¿Cómo funcionan los motores a altas temperaturas sin derretirse?

¿Cómo funcionan los motores a altas temperaturas sin derretirse?

“Un sistema de refrigeración está diseñado para eliminar el exceso de calor de un motor, lo que le permite funcionar a la temperatura normal de funcionamiento”.

La combustión de combustibles es una reacción altamente exotérmica, lo que significa que se libera una gran cantidad de energía térmica cuando se queman combustibles. Por ejemplo, un incendio de gasolina puede ser tan caliente como 1500 grados y puede liberar 45 megajoules de energía por kg de gasolina. Esto es suficiente para fundir aluminio y hierro fundido, ambos materiales populares en la producción de motores de automóviles. Aun así, podemos navegar sin esfuerzo por la autopista en el mismo automóvil durante años sin que el motor se escape por debajo del capó como un desastre humeante. ¡Exploremos qué hace esto posible!

Modelo CG de un motor V8 en funcionamiento con explosiones y chispas (yucelyilmaz) s

Los motores de combustión se someten a ciclos de calor repetidos a temperaturas cercanas al punto de fusión (Crédito de la foto: yucelyilmaz / Shutterstock)

Gasto energético en un motor

Cuando el combustible se quema en un ambiente controlado, en nuestro caso, un motor, no toda la energía se convierte en trabajo útil. Un libro de contabilidad de energía típico en un motor se ve así:
1. Trabajo útil (en el cigüeñal) – 25%
2. Pérdida de calor en las paredes del cilindro debido a la conducción: 30%
3. Pérdidas en los gases de escape: 35%
4. Pérdidas incurridas para superar la fricción: 10%
Sin embargo, el calor que se pierde en las paredes del cilindro no sale del sistema, lo que puede provocar un sobrecalentamiento del motor.

Problemas de sobrecalentamiento del motor

1. Pérdida de eficiencia

El encendido de la carga combustible en un motor está sincronizado con posiciones instantáneas y el movimiento de componentes como válvulas y pistones. Un motor sobrecalentado hace que la carga se pre-encienda, aunque los pistones no estén en la posición correcta, lo que hace que el encendido no sea efectivo para contribuir al movimiento del pistón. Esto conduce a una disminución general de la eficiencia del motor.

2. Daños estructurales

La pre-ignición prolongada y la exposición a ciclos de calor cercanos al punto de fusión pueden resultar en una deformación permanente de los componentes del motor, acortando su vida significativamente.

3. Gripado del pistón

El calor excesivo tiende a quemar los aceites lubricantes dentro del pistón, provocando que se atasquen dentro del cilindro.
Por lo tanto, todos los motores están equipados con un sistema de enfriamiento que permite un rendimiento óptimo al desplazar el calor excesivo.

Tipos de sistemas de enfriamiento

Según los medios que extraen el exceso de calor para alejarlo del motor, existen dos tipos de sistemas de refrigeración:

1. Motores refrigerados por aire

Detalle de color de un motor boxer de motocicleta vintage (Alexandru Nika) S

Los motores de motocicleta tienen aletas para ayudar a enfriar el aire (Crédito de la foto: Alexandru Nika / Shutterstock)

En los motores refrigerados por aire, el aire ambiente significativamente más frío se dirige alrededor de las paredes de los cilindros para extraer calor. Se puede lograr un enfriamiento efectivo aumentando la superficie del motor que está en contacto con el aire. Esto se ve facilitado por la inclusión de superficies extendidas, llamadas aletas, alrededor del cilindro del cilindro.
Los motores refrigerados por aire se encuentran típicamente en motocicletas y algunos autos viejos.

Ventajas:

I. De construcción más ligera, ya que forman parte del bloque del motor.
ii. Puede utilizarse en climas extremos donde no es posible la refrigeración líquida debido al riesgo de congelación.
iii. Más fácil de mantener debido a una arquitectura más simple

Desventajas:

I. No es muy eficiente, ya que no es fácil mantener una refrigeración uniforme en todo el motor.
ii. Puede ser ruidoso de operar
iii. Si se utiliza un ventilador para aspirar aire fresco, puede consumir una cantidad significativa de energía del motor para funcionar.

2. Motores refrigerados por líquido

Sistema de refrigeración de coche de llenado manual masculino con refrigerante (SiNeeKan) s

Un refrigerante circula en la camisa de enfriamiento del motor para evitar que se sobrecaliente (Crédito de la foto: SiNeeKan / Shutterstock)

Dichos motores tienen una arquitectura de enfriamiento dedicada en forma de camisas de enfriamiento que están integradas con su estructura. Estas camisas contienen un “refrigerante” que absorbe el calor y sale del motor a un intercambiador de calor. El intercambiador de calor, también conocido como radiador, aspira aire ambiente frío por medio de un ventilador para reducir la temperatura del refrigerante caliente y recircularlo en el motor en un ciclo. Los sistemas refrigerados por agua se encuentran en todas partes en todos los automóviles y también en las motocicletas modernas de alto rendimiento.

Ventajas

I. Este sistema asegura un enfriamiento más efectivo
ii. Los sistemas refrigerados por líquido consumen menos combustible en comparación con sus homólogos refrigerados por aire
iii. La posición del radiador se puede establecer según la conveniencia personal.

Desventajas

I. Sistema voluminoso y que requiere mantenimiento
ii. La composición química del refrigerante debe ser precisa; de lo contrario, puede provocar la corrosión de las camisas de refrigeración.
iii. Es necesario mantener un nivel mínimo de refrigerante

Diagrama infográfico del sistema de refrigeración automotriz que muestra el proceso (udaix) s

Ruta de flujo de un motor refrigerado por líquido (Crédito de la foto: udaix / Shutterstock)

Una variante de los motores refrigerados por líquido es el motor refrigerado por aceite. Utiliza el aceite lubricante del motor como fluido de trabajo que va a un intercambiador de calor de enfriamiento de aceite. Si bien este sistema no es voluminoso y relativamente económico de mantener, no se puede implementar eficazmente en motores de varios cilindros. Por lo tanto, se encuentra en motocicletas de rendimiento moderado y a menudo se usa junto con refrigeración por aire.

Compensación de intercambio de calor

En la búsqueda de eliminar el exceso de calor, el enfriamiento excesivo también resulta perjudicial para el rendimiento de un motor.
1. El sobreenfriamiento aumenta la pérdida de calor a los cilindros, reduciendo así su eficiencia térmica.
2. El enfriamiento excesivo desalienta la ignición de la carga, lo que reduce la eficiencia de la combustión.
3. El aceite del motor se vuelve viscoso al bajar la temperatura. Esto hace que resista el movimiento del pistón, lo que se traduce en un mayor gasto de energía para superar la fricción del pistón.

Sistemas de refrigeración en coches eléctricos

paquete de baterías de iones de litio refrigeradas por líquido;  efecto destello (P5h) s

Los paquetes de baterías refrigerados por líquido como estos se implementan en automóviles eléctricos (Crédito de la foto: P5h / Shutterstock)

Los sistemas de refrigeración de los coches eléctricos son bastante similares a los de los motores de combustión interna mencionados anteriormente.
Sin embargo, la investigación en curso nos ha llevado a creer que la refrigeración por aire no es una solución muy eficaz para el calor generado durante la descarga de las baterías. El enfriamiento líquido en los paquetes de baterías se puede lograr sumergiéndolos completamente en refrigerantes no conductores o rodeándolos con canales de enfriamiento.
Sin embargo, dado que los vehículos eléctricos se encuentran en una etapa incipiente de desarrollo y variedad, es demasiado pronto para comentar sobre la naturaleza completa de su enfriamiento, que seguramente cambiará a medida que la tecnología de las baterías continúe avanzando.

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  1. Asociación Nuclear Mundial
  2. Dober
  3. Engine Cooling Systems HP1425: Teoría, diseño y rendimiento del sistema de enfriamiento para carreras de arrastre, carreras en carretera, pistas circulares, Street Rods, Musclecars, importaciones, automóviles OEM, camiones, vehículos recreativos y vehículos de remolque Tapa blanda – 6 de noviembre de 2007 por Ray T.Bohacz