Refrigeración del motor de combustión interna

La refrigeración de los motores de combustión interna utiliza aire o líquido para eliminar el calor residual . Para motores pequeños o de uso especial, la refrigeración con aire atmosférico resulta en un sistema ligero y relativamente sencillo. Las embarcaciones pueden utilizar agua directamente del entorno para refrigerar sus motores. En los motores refrigerados por agua de aeronaves y vehículos terrestres, el calor residual se transfiere desde un circuito cerrado de agua bombeada a través del motor hacia la atmósfera circundante mediante un radiador .

El agua tiene mayor capacidad calorífica que el aire y, por lo tanto, puede disipar el calor del motor con mayor rapidez, pero un radiador y un sistema de bombeo añaden peso, complejidad y coste. Los motores de mayor potencia pueden mover más peso, pero también generan más calor residual, por lo que generalmente se refrigeran por agua. Los motores radiales permiten que el aire circule directamente alrededor de cada cilindro, lo que les confiere una ventaja en la refrigeración por aire frente a los motores rectos , planos y 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 aeronaves favorece más los diseños de menor peso y refrigerados por aire. Los motores rotativos fueron populares en las aeronaves 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. Las aeronaves modernas de hélice con motores de combustión interna todavía son en su mayoría refrigeradas por aire. Los automóviles modernos generalmente priorizan la potencia sobre el peso y suelen tener motores refrigerados por agua. Las motocicletas modernas son más ligeras que los automóviles y ambos métodos de refrigeración son comunes. ^{[ 1 ]} Algunas motocicletas deportivas se enfrían con aire y aceite que se rocía debajo de las cabezas de los pistones .

Las máquinas térmicas generan energía mecánica extrayendo calor del flujo de gases, de forma similar a como una rueda hidráulica extrae energía mecánica de un flujo de masa que cae a través de una distancia. Estas máquinas son ineficientes, por lo que entra más energía térmica que la que se genera como energía mecánica; la diferencia es calor residual que debe eliminarse. Los motores de combustión interna eliminan el calor residual mediante aire de admisión frío, gases de escape calientes y un sistema de refrigeración específico.

Los motores con mayor eficiencia generan más energía que se transforma en movimiento mecánico y menos en calor residual. Parte de este calor residual es esencial: conduce el calor a través del motor, al igual que una rueda hidráulica solo funciona si existe cierta velocidad de salida (energía) en el agua residual que la transporte y deje espacio para más agua. Por lo tanto, todos los motores térmicos necesitan refrigeración para funcionar.

La refrigeración también es necesaria porque las altas temperaturas dañan los materiales del motor y los lubricantes, y se vuelve aún más importante en climas cálidos. Los motores de combustión interna queman combustible a temperaturas superiores al punto de fusión de los materiales del motor, lo suficientemente altas como para incendiar los lubricantes. La refrigeración del motor elimina la energía con la suficiente rapidez como para mantener bajas las temperaturas y así garantizar la supervivencia del motor. ^{[ 2 ]}

Algunos motores de alta eficiencia funcionan sin refrigeración explícita y con pérdidas de calor mínimas, un diseño denominado adiabático . Estos motores pueden alcanzar una alta eficiencia, pero comprometen la potencia, el ciclo de trabajo, el peso, la durabilidad y las emisiones.

La mayoría de los motores de combustión interna se enfrían mediante fluidos , ya sea aire (un fluido gaseoso) o un refrigerante líquido que circula por un intercambiador de calor ( radiador ) refrigerado por aire. Los motores marinos y algunos motores estacionarios disponen de un gran volumen de agua a la temperatura adecuada. Si bien el agua puede utilizarse directamente para enfriar el motor, a menudo contiene sedimentos que pueden obstruir los conductos de refrigeración o sustancias químicas, como la sal, que pueden dañar el motor. Por lo tanto, el refrigerante del motor puede circular por un intercambiador de calor refrigerado por el agua.

La mayoría de los motores refrigerados por líquido utilizan una mezcla de agua y productos químicos como anticongelante , inhibidores de corrosión y otros aditivos. Estas mezclas anticongelantes, también conocidas como "refrigerante del motor", suelen ser fluidos a base de glicol que contienen una mezcla de etilenglicol , aditivos y agua. Los tipos comunes de refrigerantes incluyen fluidos de tecnología de ácido inorgánico (IAT), tecnología de ácido orgánico (OAT) y tecnología de ácido orgánico híbrido (HOAT). Algunos anticongelantes no utilizan agua en absoluto, sino que se basan en líquidos con propiedades diferentes, como propilenglicol o una combinación de propilenglicol y etilenglicol. Si bien los motores refrigerados por aire dependen principalmente del aire para regular la temperatura, muchos también utilizan refrigeración por aceite para ayudar a mantener temperaturas óptimas tanto para los componentes del motor como para el propio aceite. La mayoría de los motores refrigerados por líquido utilizan cierta refrigeración por aire, con la carrera de admisión de aire enfriando 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 correcto.

Un sistema de refrigeración tiene muchas exigencias. Un requisito fundamental es que proporcione una refrigeración adecuada a todo el motor, ya que si una sola pieza se sobrecalienta, este falla por completo. Por lo tanto, es vital que el sistema de refrigeración mantenga todas las piezas a temperaturas suficientemente bajas. Los motores refrigerados por líquido pueden variar el tamaño de sus conductos a través del bloque motor para que el flujo de refrigerante se adapte a las necesidades de cada zona. Las zonas con temperaturas máximas elevadas (islas estrechas alrededor de la cámara de combustión) o con un alto flujo de calor (alrededor de los puertos de escape) pueden requerir una refrigeración abundante. Esto reduce la aparición de puntos calientes, que son más difíciles de evitar con la refrigeración por aire. Los motores refrigerados por aire también pueden variar su capacidad de refrigeración utilizando aletas de refrigeración más juntas en esa zona, pero esto puede dificultar y encarecer su fabricación.

Solo las partes fijas del motor, como el bloque y la culata, se enfrían directamente mediante el sistema de refrigeración principal. Las partes móviles, como los pistones y, en menor medida, el cigüeñal y las bielas , dependen del aceite lubricante como refrigerante, o de una conducción muy limitada hacia el bloque y, por consiguiente, al refrigerante principal. Los motores de alto rendimiento suelen tener aceite adicional, más allá de la cantidad necesaria para la lubricación, que se rocía hacia arriba sobre la parte inferior del pistón para una refrigeración extra. 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 se basaban únicamente en la refrigeración 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 se impulsaba únicamente por convección.

Otros requisitos incluyen el costo, el peso, la fiabilidad y la durabilidad del propio sistema de refrigeración.

La transferencia de calor por conducción 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, existe una  diferencia de temperatura de 230 °C para la refrigeración. Un motor refrigerado por aire aprovecha toda esta diferencia. En cambio, un motor refrigerado por líquido puede disipar el calor del motor hacia un líquido, calentándolo 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, en principio parece necesitar el doble de superficie de refrigeración.

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 (lo que se denomina capacidad calorífica específica ). El aceite tiene aproximadamente el 90 % de la densidad del agua, por lo que un volumen dado de aceite puede absorber solo alrededor del 50 % de la energía del mismo volumen de agua. La conductividad térmica del agua es aproximadamente cuatro veces mayor que la del aceite, lo que puede facilitar 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 aceite para la refrigeración y reduce la potencia neta del motor.

Comparando el aire y el agua, el aire tiene una capacidad calorífica por gramo y por volumen muchísimo menor (4000) y una conductividad inferior a una décima parte, pero también una viscosidad mucho menor (aproximadamente 200 veces menor: 17,4 × 10⁻⁶ ^Pa ·s para el aire frente a 8,94 × 10⁻⁴ ^Pa ·s para el agua). Siguiendo el cálculo de los dos párrafos anteriores, la refrigeración por aire necesita diez veces la superficie, por lo tanto, las aletas, y el aire necesita 2000 veces la velocidad de flujo, por lo que un ventilador de recirculación de aire necesita diez veces la potencia de una bomba de recirculación de agua.

Transferir el calor del cilindro a una gran superficie para la refrigeración por aire puede presentar problemas, como dificultades en la fabricación de 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 la refrigeración del motor. Esto tiene la ventaja de que absorbe una gran cantidad de energía con un aumento mínimo de temperatura (denominado calor de vaporización ), lo cual es bueno para mantener las cosas frías, especialmente al hacer pasar un chorro de refrigerante sobre varios objetos calientes y lograr una temperatura uniforme. En cambio, hacer pasar aire sobre varios objetos calientes en serie calienta el aire en cada paso, por lo que el primero puede enfriarse en exceso y el último insuficientemente. Sin embargo, una vez que el agua hierve, es un aislante, lo que provoca una pérdida repentina de refrigeración donde se forman burbujas de vapor. El vapor puede volver al agua al mezclarse con otros refrigerantes, por lo que un indicador de temperatura del motor puede indicar una temperatura aceptable incluso cuando las temperaturas locales son lo suficientemente altas como para causar daños.

Un motor requiere temperaturas específicas. La admisión, incluyendo el compresor del turbocompresor, las trompetas de admisión y las válvulas de admisión, debe mantenerse lo más fría posible. Un intercambiador de calor a contracorriente con refrigeración forzada cumple esta función. Las paredes de los cilindros no deben calentar el aire antes de la compresión, pero tampoco enfriar los gases durante la combustión. Un punto de equilibrio ideal es una temperatura de pared de 90  °C. La viscosidad del aceite se optimiza precisamente para esta temperatura. Cualquier refrigeración del escape y de la turbina del turbocompresor reduce la potencia disponible para la turbina, por lo que el sistema de escape suele aislarse entre el motor y el turbocompresor para mantener los gases de escape lo más calientes posible.

La temperatura del aire de refrigeración puede oscilar entre muy por debajo del punto de congelación y los 50  °C. Además, mientras que los motores en el transporte marítimo o ferroviario de larga distancia pueden operar a una carga constante, los vehículos de carretera suelen experimentar cargas muy variables y que cambian rápidamente. Por lo tanto, el sistema de refrigeración está diseñado para variar la refrigeración de modo que el motor no se caliente ni se enfríe demasiado. La regulación del sistema de refrigeración incluye deflectores ajustables en el flujo de aire (a veces llamados «obturadores» y generalmente accionados 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 la temperatura es demasiado baja. Además, el motor, el refrigerante y el intercambiador de calor tienen cierta capacidad calorífica que suaviza el aumento de temperatura en aceleraciones cortas. Algunos sistemas de control del motor apagan el motor o limitan su potencia a la mitad si se sobrecalienta. Los modernos sistemas de control electrónico del motor ajustan la refrigeración en función de la potencia para anticipar un aumento de temperatura y limitan la potencia del motor para compensar la refrigeración limitada.

Finalmente, otros factores pueden influir en el diseño del sistema de refrigeración. Por ejemplo, el aire es un refrigerante relativamente deficiente, pero los sistemas de refrigeración por aire son sencillos y la tasa de fallos suele aumentar con el cuadrado del número de puntos de fallo. Además, las pequeñas fugas de refrigerante por aire reducen la capacidad de refrigeración solo ligeramente. En aplicaciones donde la fiabilidad es primordial, como en las aeronaves, puede ser conveniente sacrificar eficiencia, durabilidad (intervalo entre revisiones del motor) y silencio para lograr una fiabilidad ligeramente mayor; las consecuencias de un motor de avión averiado son tan graves que incluso un pequeño aumento en la fiabilidad justifica renunciar a otras buenas características para conseguirlo.

Los motores refrigerados por aire y por líquido son de uso común. Cada principio tiene sus ventajas y desventajas, y ciertas aplicaciones pueden favorecer 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 costo son refrigerados por aire.

Es difícil generalizar sobre los motores refrigerados por aire y los refrigerados por líquido. Los motores diésel refrigerados por aire se eligen por su fiabilidad incluso en calor extremo, ya que la refrigeración por aire sería más sencilla y eficaz para soportar las temperaturas extremas durante el crudo invierno y el pleno verano que los sistemas de refrigeración por agua, y se utilizan a menudo en situaciones en las que el motor funciona sin supervisión durante meses. ^{[ 3 ]}

De igual modo, suele ser deseable minimizar el número de etapas de transferencia de calor para maximizar la diferencia de temperatura en cada etapa. Sin embargo, los motores de dos tiempos Detroit Diesel suelen utilizar aceite refrigerado por agua, y el agua, a su vez, se enfría con aire. ^{[ 4 ]}

El refrigerante utilizado en muchos motores refrigerados por líquido debe renovarse periódicamente y puede congelarse a temperaturas normales, provocando daños permanentes en el motor al expandirse. Los motores refrigerados por aire no requieren mantenimiento del refrigerante y no sufren daños por congelación, dos ventajas comúnmente citadas para este tipo de motores. Sin embargo, el refrigerante a base de propilenglicol permanece líquido hasta los -55  °C, temperaturas inferiores a las que alcanzan muchos motores; se contrae ligeramente al cristalizar, evitando así daños; y tiene una vida útil superior a las 10 000 horas, prácticamente la vida útil de muchos motores.

Generalmente, es más difícil lograr bajas emisiones o bajo nivel de ruido en un motor refrigerado por aire, dos razones más por las que la mayoría de los vehículos de carretera utilizan motores refrigerados por líquido. Además, suele ser difícil fabricar motores grandes refrigerados por aire, por lo que casi todos tienen una potencia inferior a 500 kW (670 hp ), mientras que los motores grandes refrigerados por líquido superan los 80 MW (107 000 hp) ( motor diésel de 14 cilindros Wärtsilä-Sulzer RTA96-C ).   

Los automóviles y camiones que utilizaban refrigeración directa por aire (sin líquido intermedio) se fabricaron durante un largo período, desde sus inicios hasta un cambio técnico menor y generalmente poco reconocido. Antes de la Segunda Guerra Mundial , los automóviles y camiones refrigerados por agua se sobrecalentaban con frecuencia al subir carreteras de montaña, creando chorros de agua hirviendo. Esto se consideraba normal y, en aquel entonces, la mayoría de las carreteras de montaña importantes contaban con talleres mecánicos para reparar los motores sobrecalentados.

El ACS (Auto Club Suisse) conserva monumentos históricos de aquella época en el puerto de montaña de Susten , donde aún se encuentran dos estaciones de recarga de radiadores. En ellas hay instrucciones grabadas en una placa de metal fundido y una regadera de fondo esférico colgada junto a un grifo. El fondo esférico tenía como objetivo evitar que se apoyara en el suelo, lo que la hacía inútil en casa; sin embargo, fue robada, como se puede apreciar en la fotografía.

Durante ese período, empresas europeas como Magirus-Deutz fabricaron camiones diésel refrigerados por aire, Porsche fabricó tractores agrícolas refrigerados por aire ^{[ 5 ]} y Volkswagen se hizo famosa por sus automóviles de pasajeros refrigerados por aire. En Estados Unidos, Franklin fabricó motores refrigerados por aire.

Durante muchos años, la refrigeración por aire fue la preferida 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 V8 de gran cilindrada refrigerados por aire; el ingeniero de Tatra, Julius Mackerle, publicó un libro sobre ellos. Los motores refrigerados por aire se adaptan mejor a temperaturas ambientales extremadamente frías y calientes: se puede observar cómo arrancan y funcionan en condiciones de congelación que paralizan a los motores refrigerados por agua, y cómo continúan funcionando cuando estos últimos comienzan a producir vapor. Los motores refrigerados por aire posiblemente tengan una ventaja desde el punto de vista termodinámico debido a su mayor temperatura de funcionamiento. El peor problema que se ha encontrado en los motores de aeronaves refrigerados por aire es el llamado " enfriamiento por choque ", que ocurre cuando el avión entra en picada después de ascender o volar nivelado con el acelerador abierto, con el motor sin carga mientras el avión desciende generando menos calor, y el flujo de aire que enfría el motor aumenta, puede producirse una falla catastrófica del motor, ya que las diferentes partes del motor tienen diferentes temperaturas y, por lo tanto, diferentes expansiones térmicas. En tales condiciones, el motor puede griparse, y cualquier cambio repentino o desequilibrio en la relación entre el calor producido por el motor y el calor disipado por la refrigeración puede provocar un mayor desgaste del motor, como consecuencia también de las diferencias de dilatación térmica entre las partes del motor; los motores refrigerados por líquido tienen temperaturas de funcionamiento más estables y uniformes.

Hoy en día, la mayoría de los motores de combustión interna de automóviles y de mayor tamaño son refrigerados por líquido. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

La refrigeración líquida también se emplea en vehículos marítimos (embarcaciones, etc.). En las embarcaciones, se suele utilizar el agua de mar para la refrigeración. En algunos casos, también se emplean refrigerantes químicos (en sistemas cerrados) o se mezclan con agua de mar. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

El cambio de la refrigeración por aire a la refrigeración líquida se produjo al inicio de la Segunda Guerra Mundial, cuando el ejército estadounidense necesitaba vehículos fiables. Se abordó el tema de los motores sobrecalentados, se investigó y se encontró una solución. Los radiadores y bloques de motor anteriores estaban bien diseñados y superaban las pruebas de durabilidad, pero utilizaban bombas de agua con una junta de estanqueidad ( prensa ) de "cuerda" lubricada con grafito y con fugas en el eje de la bomba. Esta junta se heredó de las máquinas de vapor, donde se acepta la pérdida de agua, ya que estas ya consumen grandes volúmenes de agua. Debido a que la junta de la bomba tenía fugas principalmente cuando la bomba estaba en funcionamiento y el motor estaba caliente, la pérdida de agua se evaporaba de forma imperceptible, dejando, en el mejor de los casos, un pequeño rastro de óxido cuando el motor se detenía y se enfriaba, sin revelar así una pérdida de agua significativa. Los radiadores de los automóviles (o intercambiadores de calor ) tienen una salida que alimenta agua fría al motor y el motor tiene una salida que alimenta agua caliente a la parte superior del radiador. La circulación del agua se facilita mediante una bomba rotativa que tiene un efecto mínimo, ya que debe funcionar en un rango de velocidades tan amplio que su impulsor tiene un efecto mínimo como bomba. Durante el funcionamiento, la fuga en el sello de la bomba provocó que el agua de refrigeración bajara hasta un nivel tal que la bomba ya no podía devolverla a la parte superior del radiador. Por lo tanto, la circulación del agua cesó y el agua del motor hirvió. Sin embargo, dado que la pérdida de agua provocó un sobrecalentamiento y una mayor pérdida por ebullición, la pérdida original quedó oculta.

Tras aislar el problema de la bomba, los coches y camiones fabricados para el esfuerzo bélico (no se fabricaron coches civiles durante ese tiempo) se equiparon con bombas de agua con sellos de carbono que no presentaban fugas y no causaban más reventones. Mientras tanto, la refrigeración por aire avanzó en memoria de los motores que se sobrecalentaban, aunque el sobrecalentamiento ya no era un problema común. Los motores refrigerados por aire se popularizaron en toda Europa. Después de la guerra, Volkswagen se anunciaba en EE. UU. como vehículos que no se sobrecalentaban, aunque los nuevos coches refrigerados por agua ya no sufrían este problema, pero aun así se vendieron bien. Sin embargo, a medida que aumentó la concienciación sobre la calidad del aire en la década de 1960 y se aprobaron leyes que regulaban las emisiones de escape, la gasolina sin plomo sustituyó a la gasolina con plomo y las mezclas de combustible más pobres se convirtieron en la norma. Subaru optó por la refrigeración líquida para su motor de la serie EA (de cilindros opuestos) cuando se presentó en 1966.

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 mediante la reducción de la pérdida de calor. ^{[ 11 ]} Estos motores se denominan de diversas maneras: motores adiabáticos, debido a una mejor aproximación de la expansión adiabática; motores de baja disipación de calor; o motores de alta temperatura. ^{[ 12 ]} Generalmente son motores diésel con partes de la cámara de combustión revestidas con recubrimientos cerámicos de barrera térmica . ^{[ 13 ]} Algunos utilizan pistones y otras piezas de titanio debido a su baja conductividad térmica ^{[ 14 ]} y masa. Algunos diseños logran eliminar por completo el uso de un sistema de refrigeración y las pérdidas parásitas asociadas. ^{[ 15 ]} El desarrollo de lubricantes capaces de soportar las altas temperaturas involucradas ha sido una barrera importante para su comercialización. ^{[ 16 ]}

• núcleo del calentador
• Refrigeración de la tolva

• Biermann, Arnold E.; Ellerbrock, Herman H. Jr (1939). El diseño de aletas para cilindros refrigerados por aire (PDF) . NACA . Informe nº 726.
• PV Lamarque: "El diseño de aletas de refrigeración para motores de motocicletas". Informe del Comité de Investigación Automotriz, Revista de la Institución de Ingenieros Automotrices , número de marzo de 1943, y también en "Actas de la Institución de Ingenieros Automotrices, XXXVII, Sesión 1942-43, pp. 99-134 y 309-312.
• "Motores de automóviles refrigerados por aire", Julius Mackerle, ME; Charles Griffin & Company Ltd., Londres, 1972.
• engineeringtoolbox.com para conocer las propiedades físicas del aire, el aceite y el agua.
• https://automotivedroid.com/can-low-coolant-cause-rough-idle/ para el problema de bajo nivel de refrigerante que causa ralentí irregular.