Los motores refrigerados por aire se basan en 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 refrigerados por aire son mucho más simples que sus contrapartes refrigeradas por líquido, que requieren un radiador , un depósito de refrigerante, tuberías y bombas independientes.
Los motores refrigerados por aire se utilizan ampliamente en aplicaciones en las que el peso o la simplicidad son el objetivo principal. Su simplicidad los hace adecuados para su uso en aplicaciones pequeñas como motosierras y cortadoras de césped , así como pequeños generadores y funciones similares. Estas cualidades también los hacen muy adecuados para su uso en aviación, donde se utilizan ampliamente en aeronaves de aviación general y como unidades de potencia auxiliares en aeronaves más grandes. Su simplicidad, en particular, también los hace comunes en las motocicletas .
La mayoría de los motores de combustión interna modernos se enfrían mediante un circuito cerrado que lleva refrigerante líquido 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 al agua bruta , en el caso de los motores marinos ). Por lo tanto, si bien en última instancia no se enfrían mediante el líquido, ya que el calor se intercambia con algún otro fluido como el aire, debido al circuito de líquido-refrigerante se los conoce como refrigerados por líquido .
Por el contrario, el calor generado por un motor refrigerado por aire se libera directamente al aire. Normalmente, esto se logra con aletas de metal que cubren el exterior de la culata y los cilindros , lo que aumenta la superficie sobre la que puede actuar el aire. El aire se puede introducir a presión con el uso de un ventilador y una cubierta para lograr una refrigeración eficiente con grandes volúmenes de aire o simplemente mediante un flujo de aire natural con aletas bien diseñadas y en ángulo.
En todos los motores de combustión, un gran porcentaje del calor generado, alrededor del 44%, se escapa por el escape. Otro 8% aproximadamente termina en el aceite , que a su vez debe enfriarse en un enfriador de aceite . Esto significa que menos de la mitad del calor debe eliminarse a través de otros sistemas. En un motor refrigerado por aire, solo alrededor del 12% del calor fluye a través de las aletas metálicas. [1] Los motores refrigerados 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, es más económico de mantener. [2]
Muchas motocicletas utilizan refrigeración por aire para reducir el peso y la complejidad. Pocos automóviles de producción actuales 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 suelen estar orientados de manera horizontal como en un motor plano , mientras que se han utilizado motores verticales de cuatro cilindros en línea . Algunos 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 principio de este período, el líquido utilizado para la refrigeración era agua a presión ambiente. La cantidad de calor que se lleva un fluido es una función de su capacidad y de la diferencia entre las temperaturas de entrada y salida. Como el punto de ebullición del agua se reduce con una presión menor y el agua no se puede bombear de manera eficiente como vapor, los radiadores tenían que tener suficiente potencia de refrigeración para compensar la pérdida de potencia de refrigeración a medida que el avión ascendía. Los radiadores resultantes eran bastante grandes y causaban una cantidad significativa de resistencia aerodinámica . [4]
Esto colocó a los dos diseños aproximadamente iguales en términos de potencia y resistencia, pero los diseños refrigerados por aire eran casi siempre más livianos y simples. En 1921, la Armada de los EE. UU. , en gran parte debido a los esfuerzos del comandante Bruce G. Leighton, decidió que la simplicidad del diseño refrigerado por aire resultaría en 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 que la Armada financiara 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 las aeronaves mejoraba rápidamente, estaban más preocupados por el problema de la resistencia. Si bien los diseños refrigerados por aire eran comunes en los aviones ligeros y de entrenamiento, así como en algunos aviones de transporte y bombarderos , los diseños refrigerados por líquido siguieron siendo mucho más comunes para los cazas y los bombarderos de alto rendimiento. El problema de la resistencia se alteró con la introducción en 1929 de la cubierta 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 ese momento en gran medida uniforme. [4]
A finales de la década de 1920 y principios de la 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, lo que eliminaba más calor y reducía así el volumen de agua necesario y el tamaño del radiador hasta en un 30 %. También podían eliminar el radiador por completo utilizando refrigeración por evaporación , lo que le permitía convertirse en vapor y hacer pasar el vapor por tubos situados justo debajo de la piel de las alas y el fuselaje, donde el aire exterior en rápido movimiento lo condensaba de nuevo en agua. Si bien este concepto se utilizó en una serie de aviones que batieron récords a finales de la década de 1930, siempre resultó poco práctico para los aviones de producción por una amplia variedad de razones. [5]
En 1929, Curtiss comenzó a experimentar reemplazando el agua por etilenglicol en un motor Curtiss D-12 . El glicol podía funcionar hasta 250 °C y reducía el tamaño del radiador en un 50 % en comparación con los diseños refrigerados por agua. Los experimentos fueron extremadamente exitosos y en 1932 la compañía 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 adoptó poco después. No fue hasta mediados de la década de 1930 que Rolls-Royce lo adoptó a medida que mejoraban los suministros, convirtiendo todos sus motores a glicol. Con radiadores mucho más pequeños y menos fluido 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 segunda guerra mundial y en la posguerra, el campo de alto rendimiento se trasladó rápidamente a los motores a reacción , lo que eliminó el mercado principal de los motores refrigerados por líquido de modelos recientes. Los motores de pistón que permanecieron en uso fueron principalmente los diseños más lentos y los aviones civiles. En estos roles, 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 los fabricados por Deutz AG y Lister Petter , están refrigerados por aire. Probablemente el único motor refrigerado por aire para camiones de gran tamaño Euro 5 (un V8 de 320 kW de potencia y 2100 N·m de par) lo fabrica Tatra . BOMAG, parte del grupo FAYAT, también utiliza un motor de 6 cilindros en línea refrigerado por aire en muchos de sus vehículos de construcción.
Los motores estacionarios o portátiles se introdujeron comercialmente a principios del siglo XX. La primera producción comercial estuvo a cargo de New Way Motor Company de Lansing, Michigan, EE. UU. La empresa produjo motores refrigerados por aire de uno o 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 fueraborda, grupos motobombas, bancos de sierra y plantas de energía auxiliar, entre otras.