Motores: El sistema de refrigeración y su gestión electrónica

UNIDAD 9 MOTORES

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El sistema de refrigeración

índice

1. Función de la refrigeración.
2. Sistemas de refrigeración.
3. Elementos del sistema de refrigeración.
4. Gestión electrónica del circuito de refrigeración.
5. Mantenimiento del sistema de refrigeración por líquido.

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Función de la refrigeración

• El funcionamiento del motor genera calor.
• El sistema de refrigeración se encarga de extraer la cantidad justa de calor para que el motor mantenga su temperatura óptima de funcionamiento.
• Para disipar el calor sobrante se utiliza aire, líquido refrigerante y aceite lubricante.

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Función de la refrigeración en motores de combustión interna

Los motores de combustión interna generan una gran cantidad de calor debido a la fricción de los elementos en movimiento y, sobre todo, a la combustión de la mezcla en el interior del cilindro. Como es sabido, no toda la energía que potencialmente puede suministrar el combustible es transformada en trabajo, sino que parte se pierde en forma de calor en los gases de escape y en la refrigeración. De hecho, alrededor de un 30 % de la energía potencial del combustible se pierde en cesión de calor a la refrigeración.

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Consecuencias de una refrigeración inadecuada

Si el motor no es capaz de evacuar el calor generado se provocarían agarrotamientos de las piezas por una excesiva dilatación de las mismas y el lubricante perdería sus propiedades muy rápidamente. Por otro lado, el rendimiento del motor aumenta según lo hace su temperatura de funcionamiento, por lo que una refrigeración excesiva disminuye las prestaciones. A la vista de esto, se puede deducir que el objetivo de la refrigeración será mantener una temperatura de funcionamiento en diferentes partes del motor, de tal forma que no sufran un excesivo calentamiento ni tampoco provoque un descenso del rendimiento del motor. La Figura 8.1 muestra de forma orientativa las temperaturas de funcionamiento que deben tener diferentes partes del motor para su correcto funcionamiento.

Temperaturas de funcionamiento de componentes del motor

Válvula de admisión 250 ℃ Válvula de escape 700-800 ℃ Cámara de combustión 250 ℃ Bujía de encendido 800-900 ℃ Cabeza del pistón 250-300 ℃ Paredes del cilindro 150-200 ℃ Figura 8.1. Temperaturas de funcionamiento de diferentes partes del motor para su correcto funcionamiento.

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Función de la refrigeración: Temperatura de régimen

La función de la refrigeración es mantener el motor dentro de lo que llamamos temperatura de régimen A esta temperatura el motor da su rendimiento optimo.

Efectos de la temperatura en el motor

Por debajo de ella el combustible no se gasifica correctamente y la lubricación es deficiente porque el aceite está demasiado viscoso. Por encima de ella empeora la carga de los cilindros (el aire está demasiado caliente), hay riesgo de autoencendido, el lubricante se degrada más rápido y llevado al extremo puede griparse el motor.

La refrigeración puede ser por aire o por líquido refrigerante.

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Función de la refrigeración: Calentamiento rápido

La temperatura de funcionamiento del motor ha de conseguirse lo más rápidamente posible con el fin de que las partes móviles no estén operando mucho tiempo con el juego que tienen en frío, que genera golpeteos entre las mismas hasta que alcanzan la dilatación que minimiza ese juego a la temperatura de régimen. La Figura 8.2 muestra a modo de ejemplo cómo evoluciona la temperatura del bloque de cilindros en función del tiempo de calentamiento hasta alcanzar la temperatura de funcionamiento.

Evolución de la temperatura del bloque de cilindros

t=0s t = 30 s t = 60 s t = 90 s TMAX = 10 ℃ TMAX = 65 ℃ TMAX = 95 ℃ TMAX = 115 ℃ t = 120 s t = 180 s t = 300 s t = 600 s TMAX= 115 °C TMAX = 160 ℃ TMAX = 185 ℃ TMAX = 190 ℃ 7 Figura 8.2. Evolución de la temperatura del bloque de cilindros en función del tiempo de calentamiento hasta alcanzar la temperatura de funcionamiento.

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Función de la refrigeración: Transferencia de calor

El calor transmitido desde los elementos a refrigerar hasta el fluido de refrigeración ya sea aire o líquido, mejora con:

• El aumento de la conductividad térmica del material.
• El aumento de las superficies en contacto con el fluido de refrigeración y la disminución de su espesor.
• El salto térmico entre el elemento a refrigerar y el fluido de refrigeración.

Una vez alcanzada la temperatura de régimen, debe ser estable para mantener el rendimiento óptimo del motor y el control de la dilatación de las piezas.

Importancia del aceite en la refrigeración

Recuerda que ... Además del fluido refrigerante, el aceite también cumple la función de refrigerar el motor.

Estabilidad de la temperatura de régimen

Recuerda que ... La temperatura de régimen debe de alcanzarse lo más rápidamente posible y mantenerse, ya que el aceite en frío tiene una viscosidad demasiado elevada y si se calienta en exceso se vuelve muy fluido. Por tanto, el motor debe funcionar a una temperatura donde el aceite desarrolle mejor la función de lubricación.

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Sistemas de refrigeración

Los sistemas de refrigeración se pueden clasificar en dos grandes grupos, refrigeración por aire y refrigeración por líquido

Sistema de refrigeración por aire

Este sistema se utiliza muy poco en automóviles y se destina a motores de poca cilindrada, como motocicletas y maquinaria pequeña (motosierras, desbrozadoras ... ). También puede encontrarse en aeronaves y algunos motores de maquinaria de obras públicas. La refrigeración se produce cuando el aire entra en contacto con las partes exteriores del motor, por lo que los cilindros y la culata disponen de aletas de refrigeración para aumentar la superficie de contacto, siendo las de la culata de mayor superficie que las del cilindro, al ser esta la parte más caliente, como puede apreciarse en la Figura 8.3.

Figura 8.3. Motor refrigerado por aire.

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Sistemas de refrigeración por aire: Tipos

Existen diferentes tipos de sistemas de refrigeración por aire:

• Refrigeración por el aire de marcha del vehículo: en la mayoría de los vehículos donde el motor se sitúa fuera del vano motor o de la carrocería, este se refrigera por el aire generado por el movimiento del vehículo, que entra en contacto directo con las aletas de refrigeración. Aunque es un sistema más sencillo, la temperatura de funcionamiento es más fluctuante porque depende de la velocidad del vehículo, disminuyendo mucho la capacidad de refrigerar con el motor parado. Este método es empleado por pequeñas aeronaves, motocicletas, karts ...
• Refrigeración forzada de aire: cuando el motor se encuentra encerrado en algún compartimento del vehículo, hay que forzar la entrada de aire para su refrigeración. Para ello se dispone de un ventilador, accionado normalmente por el motor, que atrae el aire exterior y lo dirige hacia las aletas de refrigeración por medio de deflectores. Como el ventilador es movido por el motor, al aumentar las revoluciones se incrementa también el flujo de aire, intensificando la refrigeración en las condiciones de funcionamiento más críticas. Para controlar la temperatura, las trampillas o deflectores pueden variar su orientación gracias a una válvula termostática que orienta el flujo de aire en función de la temperatura del motor. Este sistema lo incorporan la mayoría de los vehículos automóviles refrigerados por aire, algunos motores industriales y multitud de motocicletas.

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Sistemas de refrigeración por aire: Ventajas e inconvenientes

Ventajas de la refrigeración por aire

• Ventajas:

> Aumento del rendimiento del motor por minimizar las pérdidas de calor al funcionar a temperaturas más elevadas. A Reducido número de elementos que disminuyen las averías y las operaciones de mantenimiento. > Constitución sencilla que reduce los costes de fabricación. > Menor peso, lo que aumenta la potencia específica. > Rapidez a la hora de alcanzar la temperatura de régimen, que facilita el calentamiento a bajas temperaturas .

Inconvenientes de la refrigeración por aire

Los inconvenientes de la refrigeración por aire son:

• Inconvenientes:

> Dificultad a la hora de regular la temperatura de régimen. > Necesidad, en muchos casos, de instalar un radiador de aceite para su enfriamiento. A Aumento del ruido del motor porque las aletas de refrigeración lo amplifican y no dispone de camisas de agua rodeando a los cilindros que lo amortigüen. Al funcionar a temperaturas más elevadas es necesario que las partes móviles tengan un mayor juego de montaje en frío, sufriendo un golpeteo más intenso hasta que alcanzan su temperatura de funcionamiento.

La refrigeración por aire es menos eficiente y más difícil de controlar que la refrigeración por líquido. Por este motivo se emplea muy poco en automóviles.

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Sistemas de refrigeración por líquido

En realidad, este sistema refrigera el motor a través de líquido y aire porque los cilindros y las cámaras de combustión son rodeados por el líquido refrigerante que circula a través de estos conductos del motor, como muestra la Figura 8.4, para luego pasar al radiador, donde es enfriado por aire, produciéndose la cesión de calor.

Componentes del sistema de refrigeración líquida

Culata Junta de culata Cilindro Líquido refrigerante Junta (camisa húmeda) Bloque Figura 8.4.

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Sistemas de refrigeración por líquido: Tipos

La refrigeración por líquido puede realizarse de dos formas:

• Por termosifón: actualmente está en desuso. Se basa en las corrientes de convección que se producen en un fluido cuando experimenta una variación de temperatura. De esta forma, el agua caliente que está en contacto con los cilindros y la culata asciende de forma natural y entra por la parte superior del radiador, disminuyendo su temperatura y descendiendo también de forma natural por aumentar su densidad. Después vuelve a entrar en el motor y se repite el ciclo, representado en la Figura 8.5. Este sistema tiene la ventaja de regular la temperatura del motor de forma automática pero el inconveniente de que la velocidad de movimiento del agua es reducida, es necesaria una elevada cantidad de agua y obliga al uso de radiadores de gran tamaño. Aunque los fabricantes han desestimado el uso de este método, el fenómeno natural de la convección hace que todos los circuitos de refrigeración funcionen, en parte, de esta forma.

Figura 8.5. Refrigeración por termosifón.

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Refrigeración forzada por bomba y presurizada

Forzada por bomba y presurizada: en este caso, la circulación del líquido refrigerante es forzada por el movimiento de una bomba que es accionada por el motor, como puede verse en la Figura 8.6. Con este sistema, aumenta la velocidad del líquido y con ella la transferencia de calor, pudiéndose utilizar radiadores más pequeños y menores cantidades de refrigerante. Además, el circuito se presuriza, es decir, que en su interior se alcanza una presión superior a la atmosférica. Esto se hace para aumentar la temperatura de ebullición del liquido refrigerante. Como ejemplo, si se supone que se emplea agua pura, aunque en realidad el líquido de refrigeración tiene otros componentes, esta ebulle a 100 ℃ cuando se encuentra a la presión de 1 bar, pero si se incrementa la presión, también lo hace su temperatura de ebullición. Figura 8.6. Refrigeración por bomba y presurizada.

Funcionamiento del sistema presurizado

000 Radiador Bomba de agua El objetivo es que el refrigerante se mantenga líquido a la temperatura de funcionamiento del motor. Para que la presión del circuito no alcance valores peligrosos, se disponen válvulas de alivio. El sistema de refrigeración por bomba y presurizado es el que se emplea de forma mayoritaria en los vehículos automóviles.

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