Sistemul de Racire cu Lichid

CAPITOLUL VII

Sistemul de răcire cu lichid

Sistemul de răcire a motorului este instalație ajutătoare ce are scopul de a menține un regim de temperatură potrivit unei bune funcționări a motorului.Temperatura de 1800-2000 de grade Celsius din interiorul cilindrilor deterioreză procesul de ungere, alterează proprietățile mecanice ale pieselor conjugate putând în final să le gripeze sau să le strice. Sistemul de răcire intervine în această situație prin preluarea și transmiterea în mediu a 20-30% din căldura pieselor motorului, asigurând temperatura cea mai favorabilă adică 85-90°C.

Deși motoarele s-au îmbunătățit în ultima vreme, acestea nu sunt încă foarte eficiente în transformarea energiei chimice în energie mecanică. Aproape 70 % din energia chimică este transformată în căldură iar de aici este treaba sistemului de răcire în gestionarea acesteia. În realitate sistemul de răcire al unui autoturisn ce se deplasează pe autostradă disipă suficientă căldură pentru a încălzi două case de dimensiuni medii. Principala sarcină a sistemului de răcire este cea de a feri motorul de supraîncălzire prin transferarea căldurii către mediul ambiant, dar în afară de aceasta mai sunt câteva sarcini importante ale acestuia.

Motorul autovehiculelor funcționează cel mai bine la temperaturi ridicate, iar în condițiile în care motorul este utilizat la temperaturi scazute, motorul se uzează mai repede, eficiența este scăzută iar emisiile poluante sunt mai mari.

În interiorul motorului unui autovehicul combustibilul este ars constant. Datorită acestui fapt o mare cantitate de căldură este eliminată prin sistemul de evacuare al gazelor, dar o parte este absorbită de către motor încălzindu-l. Motorul funcționează cel mai bine cand temperatura lichidului de răcire este de aproximativ 200 grade Farhrenheit (93 grade celsius). La această temperatură:

– camera de ardere este suficient de fierbinte pentru a realiza o ardere completă a combustibilului, oferind o ardede mai bună și o emisie de noxe poluante mai redusă.

– uleiul folosit la lubrifierea motorului are o vâscozitate mai mică (este mai subțire), astfel parțile motorului aflate în mișcare se mișcă mai liber fiind nevoie de un consum mai mic de energie pentru acționarea acestora.

– părțile metalice cântăresc mai puțin.

Există două tipuri de sisteme de răcire : sisteme de răcire cu aer și sisteme de răcire cu lichid

Sistemele de răcire cu lichid.

La autovehiculele ce folosesc sisteme de răcire cu lichid, lichidul circulă prin lăcașele din blocul motor și prin conducte către radiator cu scopul de a absorbi căldura , racind astfel motorul. După ce a preluat căldura din motor lichidul ajunge în schimbătorul de căldură sau radiator, iar transferul către mediul extern se realizează cu ajutorul aerului suflat de către ventilator printre celulele schimbătorului de căldură.

Sistemele răcite cu aer.

Doar unele mașini mai vechi și câteva din cele moderne folosesc sistemul de răcire cu aer. La aceste în locul lichidului de răcire care circulă prin motor și preia căldura, blocul motorului este acoperit cu aripioare de aluminiu care au rolul de a prelua căldura de la cilindri și de a o transmite mediului ambiant prin intermediul unui puternic curent de aer transmis de către ventilator.

Sistemul de răcire cu lichid

Sistemul de răcire cu lichid de pe autovehicule este format din mai multe componente și conducte.

Pompa de apă are rolul de a trimite lichidul de răcire iîn interiorul motorului, acesta ajungând prin intermediul lăcașelor de trecere în jurul cilindrilor. Din zona cilindrilor , lichidul de răcire ajunge în chiulasă. La ieșirea lichidului de răcire din motor se află montat termostatul, acesta având rolul de a păstra o temperatură constantă în motor. În momentul în care termostatul este închis, lichidul este trimis prin intermediul conductelor direct în pompă. Dacă termostatul se află în poziția deschis , lichidul este trimis intâi în radiator după care prin intermediul altor conducte ajunge înapoi în pompă.

Există două circuite de răcire. Unul este numit și circuitul mic deoarece lichidul se deplasează de la pompă în blocul motor, chiulasă și apoi înapoi în pompă și circuitul se reia, iar al doilea este denumit și circuitul mare deoarece din chiulasă lichidul de răcire ajunge în radiator sau scimbătorul de căldură, disipând căldura în exces. Din radiator lichidul este preluat de către pompa de apă și circuitul se reia.

Autovehiculele pot fi utilizate în zone cu diferențe mari de temperatură, de la temperaturi cu mult sub limita de ingheț până la temperaturi de peste 40 de grade celsius. Deci orice fel de lichid de răcire s-ar folosi acesta ar trebui să aibe o temperatuă de îngheț foarte scăzută și o temperatură de fierbere foarte ridicată , și de asemenea trebuie să aibe o capacitate mare de înmagazinare a căldurii.

Apa este unul din cele mai eficiente fluide în înmagazinarea căldurii, dar apa îngheață la o temperatură mult prea mare pentru a fi utilizată ca agent de răcire la motoarele autovehiculelor. Lichidul folosit în cele mai dese cazuri este un amestec de apă cu etilen glicol care mai este cunoscut și sub denumirea de antigel. Prin adăugarea de antigel în apă, temperatura de fierbere și de îngheț se îmbunătățește semnificativ.

Temperatura lichidului de răcire poate ajunge uneori si la valoari de 250 o C – 275 o C. Chiar și cu adăugarea antigelului, aceste temperaturi duc la fierberea lichidului de răcire, deci alte măsuri trebuie luate pentru a crește temperatura de fierbere a acestuia.

Creșterea presiunii în sistemul de răcire poate fi una dintre măsurile menite să ridice temperatura de fierbere a lichidului de răcire. Așa cum temperatura de fierbere a apei este mai mare într-un vas sub presiune, temperatura de fierbere a lichidului de răcire este mai mare dacă sistemul este presurizat. Majoritatea autovehiculelor au o limită de presiune în jurul a 14-15 psi, fapt ce duce la ridicarea temperaturii de fierbere cu încă 25 o C astfel lichidul de răcire putând face față la temperaturi mult mai ridicate.

Pompa de apă

Pompa de apă este o pompă centrifugală simplă angrenată de o curea montată pe o fulie aflată pe arborele cotit al motorului. Pompa de apa circulă lichidul de răcire atâta timp cât motorul funcționează. Aceasta folosește forța centrifugă pentru a trimite lichidul de la centru spre exterior continuu. Racordul de intrare în pompă este situat aproape de centrul pompei astfel lichidul ce vine de la radiator lovește paletele pompei, acestea trimițând lichidul către exteriorul pompei de unde poate intra în motor. Lichidul ce părăsește pompa de apă ajunge prima dată în blocul motor și chiulasă, dupa aceea în radiator după care înapoi în pompă.

Motorul

În blocul motor și în chiulasă sunt multe canale de trecere pentru lichidul de răcire. Aceste canale pot fi create din turnare s-au prelucrate ulterior turnării. Aceste canale direcționează lichidul de răcire către zonele cele mai critice ale motorului. Temperatura în camera de ardere poate atinge 2500 oC, deci răcirea zonei din jurul cilindrilor este critică. Zona din jurul supapelor de evacuare este o alta zonă critică fiind foarte importantă răcirea acesteia, din aceste motive în interiorul chiulasei, toate spațiile care nu țin de structura de rezistență a acesteia sunt umplute cu lichid de răcire.

Dacă motorul funcționează pentru un timp mai mare fără lichid de răcire , se poate gripa. Când acest lucru se întâmplă, înseamnă că motorul a acumulat suficientă căldură pentru ca pistonul să se poată suda singur de cilindru, acest lucru ducând la distrugerea completă a motorului.

O modalitate de reducere a cantității de căldură transferată către instalația de răcire ar fi reducerea cantității de căldură venită de la camera de ardere la parțile metalice ale motorului. Unele motoare realizează acest lucru prin căptușirea părții superioare a cilindrului și a camerei de ardere din chiulasă cu un strat subțire de ceramică. Stratul de ceramică fiind slab conducător de temperatură, reține căldura în interiorul cilindrilor astfel mai puțină căldură va fi trimisă către suprafețele metalice și mai multă către galeria de evacuare.

Radiatorul.

Radiatorul are rolul unui schimbător de căldură. Astfel acesta transferă căldura de la lichidul de răcire la mediul ambiant prin intermediul aerului circulat de către ventilator printre celulele radiatorului.

Majoritatea autovehiculelor moderne utilizează radiatoare din aluminiu. Acestea sunt realizate din tuburi de aluminiu ovale ce sunt unite între ele de aripioare de aluminiu. Lichidul de răcire circulă prin intermediul acestei rețele de tuburi paralele de la intrare către ieșire iar aripioarele de aluminiu transferă căldura de la conducte la curentul de aer cetrece prin radiator, curent provenit de la palele ventilatorului.

Tubulatura radiatorului poate avea uneori o insertie fină în interior cu scopul de a creste turburența luchidului de răcire la trecerea prin rețeaua de conducte. Dacă lichidul de răcire circulă cu viteză mică prin interiorul conductelor, numai lichidul care atinge conductele va fi răcit direct. Cantitatea de căldură transferată către conducte de lichidul de răcire depinde de diferența de temperatură dintre conducte și lichidul de răcire ce trece prin ele.Dacă numai o anumită parte a lichidului de răcire intră în contact cu conductele, acea parte se va răci repede astfel numai o mică cantitate de căldură va fi transferată. Prin crearea unei turburențe în interiorul conductelor, întreaga cantitate de lichid fiind amestecată, o mai mare cantitate de lichid va intra în contact cu conductele astfel cantitatea de căldură transferată va fi mai mare iar lichidul de răcire va fi folosit într-un mod mai eficient. În mod normal toate radiatoarele au un rezervor la partea superioară și unul la partea inferioară. La unele autovehicule razervorul aflat la partea inferioară are și rolul de răcitor al uleiului de transmisie. Racitorul uleiului de transmisie este ca un radiator numai că schimbul de căldură nu se realizează cu aerul ci cu lichidul de răcire al instalației de răcire.

Supapa de presiune a radiatorului

Capacul radiatorului este de fapt o supapă de presiune care crește temperatura de fierbere a lichidului de răcire cu aproximativ 25 oC. Această supapă funcționează pe același principiu cu cel al ulei oale de gătit sub presiune. Pentru autoturisne această supapă este în general setată la 15 PSI, iar la această presiune temperatura de fierbere a lichidului de răcire crește.

Când lichidul din instalația de răcire se încălzește crește în volum, cauzând o creștere a presiunii în instalație iar supapa de presiune din capacul radiatorului este singurul loc pe unde poate ieși această presiune. Astfel reglajul arcului supapei de presiune determină presiunea din instalația de răcire. Când presiunea depășește valoarea de 15 PSI, supapa se deschide permițând lichidului de răcire să părăsească instalația de răcire prin intermediul conductei de supraplin în vasul de expansiune eliminând în același timp și aerul din instalație. In momentul în care temperatura lichidului de răcire scade în radiator, se crează un vacuum în instalația de răcire, vacuum ce acționează asupra unui alt arc alt supapei ce deschide legatura cu vasul de expansiune absorbind prin intermediul unei conducte aflate la partea inferioară a acestuia lichidul de răcire din vas și alimentând instalația cu aceeași cantitate de lichid ce a fost eliminată în momentul supraîncălzirii.

Termostatul

Principala sarcină a termostatului este aceea de a permite motorului să se încălzească rapid și apoi să păstreze temperatura constantă a acestuia. Termostatul realizează acest lucru prin reglarea cantității de apă ce trece către radiator. La temperaturi joase, conducta de ieșire a lichidului de răcire din radiator este complet blocată, iar lichidul de răcire este redirecționat numai către motor. În momentul în care temperatura lichidului de răcire ajunge între 82-91 oC , termostatul începe să deschidă circuitul permițând lichidului să treacă înspre radiator. În momentul în care temperatura lichidului de răcire atinge 93-103 oC termostatul rămâne deschis.

Secretul funcționării termostatului constă într-un mic cilindru aflat în partea dinspre motor a dispozitivului. Acest cilindru este umplut cu ceară ce începe să se topească în jurul temperaturii de 180 F (diferite termostate pot deschide și la alte temperaturi dar 180 F este cea mai des întâlnită). O tijă conectată la supapă este presată în această ceară. Cănd ceara se topește , volumul acesteia crește semnificativ iar tija este înpinsă în exterior deschizând astfel supapa. Volumul acesteia se mărește puțin mai mult deoarece își schimbă starea de agregare de la solid la lichid în același timp cu creșterea temperaturii.

Această tehnică este utilizată și la gurile de ventilație ale serelor, la aceste dispozitive ceara topindu-se la temperaturi mai scăzute.

Ventilatorul

La fel ca și în cazul termostatului, funcționarea ventilatorului sistemului de răcire trebuie controlată petru a permite păstrarea temperaturii constante în interiorul motorului.

Autovehiculele cu tracțiune pe față au ventilatoare acționate de un motor electric deoarece motorul este așezat în general în poziție transversală. Ventilatoarele acționate de motoare electrice sunt controlate fie de un întrerupător termostatic fie de calculatorul autovehiculului, acestea cuplând în momentul în care temperatura lichidului de răcire a ajuns la un punct setat și decuplănd în momentul în care temperatura coboară sub un alt punct setat.

Autovehiculele cu tractiune spate au în general motorul așezat în poziție longitudinală iar ventilatoarele sistemului de răcire sunt acționate de arborele cotit al motorului prin intermediul unei curele. Aceste ventilatoare au un viscoambreiaj controlat de către un termostat. Acest ambreiaj se află montat pe centrul ventilatorului în direcția curentului de aer ce vine prin radiator. Ambreiajul seamăne cu viscocuplele întâlnite la autovehiculele cu tracțiune integrală.

Sistemul de încălzire

Sistemul de încălzire al autovehiculului este de fapt un al doilea sistem de răcire al motorului care funcționează în oglindă cu acesta. Partea principală a sistemului de încălzire se află montată în panoul de bord al autovehiculului și este în realitate un mic radiator.

Ventilatorul sistemului de încălzire suflă aerul prin radiatorul de încălzire în interiorul habitaclului. Sistemul de încălzire primeste lichidul din chiulasă și îl trite înapoi în pompa de apă, acest lucru însemnând că sistemul de încălzire funcționează indiferent dacă termostatul este închis sau deschis.