In automobili e motociclette con un motore a combustione interna raffreddato a liquido, un radiatore è collegato ai canali che attraversano il motore e la testa del cilindro, attraverso i quali viene pompato un liquido (refrigerante). Questo liquido può essere acqua (in climi dove è improbabile che l’acqua si congeli), ma è più comunemente una miscela di acqua e antigelo in proporzioni appropriate al clima. L’antigelo stesso è di solito glicole etilenico o glicole propilenico (con una piccola quantità di inibitore di corrosione).
Un tipico sistema di raffreddamento automobilistico comprende:
- una serie di gallerie fuse nel blocco motore e nella testa del cilindro, che circondano le camere di combustione con liquido circolante per portare via il calore;
- un radiatore, composto da molti piccoli tubi dotati di un nido d’ape di alette per dissipare rapidamente il calore, che riceve e raffredda il liquido caldo dal motore;
- una pompa dell’acqua, di solito di tipo centrifugo, per far circolare il liquido di raffreddamento attraverso il sistema;
- un termostato per controllare la temperatura variando la quantità di liquido di raffreddamento che va al radiatore;
- una ventola per aspirare aria fredda attraverso il radiatore.
Il radiatore trasferisce il calore dal fluido all’interno all’aria all’esterno, raffreddando così il fluido, che a sua volta raffredda il motore. I radiatori sono anche spesso usati per raffreddare i fluidi della trasmissione automatica, il refrigerante del condizionatore d’aria, l’aria di aspirazione, e a volte per raffreddare l’olio motore o il liquido del servosterzo. I radiatori sono tipicamente montati in una posizione in cui ricevono il flusso d’aria dal movimento in avanti del veicolo, come dietro una griglia anteriore. Quando i motori sono montati in posizione centrale o posteriore, è comune montare il radiatore dietro una griglia anteriore per ottenere un flusso d’aria sufficiente, anche se questo richiede lunghi tubi di raffreddamento. In alternativa, il radiatore può trarre aria dal flusso sopra la parte superiore del veicolo o da una griglia laterale. Per i veicoli lunghi, come gli autobus, il flusso d’aria laterale è più comune per il raffreddamento del motore e della trasmissione e il flusso d’aria superiore più comune per il raffreddamento del condizionatore d’aria.
Costruzione del radiatoreModifica
I radiatori delle automobili sono costruiti con una coppia di serbatoi di metallo o di plastica, collegati da un nucleo con molti passaggi stretti, dando un’alta superficie rispetto al volume. Questo nucleo è di solito fatto di strati sovrapposti di lamiera, pressati per formare dei canali e saldati o brasati insieme. Per molti anni i radiatori sono stati fatti con nuclei di ottone o rame saldati a testate di ottone. I radiatori moderni hanno nuclei di alluminio e spesso risparmiano soldi e peso usando collettori di plastica con guarnizioni. Questa costruzione è più soggetta a guasti e meno facile da riparare rispetto ai materiali tradizionali.
Un metodo di costruzione precedente era il radiatore a nido d’ape. I tubi rotondi venivano gonfiati in esagoni alle loro estremità, poi impilati insieme e saldati. Dato che si toccavano solo alle estremità, questo formava quello che diventava in effetti un solido serbatoio d’acqua con molti tubi per l’aria che lo attraversavano.
Alcune auto d’epoca usano nuclei di radiatori fatti da tubi a spirale, una costruzione meno efficiente ma più semplice.
Pompa del refrigeranteModifica
I radiatori hanno usato per la prima volta un flusso verticale verso il basso, guidato unicamente da un effetto termosifone. Il liquido di raffreddamento viene riscaldato nel motore, diventa meno denso e quindi sale. Quando il radiatore raffredda il fluido, il refrigerante diventa più denso e scende. Questo effetto è sufficiente per i motori stazionari a bassa potenza, ma inadeguato per tutte le automobili tranne le prime. Tutte le automobili per molti anni hanno usato pompe centrifughe per far circolare il liquido di raffreddamento del motore perché la circolazione naturale ha portate molto basse.
Riscaldatore
Un sistema di valvole o deflettori, o entrambi, è solitamente incorporato per far funzionare simultaneamente un piccolo radiatore all’interno del veicolo. Questo piccolo radiatore, e la ventola associata, è chiamato nucleo del riscaldatore e serve a riscaldare l’interno dell’abitacolo. Come il radiatore, il nucleo del riscaldatore agisce rimuovendo il calore dal motore. Per questo motivo, i tecnici automobilistici spesso consigliano agli operatori di accendere il riscaldatore e impostarlo su alto se il motore si sta surriscaldando, per assistere il radiatore principale.
Controllo della temperaturaModifica
Controllo del flusso d’acquaModifica
La temperatura del motore sulle auto moderne è controllata principalmente da un termostato a ceradi un termostato a cera, una valvola che si apre quando il motore ha raggiunto la sua temperatura operativa ottimale.
Quando il motore è freddo, il termostato è chiuso tranne che per un piccolo flusso di bypass in modo che il termostato sperimenti i cambiamenti della temperatura del liquido di raffreddamento quando il motore si riscalda. Il liquido di raffreddamento del motore è diretto dal termostato all’ingresso della pompa di circolazione e viene restituito direttamente al motore, bypassando il radiatore. Far circolare l’acqua solo attraverso il motore permette al motore di raggiungere la temperatura di funzionamento ottimale il più rapidamente possibile, evitando “punti caldi” localizzati. Una volta che il refrigerante raggiunge la temperatura di attivazione del termostato, questo si apre, permettendo all’acqua di fluire attraverso il radiatore per evitare che la temperatura salga più in alto.
Una volta raggiunta la temperatura ottimale, il termostato controlla il flusso del refrigerante del motore al radiatore in modo che il motore continui a funzionare alla temperatura ottimale. In condizioni di picco di carico, come la guida lenta su una collina ripida con un carico pesante in una giornata calda, il termostato si avvicinerà alla massima apertura perché il motore produrrà quasi la massima potenza mentre la velocità del flusso d’aria attraverso il radiatore è bassa. (La velocità del flusso d’aria attraverso il radiatore ha un effetto importante sulla sua capacità di dissipare il calore). Al contrario, quando si viaggia velocemente in discesa su un’autostrada in una notte fredda con un acceleratore leggero, il termostato sarà quasi chiuso perché il motore sta producendo poca potenza, e il radiatore è in grado di dissipare molto più calore di quello prodotto dal motore. Permettere un flusso eccessivo di liquido di raffreddamento al radiatore porterebbe il motore a essere eccessivamente raffreddato e a funzionare a una temperatura inferiore a quella ottimale, con conseguente diminuzione dell’efficienza del carburante e aumento delle emissioni di scarico. Inoltre, la durata, l’affidabilità e la longevità del motore sono a volte compromesse, se i componenti (come i cuscinetti dell’albero a gomiti) sono progettati per tenere conto della dilatazione termica per adattarsi con le giuste distanze. Un altro effetto collaterale del raffreddamento eccessivo è la riduzione delle prestazioni del riscaldatore dell’abitacolo, anche se in casi tipici soffia ancora aria a una temperatura considerevolmente più alta di quella ambiente.
Il termostato è quindi costantemente in movimento per tutta la sua gamma, rispondendo ai cambiamenti del carico operativo del veicolo, della velocità e della temperatura esterna, per mantenere il motore alla sua temperatura operativa ottimale.
Sulle auto d’epoca si può trovare un termostato a soffietto, che ha un soffietto corrugato contenente un liquido volatile come l’alcol o l’acetone. Questi tipi di termostati non funzionano bene a pressioni del sistema di raffreddamento superiori a circa 7 psi. I veicoli a motore moderni funzionano tipicamente a circa 15 psi, il che preclude l’uso del termostato a soffietto. Sui motori raffreddati ad aria diretta questo non è un problema per il termostato a soffietto che controlla una valvola a farfalla nei passaggi dell’aria.
Controllo del flusso d’ariaModifica
Altri fattori influenzano la temperatura del motore, comprese le dimensioni del radiatore e il tipo di ventola del radiatore. La dimensione del radiatore (e quindi la sua capacità di raffreddamento) è scelta in modo che possa mantenere il motore alla temperatura di progetto nelle condizioni più estreme che un veicolo può incontrare (come scalare una montagna a pieno carico in una giornata calda).
La velocità del flusso d’aria attraverso un radiatore è una grande influenza sul calore che dissipa. La velocità del veicolo influisce su questo, in modo approssimativamente proporzionale allo sforzo del motore, dando così un grezzo feedback di autoregolazione. Dove una ventola di raffreddamento aggiuntiva è azionata dal motore, anche questa segue la velocità del motore in modo simile.
Le ventole azionate dal motore sono spesso regolate da una frizione della cinghia di trasmissione, che scivola e riduce la velocità della ventola alle basse temperature. Questo migliora l’efficienza del carburante non sprecando energia per azionare la ventola inutilmente. Sui veicoli moderni, un’ulteriore regolazione del tasso di raffreddamento è fornita da ventole del radiatore a velocità variabile o cicliche. Le ventole elettriche sono controllate da un interruttore termostatico o dall’unità di controllo del motore. Le ventole elettriche hanno anche il vantaggio di dare un buon flusso d’aria e un buon raffreddamento a bassi giri del motore o quando sono ferme, come nel traffico lento.
Prima dello sviluppo delle ventole viscose ed elettriche, i motori erano dotati di semplici ventole fisse che aspiravano aria attraverso il radiatore in ogni momento. I veicoli la cui progettazione richiedeva l’installazione di un grande radiatore per far fronte a lavori pesanti ad alte temperature, come i veicoli commerciali e i trattori, spesso funzionavano a freddo con carichi leggeri, anche in presenza di un termostato, poiché il grande radiatore e la ventola fissa causavano un rapido e significativo calo della temperatura del liquido di raffreddamento non appena il termostato si apriva. Questo problema può essere risolto montando una protezione per il radiatore (o un copriradiatore) sul radiatore che può essere regolato per bloccare parzialmente o completamente il flusso d’aria attraverso il radiatore. Nella sua forma più semplice, l’oscurante è un rotolo di materiale come tela o gomma che viene srotolato lungo la lunghezza del radiatore per coprire la parte desiderata. Alcuni veicoli più vecchi, come i caccia monomotore S.E.5 e SPAD S.XIII della prima guerra mondiale, hanno una serie di otturatori che possono essere regolati dal sedile del pilota o del pilota per fornire un certo grado di controllo. Alcune auto moderne hanno una serie di otturatori che vengono aperti e chiusi automaticamente dall’unità di controllo del motore per fornire un equilibrio di raffreddamento e aerodinamica secondo necessità.
Pressione del refrigeranteModifica
Perché l’efficienza termica dei motori a combustione interna aumenta con la temperatura interna, il refrigerante è tenuto a una pressione superiore a quella atmosferica per aumentare il suo punto di ebollizione. Una valvola calibrata di scarico della pressione è di solito incorporata nel tappo di riempimento del radiatore. Questa pressione varia tra i modelli, ma tipicamente varia da 4 a 30 psi (da 30 a 200 kPa).
Quando la pressione del sistema di raffreddamento aumenta con l’aumento della temperatura, raggiungerà il punto in cui la valvola di scarico della pressione permette alla pressione in eccesso di uscire. Questo si fermerà quando la temperatura del sistema smetterà di salire. Nel caso di un radiatore (o di un serbatoio di testa) troppo pieno, la pressione viene scaricata facendo uscire un po’ di liquido. Questo può semplicemente defluire sul terreno o essere raccolto in un contenitore ventilato che rimane a pressione atmosferica. Quando il motore viene spento, il sistema di raffreddamento si raffredda e il livello del liquido scende. In alcuni casi in cui il liquido in eccesso è stato raccolto in una bottiglia, questo può essere “risucchiato” di nuovo nel circuito di raffreddamento principale. In altri casi, non lo è.
Refrigerante motoreModifica
Prima della seconda guerra mondiale, il liquido di raffreddamento del motore era di solito semplice acqua. L’antigelo era usato solo per controllare il congelamento, e questo era spesso fatto solo nella stagione fredda.
Lo sviluppo dei motori aerei ad alte prestazioni richiedeva refrigeranti migliori con punti di ebollizione più alti, portando all’adozione di miscele di glicole o acqua-glicole. Questi hanno portato all’adozione dei glicoli per le loro proprietà antigelo.
Dallo sviluppo dei motori in alluminio o in metallo misto, l’inibizione della corrosione è diventata ancora più importante dell’antigelo, e in tutte le regioni e stagioni.
Ebollizione o surriscaldamentoModifica
Un serbatoio di troppo pieno che si asciuga può portare alla vaporizzazione del refrigerante, che può causare un surriscaldamento localizzato o generale del motore. Ne possono derivare gravi danni, come guarnizioni di testa bruciate e testate o blocchi cilindri deformati o incrinati. A volte non ci sarà nessun avvertimento, perché il sensore di temperatura che fornisce i dati per l’indicatore di temperatura (meccanico o elettrico) è esposto al vapore acqueo, non al liquido di raffreddamento liquido, fornendo una lettura pericolosamente falsa.
Aprendo un radiatore caldo si abbassa la pressione del sistema, che può causare l’ebollizione e l’espulsione di liquido e vapore pericolosamente caldi. Pertanto, i tappi dei radiatori spesso contengono un meccanismo che tenta di alleviare la pressione interna prima che il tappo possa essere completamente aperto.
StoriaModifica
L’invenzione del radiatore ad acqua per automobili è attribuita a Karl Benz. Wilhelm Maybach progettò il primo radiatore a nido d’ape per la Mercedes 35hp.
Radiatori supplementariModifica
A volte è necessario che un’auto sia dotata di un secondo radiatore, o ausiliario, per aumentare la capacità di raffreddamento, quando la dimensione del radiatore originale non può essere aumentata. Il secondo radiatore è collegato in serie con il radiatore principale nel circuito. Questo fu il caso quando l’Audi 100 fu sovralimentata per la prima volta creando la 200. Questi non vanno confusi con gli intercooler.
Alcuni motori hanno un radiatore dell’olio, un piccolo radiatore separato per raffreddare l’olio del motore. Le auto con un cambio automatico spesso hanno connessioni extra al radiatore, permettendo al fluido di trasmissione di trasferire il suo calore al refrigerante nel radiatore. Questi possono essere o radiatori olio-aria, come per una versione più piccola del radiatore principale. Più semplicemente possono essere radiatori olio-acqua, dove un tubo dell’olio è inserito all’interno del radiatore dell’acqua. Anche se l’acqua è più calda dell’aria ambiente, la sua maggiore conducibilità termica offre un raffreddamento comparabile (entro certi limiti) da un radiatore dell’olio meno complesso e quindi più economico e affidabile. Meno comunemente, il liquido del servosterzo, il liquido dei freni e altri fluidi idraulici possono essere raffreddati da un radiatore ausiliario su un veicolo.
I motori turbocompressi o sovralimentati possono avere un intercooler, che è un radiatore aria-aria o aria-acqua usato per raffreddare la carica d’aria in entrata, non per raffreddare il motore.