TEMA 16 REFRIGERCIÓN

1. FUNCIÓN DE LA REFRIGERACIÓN

Con el fin de obtener un buen rendimiento térmico, durante el proceso de combustión se generan temperaturas muy altas, pudiéndose superar de forma instantánea los 2.000 ºC. La  expansión y posterior expulsión de los gases quemados y la entrada de gases frescos evacuan parte de este calor. Sin embargo, las temperaturas siguen siendo tan altas que podrían originar grandes dilataciones y deformaciones permanentes si no se dispone de un sistema de refrigeración.

Los elementos más afectados por el calor son los que quedan próximos a la cámara de combustión: la parte alta del cilindro, la cabeza del pistón, la culata y las válvulas, especialmente la de escape. El calor pasa a través de ellos y debe ser evacuando hacia el exterior en cantidad suficiente para que queden protegidos, por esta razón deben ser buenos conductores del calor.

Temperatura de funcionamiento de algunos elementos del motor:

Válvula de escape         750 ºC

Válvula de admisión     350 ºC

Cabeza del pistón          350 ºC

Culata                            300 ºC

Segmentos                     250 ºC

Cilindro                         200 ºC

1.1. Transmisión de calor

El calor se transmite a través de los cuerpos sólidos, de los líquidos y de los gases, y lo hace siempre desde un elemento más caliente a uno más frío.

La cantidad de calor transmitida a través de las paredes metálicas hasta el fluido refrigerante (aire o agua) depende de los siguientes factores:

• Coeficiente de conductividad del metal; Las aleaciones de aluminio son mejores conductoras de calor que las de hierro.
• La superficie y espesor de la pared metálica; El flujo de calor es más eficiente a medida que aumenta la superficie y disminuye el espesor.
• La diferencia de temperaturas entre la superficie metálica y el refrigerante.

Por término medio, el sistema de refrigeración evacua el 30% del calor, y a través de los gases de escape del 30% al 35%, por lo que solamente, entre un 35% y un 40% del calor generado es convertido en trabajo. A esta cifra hay que restar la pérdida mecánica (10% aproximadamente).

1.2. Refrigeración

La función de la refrigeración es mantener el motor dentro de unos límites de temperatura que no perjudiquen a sus componentes, y a la vez lograr un buen aprovechamiento del calor obtenido en la combustión.

La temperatura óptima de funcionamiento se denomina temperatura de régimen, en la cual se dan las condiciones más favorables para que el motor obtenga un buen rendimiento. Por lo tanto, el sistema de refrigeración debe permitir alcanzar esta temperatura con rapidez y mantenerla, independientemente de las condiciones ambientales.

Por debajo de la temperatura de régimen no es posible una buena gasificación del combustible y la lubricación es deficiente por encontrarse el aceite muy viscoso.

Con temperaturas superiores empeora la carga de los cilindros y aumenta el riesgo de autoencendido en los motores Otto. El aceite lubricante se fluidifica en exceso y se deteriora más rápidamente, además existe el riego de deformaciones o de gripado del motor.

Los sistemas utilizados habitualmente para realizar la refrigeración puede ser de dos tipos:

• Refrigeración por aire.
• Refrigeración por agua.

2. REFRIGERACIÓN POR AIRE

En este tipo de refrigeración, el motor cede calor directamente al aire que se pone en contacto con él.

Para facilitar el acceso del aire, el bloque de estos motores está constituido por cilindros independientes. A su alrededor se funden unas aletas, cuyo objetivo es aumentar la superficie, tanto del cilindro como de la culata, lo que permite que haya más cantidad de aire en contacto con las zonas calientes.

Las aletas se disponen sobre el motor de manera uniforme, sus dimensiones y formas dependen de las características del motor y de la cantidad de calor que deben evacuar. Así, sobre la culata y la parte alta del cilindro, las aletas son de mayor tamaño y disminuyen en su parte baja.

La cantidad de calor evacuado no solo está en función de la superficie, si no también del volumen de aire que circula a través del motor. El suministro de aire se puede hacer de dos formas:

• Refrigeración por el aire de la marcha.
• Refrigeración por aire forzado.
• La refrigeración por aire de la marcha se utiliza en motocicletas en las cuales el aire de la marcha tiene buen acceso a las partes calientes del motor. Este método es el más sencillo, puesto que no necesita ningún mecanismo adicional, pero tiene el inconveniente de que la refrigeración es irregular al tener que depender de la velocidad de la marcha.
• La refrigeración por aire forzado se monta en algunas motocicletas de tipo scooter y en automóviles donde el aire solamente tiene acceso al motor de manera forzada.

Un ventilador, movido desde el cigüeñal, crea una corriente de aire que se canaliza hasta los cilindros, de forma que el caudal aumenta a medida que crecen las revoluciones, haciendo mas efectiva la refrigeración.

El sistema puede incorporar un termostato, que regula el caudal de aire  hacia los cilindros mediante trampillas, en función de la temperatura del motor.

Ventajas e inconvenientes de la refrigeración por aire

Se pueden destacar las siguientes ventajas e inconvenientes de este sistema,

Ventajas

• La principal ventaja es su sencillez, lo cual conlleva un menor número de averías, menor peso y menor coste de fabricación y mantenimiento.
• La temperatura de régimen se alcanza más rápidamente, por lo que se reducen los desgastes del funcionamiento en frío.
• Se mantienen temperaturas más altas, por lo que el rendimiento térmico es mayor.

Inconvenientes

• Las mayores temperaturas obligan a aumentar el juego de montaje entre las piezas, los riesgos de autoencendido crecen y empeora el llenado de los cilindros.
• El motor es más ruidoso al no existir las cámaras de agua que amortiguan el ruido, por el contrario las aletas lo multiplican.

La refrigeración por aire es utilizada en motocicletas equipadas con motores pequeños y mediana cilindrada de dos y cuatro tiempos; En automóviles su uso es muy poco frecuente, debido a que ofrece mayores ventajas la refrigeración por agua.

3. REFRIGERACIÓN POR AGUA

El sistema de refrigeración por agua utiliza un líquido a base de agua como medio para extraer el calor del motor y transportarlo hasta el radiador donde es cedido al aire. Este método tiene la ventaja de que proporciona una refrigeración mas eficaz y uniforme permitiendo mantener la temperatura más estable.

Le líquido refrigerante se desplaza por un circuito cerrado entre el motor y el radiador, Este líquido es impulsado por una bomba centrífuga, que lo hace circular por las cámaras practicadas en el bloque alrededor de los cilindros, y por la culata, rodeando las cámaras de combustión. Parte del calor es transmitido al líquido que pasa al radiador y lo recorre cediendo calor al aire que lo atraviesa. La corriente de aire es suministrada por el ventilador y por el viento de la marcha. Una vez refrigerado, el líquido vuelve al motor para repetir el recorrido.

El paso del líquido a través del radiador provoca una diferencia de temperaturas entre la salida y la entrada al motor de 5ºC a 8ºC, de forma que no se somete a los materiales a excesivas tensiones térmicas.

El líquido de refrigeración puede ser utilizada con otros fines:

• Para calefacción del habitáculo.
• Calentamiento del colector de admisión.
• Refrigeración del aceite de engrase.
• Refrigeración del aceite de engrase.
• Refrigeración del aceite del cambio automático.

El circuito de refrigeración por agua lo constituyen los siguientes elementos:

• La bomba.
• El radiador.
• El termostato.
• El ventilador.
• El liquido refrigerante.

3.1 La bomba de agua

La bomba de agua impulsa el líquido de refrigeración, desplazándolo por e circuito. Es de tipo centrífugo y recibe movimiento del cigüeñal por medio de una correa.

El motor genera más calor a medida que aumenta el número de revoluciones. También el caudal de líquido que manda la bomba es mayor y permite aumentar la capacidad de refrigeración.

La bomba de agua está que formada por un árbol de mando que gira sobre cojinetes de bolas y recibe movimiento a través de la polea que se monta sobre el cubo. En el otro extremo del árbol se encuentra el rotor o turbina, cuyas aletas, al girar, hacen circular el líquido. El conjunto va montado sobre el cuerpo de la bomba. Con el fin de evitar fugas entre el cuerpo y el eje se disponen las juntas de estanqueidad.

La bomba de agua se monta habitualmente sobre el bloque, a la altura de los cilindros, de manera que impulse el líquido procedente del radiador hacia el interior del motor. Esta posición permite que la bomba se encuentre siempre por debajo del nivel del líquido impidiendo el descebado.

El accionamiento de la bomba de agua puede hacerse a través de la correa de accesorios o de la correa de distribución.

La correa de accesorios puede ser del tipo trapezoidal, o de las denominadas poly V.

La correa trapezoidal se ajusta lateralmente a la garganta de la polea, dejando un espacio en el fondo que permite ser acuñada para asegurar la trasmisión de fuera. Si no existe esta holgura la correa patina.

La correa poly V es más plana y presenta una serie de canales longitudinales, es muy flexible, tiene gra resistencia a la tracción y pude usarse por ambas caras. Actualmente son muy utilizadas como correas de accesorios; accionan además de la bomba de agua, el alternador, el compresor para el aire acondicionado, la bomba de la dirección asistida, etc.

3.2 El radiador

El radiador es un intercambiador de calor entre líquido y aire. El calor, transmitido al líquido refrigerante por el motor, es cedido en parte al aire a su paso por el radiador. Se sitúa sobre el vehículo de tal forma que pueda recibir el viento de marcha. Adicionalmente se coloca un ventilador que suministra una corriente de aire.

La eficacia de un radiador depende principalmente de la superficie expuesta al aire y de su coeficiente de transmisión calorífica.

El  radiador está formado por un cuerpo y dos depósitos. El cuerpo del radiador lo componen unos finos tubos que comunican ambos depósitos. Entre los tubos se sueldan unas aletas cuya misión es aumentar la superficie de contacto con el aire, el agua que circula por los tubos cede su calor a través de las aletas. Sobre los depósitos se instalan la toma de entrada y la de salida de líquido y la boca de llenado.

Los tubos y aletas del radiados pueden ser de latón o cobre, aunque actualmente la mayoría se fabrican en aluminio por ser un material con buena conductividad térmica, ligero y que permite un laminado muy fino.

Los depósitos, que antes se fabricaban de chapa de latón, ahora son generalmente de plástico y van engarzados con interposición de una junta.

Los radiadores pueden ser de flujo vertical o de flujo transversal, dependiendo del sentido en que se desplace el líquido en su interior.

En los de flujo vertical los depósitos de sitúan en las parte superior e inferior y el liquido pasa de arriba a abajo.

En los radiadores de flujo transversal los depósitos se colocan a los lados y el líquido se desplaza horizontalmente. Tienen la ventaja de que permiten adaptarse al bajo frontal de los automóviles. Actualmente se imponen por motivos aerodinámicos y de diseño.

Los radiadores más usados son los de flujo transversal, con los tubos y aletas de aluminio y los depósitos de plástico. El resultado es un conjunto resistente, ligero y con buenas cualidades para transmitir el calor.

Los conductos de unión entre el radiador y el motor son manguitos de goma con inserciones de fibras textiles; son resistentes al calor y muy flexibles. Absorben las vibraciones y los movimientos del motor respecto al radiador. La estanqueidad de los manguitos queda asegurada mediante abrazaderas.

Tanto las dimensiones del radiador como el caudal de la bomba se calculan para obtener una refrigeración adecuada a la característica del motor.

Circuito de refrigeración presurizado

El circuito de refrigeración es totalmente hermético, se lena de líquido refrigerante y se extrae el aire. El líquido sufre una dilatación cuando se calienta de modo que aumenta la presión interior y se contrae al enfriarse. Para compensar estos cambios de volumen se añade  al circuito un depósito o vaso de expansión comunicado con el radiador. La entrada y salida de líquido está controlado por una válvula de sobrepresión y otra de depresión que se disponen en el tapón del radiador o bien en el tapón del propio depósito de expansión.

La válvula de sobrepresión está tarada, según el tipo de motor, entre 1 y 1,6 bar. Esto permite conseguir temperaturas de 110 a 120 ºC sin que se produzca ebullición. La válvula de depresión abre con una presión negativa de 0,1 a 0,2 bar. El deposito de expansión contiene líquido a un nivel de aproximadamente la mitad de su volumen con el fin de que pueda admitir líquido procedente del radiador.


Válvulas sobre el tapón del radiador

Cuando el líquido se calienta aumenta la presión, la válvula se abre y el líquido  pasa en forma de vapor al depósito de expansión a través del tubo de unión.

Cuando la temperatura del liquido desciende, el volumen se contrae, creando un vacío en el interior del circuito. En este momento se abre la válvula de presión lo que permite el retorno del líquido al radiador, donde se restablece la presión. El vaso expansor va comunicado a la atmósfera, con lo cual al variar el nivel la `presión interna no cambia.


Válvula sobre el tapón de depósito de expansión

En este caso también el depósito queda presurizado, de modo que cuando llega el líquido procedente del radiador, sube del nivel creándose una presión interna. si llega a superarse la presión de tarado de la válvula, esta se abre liberando aire al exterior. A medida que el refrigerante se va enfriando, la presión hace que pueda regresar el líquido al radiador. Si se ha expulsado aire durante al expansión, se creara ahora un vacío que abrirá la válvula de depresión, que comunica con el exterior, permitiendo restablecer la presión interna.

De esta forma se mantiene la presión en el circuito dentro de unos limites sin pérdidas de líquido.


3.3. El termostato

Durante el funcionamiento del motor en frío es cuando se producen los mayores desgastes y el consumo de combustible es más elevado. Por lo tanto, es preciso que, una vez puesto en marcha, alcance su temperatura de régimen lo más rápidamente posible (entre 80 y 90ºC). Con este fin se intercala en el circuito de refrigeración un termostato.

El termostato es una válvula térmica que controla el paso de líquido entre el motor y el radiador, de manera que solo cuando el refrigerante ha alcanzado la temperatura adecuada (unos 85ºC), se abre dejándolo pasar al radiador.


Constitución y funcionamiento

Esta formado por una capsula cerrada herméticamente que contiene cera. En su interior se introduce una varilla, que queda rodeada por una membrana de goma, por el otro extremo, la varilla se apolla en la carcasa del termostato. Unida a la capsula se encuentra la válvula que se mantiene cerrada en frío por la fuerza del muelle.

Su funcionamiento se basa en el elevado coeficiente de dilatación que poseen ciertos materiales como la cera o la parafina. Cuando el líquido refrigerante calienta la capsula que contiene la cera, esta se dilata, comprime la goma y expulsa la varilla. Como la varilla hace tope en la carcasa, se desplaza la capsula que vence la fuerza del muelle y abre la válvula.

Generalmente la válvula comienza a abrirse entre los 80º y los 86ºC y se encuentra totalmente abierta entre los 95º y los 100ºC, con un desplazamiento de la válvula entre ambas posiciones de 7 a 8 mm.

El circuito controlado por el termostato funciona de la siguiente manera:

Cuando la temperatura del refrigerante es baja, el termostato mantiene cerrado el paso de líquido al radiador, y únicamente circula por el interior de motor, logrando que se caliente con rapidez. Cuando se alcanza la temperatura de apertura, la válvula comienza a abrirse progresivamente hasta completar su recorrido máximo. De manera que el líquido puede pasar al radiador.

En caso de que la temperatura ambiente sea muy baja y disminuya la temperatura del refrigerante, el termostato cierra parcialmente, desviando solo una parte hacia el radiador y el resto circula por el interior del motor. De esta forma se mantiene la temperatura de régimen durante el funcionamiento del motor.

3.4. El ventilador

El ventilador suministra una corriente de aire, que unida a la que origina la marcha del vehículo, pasa a través del radiador e intercambia su temperatura con el líquido refrigerante.

El ventilador se fabrica generalmente de plástico, el caudal que suministra está en función de su diámetro, del número de palas, de la inclinación de estas y de la velocidad de giro. La distribución de las palas se hace de forma asimétrica para evitar el zumbido cuando gira a elevadas revoluciones.

El ventilador se puede situar por delante del radiador (soplante) o por detrás (aspirante). La corriente creada por el ventilador atraviesa el radiador y después se dirige al motor, ventilando sus elementos externos. En ocasiones, el aire canaliza mediante una cubierta  que envuelve el ventilador dirigiendo la corriente para evitar que se disperse.

El caudal y la velocidad de la corriente de aire son factores que determinan la cantidad de calor extraída al radiador. Por tanto, el ventilador se utiliza como elemento regulador de la temperatura del motor, para lo cual su accionamiento ha de estar en función de la temperatura del líquido refrigerante, independientemente del número de revoluciones del motor.


Electroventilador

Se llama así al ventilador movido por un motor eléctrico cuya potencia depende de las características del ventilador (de 80 a 150 W). Si el vehículo va equipado con aire acondicionado esta potencia se triplica (300 a 400 W).

El ventilador se conecta y desconecta automáticamente mediante un interruptor térmico, tarado para la conexión entre 90 y 98ºC y la desconexión de 82 a 90ºC. Esta diferencia de 5 a 8ºCevita la excesiva frecuencia de accionamiento entre ambas posiciones.

El circuito eléctrico se compone de un termocontacto, un relé y el propio motor eléctrico.

El termocontacto consta de un elemento bimetálico que al calentarse se curva y cierra un contacto eléctrico. Se monta roscado con la junta de estanqueidad, en el depósito de salida del radiador, y su extremo va sumergido en el líquido con el objetivo de detectar su temperatura.

Funcionamiento

Hasta que el refrigerante alcanza la temperatura fijada, el termocontacto permanece abierto y el motor no recibe corriente. Cuando se llega a dicho valor de temperatura, el termocontacto cierra. El circito de mando del relé se activa y se cierran sus contactos principales, de esta forma el motor del ventilador queda alimentado.


El ventilador funciona mientras la temperatura del refrigerante esta por encima del valor fijado por la desconexión. De este modo se realiza la regulación de temperatura, haciendo funcionar el ventilador solamente cuando es neccesario.

Ventilador de acoplamiento viscoso

Con este sistema se consiguen dos velocidades de rotación del ventilador en función