Refrigeración del motor de combustión interna - Internal combustion engine cooling

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 de propósito especial, el enfriamiento con 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 en aviones y vehículos de superficie, el calor residual se transfiere desde un circuito cerrado de agua bombeada 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 del motor más rápidamente, 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. Motores radiales permiten que el aire fluya alrededor de cada cilindro directamente, dándoles una ventaja para el aire de refrigeración sobre los motores de rectas , los motores planos , y 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 aeronaves favorece más fuertemente los diseños refrigerados por aire y de menor peso. 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 hélice con motores de combustión interna todavía se refrigeran en gran medida por aire. Los automóviles modernos generalmente favorecen la potencia sobre el peso y, por lo general, tienen motores refrigerados por agua. Las motocicletas modernas son más livianas que los automóviles y ambos métodos de enfriamiento son comunes. Algunas motocicletas deportivas se enfriaron con aire y aceite ( rociado debajo de las cabezas de los pistones ).

Visión general

Los motores térmicos generan energía mecánica extrayendo energía de los 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 al 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 la refrigeración explícita del motor.

Los motores con mayor eficiencia dejan más energía como movimiento mecánico y menos como calor residual. Algo de calor residual es esencial: guía el calor a través del motor, al igual que una rueda hidráulica funciona solo si hay alguna velocidad de salida (energía) en el agua residual para llevarlo y dejar espacio para más agua. Por tanto, todos los motores térmicos necesitan refrigeración para funcionar.

El enfriamiento también es necesario porque las altas temperaturas dañan los materiales y lubricantes del motor y se vuelven aún más importantes en climas cálidos. 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 la energía lo suficientemente rápido como para mantener las temperaturas bajas para que el motor pueda sobrevivir.

Algunos motores de alta eficiencia funcionan sin enfriamiento explícito y solo con pérdida de calor incidental, un diseño llamado adiabático . Dichos motores pueden lograr una alta eficiencia pero comprometen la salida de potencia, el ciclo de trabajo, el peso del motor, la durabilidad y las emisiones.

Principios básicos

La mayoría de los motores de combustión interna se enfrían por líquido usando aire (un líquido 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 de 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 anticongelantes e inhibidores de óxido. El término industrial para la mezcla anticongelante es "refrigerante de motor". Algunos anticongelantes no utilizan agua en absoluto, sino un líquido con diferentes propiedades, como propilenglicol o una combinación de propilenglicol y etilenglicol . La mayoría de los motores enfriados por aire utilizan un poco de enfriamiento de aceite líquido para mantener temperaturas aceptables tanto para las partes 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 del aire enfría la cámara de combustión. Una excepción son los motores Wankel , donde algunas partes de la cámara de combustión nunca se enfrían por la admisión, lo que requiere un esfuerzo adicional para una operación exitosa.

Hay muchas demandas en un sistema de enfriamiento. Un requisito clave es servir adecuadamente todo el motor, ya que todo el motor falla si solo una parte 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 adapte a las necesidades de cada área. Las ubicaciones con altas temperaturas máximas (islas estrechas alrededor de la cámara de combustión) o con 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 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.

Solo las partes fijas del motor, como el bloque y el cabezal, se enfrían directamente mediante el sistema de refrigeración principal. Las partes 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 de ahí el refrigerante principal. Los motores de alto rendimiento con frecuencia tienen aceite adicional, más allá de la cantidad necesaria para la lubricación, rociado hacia arriba en la parte inferior del pistón solo para enfriamiento adicional. Las motocicletas enfriadas por aire a menudo dependen en gran medida del enfriamiento por aceite además del enfriamiento por aire de los cilindros 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 dejaba 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 fue impulsada solo por convección.

Otras demandas incluyen costo, peso, confiabilidad y durabilidad del propio sistema de enfriamiento.

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, entonces hay una diferencia de temperatura de 230 ° C para enfriar. Un motor enfriado por aire utiliza toda esta diferencia. Por el contrario, un motor refrigerado por líquido puede descargar calor del motor a un líquido, calentando el líquido a 135 ° C (el punto de ebullición estándar del agua de 100 ° C puede excederse ya que el sistema de enfriamiento 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 el enfriamiento. Por ejemplo, comparando 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 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 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 aceite para enfriar y reduce la potencia neta del motor.

Comparando el aire y el agua, el aire tiene una capacidad calorífica mucho menor por gramo y por volumen (4000) y menos de una décima parte de la conductividad, 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 agua). Continuando con el cálculo de los dos párrafos anteriores, el enfriamiento por aire necesita diez veces el área de la superficie, por lo tanto, las aletas, y el aire necesita 2000 veces la velocidad de flujo y, por lo tanto, un ventilador de aire recirculante necesita diez veces la potencia de una bomba de agua recirculante.

Mover calor desde el cilindro a una gran superficie para enfriar el aire puede presentar problemas tales como 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 pasar una corriente de refrigerante sobre varios objetos calientes y lograr una temperatura uniforme. Por el contrario, hacer pasar aire sobre varios objetos calientes en serie calienta el aire en cada paso, por lo que el primero puede enfriarse demasiado y el último no enfriarse demasiado. Sin embargo, una vez que el agua hierve, es un aislante, lo que lleva a una pérdida repentina de enfriamiento donde se forman burbujas de vapor. El vapor puede volver al agua cuando se mezcla con otro refrigerante, por lo que un indicador de temperatura del motor puede indicar una temperatura aceptable aunque las temperaturas locales sean lo suficientemente altas como para causar daños.

Un motor necesita diferentes temperaturas. La entrada, incluido el compresor de un turbo, y las trompetas de entrada y las válvulas de entrada deben estar lo más frías posible. Un intercambiador de calor a contracorriente con aire de enfriamiento forzado hace el trabajo. Las paredes del cilindro no deben calentar el aire antes de la compresión, pero tampoco enfriar el gas en la combustión. Un compromiso es una temperatura de la pared de 90 ° C. La viscosidad del aceite está optimizada solo para esta temperatura. Cualquier enfriamiento del escape y la turbina del turbocompresor reduce la cantidad de energía disponible para la turbina, por lo que el sistema de escape a menudo está aislado entre el motor y el turbocompresor para mantener los gases de escape lo más calientes posible.

La temperatura del aire de enfriamiento puede variar desde muy por debajo del punto de congelación hasta 50 ° C. Además, mientras que los motores en el servicio ferroviario o de barcos de larga distancia pueden operar con una carga constante, los vehículos de carretera a menudo ven una carga muy variable y que varía rápidamente. Por lo tanto, el sistema de enfriamiento está diseñado para variar el enfriamiento para 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; 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 de calor que suaviza el aumento de temperatura en sprints cortos. Algunos controles de motor apagan un motor o lo limitan a la mitad del acelerador si se sobrecalienta. Los controles electrónicos modernos del motor ajustan el enfriamiento en función del acelerador para anticipar un aumento de temperatura y limitan la salida de 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 por aire son simples y las tasas de falla generalmente aumentan con el cuadrado del número de puntos de falla. Además, la capacidad de enfriamiento se reduce solo 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 del motor) 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 de fiabilidad merece renunciar a otras buenas propiedades para conseguirlo.

Los motores refrigerados por aire y refrigerados por líquido se utilizan comúnmente. Cada principio tiene ventajas y desventajas, y las 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 costo se refrigeran por aire.

Dificultades de generalización

Es difícil hacer generalizaciones sobre motores refrigerados por aire y refrigerados 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 las profundidades del invierno y la altura del verano, que los sistemas de refrigeración por agua, y se utilizan con frecuencia. en situaciones en las que el motor funciona sin supervisión durante meses.

De manera similar, generalmente 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 enfriada por aire.

El refrigerante que se usa en muchos motores refrigerados por líquido debe renovarse periódicamente y puede congelarse a temperaturas normales, causando así daños permanentes al motor cuando se expande. Los motores refrigerados por aire no requieren servicio de refrigerante y no sufren daños por congelación, dos ventajas comúnmente citadas para los motores refrigerados por aire. Sin embargo, el refrigerante a base de propilenglicol es líquido a -55 ° C, más frío de lo que encuentran muchos motores; se encoge levemente cuando cristaliza, evitando así daños; y tiene una vida útil de más de 10.000 horas, esencialmente la vida útil de muchos motores.

Por lo general, 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 grandes motores refrigerados por aire, por lo que casi todos los motores refrigerados por aire tienen menos de 500  kW (670 CV ), mientras que los grandes motores refrigerados por líquido superan los 80  MW (107000 CV) ( Wärtsilä-Sulzer RTA96-C 14 -cilindro diesel).

Aire acondicionado

Un cilindro de un motor de aviación refrigerado por aire, un Continental C85 . Observe las filas de aletas tanto en el cilindro del cilindro de acero como en la culata de aluminio . Las aletas proporcionan un área de superficie adicional para que el aire pase sobre el cilindro y absorba el calor.

Los automóviles y camiones que utilizan refrigeración directa por aire (sin un líquido intermedio) se construyeron durante un largo período desde el principio hasta el final con un cambio técnico pequeño y generalmente no reconocido. Antes de la Segunda Guerra Mundial , los automóviles y camiones refrigerados por agua se sobrecalentaban rutinariamente mientras subían por las carreteras de montaña, creando géiseres de agua de enfriamiento hirviendo. Esto se consideró normal, y en ese momento, la mayoría de las carreteras de montaña notables tenían talleres de reparación de automóviles para atender el sobrecalentamiento de los motores.

ACS (Auto Club Suisse) mantiene monumentos históricos de esa época en el Susten Pass, donde permanecen dos estaciones de recarga de radiadores. Estos tienen instrucciones en una placa de metal fundido y una regadera de fondo esférico que cuelga junto a un grifo de agua. El fondo esférico estaba destinado a evitar que se depositara y, por lo tanto, fuera 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 y Volkswagen se hizo famoso con los automóviles de pasajeros refrigerados por aire. En los Estados Unidos, Franklin construyó motores refrigerados por aire.

Durante muchos años, el enfriamiento por aire fue favorecido para aplicaciones militares, ya que los sistemas de enfriamiento líquido son más vulnerables a los daños por 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 de Tatra, Julius Mackerle, publicó un libro al respecto. Los motores enfriados por aire se adaptan mejor a las temperaturas ambientales extremadamente frías y calientes: puede ver los motores enfriados por aire arrancando y funcionando en condiciones de congelación que se incautaron de los motores enfriados por agua y continúan funcionando cuando los enfriados por agua comienzan a producir chorros de vapor. Los motores refrigerados por aire pueden ser una ventaja desde un punto de vista termodinámico debido a una temperatura de funcionamiento más alta. El peor problema que se encontró en los motores de los aviones refrigerados por aire fue el llamado " Enfriamiento por choque ", cuando el avión entró en picado después de ascender o nivelar el vuelo con el acelerador abierto, con el motor sin carga mientras el avión se sumerge 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 o desequilibrio repentino 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.

Refrigeración líquida

Un radiador de refrigerante de motor típico utilizado en un automóvil
Se vierte refrigerante en el radiador de un automóvil

Hoy en día, la mayoría de los motores automotrices y de circuitos integrados más grandes están refrigerados por líquido.

Un sistema de enfriamiento del motor IC completamente cerrado
Sistema de enfriamiento del motor IC abierto
Sistema de refrigeración del motor IC semicerrado

La refrigeración líquida también se emplea en vehículos marítimos (embarcaciones, ...). En el caso de los barcos, el agua de mar en sí se utiliza principalmente para enfriar. En algunos casos, también se emplean refrigerantes químicos (en sistemas cerrados) o se mezclan con refrigeración por agua de mar.

Transición de refrigeración por aire

El cambio de refrigeración por aire a refrigeración líquida se produjo al comienzo de la Segunda Guerra Mundial, cuando el ejército de EE. UU. Necesitaba vehículos fiables. Se abordó el tema de los motores en ebullición, se investigó y se encontró una solución. Los radiadores y bloques de motor anteriores se diseñaron correctamente y sobrevivieron a las pruebas de durabilidad, pero se utilizaron bombas de agua con un sello ( prensaestopas ) 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 tenía fugas principalmente cuando la bomba estaba en funcionamiento y el motor estaba caliente, la pérdida de agua se evaporó discretamente, dejando en el mejor de los casos un pequeño rastro oxidado cuando el motor se detuvo y se enfrió, sin revelar una pérdida significativa de agua. Los radiadores de automóviles (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 es asistida por una bomba rotativa que tiene solo un ligero efecto, teniendo que trabajar en un rango de velocidades tan amplio que su impulsor tiene solo un efecto mínimo como bomba. Mientras estaba en funcionamiento, el sello de la bomba con fugas drenó el agua de enfriamiento 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 ebullición, se ocultó la pérdida de agua original.

Después de aislar el problema de las bombas, los autos y camiones construidos para el esfuerzo de guerra (no se construyeron autos civiles durante ese tiempo) fueron equipados con bombas de agua con sello de carbón que no gotearon y no causaron más géiseres. Mientras tanto, el enfriamiento por aire avanzó en memoria de los motores en ebullición ... aunque la ebullición ya no era un problema común. Los motores refrigerados por aire se hicieron populares en toda Europa. Después de la guerra, Volkswagen anunció en los EE. UU. Que no se desbordaba, a pesar de que los autos nuevos refrigerados por agua ya no se derramaban, pero estos autos se vendieron bien. Pero a medida que aumentó la conciencia sobre la calidad del aire en la década de 1960 y se aprobaron las leyes que rigen las emisiones de escape, el gas sin plomo reemplazó al gas con plomo y las mezclas de combustibles más magras se convirtieron en la norma. Subaru eligió refrigeración líquida para su motor de la serie EA (plano) cuando se presentó en 1966.

Motores de rechazo de calor bajo

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. Estos motores se denominan de forma diversa motores adiabáticos, debido a una mejor aproximación de la expansión adiabática, motores de bajo rechazo de calor o motores de alta temperatura. Generalmente son motores diesel con partes de la cámara de combustión revestidas con revestimientos cerámicos de barrera térmica. Algunos utilizan pistones de titanio y otras piezas de titanio debido a su baja conductividad térmica y masa. Algunos diseños pueden eliminar por completo el uso de un sistema de enfriamiento y las pérdidas parasitarias asociadas. El desarrollo de lubricantes capaces de resistir las altas temperaturas involucradas ha sido una barrera importante para la comercialización.

Ver también

Referencias

Fuentes

  • 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 del Automóvil, 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, págs. 99-134 y 309-312".
  • "Motores automotrices 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

enlaces externos