsor tiene un efecto mínimo como bomba. Mientras estaba en funcionamiento, el sello de la bomba que tenía fugas drenó el agua de refrigeración hasta un nivel en el que la bomba ya no podía devolver el agua a la parte superior del radiador, por lo que la circulación del agua cesó y el agua del motor comenzó a hervir. Sin embargo, dado que la pérdida de agua provocó un sobrecalentamiento y una mayor pérdida de agua por ebullición, la pérdida de agua original quedó oculta.
Después de aislar el problema de la bomba, los automóviles y camiones construidos para el esfuerzo bélico (no se construyeron automóviles civiles durante ese tiempo) fueron equipados con bombas de agua selladas con carbono que no tenían fugas y no causaban más géiseres. Mientras tanto, la refrigeración por aire avanzó en memoria de los motores que hervían, aunque el derrame por ebullición ya no era un problema común. Los motores refrigerados por aire se hicieron populares en toda Europa. Después de la guerra, Volkswagen anunció en los EE. UU. que no hervían, aunque los nuevos automóviles refrigerados por agua ya no hervían, pero los automóviles se vendían bien. Pero a medida que aumentó la conciencia sobre la calidad del aire en la década de 1960 y se aprobaron leyes que regulaban las emisiones de escape, la gasolina sin plomo reemplazó a la gasolina con plomo y las mezclas de combustible más pobres se convirtieron en la norma. Subaru eligió la refrigeración líquida para su motor de la serie EA (plano) cuando se presentó en 1966. [ cita requerida ]
Durante varias décadas se ha desarrollado una clase especial de prototipos experimentales de motores de combustión interna de pistón con el objetivo de mejorar la eficiencia mediante la reducción de la pérdida de calor. [13] Los motores se denominan de diversas formas: motores adiabáticos, debido a una mejor aproximación de la expansión adiabática, motores de bajo rechazo de calor o motores de alta temperatura. [14] Por lo general, son motores diésel con partes de la cámara de combustión revestidas con revestimientos de barrera térmica de cerámica . [15] Algunos utilizan pistones de titanio y otras piezas de titanio debido a su baja conductividad térmica [16] y masa. Algunos diseños pueden eliminar por completo el uso de un sistema de refrigeración y las pérdidas parásitas asociadas. [17] El desarrollo de lubricantes capaces de soportar las temperaturas más altas involucradas ha sido una barrera importante para la comercialización. [18]
