El funcionamiento del automóvil con motor térmico implica que algunos de sus elementos u órganos se calienten, y requieren ser refrigerados para obtener los mejores resultados y evitar daños.
En otros casos la refrigeración es para mejorar el rendimiento específicamente o el confort de los ocupantes.
La forma más habitual de realizar la refrigeración es hacer pasar un fluido por un entramado de tubos en el interior de un radiador, este es atravesado exteriormente por aire de la marcha o forzado por un ventilador.
La temperatura del aire exterior es la ambiental y enfría el radiador y los conductos por donde circula el fluido a más temperatura, bajándola.
Hay una entrada del fluido caliente al radiador desde el órgano a refrigerar, y salida a menor temperatura hacia ese órgano.
Otra forma de refrigerar un fluido es mediante un intercambiador térmico, siendo el más eficiente para que el efecto de refrigeración sea notable un radiador doble con circuitos independientes; hay dos circuitos independiente, uno para un fluido más caliente y otro para otro fluido a menor temperatura, durante la circulación de ambos fluidos por el intercambiador se van igualando, más o menos, las temperaturas por el contacto con las paredes de los conductos del intercambiador.
Durante la evolución del automóvil con motor térmico se han ido incorporando más radiadores a los necesarios desde sus inicios.
Vamos a presentar en este artículo los radiadores más habituales que actualmente se pueden encontrar según la tecnología y equipamiento de los automóviles, son siete.
Para centrarnos en el contenido que tenemos previsto, vamos a exponer de forma simplificada los órganos que requieren la incorporación de uno o más radiadores y como se logra la transmisión térmica.
Como complemento en cada caso se proponen enlaces a artículos del blog y otros más que aportan información adicional sobre el funcionamiento de los sistemas que se exponen.
Presentación de los radiadores para distintos órganos del automóvil
Radiadores de: refrigeración por líquido del motor, refrigeración del aceite del motor, calefacción, condensador de aire acondicionado, evaporador de aire acondicionado, intercooler y aceite de caja de cambios automática.
Se ve un automóvil de lado con motor longitudinal de seis cilindros en línea, caja de cambios automática y el árbol de transmisión hasta el diferencial trasero pues estas son las ruedas motrices.
En imagen ampliada debajo a la izquierda se representan los conjuntos técnicos que se van a ir incluyendo en las explicaciones, que veremos en las siguientes diapositivas, resaltando lo que en cada momento interese.
En la imagen de abajo a la derecha se identifican las trampillas del circuito de aire de climatización.
Estos son los órganos en los que se van a llevar a cabo intercambios térmicos:
- Motor (MT), Turbocompresor (TC), Caja de cambios automática (es la representada) o automatizada con embragues en baño de aceite (CA) y Climatización (CL)
Estos son los radiadores implicados en el intercambio térmico:
- Refrigeración por líquido del motor, es el radiador de refrigeración del motor
- Refrigeración del aceite de engrase del motor, es el radiador de aceite del motor
- Enfriamiento del aire a presión por el turbocompresor (en gasolina puede ser un compresor volumétrico), es el intercooler
- Refrigeración del aceite de la caja de cambios automática (o automatizada con embragues en baño de aceite), es el radiador de aceite de la caja de cambios
- Calefacción del habitáculo, es el radiador de calefacción o calefactor que calienta el aire exterior antes de entrar al habitáculo
- Condensador del aire acondicionado; enfría el fluido del aire acondicionado
- Evaporador del aire acondicionado; enfría el aire exterior antes de entrar al habitáculo
En la imagen ampliada inferior izquierda se ven estos detalles sobre lo que se ha expuesto:
- El aire ambiente exterior enfría o calienta los fluidos de estos radiadores:
- Refrigeración del motor (líquido específico en su interior)
- Refrigeración del lubricante de engrase del motor (aceite del motor en su interior)
- Refrigeración del aire de sobrealimentación por el turbocompresor en el intercooler (aire en su interior)
- Refrigeración del lubricante de caja de cambios automática o automatizada con embragues en baño de aceite (aceite de la caja en su interior)
- Calefacción del habitáculo (líquido de refrigeración caliente del motor en su interior)
- Enfriamiento del fluido del aire acondicionado en el condensador (fluido de AA en su interior)
- Calentamiento del fluido de aire acondicionado en el evaporador (fluido de AA en su interior) que implica enfriamiento del aire ambiental en su exterior
- Para potenciar el caudal de paso del aire ambiental exterior algunos radiadores cuentan con electroventilador, uno o más, son el radiador de refrigeración del motor y el condensador conjuntamente y el radiador de calefacción y evaporador también ambos conjuntamente, este electroventilador se denomina turbina de ventilación o climatización
- Se aprecia como el aire a temperatura ambiental se calienta al pasar por los radiadores, reduciendo la temperatura del fluido que circula por su interior
- Se invierte este intercambio en el evaporador, en el que el fluido interior enfría el aire ambiental que pasa por el exterior
En la imagen de la parte inferior a la derecha se identifican las trampillas del circuito de aire de la climatización y el filtro del habitáculo:
- Trampilla de mezcla; su posición determina la mezcla de aire caliente o frío que sigue hacia el habitáculo, lo que permite regular la temperatura del aire que llega al habitáculo
- Trampillas de salida del circuito o entrada del aire a temperatura regulada al habitáculo; parabrisas, frontal o pies
- Filtro del habitáculo; limpia el aire exterior antes de entrar al interior del automóvil donde están los ocupantes
El aire que pasa por los radiadores sigue su camino tras atravesarlos por fuera y sale después del automóvil al exterior de nuevo.
El aire que pasa por el radiador del motor, aceite del motor, aceite de caja de cambios, intercooler y condensador lo hace por los bajos del automóvil, sin haber entrado al habitáculo.
El aire que pasa por el radiador de calefacción y evaporador tras hacer sus funciones de climatización en el habitáculo sale al exterior por aberturas específicas en los bajos del habitáculo, maletero o en los montantes traseros (pilar C de la carrocería), es lo que se ve en la imagen del automóvil.
Refrigeración por líquido del motor
Este es el sistema de refrigeración utilizado actualmente en el automóvil, es un líquido específico con base de agua desmineralizada y diferentes aditivos para que pueda hacer mejor y durante más tiempo o recorrido sus funciones.
Se ve la imagen del coche y en detalle lo relevante del sistema de refrigeración del motor MT:
- Por el interior del radiador de refrigeración del motor circula el líquido específico; viene de la parte alta del motor que es la más caliente, llega al radiador donde se enfría por el aire de la marcha, o forzado por el electroventilador, que pasa por su superficie externa y sale de nuevo por detrás
- El líquido a menor temperatura vuelve al motor por la parte baja del bloque para hacer sus funciones de refrigeración
- Habitualmente se dispone de un indicador de temperatura del motor, por grados, es el de la imagen, o mediante zonas delimitadas que pueden ser de diferentes colores como información complementaria
- Hemos elegido un formato didáctico que combina ambas formas de presentar la temperatura, con dígitos de colores distintos
- En azul son valores de temperatura baja, el motor aún no ha llegado a la temperatura óptima y le sirve al conductor para circular sin exigir altas prestaciones
- En negro son los valores de temperatura adecuados para el correcto funcionamiento del motor
- Los valores en rojo indican que se ha superado la temperatura máxima prevista y se ha de tener en cuenta para evitar daños en el motor
- Si se llega a alcanzar el valor más alto se encenderá el testigo de sobrecalentamiento
El radiador de refrigeración del motor suele estar detrás del condensador, como se ha representado, pero hay otras posibilidades, entre estas que estén uno al lado del otro, e incluso ser una sola unidad con circuitos independientes internos para el líquido de refrigeración del motor y fluido del aire acondicionado.
Refrigeración del aceite de lubricación del motor
El aceite colabora con el sistema de refrigeración por líquido en enfriar partes críticas del motor MT, pues está más próximo que el líquido de refrigeración.
El aceite se refrigera durante el tiempo que permanece en el cárter por el aire de la marcha hasta ser succionado de nuevo para el engrase del motor.
Si en el diseño del sistema de engrase se prevé que la utilización del automóvil puede requerir grandes esfuerzos al motor, lo que implica que el aceite llegue a alcanzar picos elevados de temperatura, se incorpora en el circuito de engrase un radiador para enfriar el lubricante, es lo que se representa en la imagen ampliada debajo de la del coche que ya conocemos, resaltando lo que más afecta.
A la izquierda se ve otra imagen con un detalle del motor relacionado con el tema que se explicará después:
- El aceite circula por el interior del radiador, y por su exterior pasa el aire ambiente por la velocidad de marcha, lo que hace disminuir la temperatura del aceite
- Para que no baje en exceso la temperatura del lubricante, que ha de tener un valor mínimo para que el engrase sea correcto, el radiador cuenta con un termóstato que solamente permite que pase por su interior el aceite cuando se supera cierto valor de temperatura
- Se ve en la imagen que se toma el aceite del cárter, y cuando sube de temperatura pasa por el radiador de aceite que le enfría por el aire de la marcha, el aceite a temperatura de salida del radiador va al circuito de engrase del motor
- Se puede contar con un termómetro de aceite en el cuadro, con informaciones por zonas, colores o valores, en este caso como en el anterior incluimos números y colores como complemento didáctico
- Los números en azul indican que el aceite no ha llegado a la temperatura adecuada para una buena lubricación, se debe conducir sin demandar esfuerzos al motor
- En negro son los valores correctos para lubricar el motor y colaborar en su refrigeración
- Al superar la temperatura considerada adecuada los dígitos son de color rojo, el conductor ha de exigir menos al motor para que el lubricante baje de temperatura
Intercambiador térmico aceite – “agua” (así se indica en su denominación refiriéndose como agua al líquido de refrigeración).
Es el detalle del motor a la izquierda antes mencionado:
- La temperatura del aceite tarda más en subir que la del líquido de refrigeración tras arrancar en frío, y la calidad de lubricación es transcendental para la fiabilidad del motor, por lo que es importante conducir sin exigencias durante el calentamiento para ayudar a la duración del motor
- Hay un sistema de intercambiador térmico, independiente del radiador de aceite explicado, que consiste en que una parte por donde pasa el aceite, suele ser alrededor del filtro FA, contiene líquido de refrigeración del motor sin contacto entre ambos fluidos, lo que hace que haya transmisión térmica
- Como el líquido de refrigeración se calienta antes colabora en la reducción del tiempo de calentamiento del aceite, y si este se calienta en exceso el líquido de refrigeración colabora en que baje algo de temperatura
- Este sistema se puede montar sin o con radiador de aceite
La lubricación del motor es la base para su duración por lo que se han de respetar las indicaciones, características del aceite y periodos de mantenimiento son las más implorantes, teniendo en cuenta que la forma de conducir durante el calentamiento del motor es sumamente influyente en la fiabilidad.
Vídeo de circuito de lubricación por cárter seco con radiador de aceite.
Calefacción del habitáculo
Para el confort de los ocupantes del automóvil que la temperatura sea la adecuada es muy importante, y para la seguridad en el caso del conductor.
La calefacción llegó pronto pues el motor MT por su funcionamiento genera calor y se puede utilizar para calentar el habitáculo.
Lo explicamos con tres imágenes, la de base del coche, el detalle ampliado con los elementos relevantes del tema resaltando y el panel de mandos de climatización CL.
Identificamos al sistema como climatización CL, tanto en el circuito de paso del aire al habitáculo como el panel de mandos pues, como veremos, también tiene elementos para poder enfriar el aire:
- El radiador de calefacción toma líquido del circuito de refrigeración del motor de la parte alta, la más caliente, y circula por su interior continuando después a la parte inferior del motor, la menos caliente
- Por el exterior del radiador de calefacción pasa el aire de la marcha, puede ser de más caudal forzado por la turbina, este aire exterior entra por aberturas bajo el parabrisas
- Durante su recorrido el aire se calienta por el contacto con la estructura del radiador con líquido caliente en su interior
- Se aprecia como la posición de la trampilla de mezcla hace que todo el aire ambiente exterior pase por el radiador de calefacción, máximo calor
- El aire caliente sigue por el circuito calefacción hasta el habitáculo, al que puede entrar por tres zonas genéricas controladas por trampillas; hacia arriba para el desempañado del parabrisas, frontal o pies, de las que solamente está abierta la frontal
- Antes de entrar al habitáculo el aire pasa por un filtro que recoge la suciedad, impurezas, polución y olores, según cuales sean sus características
- En el panel de mandos de climatización se ven los ajustes relacionados con la calefacción
- Máximo calor y entrada frontal del aire caliente al habitáculo, por la posición de la trampilla de mezcla y de las entradas de aire al habitáculo
- Velocidad 2 de la turbina. Puede no ser necesaria si la velocidad de marcha es suficiente para lograr un buen caudal de paso de aire
- Se aprecia en la imagen del automóvil la entrada del aire caliente por la trampilla frontal y la salida del aire al exterior tras hacer sus funciones, por las aberturas en el montante trasero del habitáculo, pilar C
Lo que se ha explicado sería el sistema de calefacción, lo hemos incluido en el de climatización pues, como se ha adelantado también dispone de elementos para enfríar el aire, es el aire acondicionado.
Las dos capacidades de calentar y enfriar el habitáculo las identificamos como climatización.
Imagen de radiadores de refrigeración y calefacción.
Condensador y evaporador de aire acondicionado
La calefacción ha sido fácil de desarrollar al aprovechar el calor generado por el motor MT.
Para obtener frío se ha de fabricar mediante el aire acondicionado AA.
Conjugando las dos posibilidades de calefacción y frío se llega a lo que hemos denominado climatización CL.
Los elementos principales para generar frío son el condensador y el evaporador, que vamos a explicar con cinco imágenes, la del coche de base, dos detalles ampliados resaltando en cada uno lo relacionado con el condensador y evaporador y dos más con distintos ajustes en el panel de mandos.
Condensador del aire acondicionado
- Está delante del radiador de refrigeración del motor en este automóvil
- Recibe el fluido de AA en estado de gas y durante su tránsito por el circuito interno se enfría por el paso del aire exterior impulsado por el electroventilador y pasa a estado líquido
- El fluido de AA sale del condensador en estado líquido y continua hasta el evaporador
Continuamos las explicaciones incluyendo al evaporador que se ve con más detalle después, y lo que se va a ver corresponde a la imagen 1 de climatización y panel de mandos:
- El fluido de AA desde el condensador en estado líquido a muy baja temperatura llega al evaporador lo que hace que se enfríe el aire ambiente forzado por la turbina que pasa por su superficie externa, continuando el aire hasta el habitáculo a la menor temperatura posible pues la trampilla de mezcla está en posición de máximo frío, todo el aire enfriado en el evaporador sigue por la salida frontal, única abierta, hacia el habitáculo
- En el panel de mandos se ve la posición 1 de esta situación de climatización
- Aire acondicionado conectado para que el sistema genere frío, y en posición de máximo frío
- Velocidad 2 de la turbina que ajusta el flujo de paso de aire desde el exterior al habitáculo
- Para el funcionamiento del aire acondicionado al conectarlo se ponen en marcha el electroventilador y la turbina, y en esta es regulable la velocidad
Evaporador del aire acondicionado, ya se ha presentado su función:
- Enfría el aire ambiente que pasa por su superficie exterior impulsado por la turbina
- Se produce este efecto por el intercambio térmico entre el aire que se enfría al pasar su calor al fluido de AA que circula por el interior del evaporador que se calienta y pasa de estado líquido a gaseoso
Continuamos la explicaciones con base a las imágenes 2 de climatización y panel de mandos:
- La trampilla de mezcla está en posición máximo calor, lo que implica que el aire enfriado en el evaporador se caliente al pasar todo por el radiador de calefacción
- El hecho de que se enfríe antes el aire hace que la humedad que pueda contener se condense en la superficie del evaporador al enfriarse
- El aire frío y seco pasa por el radiador de calefacción y se calienta, continuando por la única trampilla abierta, hacia el parabrisas, logrando un desempañado muy rápido con aire seco y caliente
- Se representa esta situación de climatización en el panel de mandos (2); velocidad de turbina 3 para más caudal de aire, máximo calor, salida hacia el parabrisas y aire acondicionado conectado
- Cuando se pare el motor, el agua de la superficie exterior del evaporador cae al suelo por un conducto formando un pequeño charco
Es frecuente utilizar el término climatización cuando el control de mantenimiento de la temperatura del habitáculo es automático, una vez seleccionado el valor.
Intercooler para enfriar el aire de sobrealimentación
La sobrealimentación del motor MT se puede hacer genéricamente de dos formas, con compresor volumétrico o turbocomprensor TC, este último es el más utilizado por lo que es el representado.
Vemos cuatro imágenes; el coche de base, dos motores con distintos sistemas de intercooler resaltado lo más relevante y un indicador de presión de sobrealimentación.
En la imagen superior del motor se ve un intercooler aire – aire:
- El turbocompresor aumenta la presión del aire de admisión, lo que hace subir su temperatura y en consecuencia disminuye su densidad y rendimiento del motor
- Al aire a presión y caliente se le hace circular por el interior del intercooler, enfriado por el aire de la marcha, lo que hace que la temperatura del aire a presión de su interior, que sigue hacia el motor, sea menor mejorando el rendimiento
- En el indicador de presión de sobrealimentación, que puede estar en el cuadro de instrumentos del automóvil, se informa mediante zonas, colores o valores de la presión del aire que llega a los cilindros
- En el indicador incluimos las informaciones con cifras en color; azul son valores de depresión (aspiración del aire por el motor), negro es la presión atmosférica, verde son valores correctos de presión de sobrealimentación, naranja indica inicio de exceso de presión y rojo exceso de presión
- Con exceso de presión se somete al motor a mayores fatigas mecánicas y térmicas
Imagen de motor con dos intercooler aire – aire.
En la imagen inferior el intercooler es aire – agua:
- Este intercooler no es enfriado directamente por el aire, tiene dos circuitos internos independientes
- Por uno de los circuitos transita líquido de refrigeración del motor a su menor temperatura, tomado de la parte baja del radiador de refrigeración, que después de atravesar el intercooler retorna a la parte más caliente del circuito de refrigeración del motor
- Por el otro circuito independiente del intercooler pasa el aire a presión que viene del turbocompresor
- Al pasar el aire por el intercooler se produce intercambio térmico entre el líquido de refrigeración, a menor temperatura con valores altos de presión de sobrealimentación, y este aire llega a presión y menor temperatura al motor
En motores para trabajos exigentes se puede implantar más de un intercooler, así como más de un turbocompresor.
Aceite de la caja de cambios automática
Hay varios tipos de cajas de cambios que se consideran automáticas por el hecho de que en la posición hacia delante de la palanca o mando pueden pasar de una a otra relación al actuar el conductor sobre el acelerador automáticamente, sin que este intervenga en la palanca o mando de cambios de relación.
Estas cajas de cambios tienen aceite para su lubricación, y es habitual que en algunos tipos también se utilice para diferentes secuencias de funcionamiento, en la inserción automática de las relaciones y conexión de la caja con el motor.
En estas cajas de cambios automáticas el aceite puede alcanzar elevadas temperaturas, con riesgo de que lleguen a ser a ser críticas en uso intensivo o arrastrando remolques, por lo que se incluyen sistemas para su refrigeración.
Vamos a ver los dos más frecuentes con cinco imágenes; el coche de base, dos conjuntos motor MT y caja de cambios automática CA con distintos sistemas para enfriar el aceite de la caja resaltando lo que es más relevante, y dos testigos de control de la caja automática, apagado y encendido.
Radiador de aceite de la caja de cambios automática:
- Por su interior circula el aceite de la caja de cambios y por su exterior el aire de la marcha, disminuyendo la temperatura del aceite
Intercambiador térmico agua – aceite de la caja de cambios automática:
- Este intercambiador no ha de estar expuesto al paso del aire exterior
- Es un radiador doble, con dos circuitos internos independientes, uno para el líquido de refrigeración del motor y otro para el aceite de la caja de cambios
- El aceite de la caja llega a temperaturas más altas que el líquido de refrigeración del motor, por lo que en el intercambio térmico se logra reducir su temperatura
Testigo de caja de cambios automática:
- Se representa un testigo combinado que se enciende cuando la temperatura del aceite de la caja es excesiva o hay algún fallo
- Puede haber testigos independientes para el fallo y la alta temperatura
Las cajas de cambios con paso automático de relaciones que utilizan el aceite para su funcionamiento y conexión con el motor son básicamente dos; automática con convertidor de par y automatizada con embragues en baño de aceite, pudiéndose también incluir algunos tipos de transmisiones de variación continua CVT.
Otros enlaces
