1.10. Circuito de refrigeración

El funcionamiento del motor térmico del automóvil produce calor y se han de enfriar las zonas y elementos metálicos afectados y esto lo realizaremos con el circuito de refrigeración.

La refrigeración se puede hacer genéricamente de tres formas; por líquido, que veremos en este capítulo y con más contenido en los dos niveles siguientes, otra forma es por aire y la última por aire y aceite.

La refrigeración por aire o por aire y aceite en el automóvil prácticamente no se utiliza actualmente, y se explica en el capítulo 3.10.1.

Generación de calor; zonas del motor a refrigerar

Con la animación siguiente se explica la necesidad del sistema de refrigeración del motor y se deducen las zonas y los elementos más afectados por el calor.

El motor utilizado para esta animación es de 4 cilindros en línea con árbol de levas y válvulas laterales SV, la admisión y escape están por el mismo lado de la culata, el cigüeñal es de tres apoyos:

  • El funcionamiento del motor se basa en transformar la energía de las combustiones en los cilindros en movimiento creando el par motor
  • Las sucesivas combustiones van generando calor, que iría aumentando hasta dilatar en exceso los elementos metálicos del entorno llegando a fundirlos en algunos casos
  • Las zonas y elementos más afectados por la temperatura de las combustiones y que han de ser refrigerados son estos:
    • Pistones; reciben directamente el calor y energía de las combustiones
    • Cilindros; más en la parte superior donde se producen las combustiones
    • Válvulas; la cabeza de las válvulas están en la cámara de combustión, sometidas a las altas temperaturas. Las de admisión se refrigeran al entrar el aire exterior, pero las de escape están en contacto con la salida de gases quemados por lo que trabajan a mayor temperatura
    • Culata y bloque; en las cámaras de la culata se producen las combustiones, abarcando la zona superior del bloque y cilindros
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Circuito de refrigeración y sus componentes

Vamos a ver el circuito de refrigeración y sus componentes, primero presentando los elementos y después se ve su funcionamiento con esta animación.

El motor utilizado  es de cuatro cilindros en línea con válvulas y árbol de levas en culata o cabeza OHC y cigüeñal de cinco apoyos.

Cámara de refrigeración:

  • Rodea las zonas calientes del motor, los cilindros, la parte inferior de la culata y superior del bloque
  • En su interior hay líquido de refrigeración, es una base de agua desmineralizada con aditivos específicos, entre estos anticongelante

Radiador de refrigeración y su tapón:

  • El radiador es un conjunto de canalizaciones huecas por donde circula el líquido de refrigeración
  • Entre las canalizaciones hay espacio para el paso del aire
  • El tapón es para llenar el circuito del líquido de refrigeración

Manguitos:

  • Son tubos de goma que inter-conexionan los diferentes elementos separados del sistema de refrigeración

Ventilador:

  • Es accionado por la correa exterior del motor (correa de accesorios) y gira en relación a las RPM de este

Bomba de agua:

  • Situada en el circuito del líquido de refrigeración y accionada por el motor, en este caso por el eje del ventilador

Termostato:

  • Está ubicado en la salida de la zona de más temperatura de la culata
  • Es un grifo que abre o cierra el paso del líquido caliente desde el motor al radiador

Vaso de expansión:

  • Está conectado a una zona caliente del circuito de refrigeración del motor por un manguito
  • En su interior hay líquido de refrigeración
  • Dispone de válvulas para mantener la presión del circuito de refrigeración, generalmente las válvulas están en el tapón
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A continuación se pone en marcha el motor y se ve el proceso de funcionamiento del circuito de refrigeración, partiendo con el motor frío:

  • Se va calentando el líquido contenido en la cámara de refrigeración
  • Al llegar a un valor predeterminado de temperatura, abre el termostato permitiendo desde ese momento el paso del líquido caliente desde la cámara de refrigeración a la parte superior del radiador, es decir ahora funciona el circuito de refrigeración
  • El líquido disminuye de temperatura durante su tránsito de arriba a  abajo por el interior del radiador, pues el aire de la marcha que pasa entre los conductos lo va enfriando
  • El ventilador movido por el motor fuerza el paso de aire por el radiador. Su velocidad es proporcional a las RPM del motor según la relación de diámetro entre las poleas de la correa de arrastre
  • La bomba de agua adapta el caudal de circulación del líquido a las RPM del motor, en este caso está en el mismo eje del ventilador
  • Al subir de temperatura el líquido de refrigeración aumenta su volumen proporcionalmente, subiendo el nivel en el vaso de expansión
  • El incremento de presión se controla por la apertura de una válvula que permite mantener la presión a un valor previsto

Seguidamente se para el motor:

  • El motor y el líquido se enfrían
  • El volumen del líquido disminuye en el vaso de expansión
  • Para mantener la presión se abre otra válvula que permite la entrada de aire que compensa el menor volumen

Información de la temperatura

Vemos de nuevo los elementos del circuito de refrigeración resaltando sus funciones:

Cámara de refrigeración:

  • Rodea los elementos próximos a la zona de las combustiones
  • En el bloque lo ideal es que rodee a todos los cilindros, como en la imagen
  • En la culata tiene un recorrido intrincado y complejo para estar lo más cerca posible de las zonas más calientes

Radiador:

  • El líquido entra por su parte superior y recorre transversalmente las canalizaciones según va descendiendo
  • Durante la circulación del líquido por el interior del radiador se va enfriando por el aire de la marcha que pasa alrededor de las canalizaciones
  • El tapón de llenado del circuito de refrigeración está en el radiador o en el vaso expansor, en la imagen hay dos tapones

Manguitos:

  • Son tuberías flexibles de goma que conectan los diferentes elementos separados del sistema de refrigeración, en la imagen se ven estos:
    • De la parte superior de la cámara de refrigeración (en la culata) a la zona alta del radiador
    • De la zona baja del radiador, líquido a menor temperatura, a la parte inferior de la cámara de refrigeración (en el bloque)
    • Del manguito de salida de la culata al vaso de expansión

Ventilador:

  • Fuerza la velocidad de paso del aire a través del radiador
  • Gira movido por una correa desde el motor
  • Su velocidad es proporcional a las RPM y puede ser insuficiente en algunos casos, por ejemplo subidas pronunciadas con el motor funcionando a medias RPM y acelerador a fondo

Bomba de agua:

  • Está integrada en serie en el circuito de refrigeración y gira movida por el motor
  • En la imagen es accionada por el mismo eje que el ventilador y gira a unas RPM proporcionales a las del motor, como el ventilador
  • En caso de subidas con régimen medio de motor el caudal de circulación no es elevado, como el paso de aire forzado por el ventilador, por lo que puede subir la temperatura del motor
  • El accionamiento de la bomba de agua puede ser mediante la correa de distribución

Termostato:

  • Cuando más se desgasta el motor es durante el arranque en frío y periodo de calentamiento
  • El termostato mantiene cerrado el circuito hasta que toma temperatura el líquido de refrigeración, abriendo a partir de este valor para reducir el tiempo de calentamiento
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Vaso de expansión:

  • En los inicios del automóvil, bueno y bastantes años después, era agua el líquido de refrigeración
  • Con el aumento de volumen al subir de temperatura, se expulsaba agua al exterior por un conducto de drenaje
  • Con el motor frío había que rellenar el circuito para contar con todo el potencial de refrigeración
  • Más adelante se incorporó el vaso de expansión para asumir las variaciones de volumen con la temperatura, y para que no aumente la presión en exceso en el circuito se añadieron las válvulas de alta y baja presión
  • El hecho de que el circuito de refrigeración funcione a presión permite incrementar la temperatura de ebullición del agua por encima de los 100º, lo que mejora su eficacia en situaciones de alta temperatura
  • El agua se sustituyó por líquido de refrigeración con aditivos para mejorar su duración y eficacia y reducir la oxidación de los elementos metálicos del circuito de refrigeración, añadiendo anticongelante en países con temperaturas bajas

Electroventilador:

  • Para solventar las situaciones en las que el ventilador mecánico es insuficiente se incorporó el electroventilador; gira accionado por un motor eléctrico controlado por un termocontacto en la salida del líquido “frío” del radiador

Indicador de temperatura del motor y testigo de sobrecalentamiento:

  • Un indicador de aguja, o digital, informa de la temperatura del líquido de refrigeración del motor
  • Hay un testigo se sobrecalentamiento que avisa al superar un determinado valor de temperatura con riesgo para el motor
  • La información de la temperatura del motor la da el sensor de temperatura, puede ser uno para el indicador y testigo de sobrecalentamiento, como en la imagen o uno para cada uno de estos elementos de información

Temperatura normal de funcionamiento:

  • Se observa como sube la temperatura del motor a su valor óptimo
  • Sobrecalentamiento; se representa un incremento excesivo de temperatura del motor, con subida del indicador de aguja y encendido del testigo de sobrecalentamiento
  • Junta de culata; al estar la cámara de refrigeración en la culata y en el bloque, hay pasos de comunicación entre ambos elementos, la estanqueidad se hace mediante la junta de culata, que también hace herméticos los pasos de aceite del circuito de lubricación que comunican bloque y culata

En caso de sobrecalentamiento se enciende el testigo a la vez que sube la indicación de temperatura.

Se ha de parar enseguida el motor; si se continúa circulando se quema la junta de culata, que es el elemento “fusible” del sistema de refrigeración, lo que provoca fallos de motor por pérdida de compresión y falta de estanqueidad.

Si aún así se continua circulando, se deforma la culata pudiendo llegar a afectar también al bloque del motor y otros elementos implicados.

Para mejorar la versatilidad del sistema de refrigeración se tiende a sustituir la bomba de agua arrastrada por el motor por otra eléctrica, de esta forma se puede adaptar su velocidad a las necesidades de refrigeración del motor.

En las imágenes siguientes se representan cinco automóviles con diferentes implantaciones técnicas y posiciones del radiador de refrigeración.

Así se repasa, además de este capítulo, algunos anteriores.

También los motores tienen diferentes disposiciones y número de cilindros, lo que se incluye como anticipo al siguiente capítulo.

Jaguar Type E:

  • El motor es delantero longitudinal con 6 cilindros en línea
  • Son motrices las ruedas traseras
  • El radiador de refrigeración está delante del motor, frente a la marcha

Saab 92:

  • El motor es delantero transversal con 2 cilindros en línea (situado a la derecha desde el puesto del conductor)
  • Son motrices las ruedas delanteras
  • El radiador está a la izquierda del motor, frente a la marcha y sobre la caja de cambios

Tucker Torpedo:

  • El motor es trasero longitudinal con 6 cilindros horizontales opuestos, está situado por detrás el eje (“colgado”)
  • Son motrices las ruedas traseras
  • El radiador está detrás del motor, en sentido opuesto a la marcha

Lamborghini Miura:

  • El motor es central transversal con 12 cilindros en V
  • Son motrices las ruedas traseras
  • El radiador está delante del automóvil, frente a la marcha

Morris/Austin Mini:

  • El motor es delantero transversal con 4 cilindros en línea
  • Son motrices las ruedas delanteras
  • El radiador está a la izquierda del motor, lateral con relación a la marcha
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Resumen de este módulo

La animación que se ve a continuación está realizada sobre la imagen de base de un Mercedes clase E y nos ofrece un repaso de este capítulo:

  • Motor delantero longitudinal de 6 cilindros en línea
  • Cámara de refrigeración
  • Radiador
  • Bomba de agua y sistema de arrastre desde el motor
  • Vaso de expansión con tapón y válvulas de presión
  • Entrada y salida del motor del circuito de refrigeración
  • Termostato
  • Sensor de temperatura; que informa al indicador de aguja y testigo de sobrecalentamiento
  • Electroventilador y su termocontacto
  • Manguitos del circuito de refrigeración
  • Conexiones eléctricas; del sensor de temperatura al indicador y testigo de sobrecalentamiento, y del termocontacto al electroventilador
  • Arranque del motor:
    • El motor va tomando temperatura y se abre el termostato
    • Circulación del líquido por el radiador
    • Subida de nivel del líquido en el vaso de expansión y apertura de la válvula de sobre-presión
    • Actuación del electroventilador
  • Por último se identifican los elementos con viñetas
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