El enfriamiento del motor de combustión interna utiliza aire o líquido para eliminar el calor residual de un motor de combustión interna . Para motores pequeños o para propósitos especiales, el enfriamiento usando aire de la atmósfera lo convierte en un sistema liviano y relativamente simple. Las embarcaciones pueden utilizar agua directamente del entorno circundante para enfriar sus motores. Para los motores refrigerados por agua de aviones y vehículos de superficie, el calor residual se transfiere desde un circuito cerrado de agua bombeado a través del motor a la atmósfera circundante mediante un radiador .
El agua tiene una mayor capacidad calorífica que el aire y, por lo tanto, puede alejar el calor más rápidamente del motor, pero un radiador y un sistema de bombeo añaden 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, creando un flujo de aire incluso cuando el vehículo está parado.
El diseño de aviones favorece más los diseños de menor peso y refrigerados por aire. Los motores rotativos fueron populares en los aviones 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. Los aviones modernos propulsados por hélices y con motores de combustión interna todavía se refrigeran en gran medida por aire. Los automóviles modernos generalmente prefieren la potencia al peso y, por lo general, tienen motores refrigerados por agua. Las motocicletas modernas son más ligeras que los coches y ambos métodos de refrigeración son habituales. [1] Algunas motocicletas deportivas se enfriaban con aire y aceite ( rociado debajo de las cabezas de los pistones ).
Los motores térmicos generan energía mecánica extrayendo energía de flujos de calor, de la misma manera que una rueda hidráulica extrae energía mecánica de un flujo de masa que cae a lo largo de una distancia. Los motores son ineficientes, por lo que entra más energía térmica en el motor de la que sale como potencia 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 el enfriamiento explícito del motor.
Los motores con mayor eficiencia dejan más energía en forma de movimiento mecánico y menos calor residual. Algo de calor residual es esencial: guía el calor a través del motor, de forma muy parecida a como una rueda hidráulica funciona sólo si hay cierta velocidad de salida (energía) en el agua residual para transportarla y dejar espacio para más agua. Por tanto, todos los motores térmicos necesitan refrigeración para funcionar.
La refrigeración también es necesaria 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 prender fuego a los lubricantes. El enfriamiento del motor elimina energía lo suficientemente rápido como para mantener las temperaturas bajas para que el motor pueda sobrevivir. [3]
Algunos motores de alta eficiencia funcionan sin refrigeración explícita y sólo con pérdida de calor incidental, un diseño llamado adiabático . Estos motores pueden alcanzar una alta eficiencia pero comprometen la potencia, el ciclo de trabajo, el peso del motor, la durabilidad y las emisiones. [ cita necesaria ]
La mayoría de los motores de combustión interna se enfrían por líquido utilizando aire (un fluido gaseoso) o un refrigerante líquido que pasa a través de 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 usar directamente para enfriar el motor, pero a menudo tiene sedimentos que pueden obstruir los conductos del refrigerante o productos químicos, como la sal, que pueden dañar químicamente el motor. Por lo tanto, el refrigerante del motor puede pasar a través de un intercambiador de calor que es enfriado por la masa de agua.
La mayoría de los motores refrigerados por líquido utilizan una mezcla de agua y productos químicos como anticongelante e inhibidores de oxidación. El término industrial para la mezcla anticongelante es "refrigerante de motor". Algunos anticongelantes no utilizan agua en absoluto, sino que utilizan un líquido con diferentes propiedades, como propilenglicol o una combinación de propilenglicol y etilenglicol . La mayoría de los motores enfriados por aire utilizan algo de refrigeración por aceite líquido para mantener temperaturas aceptables tanto para las piezas críticas del motor como para el aceite mismo. La mayoría de los motores refrigerados por líquido utilizan algo de refrigeración por aire, y la carrera de admisión de aire enfría la cámara de combustión. Una excepción es el 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.
Hay muchas demandas sobre un sistema de refrigeración. Un requisito clave es dar servicio adecuado a todo el motor, ya que todo el motor falla si solo una pieza se sobrecalienta. Por lo tanto, es vital que el sistema de refrigeración mantenga todas las piezas 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 máximas altas (islas estrechas alrededor de la cámara de combustión) o un alto flujo de calor (alrededor de los puertos de escape) pueden requerir un enfriamiento generoso. Esto reduce la aparición de puntos calientes, que son más difíciles de evitar con la refrigeración por aire. Los motores enfriados por aire también pueden variar su capacidad de enfriamiento utilizando aletas de enfriamiento más espaciadas en esa área, pero esto puede hacer que su fabricación sea difícil y costosa.
Sólo las partes fijas del motor, como el bloque y el cabezal, son enfriadas directamente por el sistema de refrigeración principal. Las piezas móviles, como los pistones y, en menor medida, el cigüeñal y las bielas , deben depender del aceite lubricante como refrigerante, o de una cantidad muy limitada de conducción hacia el bloque y desde allí el refrigerante principal. Los motores de alto rendimiento frecuentemente tienen aceite adicional, más allá de la cantidad necesaria para la lubricación, rociado hacia arriba en la parte inferior del pistón solo para un enfriamiento 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 del enfriamiento por termosifón , donde el refrigerante caliente salía de la parte superior del bloque del motor y pasaba al radiador, donde se enfriaba antes de regresar a la parte inferior del motor. La circulación era impulsada únicamente por convección.
Otras demandas incluyen el costo, el peso, la confiabilidad y la durabilidad del propio sistema de enfriamiento.
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 a 20 °C, entonces hay una diferencia de temperatura de 230 °C para el enfriamiento. Un motor refrigerado por aire aprovecha toda esta diferencia. Por el contrario, un motor refrigerado por líquido podría descargar 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 refrigeración está presurizado y utiliza una mezcla con anticongelante) que luego se enfría con aire a 20 °C. En cada paso, el motor refrigerado 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 petróleo tiene aproximadamente el 90% de la densidad del agua, por lo que un volumen dado de petróleo puede absorber sólo aproximadamente el 50% de la energía del mismo volumen de agua. La conductividad térmica del agua es aproximadamente cuatro veces mayor que la del petróleo, 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 el aceite para enfriarlo y reduce la potencia neta 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 (unas 200 veces menor: 17,4 × 10 −6 Pa·s para el aire frente a 8,94 × 10 −4 Pa·s para agua). Continuando con el cálculo de los dos párrafos anteriores, la refrigeración por aire necesita diez veces el área de superficie, por lo tanto, las aletas, y el aire necesita 2000 veces la velocidad del flujo y, por lo tanto, un ventilador de recirculación de aire necesita diez veces la potencia de una bomba de recirculación de agua.
Mover el calor del cilindro a una gran superficie para enfriar el aire puede presentar problemas, incluidas dificultades para 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 enfriar el motor. Esto tiene la ventaja de que absorbe una gran cantidad de energía con muy poco aumento de temperatura (llamado calor de vaporización ), lo que es bueno para mantener las cosas frescas, especialmente para hacer 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 estar sobreenfriado y el último subenfriado. Sin embargo, una vez que el agua hierve, se convierte en un aislante, lo que provoca una pérdida repentina de enfriamiento donde se forman burbujas de vapor. El vapor puede regresar al agua al mezclarse con otro refrigerante, por lo que un medidor de temperatura del motor puede indicar una temperatura aceptable incluso aunque las temperaturas locales sean lo suficientemente altas como para que se estén produciendo daños.
Un motor necesita diferentes temperaturas. La entrada, incluido el compresor de un turbo, así como las trompetas de entrada y las válvulas de entrada, deben estar lo más frías posible. Un intercambiador de calor a contracorriente con aire de refrigeración forzado hace el trabajo. Las paredes del cilindro no deben calentar el aire antes de la compresión, pero tampoco deben enfriar el gas durante la combustión. Un compromiso es una temperatura de la pared de 90 °C. La viscosidad del aceite se optimiza solo para esta temperatura. Cualquier enfriamiento del escape y la turbina del turbocompresor reduce la cantidad de potencia disponible para la turbina, por lo que el sistema de escape suele estar aislado entre el motor y el turbocompresor para mantener los gases de escape lo más calientes posible.
La temperatura del aire de refrigeración puede oscilar desde muy por debajo del punto de congelación hasta 50 °C. Además, si bien los motores de los barcos de larga distancia o de los servicios ferroviarios pueden funcionar con una carga constante, los vehículos de carretera suelen ver una carga muy variable y que varía rápidamente. Por 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 enfriamiento incluye deflectores ajustables en el flujo de aire (a veces llamados "persianas" 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 calorífica que suaviza el aumento de temperatura en carreras cortas. Algunos controles del motor apagan el motor o lo limitan a media aceleración si se sobrecalienta. Los controles electrónicos modernos del motor ajustan el enfriamiento basándose en el acelerador para anticipar un aumento de temperatura y limitan la potencia del motor para compensar el enfriamiento finito.
Finalmente, otras preocupaciones pueden dominar el diseño del sistema de enfriamiento. Por ejemplo, el aire es un refrigerante relativamente pobre, pero los sistemas de enfriamiento de aire son simples y las tasas de falla generalmente aumentan como el cuadrado del número de puntos de falla. Además, la capacidad de refrigeración se reduce sólo ligeramente por pequeñas fugas de refrigerante de aire. Cuando la confiabilidad es de suma importancia, como en los aviones, puede ser una buena compensación renunciar a la eficiencia, la longevidad (intervalo entre reconstrucciones de motores) y el silencio para lograr una confiabilidad ligeramente mayor; Las consecuencias de un motor de avión averiado son tan graves que incluso un ligero aumento en la confiabilidad vale la pena renunciar a otras buenas propiedades para lograrlo.
Comúnmente se utilizan motores enfriados por aire y por líquido . Cada principio tiene ventajas y desventajas, y aplicaciones particulares 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 coste están refrigerados 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 confiabilidad incluso en condiciones de calor extremo, porque el enfriamiento por aire sería más simple y más efectivo para hacer frente a las temperaturas extremas durante lo más profundo del invierno y el verano, que los sistemas de enfriamiento por agua, y a menudo se usan en situaciones en las que el motor funciona sin supervisión durante meses seguidos. [4]
De manera similar, normalmente es deseable minimizar el número de etapas de transferencia de calor para maximizar la diferencia de temperatura en cada etapa. Sin embargo, los motores Detroit Diesel de ciclo de dos tiempos comúnmente usan aceite enfriado por agua, y el agua a su vez enfría por aire. [5]
El refrigerante utilizado en muchos motores refrigerados por líquido debe renovarse periódicamente y puede congelarse a temperaturas normales, provocando daños permanentes en el motor cuando se expande. Los motores enfriados por aire no requieren servicio de refrigerante y no sufren daños por congelación, dos ventajas comúnmente citadas para los motores enfriados por aire. Sin embargo, el refrigerante a base de propilenglicol es líquido hasta -55 °C, más frío que el que encuentran muchos motores; se encoge ligeramente al cristalizar, evitando así daños; y tiene una vida útil de más de 10.000 horas, esencialmente la vida útil de muchos motores.
Generalmente 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 motores grandes refrigerados por aire, por lo que casi todos los motores refrigerados por aire tienen menos de 500 kW (670 hp ), mientras que los grandes motores refrigerados por líquido superan los 80 MW (107000 hp) ( Wärtsilä-Sulzer RTA96-C 14 -cilindro diésel).
Los coches y camiones que utilizaban refrigeración directa por aire (sin líquido intermedio) se construyeron durante un largo período, desde el principio hasta el final con un pequeño cambio técnico, generalmente no reconocido. Antes de la Segunda Guerra Mundial , los automóviles y camiones refrigerados por agua se sobrecalentaban habitualmente al subir por carreteras de montaña, creando géiseres de agua hirviendo. Eso se consideraba normal y, en ese momento, las carreteras de montaña más destacadas tenían talleres de reparación de automóviles para atender el sobrecalentamiento de los motores.
ACS (Auto Club Suisse) conserva monumentos históricos de esa época en el paso de Susten , donde quedan dos estaciones de recarga de radiadores. Tienen instrucciones en una placa de metal fundido y una regadera de fondo esférico colgada junto a un grifo de agua. El fondo esférico estaba destinado a evitar que se cayera y quedara inútil en la casa, a pesar de lo cual fue robado, como muestra la imagen.
Durante ese período, empresas europeas como Magirus-Deutz construyeron camiones diésel refrigerados por aire, Porsche construyó tractores agrícolas refrigerados por aire [6] y Volkswagen se hizo famosa con sus turismos refrigerados por aire. En Estados Unidos, Franklin construyó motores refrigerados por aire.
Durante muchos años se favoreció la refrigeración por aire para aplicaciones militares, ya que los sistemas de refrigeración líquida son más vulnerables a los daños causados por la metralla .
La empresa Tatra , con sede en la República Checa, es conocida por sus motores de automóvil V8 de gran cilindrada refrigerados por aire; El ingeniero tatra Julius Mackerle publicó un libro al respecto. Los motores enfriados por aire se adaptan mejor a temperaturas ambientales extremadamente frías y cálidas: se pueden ver motores enfriados por aire arrancando y funcionando en condiciones de congelación que paralizaron los motores enfriados por agua y continuaron funcionando cuando los enfriados por agua comenzaron 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 presentaba en los motores de avión refrigerados por aire era el llamado " enfriamiento por choque ", cuando el avión entraba en picado después de ascender o en vuelo nivelado con el acelerador abierto, con el motor sin carga mientras el avión descendía generando menos calor. y el flujo de aire que enfría el motor aumenta, puede producirse una falla catastrófica del motor ya que diferentes partes del motor tienen diferentes temperaturas y, por lo tanto, diferentes expansiones térmicas. En tales condiciones, el motor puede atascarse, 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. , motores refrigerados por líquido que tienen temperaturas de trabajo más estables y uniformes.
Hoy en día, la mayoría de los motores IC de automóviles y más grandes están refrigerados por líquido. [7] [8] [9]
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La refrigeración líquida también se emplea en vehículos marítimos (buques,...). En el caso de los buques, el agua de mar se utiliza principalmente para la refrigeración. En algunos casos también se utilizan refrigerantes químicos (en sistemas cerrados) o se mezclan con refrigeración por agua de mar. [10] [11]
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, investigó y se encontró una solución al tema de los motores en ebullición. Los radiadores y bloques de motor anteriores estaban diseñados correctamente y sobrevivieron a las pruebas de durabilidad, pero usaban bombas de agua con un sello ( prensa ) de "cuerda" lubricado con grafito con fugas en el eje de la bomba. El sello fue heredado 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 funcionando y el motor estaba caliente, la pérdida de agua se evaporó discretamente, dejando en el mejor de los casos un pequeño rastro de óxido cuando el motor se detuvo y se enfrió, por lo que no reveló una pérdida significativa de agua. Los radiadores de automóvil (o intercambiadores de calor ) tienen una salida que alimenta agua enfriada al motor y el motor tiene una salida que alimenta agua caliente a la parte superior del radiador. La circulación del agua se ve favorecida por una bomba rotativa que tiene sólo un ligero efecto, teniendo que trabajar en un rango de velocidades tan amplio que su impulsor tiene sólo un efecto mínimo como bomba. Mientras estaba en funcionamiento, el sello de la bomba con fugas drenaba el agua de refrigeración a un nivel en el que la bomba ya no podía devolver agua a la parte superior del radiador, por lo que la circulación de agua cesó y el agua en el motor hirvió. Sin embargo, dado que la pérdida de agua provocó un sobrecalentamiento y una mayor pérdida de agua por desbordamiento, la pérdida de agua original quedó oculta.
Después de aislar el problema de las bombas, los automóviles y camiones construidos para el esfuerzo bélico (no se construyeron automóviles civiles durante ese tiempo) fueron equipados con bombas de agua con sello de carbón que no goteaban y no causaban más géiseres. Mientras tanto, el enfriamiento por aire avanzó en memoria de los motores en ebullición, aunque el desbordamiento ya no era un problema común. Los motores refrigerados por aire se hicieron populares en toda Europa. Después de la guerra, Volkswagen anunció en Estados Unidos que no se desbordaba, aunque los autos nuevos refrigerados por agua ya no se desbordaban, pero se vendieron 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, el gas sin plomo reemplazó al gas con plomo y las mezclas de combustible más pobres se convirtieron en la norma. Subaru eligió la refrigeración líquida para su motor (plano) de la serie EA cuando se introdujo en 1966. [ cita necesaria ]
Durante varias décadas se ha desarrollado una clase especial de prototipos experimentales de motores de pistón de combustión interna con el objetivo de mejorar la eficiencia reduciendo la pérdida de calor. [12] 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. [13] Generalmente son motores diésel con partes de la cámara de combustión revestidas con revestimientos cerámicos de barrera térmica . [14] Algunos utilizan pistones de titanio y otras piezas de titanio debido a su baja conductividad térmica [15] y masa. Algunos diseños pueden eliminar por completo el uso de un sistema de refrigeración y las pérdidas parásitas asociadas. [16] El desarrollo de lubricantes capaces de soportar las temperaturas más altas involucradas ha sido una barrera importante para la comercialización. [17]
