Come funzionano i sistemi di raffreddamento per auto

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Schema di un sistema di raffreddamento: come è collegato l'impianto idraulico. Vuoi saperne di più? Dai un'occhiata a queste immagini del motore dell'auto. HSW

-Sebbene i motori a benzina siano migliorati molto, non sono ancora molto efficienti nel trasformare l'energia chimica in potenza meccanica. La maggior parte dell'energia nella benzina (forse il 7-0%) viene convertita in calore, ed è compito del sistema di raffreddamento per prendersi cura di quel caldo. In effetti, il sistema di raffreddamento di un'auto che percorre l'autostrada dissipa abbastanza calore per riscaldare due case di medie dimensioni! Il compito principale del sistema di raffreddamento è quello di evitare che il motore si surriscaldi trasferendo questo calore all'aria, ma il sistema di raffreddamento ha anche molti altri compiti importanti.

Il motore della tua auto funziona al meglio a una temperatura abbastanza elevata. Quando il motore è freddo, i componenti si consumano più velocemente e il motore è meno efficiente ed emette più inquinamento. Quindi un altro lavoro importante del sistema di raffreddamento è quello di consentire al motore di riscaldarsi il più rapidamente possibile, e quindi di mantenere il motore a una temperatura costante.

In questo articolo, impareremo le parti del sistema di raffreddamento di un'auto e come funzionano. Per prima cosa, diamo un'occhiata ad alcune nozioni di base.

-All'interno del motore della tua auto, il carburante brucia costantemente. Molto del calore di questa combustione esce direttamente dal sistema di scarico, ma parte di esso viene assorbito dal motore, riscaldandolo. Il motore funziona al meglio quando il suo liquido di raffreddamento è di circa 200 gradi Fahrenheit (93 gradi Celsius). A questa temperatura:

  • La camera di combustione è sufficientemente calda per vaporizzare completamente il carburante, fornendo una migliore combustione e riducendo le emissioni.
  • L'olio utilizzato per lubrificare il motore ha una viscosità inferiore (è più sottile), quindi le parti del motore si muovono più liberamente e il motore spreca meno potenza spostando i propri componenti.
  • Le parti metalliche si consumano meno.

Esistono due tipi di sistemi di raffreddamento presenti sulle auto: raffreddati a liquido e raffreddati ad aria.

Raffreddamento a liquido

Il sistema di raffreddamento sulle auto raffreddate a liquido fa circolare un fluido attraverso tubi e passaggi nel motore. Quando questo liquido passa attraverso il motore caldo, assorbe calore, raffreddando il motore. Dopo che il fluido lascia il motore, passa attraverso uno scambiatore di calore, o radiatore, che trasferisce il calore dal fluido all'aria che soffia attraverso lo scambiatore.

Aria condizionata

Alcune auto più vecchie e pochissime auto moderne sono raffreddate ad aria. Invece di far circolare il fluido attraverso il motore, il blocco motore è coperto da alette di alluminio che conducono il calore lontano dal cilindro. Un potente ventilatore spinge l'aria su queste alette, che raffredda il motore trasferendo il calore all'aria.

Poiché la maggior parte delle auto è raffreddata a liquido, in questo articolo ci concentreremo su quel sistema.

Fare clic su "Start" per vedere il flusso del fluido attraverso il motore mentre il motore si riscalda.

-Il sistema di raffreddamento della tua auto ha molte tubature. Inizieremo dalla pompa e ci faremo strada attraverso il sistema, e nelle prossime sezioni parleremo di ogni parte del sistema in modo più dettagliato.

Il pompa invia il fluido nel blocco motore, dove si fa strada attraverso i passaggi del motore attorno ai cilindri. Quindi ritorna attraverso il file testata del motore. Il termostato si trova dove il fluido esce dal motore. L'impianto idraulico intorno al termostato rimanda il fluido direttamente alla pompa se il termostato è chiuso. Se è aperto, il fluido passa attraverso il termosifone prima e poi di nuovo alla pompa.

C'è anche un circuito separato per l'impianto di riscaldamento. Questo circuito preleva il fluido dalla testata del cilindro e lo fa passare attraverso un nucleo del riscaldatore e quindi di nuovo alla pompa.

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Sulle vetture con cambio automatico è normalmente presente anche un circuito separato per il raffreddamento del fluido di trasmissione integrato nel radiatore. L'olio della trasmissione viene pompato dalla trasmissione attraverso un secondo scambiatore di calore all'interno del radiatore.

-Le auto funzionano in un'ampia varietà di temperature, da ben sotto lo zero fino a oltre 100 F (38 C). Quindi qualunque fluido venga utilizzato per raffreddare il motore deve avere un punto di congelamento molto basso, un punto di ebollizione alto e deve avere la capacità di trattenere molto calore.

L'acqua è uno dei fluidi più efficaci per trattenere il calore, ma l'acqua congela a una temperatura troppo alta per essere utilizzata nei motori delle automobili. Il fluido utilizzato dalla maggior parte delle auto è una miscela di acqua e glicole etilenico (C.2H6O2), noto anche come antigelo. Aggiungendo glicole etilenico all'acqua, i punti di ebollizione e congelamento vengono notevolmente migliorati.

Fluido - Punto di congelamento - Punto di ebollizione

  • Acqua pura: 0 C / 32 F - 100 C / 212 F.
  • Miscela 50/50 di C2H6O2/ Acqua: -37 C / -35 F - 106 C / 223 F.
  • 70/30 miscela di C2H6O2/ Acqua: -55 C / -67 F - 113 C / 235 F.

La temperatura del liquido di raffreddamento a volte può raggiungere 250-275 F (121-135 ° C). Anche con l'aggiunta di glicole etilenico, queste temperature farebbero bollire il liquido di raffreddamento, quindi è necessario fare qualcosa in più per aumentarne il punto di ebollizione.

Il sistema di raffreddamento utilizza pressione per aumentare ulteriormente il punto di ebollizione del liquido di raffreddamento. Proprio come la temperatura di ebollizione dell'acqua è più alta in una pentola a pressione, la temperatura di ebollizione del liquido di raffreddamento è più alta se si pressurizza il sistema. La maggior parte delle auto ha un limite di pressione compreso tra 14 e 15 libbre per pollice quadrato (psi), che aumenta il punto di ebollizione di altri 45 F (25 C) in modo che il liquido di raffreddamento possa resistere alle alte temperature.

L'antigelo contiene anche additivi per resistere alla corrosione.

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Una pompa centrifuga come quella usata nella tua auto.

-La pompa dell'acqua è una semplice pompa centrifuga azionata da una cinghia collegata all'albero motore del motore. La pompa fa circolare il fluido ogni volta che il motore è in funzione.

La pompa dell'acqua utilizza la forza centrifuga per inviare il fluido all'esterno mentre gira, facendo sì che il fluido venga aspirato continuamente dal centro. L'ingresso alla pompa si trova vicino al centro in modo che il fluido di ritorno dal radiatore colpisca le palette della pompa. Le palette della pompa scaricano il fluido all'esterno della pompa, dove può entrare nel motore.

Il fluido in uscita dalla pompa fluisce prima attraverso il blocco motore e la testata cilindri, poi nel radiatore e infine di nuovo nella pompa.

Si noti che le pareti del cilindro sono piuttosto sottili e che il blocco motore è per lo più cavo.

-Il blocco motore e la testata del cilindro hanno molti passaggi fusi o lavorati al loro interno per consentire il flusso del fluido. Questi passaggi dirigono il liquido di raffreddamento verso le aree più critiche del motore.

Le temperature nella camera di combustione del motore possono raggiungere i 4.500 F (2.500 C), quindi il raffreddamento dell'area intorno ai cilindri è fondamentale. Le aree intorno alle valvole di scarico sono particolarmente cruciali e quasi tutto lo spazio all'interno della testata del cilindro attorno alle valvole che non è necessario per la struttura è riempito di refrigerante. Se il motore rimane senza raffreddamento per molto tempo, può grippare. Quando ciò accade, il metallo si è effettivamente riscaldato abbastanza da consentire al pistone di saldarsi al cilindro. Questo di solito significa la completa distruzione del motore.

La testa del motore ha anche ampi passaggi per il refrigerante.

Un modo interessante per ridurre le esigenze del sistema di raffreddamento è ridurre la quantità di calore che viene trasferita dalla camera di combustione alle parti metalliche del motore. Alcuni motori lo fanno rivestendo l'interno della parte superiore della testata con uno strato sottile di ceramica. La ceramica è un cattivo conduttore di calore, quindi meno calore viene condotto attraverso il metallo e più passa dallo scarico.

Immagine del radiatore che mostra il serbatoio laterale con refrigeratore.

-Un radiatore è un tipo di scambiatore di calore. È progettato per trasferire il calore dal refrigerante caldo che lo attraversa all'aria soffiata attraverso di esso dalla ventola.

La maggior parte delle auto moderne utilizza radiatori in alluminio. Questi radiatori sono realizzati brasando sottili alette di alluminio su tubi di alluminio appiattiti. Il refrigerante scorre dall'ingresso all'uscita attraverso molti tubi montati in una disposizione parallela. Le alette conducono il calore dai tubi e lo trasferiscono all'aria che scorre attraverso il radiatore.

I tubi a volte hanno un tipo di pinna inserita al loro interno chiamata a turbolatore, che aumenta la turbolenza del fluido che scorre attraverso i tubi. Se il fluido scorreva in modo molto regolare attraverso i tubi, solo il fluido che effettivamente tocca i tubi verrebbe raffreddato direttamente. La quantità di calore trasferita ai tubi dal fluido che li attraversa dipende dalla differenza di temperatura tra il tubo e il fluido che lo tocca. Quindi, se il fluido a contatto con il tubo si raffredda rapidamente, verrà trasferito meno calore. Creando turbolenza all'interno del tubo, tutto il fluido si mescola insieme, mantenendo la temperatura del fluido che tocca i tubi in modo che sia possibile estrarre più calore e tutto il fluido all'interno del tubo viene utilizzato efficacemente.

I radiatori di solito hanno un serbatoio su ciascun lato e all'interno del serbatoio c'è un dispositivo di raffreddamento della trasmissione. Nella foto sopra, puoi vedere l'ingresso e l'uscita dove l'olio dalla trasmissione entra nel radiatore. Il dispositivo di raffreddamento della trasmissione è come un radiatore all'interno di un radiatore, tranne che invece di scambiare calore con l'aria, l'olio scambia calore con il liquido di raffreddamento nel radiatore.

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Spaccato del tappo del radiatore e del serbatoio.

-Il tappo del radiatore aumenta effettivamente il punto di ebollizione del liquido di raffreddamento di circa 45 F (25 C). Come fa questo semplice berretto a farlo? Allo stesso modo una pentola a pressione aumenta la temperatura di ebollizione dell'acqua. Il tappo è in realtà una valvola di rilascio della pressione e sulle auto è solitamente impostato su 15 psi. Il punto di ebollizione dell'acqua aumenta quando l'acqua viene posta sotto pressione.

Quando il fluido nel sistema di raffreddamento si riscalda, si espande, provocando un aumento della pressione. Il tappo è l'unico punto in cui questa pressione può fuoriuscire, quindi la regolazione della molla sul tappo determina la pressione massima nel sistema di raffreddamento. Quando la pressione raggiunge 15 psi, la pressione spinge la valvola aperta, consentendo al refrigerante di fuoriuscire dal sistema di raffreddamento. Questo refrigerante scorre attraverso il tubo di troppo pieno nel fondo del serbatoio di troppo pieno. Questa disposizione mantiene l'aria fuori dal sistema. Quando il radiatore si raffredda, si crea un vuoto nel sistema di raffreddamento che apre un'altra valvola caricata a molla, risucchiando l'acqua dal fondo del serbatoio di troppo pieno per sostituire l'acqua che è stata espulsa.

Le posizioni aperta e chiusa di un termostato. HSW

-Il compito principale del termostato è quello di consentire al motore di riscaldarsi rapidamente e quindi di mantenere il motore a una temperatura costante. Lo fa regolando la quantità di acqua che passa attraverso il radiatore. A basse temperature, l'uscita del radiatore è completamente bloccata: tutto il liquido di raffreddamento viene fatto ricircolare attraverso il motore.

Quando la temperatura del liquido di raffreddamento sale tra 180 e 195 F (82-91 C), il termostato inizia ad aprirsi, consentendo al fluido di fluire attraverso il radiatore. Quando il liquido di raffreddamento raggiunge da 200 a 218 F (93-103 C), il termostato è completamente aperto.

Se hai la possibilità di provarne uno, un termostato è una cosa incredibile da guardare perché quello che fa sembra impossibile. Puoi metterne uno in una pentola di acqua bollente sul fornello. Mentre si riscalda, la sua valvola si apre di circa un pollice, apparentemente per magia! Se vuoi provare tu stesso, vai in un negozio di ricambi per auto e comprane uno per un paio di dollari.

Il segreto del termostato sta nel piccolo cilindro situato sul lato motore del dispositivo. Questo cilindro è riempito con una cera che inizia a sciogliersi a circa 180 F (diversi termostati si aprono a diverse temperature, ma 180 F è comune). Un'asta collegata alla valvola preme in questa cera. Quando la cera si scioglie, si espande in modo significativo, spingendo l'asta fuori dal cilindro e aprendo la valvola. Se hai letto Come funzionano i termometri e hai fatto l'esperimento con la bottiglia e la cannuccia, hai visto questo processo in azione: la cera si espande un po 'di più perché sta cambiando da un solido a un liquido oltre a espandersi da il calore.

Questa stessa tecnica viene utilizzata negli apri automatici per bocchette di serre e lucernari. In questi dispositivi, la cera si scioglie a una temperatura inferiore.

Ventilatore

-Come il termostato, la ventola di raffreddamento deve essere controllata in modo da consentire al motore di mantenere una temperatura costante.

Le auto a trazione anteriore hanno ventilatori elettrici perché il motore è solitamente montato trasversalmente, il che significa che l'uscita del motore è rivolta verso il lato dell'auto. Le ventole sono controllate da un interruttore termostatico o dal computer del motore e si accendono quando la temperatura del liquido di raffreddamento supera un setpoint. Si spengono quando la temperatura scende al di sotto di quel punto.

Di solito le auto a trazione posteriore con motori longitudinali hanno ventole di raffreddamento azionate dal motore. Questi ventilatori hanno una frizione viscosa controllata termostaticamente. Questa frizione è posizionata al mozzo della ventola, nel flusso d'aria che passa attraverso il radiatore. Questa speciale frizione viscosa è molto simile all'accoppiamento viscoso che a volte si trova nelle auto a trazione integrale.

Impianto idraulico del riscaldatore

-Potresti aver sentito il consiglio che se la tua auto si surriscalda, apri tutti i finestrini e fai funzionare il riscaldamento con la ventola a tutto volume. Questo perché il sistema di riscaldamento è in realtà un sistema di raffreddamento secondario che rispecchia il sistema di raffreddamento principale della tua auto.

Il nucleo del riscaldatore, che si trova nel cruscotto della tua auto, è in realtà un piccolo radiatore. La ventola del riscaldatore soffia aria attraverso il nucleo del riscaldatore e nell'abitacolo della tua auto.

Un nucleo di riscaldamento sembra un piccolo radiatore.

Il nucleo del riscaldatore aspira il liquido di raffreddamento caldo dalla testata e lo restituisce alla pompa, quindi il riscaldatore funziona indipendentemente dal fatto che il termostato sia aperto o chiuso.

Per ulteriori informazioni sui sistemi di raffreddamento dell'auto e sugli argomenti correlati, consultare i collegamenti nella pagina successiva.

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