Los motores enfriados por aire dependen de la circulación de aire directamente sobre las aletas de disipación de calor o las áreas calientes del motor para enfriarlas y mantener el motor dentro de las temperaturas de funcionamiento. Los diseños enfriados por aire son mucho más simples que sus contrapartes enfriados por líquido, que requieren un radiador , un depósito de refrigerante, tuberías y bombas separados.
Los motores refrigerados por aire se ven ampliamente en aplicaciones donde el objetivo principal es el peso o la simplicidad. Su simplicidad los hace adecuados para usos en aplicaciones pequeñas como motosierras y cortadoras de césped , así como pequeños generadores y funciones similares. Estas cualidades también los hacen muy adecuados para uso en aviación, donde se utilizan ampliamente en aviones de aviación general y como unidades de potencia auxiliar en aviones más grandes. Su sencillez, en particular, los hace habituales también en las motos .
La mayoría de los motores de combustión interna modernos se enfrían mediante un circuito cerrado que transporta líquido refrigerante a través de canales en el bloque del motor y la culata. Un fluido en estos canales absorbe calor y luego fluye hacia un intercambiador de calor o radiador donde el refrigerante libera calor al aire (o agua cruda , en el caso de motores marinos ). Por lo tanto, si bien en última instancia no son enfriados por el líquido, ya que el calor se intercambia con algún otro fluido como el aire, debido al circuito de refrigerante líquido se les conoce como enfriados por líquido .
Por el contrario, el calor generado por un motor refrigerado por aire se libera directamente al aire. Normalmente, esto se facilita con aletas metálicas que cubren el exterior de la culata y los cilindros que aumentan la superficie sobre la que puede actuar el aire. El aire se puede alimentar a la fuerza mediante el uso de un ventilador y una cubierta para lograr un enfriamiento eficiente con grandes volúmenes de aire o simplemente mediante un flujo de aire natural con aletas en ángulo bien diseñadas.
En todos los motores de combustión, un gran porcentaje del calor generado, en torno al 44%, se escapa por el escape. Otro 8% aproximadamente termina en el aceite , que a su vez debe enfriarse en un refrigerador de aceite . Esto significa que menos de la mitad del calor debe eliminarse a través de otros sistemas. En un motor refrigerado por aire, sólo alrededor del 12% del calor sale a través de las aletas metálicas. [1] Los motores enfriados por aire suelen funcionar más ruidosamente, sin embargo, proporcionan más simplicidad, lo que brinda beneficios cuando se trata de servicio y reemplazo de piezas y, por lo general, su mantenimiento es más económico. [2]
Muchas motocicletas utilizan refrigeración por aire para reducir el peso y la complejidad. Pocos automóviles de producción actual tienen motores refrigerados por aire (como el Tatra 815 ), pero históricamente era común en muchos vehículos de gran volumen. La orientación de los cilindros del motor se encuentra comúnmente en monocilíndricos o acoplados en grupos de dos, y los cilindros comúnmente se orientan de manera horizontal como un motor plano , mientras que se han utilizado motores verticales de cuatro cilindros en línea . Ejemplos de vehículos de carretera refrigerados por aire del pasado, en orden aproximadamente cronológico, incluyen:
Durante las décadas de 1920 y 1930 hubo un gran debate en la industria de la aviación sobre las ventajas de los diseños refrigerados por aire frente a los refrigerados por líquido. Al inicio de este periodo, el líquido utilizado para la refrigeración era agua a presión ambiente. La cantidad de calor transportada por un fluido es función de su capacidad y de la diferencia de temperaturas de entrada y salida. Como el punto de ebullición del agua se reduce con una presión más baja y el agua no se podía bombear eficientemente como vapor, los radiadores debían tener suficiente potencia de enfriamiento para compensar la pérdida de potencia de enfriamiento a medida que el avión ascendía. Los radiadores resultantes eran bastante grandes y provocaban una cantidad significativa de resistencia aerodinámica . [4]
Esto colocó a los dos diseños aproximadamente iguales en términos de potencia de arrastre, pero los diseños refrigerados por aire eran casi siempre más livianos y simples. En 1921, la Marina de los EE. UU. , en gran parte gracias a los esfuerzos del comandante Bruce G. Leighton, decidió que la simplicidad del diseño refrigerado por aire daría como resultado una menor carga de trabajo de mantenimiento, lo cual era primordial dada la limitada área de trabajo de los portaaviones . Los esfuerzos de Leighton llevaron a la Marina a financiar el desarrollo de motores refrigerados por aire en Pratt & Whitney y Wright Aeronautical . [4]
La mayoría de los demás grupos, especialmente en Europa, donde el rendimiento de los aviones estaba mejorando rápidamente, estaban más preocupados por la cuestión de la resistencia al avance. Si bien los diseños refrigerados por aire eran comunes en aviones ligeros y entrenadores, así como en algunos aviones de transporte y bombarderos , los diseños refrigerados por líquido siguieron siendo mucho más comunes para los cazas y bombarderos de alto rendimiento. El problema de la resistencia se vio alterado por la introducción en 1929 de la capota NACA , que redujo en gran medida la resistencia de los motores refrigerados por aire a pesar de su mayor área frontal, y la resistencia relacionada con la refrigeración era en este punto en gran medida uniforme. [4]
Desde finales de la década de 1920 hasta la década de 1930, varias empresas europeas introdujeron un sistema de refrigeración que mantenía el agua bajo presión y le permitía alcanzar temperaturas mucho más altas sin hervir, eliminando más calor y reduciendo así el volumen de agua necesario y el tamaño del radiador. hasta en un 30%. También podrían eliminar el radiador por completo usando enfriamiento por evaporación , permitiéndole convertirse en vapor y hacer pasar el vapor a través de tubos ubicados justo debajo de la piel de las alas y el fuselaje, donde el aire exterior que se mueve rápidamente lo condensa nuevamente en agua. Si bien este concepto se utilizó en varios aviones que batieron récords a finales de la década de 1930, siempre resultó poco práctico para aviones de producción por una amplia variedad de razones. [5]
En 1929, Curtiss inició experimentos reemplazando el agua con etilenglicol en un motor Curtiss D-12 . El glicol podía funcionar hasta 250 C y reducir el tamaño del radiador en un 50 % en comparación con los diseños enfriados por agua. Los experimentos tuvieron un gran éxito y en 1932 la empresa había cambiado todos los diseños futuros a este refrigerante. En ese momento, Union Carbide tenía el monopolio del proceso industrial para fabricar glicol, por lo que inicialmente se usó solo en los EE. UU., y Allison Engines lo adquirió poco después. No fue hasta mediados de la década de 1930 que Rolls-Royce lo adoptó a medida que mejoraron los suministros, convirtiendo todos sus motores a glicol. Con radiadores mucho más pequeños y menos líquido en el sistema, el peso y la resistencia de estos diseños estaban muy por debajo de los diseños contemporáneos refrigerados por aire. En términos de peso, estos diseños refrigerados por líquido ofrecían hasta un 30% más de rendimiento. [6]
A finales de la guerra y en la posguerra, el campo de alto rendimiento pasó rápidamente a los motores a reacción . Esto eliminó el mercado principal para los motores refrigerados por líquido de último modelo. Las funciones que permanecieron con la potencia de pistón fueron en su mayoría diseños más lentos y aviones civiles. En estas funciones, la simplicidad y la reducción de las necesidades de mantenimiento son mucho más importantes que la resistencia, y desde el final de la guerra casi todos los motores de aviación de pistón han sido refrigerados por aire, con pocas excepciones. [6]
A partir de 2020 [actualizar], la mayoría de los motores fabricados por Lycoming y Continental son utilizados por los principales fabricantes de aviones ligeros Cirrus , Cessna , etc. Otros fabricantes de motores que utilizan tecnología de motores refrigerados por aire son ULPower y Jabiru , más activos en el mercado de aviones deportivos ligeros ( LSA ) y aviones ultraligeros . Rotax utiliza una combinación de cilindros refrigerados por aire y culatas refrigeradas por líquido.
Algunos motores diésel pequeños, como por ejemplo los de Deutz AG y Lister Petter, están refrigerados por aire. Tatra fabrica probablemente el único motor grande Euro 5 refrigerado por aire (V8 de 320 kW de potencia y 2100 N·m de par) .
Los motores estacionarios o portátiles se introdujeron comercialmente a principios del siglo XX. La primera producción comercial fue realizada por New Way Motor Company de Lansing, Michigan, EE. UU. La empresa producía motores refrigerados por aire de uno y dos cilindros, tanto en formato de cilindro horizontal como vertical. Después de su producción inicial, que se exportó a todo el mundo, otras empresas aprovecharon las ventajas de este método de refrigeración, especialmente en pequeños motores portátiles. Las aplicaciones incluyen cortadoras de césped, generadores, motores fuera de borda, conjuntos de bombas, bancos de sierra y plantas de energía auxiliares, y más.