En los automóviles y motocicletas con un motor de combustión interna refrigerado por líquido, un radiador está conectado a los canales que recorren el motor y la culata, a través de los cuales se bombea un líquido (refrigerante). Este líquido puede ser agua (en climas en los que es poco probable que el agua se congele), pero es más habitual que sea una mezcla de agua y anticongelante en proporciones adecuadas al clima. El anticongelante en sí suele ser etilenglicol o propilenglicol (con una pequeña cantidad de inhibidor de corrosión).
Un sistema típico de refrigeración de automóviles comprende:
- una serie de galerías fundidas en el bloque del motor y la culata, que rodean las cámaras de combustión con líquido circulante para arrastrar el calor;
- un radiador, formado por muchos tubos pequeños equipados con un panal de aletas para disipar el calor rápidamente, que recibe y enfría el líquido caliente del motor;
- una bomba de agua, normalmente de tipo centrífugo, para hacer circular el líquido refrigerante por el sistema;
- un termostato para controlar la temperatura variando la cantidad de líquido refrigerante que va al radiador;
- un ventilador para hacer pasar el aire frío por el radiador.
El radiador transfiere el calor del fluido interior al aire exterior, enfriando así el fluido, que a su vez enfría el motor. Los radiadores también se utilizan a menudo para enfriar los fluidos de la transmisión automática, el refrigerante del aire acondicionado, el aire de admisión y, a veces, para enfriar el aceite del motor o el líquido de la dirección asistida. Los radiadores suelen montarse en una posición en la que reciben el flujo de aire del movimiento hacia delante del vehículo, como por ejemplo detrás de la parrilla delantera. Cuando los motores están montados en el centro o en la parte trasera, es habitual montar el radiador detrás de una parrilla delantera para conseguir un flujo de aire suficiente, aunque esto requiera largas tuberías de refrigeración. Como alternativa, el radiador puede extraer el aire del flujo sobre la parte superior del vehículo o de una parrilla montada en un lateral. Para los vehículos largos, como los autobuses, el flujo de aire lateral es más común para la refrigeración del motor y la transmisión y el flujo de aire superior más común para la refrigeración del aire acondicionado.
Construcción del radiadorEditar
Los radiadores de automóviles están construidos por un par de tanques de cabecera de metal o plástico, unidos por un núcleo con muchos pasajes estrechos, lo que da una alta superficie en relación con el volumen. Este núcleo suele estar formado por capas apiladas de chapa metálica, prensadas para formar canales y soldadas entre sí. Durante muchos años, los radiadores se fabricaban con núcleos de latón o cobre soldados a cabezales de latón. Los radiadores modernos tienen núcleos de aluminio, y a menudo ahorran dinero y peso utilizando cabezales de plástico con juntas. Esta construcción es más propensa a fallar y es menos fácil de reparar que los materiales tradicionales.
Un método de construcción anterior era el radiador de panal. Los tubos redondos se unían en forma de hexágono en sus extremos, luego se apilaban y se soldaban. Como sólo se tocaban en sus extremos, se formaba lo que en realidad era un tanque de agua sólido con muchos tubos de aire a través de él.
Algunos coches de época utilizan núcleos de radiador hechos de tubo en espiral, una construcción menos eficiente pero más sencilla.
Bomba de refrigeranteEditar
Los radiadores utilizaron por primera vez un flujo vertical descendente, impulsado únicamente por un efecto de termosifón. El refrigerante se calienta en el motor, se vuelve menos denso y, por tanto, sube. A medida que el radiador enfría el fluido, el refrigerante se vuelve más denso y desciende. Este efecto es suficiente para los motores estacionarios de baja potencia, pero es inadecuado para todos los automóviles, excepto los más antiguos. Todos los automóviles desde hace muchos años utilizan bombas centrífugas para hacer circular el refrigerante del motor porque la circulación natural tiene caudales muy bajos.
CalentadorEdit
Se suele incorporar un sistema de válvulas o deflectores, o ambos, para hacer funcionar simultáneamente un pequeño radiador dentro del vehículo. Este pequeño radiador, y el ventilador asociado, se llama el núcleo del calentador, y sirve para calentar el interior de la cabina. Al igual que el radiador, el núcleo del calentador actúa eliminando el calor del motor. Por esta razón, los técnicos de automoción suelen aconsejar a los operadores que enciendan el calefactor y lo pongan en alto si el motor se está sobrecalentando, para ayudar al radiador principal.
Control de la temperaturaEditar
Control del flujo de aguaEditar
La temperatura del motor en los coches modernos está controlada principalmente por un termostato de tipo cera-tipo de termostato de cera, una válvula que se abre una vez que el motor ha alcanzado su temperatura óptima de funcionamiento.
Cuando el motor está frío, el termostato está cerrado excepto por un pequeño flujo de derivación para que el termostato experimente cambios en la temperatura del refrigerante a medida que el motor se calienta. El refrigerante del motor es dirigido por el termostato a la entrada de la bomba de circulación y es devuelto directamente al motor, evitando el radiador. Dirigir el agua para que circule sólo a través del motor permite que el motor alcance la temperatura óptima de funcionamiento lo más rápidamente posible, a la vez que se evitan los «puntos calientes» localizados. Una vez que el refrigerante alcanza la temperatura de activación del termostato, éste se abre, permitiendo que el agua fluya a través del radiador para evitar que la temperatura aumente más.
Una vez alcanzada la temperatura óptima, el termostato controla el flujo de refrigerante del motor hacia el radiador para que el motor siga funcionando a la temperatura óptima. En condiciones de carga máxima, como cuando se conduce lentamente por una colina empinada mientras se está muy cargado en un día caluroso, el termostato se acercará a la apertura total porque el motor estará produciendo casi la máxima potencia mientras la velocidad del flujo de aire a través del radiador es baja. (La velocidad del flujo de aire a través del radiador tiene un efecto importante en su capacidad para disipar el calor). Por el contrario, cuando se circula a gran velocidad cuesta abajo en una autopista en una noche fría con un acelerador ligero, el termostato estará casi cerrado porque el motor está produciendo poca potencia, y el radiador es capaz de disipar mucho más calor del que produce el motor. Si se permite un flujo excesivo de refrigerante al radiador, el motor se enfriará en exceso y funcionará a una temperatura inferior a la óptima, lo que provocará una disminución de la eficiencia del combustible y un aumento de las emisiones de escape. Además, la durabilidad, la fiabilidad y la longevidad del motor a veces se ven comprometidas, si algunos componentes (como los cojinetes del cigüeñal) están diseñados para tener en cuenta la expansión térmica para encajar con las holguras correctas. Otro efecto secundario del sobreenfriamiento es la reducción del rendimiento del calefactor del habitáculo, aunque en los casos típicos sigue soplando aire a una temperatura considerablemente más alta que la ambiente.
El termostato, por lo tanto, está en constante movimiento a lo largo de su rango, respondiendo a los cambios en la carga de funcionamiento del vehículo, la velocidad y la temperatura externa, para mantener el motor a su temperatura óptima de funcionamiento.
En los coches antiguos se puede encontrar un termostato de tipo fuelle, que tiene un fuelle corrugado que contiene un líquido volátil como el alcohol o la acetona. Estos tipos de termostatos no funcionan bien a presiones del sistema de refrigeración superiores a unos 7 psi. Los vehículos de motor modernos suelen funcionar a alrededor de 15 psi, lo que impide el uso del termostato de tipo fuelle. En los motores de refrigeración directa por aire, esto no es un problema para el termostato de fuelle que controla una válvula de solapa en los conductos de aire.
Control del flujo de aireEditar
Otros factores influyen en la temperatura del motor, incluyendo el tamaño del radiador y el tipo de ventilador del radiador. El tamaño del radiador (y, por tanto, su capacidad de refrigeración) se elige de manera que pueda mantener el motor a la temperatura de diseño en las condiciones más extremas que un vehículo puede encontrar (como subir una montaña con carga completa en un día caluroso).
La velocidad del flujo de aire a través de un radiador es una influencia importante en el calor que disipa. La velocidad del vehículo afecta a esto, en proporción aproximada al esfuerzo del motor, dando así una cruda retroalimentación de autorregulación. Cuando el motor acciona un ventilador de refrigeración adicional, éste también sigue la velocidad del motor de forma similar.
Los ventiladores accionados por el motor suelen estar regulados por un embrague de ventilador de la correa de transmisión, que se desliza y reduce la velocidad del ventilador a bajas temperaturas. Esto mejora la eficiencia del combustible al no desperdiciar energía en el accionamiento del ventilador innecesariamente. En los vehículos modernos, la velocidad de refrigeración se regula aún más mediante ventiladores de radiador de velocidad variable o cíclicos. Los ventiladores eléctricos se controlan mediante un interruptor termostático o la unidad de control del motor. Los ventiladores eléctricos también tienen la ventaja de proporcionar un buen flujo de aire y refrigeración a bajas revoluciones del motor o cuando están parados, como en el tráfico lento.
Antes del desarrollo de los ventiladores de accionamiento viscoso y eléctricos, los motores estaban equipados con simples ventiladores fijos que extraían aire a través del radiador en todo momento. Los vehículos cuyo diseño requería la instalación de un gran radiador para hacer frente al trabajo pesado a altas temperaturas, como los vehículos comerciales y los tractores, a menudo funcionaban en frío con cargas ligeras, incluso con la presencia de un termostato, ya que el gran radiador y el ventilador fijo provocaban un rápido y significativo descenso de la temperatura del refrigerante en cuanto se abría el termostato. Este problema puede solucionarse instalando en el radiador una persiana (o cubierta del radiador) que puede ajustarse para bloquear parcial o totalmente el flujo de aire a través del radiador. En su forma más sencilla, la persiana es un rollo de material, como lona o goma, que se despliega a lo largo del radiador para cubrir la parte deseada. Algunos vehículos antiguos, como los cazas monomotores S.E.5 y SPAD S.XIII de la época de la Primera Guerra Mundial, tienen una serie de persianas que se pueden ajustar desde el asiento del conductor o del piloto para proporcionar cierto grado de control. Algunos coches modernos tienen una serie de persianas que se abren y cierran automáticamente por la unidad de control del motor para proporcionar un equilibrio de refrigeración y aerodinámica según sea necesario.
Presión del refrigeranteEditar
Debido a que la eficiencia térmica de los motores de combustión interna aumenta con la temperatura interna, el refrigerante se mantiene a una presión superior a la atmosférica para aumentar su punto de ebullición. El tapón de llenado del radiador suele llevar incorporada una válvula de alivio de presión calibrada. Esta presión varía entre los modelos, pero normalmente oscila entre 4 y 30 psi (30 a 200 kPa).
A medida que la presión del sistema de refrigerante aumenta con un aumento de la temperatura, alcanzará el punto en el que la válvula de alivio de presión permite el escape del exceso de presión. Esto se detendrá cuando la temperatura del sistema deje de aumentar. En el caso de un radiador sobrellenado (o tanque de cabecera) la presión se ventila dejando escapar un poco de líquido. Éste puede simplemente drenar hacia el suelo o ser recogido en un recipiente ventilado que permanece a presión atmosférica. Cuando se apaga el motor, el sistema de refrigeración se enfría y el nivel de líquido desciende. En algunos casos en los que el exceso de líquido se ha recogido en una botella, éste puede ser «aspirado» de nuevo al circuito principal de refrigerante. En otros casos, no lo es.
Refrigerante del motorEditar
Antes de la Segunda Guerra Mundial, el refrigerante del motor solía ser agua corriente. El anticongelante se utilizaba únicamente para controlar la congelación, y a menudo sólo se hacía en climas fríos.
El desarrollo de los motores de aviación de alto rendimiento requería refrigerantes mejorados con puntos de ebullición más altos, lo que llevó a la adopción de mezclas de glicol o agua-glicol. Estos llevaron a la adopción de glicoles por sus propiedades anticongelantes.
Desde el desarrollo de los motores de aluminio o de metal mixto, la inhibición de la corrosión se ha vuelto aún más importante que el anticongelante, y en todas las regiones y estaciones.
Hervor o sobrecalentamientoEditar
Un depósito de rebose que se queda seco puede dar lugar a la vaporización del refrigerante, lo que puede causar un sobrecalentamiento localizado o general del motor. Pueden producirse daños graves, como la rotura de las juntas de culata y la deformación o rotura de las culatas o los bloques de cilindros. A veces no habrá ninguna advertencia, porque el sensor de temperatura que proporciona datos para el medidor de temperatura (ya sea mecánico o eléctrico) está expuesto al vapor de agua, no al refrigerante líquido, proporcionando una lectura perjudicialmente falsa.
Abrir un radiador caliente disminuye la presión del sistema, lo que puede hacer que hierva y expulse líquido y vapor peligrosamente calientes. Por lo tanto, los tapones del radiador suelen contener un mecanismo que intenta aliviar la presión interna antes de que el tapón pueda abrirse por completo.
HistoriaEditar
La invención del radiador de agua para automóviles se atribuye a Karl Benz. Wilhelm Maybach diseñó el primer radiador de nido de abeja para el Mercedes 35hp.
Radiadores suplementariosEditar
A veces es necesario que un coche esté equipado con un segundo radiador, o auxiliar, para aumentar la capacidad de refrigeración, cuando no se puede aumentar el tamaño del radiador original. El segundo radiador se conecta en serie con el radiador principal del circuito. Este fue el caso cuando el Audi 100 se turboalimentó por primera vez creando el 200. No hay que confundirlos con los intercoolers.
Algunos motores tienen un refrigerador de aceite, un pequeño radiador separado para enfriar el aceite del motor. Los coches con transmisión automática suelen tener conexiones adicionales al radiador, permitiendo que el líquido de la transmisión transfiera su calor al refrigerante del radiador. Pueden ser radiadores de aceite-aire, como una versión más pequeña del radiador principal. Más sencillamente, pueden ser radiadores de aceite-agua, en los que se inserta un tubo de aceite dentro del radiador de agua. Aunque el agua está más caliente que el aire ambiente, su mayor conductividad térmica ofrece una refrigeración comparable (dentro de unos límites) con un radiador de aceite menos complejo y, por tanto, más barato y fiable. Menos comúnmente, el líquido de la dirección asistida, el líquido de frenos y otros fluidos hidráulicos pueden ser enfriados por un radiador auxiliar en un vehículo.
Los motores con turbocompresor o sobrealimentados pueden tener un intercooler, que es un radiador aire-a-aire o aire-a-agua utilizado para enfriar la carga de aire entrante, no para enfriar el motor.