Diseño moderno de sistemas de refrigeración: se trata más del tren motriz que de la temperatura

Leer artículos de ingeniería tiende a ser un ejercicio aburrido, pero le dan a un técnico como yo una nueva perspectiva sobre cómo se podría mejorar un sistema de refrigeración común de un automóvil. Por supuesto, nuestro pensamiento inmediato es cómo el sistema de refrigeración puede mantener el motor más frío. No es así, según un artículo. Por el contrario, la palabra clave no se refiere a "temperatura"; se trata de "tren motriz". Dado el estado avanzado de la tecnología de los motores de combustión interna (ICE), algunas innovaciones recientes en los sistemas de refrigeración aumentarán el par del motor y la economía de combustible, al tiempo que reducirán las emisiones de escape. Permítanme simplificar esa idea: la nueva tecnología de sistemas de enfriamiento hará que los ICE funcionen mejor y más limpios. Entonces, vayamos a la misma página repasando algunos conceptos básicos.

Si bien ajustar el sistema de enfriamiento para obtener más potencia y economía es algo embriagador, la mayor parte de esta historia es que la tecnología actual del sistema de enfriamiento no ha progresado mucho desde los simples sistemas termosifón introducidos a principios del siglo XX. El sistema termosifón hace circular el refrigerante permitiendo que el refrigerante expandido térmicamente suba desde el motor caliente al tanque colector de un radiador de latón de núcleo vertical. A medida que el refrigerante comienza a hundirse debido a la contracción térmica, irradia calor hacia la masa de aire que pasa a través del núcleo del radiador. Después de que el núcleo del radiador disipa el calor del refrigerante, el flujo de refrigerante regresa al bloque inferior del motor para repetir el ciclo. Pero, por simples que fueran, los sistemas de termosifón sólo funcionaban bien con motores que producían menos de 30 CV.

Con la llegada de más caballos de fuerza, las bombas de agua centrífugas accionadas por correa transformaron el sistema termosifón en un moderno sistema de enfriamiento de flujo positivo que puede funcionar en casi cualquier tipo de clima. Desafortunadamente, la bomba de agua centrífuga suministra más circulación de refrigerante de la que el motor necesita en la mayoría de situaciones de conducción, lo que la hace lamentablemente ineficiente en términos de conservación de energía moderna.

La distribución de agua a través de la culata se controla mediante conductos moldeados en el bloque y mediante conductos estampados en la junta de la culata. Independientemente del sistema, distribuir un flujo uniforme de refrigerante a través del bloque del motor, la culata y alrededor de los puertos de escape calientes sigue siendo el objetivo principal de cualquier sistema de refrigeración contemporáneo.

Idealmente, un ICE debería funcionar cerca del punto de ebullición del agua para garantizar que el agua, un subproducto de la combustión, se evapore del aceite del motor durante el funcionamiento normal. Sin un punto de ajuste de temperatura del refrigerante alto, el aceite del motor se convierte rápidamente en un lodo negro muy viscoso que obstruye los conductos vitales del aceite y corroe las piezas internas. Hoy en día, los termostatos controlados por bolitas de cera son el método estándar para gestionar mecánicamente el flujo y la temperatura del refrigerante.

El termostato bloquea el flujo de refrigerante durante el calentamiento del motor, lo que provoca una marcada diferencia en las tasas de expansión térmica entre los bloques de motor de hierro fundido y las culatas de aluminio. Esta desigualdad en la transferencia de calor puede eventualmente causar fatiga del metal en la culata y falla en la junta de la culata. El circuito de derivación de refrigerante permite que la bomba de agua caliente el conjunto del motor de manera uniforme haciendo circular refrigerante a través del bloque del motor y la culata mientras el termostato está cerrado. La mayoría de los circuitos de derivación hacen circular refrigerante directamente desde la salida de presión de la bomba de agua hasta la base del termostato, lo que garantiza una temperatura de apertura precisa del termostato.

Un radiador elimina el calor del refrigerante transfiriéndolo a una atmósfera relativamente fría. Los radiadores han evolucionado desde los radiadores de latón del pasado hasta los radiadores contemporáneos con núcleo de aluminio y tanques de plástico. Como cuestión práctica en el pasado, se montaban radiadores en la parte delantera de la chapa de la carrocería para recoger el aire que circulaba libremente a la velocidad de la carretera. Hoy en día, los radiadores se colocan detrás de la chapa de la carrocería para lograr objetivos aerodinámicos, lo que crea importantes problemas de diseño con respecto a la capacidad del refrigerante del radiador y la exposición al aire que fluye libremente.

Si bien el agua pura es el medio de transferencia de calor más económico para un sistema de enfriamiento, se congela a 32º Fahrenheit y hierve a 212º Fahrenheit al nivel del mar. También corroe rápidamente las partes internas del sistema de refrigeración. El alcohol, que se utilizaba originalmente para evitar la congelación del sistema de refrigeración en los primeros automóviles, se evapora muy rápidamente a altas temperaturas de funcionamiento. Finalmente, el alcohol fue reemplazado por refrigerantes a base de glicol que, en una concentración del 50% con agua, reducen el punto de congelación a aproximadamente -34,2º Fahrenheit y aumentan el punto de ebullición a aproximadamente +225º Fahrenheit en un sistema de enfriamiento sin presión.

Durante la década de 1950, los sistemas de refrigeración presurizados se diseñaron para evitar el desbordamiento del refrigerante en climas cálidos y en altitudes elevadas. No solo eso, presurizar el sistema de enfriamiento ayuda a prevenir la erosión hidráulica del impulsor de la bomba de agua a altas velocidades del motor y suprime la filtración de refrigerante alrededor de la cámara de combustión y las áreas del puerto de escape de la culata durante altas cargas del motor.

El ventilador eléctrico se hizo popular cuando aparecieron los vehículos FWD con motores transversales en la década de 1980. A diferencia de los ventiladores mecánicos, los ventiladores eléctricos pueden controlarse completamente mediante el sistema de gestión del motor. Los ventiladores de enfriamiento eléctricos de velocidad variable y modulación de pulsos son solo otro elemento en la caja de herramientas del ingeniero para controlar el flujo de refrigerante y las temperaturas debajo del capó.

Ahora podemos pasar a los cambios en el diseño del sistema de refrigeración moderno. En resumen, reducir el área barrida de los cilindros y el área expuesta de la cámara de combustión reduce la fina capa de hidrocarburos no quemados (HC) que se adhiere a las superficies metálicas del cilindro, lo que crea emisiones de escape de capa límite.

Con la ayuda de sistemas computarizados de gestión del motor, la turbocompresor impulsada por el escape es responsable de producir motores de combustión interna de pequeña cilindrada con salidas de par muy altas. Con la ayuda de la inyección directa de gasolina (GDI), la sincronización variable de válvulas (VVT) y relaciones de compresión de hasta 14:1, estos ICE de pequeña cilindrada no sólo producen mayores potencias con menores emisiones de escape, sino también en un plano económico más crítico. también requieren menos espacio debajo del capó que sus homólogos de gran cilindrada.

Dado que la capacidad de refrigeración se basa en los caballos de fuerza y ​​no en la cilindrada del motor, el sistema de refrigeración debe intercambiar tanto calor como un motor de gran cilindrada.

Aumentar la relación de compresión mecánica de un ICE aumenta la producción de potencia y la economía de combustible. Pero, con el aumento de la relación de compresión, también aumentan las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx). Las relaciones de compresión más altas también requieren gasolina más cara y de alto octanaje para evitar la detonación destructiva, que es la autoignición del combustible bajo una intensa presión del cilindro alrededor de la circunferencia del pistón.

Si bien mantener la culata fría es un requisito para evitar la detonación con un par motor alto, mantener la culata caliente es un requisito para aumentar la economía de combustible con un par motor bajo. Algunos fabricantes han probado la refrigeración de flujo inverso que transporta refrigerante relativamente frío desde el radiador inferior directamente a la culata. No tengo ningún dato que respalde los resultados del enfriamiento inverso en uso normal, pero la teoría es sólida. Sin embargo, el control de la temperatura de la culata sigue siendo un objetivo principal de una buena gestión del refrigerante en los motores actuales.

El control de temperatura de la culata no es una condición de estado estable. En teoría, si las temperaturas de las culatas se pueden reducir electrónicamente, las relaciones de compresión se pueden aumentar. La otra cara de esa afirmación es que, si las temperaturas del refrigerante se reducen excesivamente, la economía de combustible y las emisiones de escape se ven afectadas porque la gasolina no se vaporiza lo suficientemente rápido como para producir una combustión eficiente del combustible. Dado que el ICE desarrolla su mejor economía de combustible a altas temperaturas del sistema de enfriamiento y en condiciones de bajo torque, se deduce que cambiar las temperaturas del refrigerante del motor para ajustarlas a las condiciones de operación del motor mejora el torque del motor y aumenta la economía de combustible, razón por la cual vemos computadoras. Termostatos eléctricos controlados en algunas aplicaciones europeas.

Las bombas de agua eléctricas no son nuevas. Actualmente se utilizan en aplicaciones híbridas y en algunos vehículos de lujo de alta gama. Pero es lógico que una bomba de agua eléctrica de pulso modulado y controlada por computadora pueda funcionar según demanda y a velocidades variables, a diferencia de la bomba de agua centrífuga accionada por correa que funciona constantemente a su máxima capacidad. Otra ventaja de una bomba de agua eléctrica es que se puede ubicar de forma remota, lo que sin duda es una ventaja en los abarrotados compartimentos del motor actuales.

Actualmente, las bombas de agua eléctricas se utilizan como bombas de agua auxiliares en algunos sistemas de propulsión convencionales. Esto permite a los ingenieros reducir la resistencia parásita de una bomba accionada por correa al reducir su capacidad de bombeo. En esta configuración, una bomba eléctrica aumenta el flujo de agua durante situaciones de alta demanda. La bomba eléctrica también se puede configurar para aumentar o reducir la velocidad de circulación del refrigerante en respuesta a las condiciones de funcionamiento. En cualquier caso, probablemente veremos más bombas de agua y termostatos controlados electrónicamente en futuros sistemas de propulsión de vehículos. TR