Tecnologia di raffreddamento del motore a combustione interna

L’efficienza termica del motore può essere rappresentata attraverso una curva. Poiché il carico meccanico tende a oscillare, lo stesso accade per il carico termico e poiché i motori funzionano ottimamente solo in un intervallo di temperatura limitato, è essenziale controllare attentamente la temperatura. In questo articolo, esamineremo i sistemi di raffreddamento del motore dell’autovettura e il possibile futuro.

Aria o acqua – raffreddamento del motore

Nella storia del motore a combustione interna per autovetture si sono sviluppati due diversi sistemi di raffreddamento.

Il primo, in cui il motore viene raffreddato solamente con aria prelevata dall’ambiente. Questa soluzione si è affermata da tempo nei motori, anche quelli alta potenza. Un esempio perfetto è Porsche, il cui leggendario modello 911 utilizzava il raffreddamento ad aria fino al 1998.

Nel 21° secolo, tuttavia, il raffreddamento ad acqua ha conquistato il mercato. Sebbene questo sistema sia molto più complesso, più difficile e più fastidioso da riparare, le possibilità di controllarlo superano il raffreddamento ad aria. Un significativo aumento della cilindrata, combinato con una maggiore potenza termica, ha comportato il graduale spostamento del raffreddamento ad aria da parte del raffreddamento ad acqua.

Parti del sistema di raffreddamento

È importante sottolineare che il termine “raffreddamento ad acqua” non è del tutto accurato. Ciò perché il liquido di raffreddamento può essere costituito non solo da acqua, ma anche da un liquido specifico resistente al gelo, soprattutto nelle zone esposte a temperature sotto lo zero, che avrebbero gravi conseguenze per il motore sotto diversi aspetti.

Nei veicoli dotati di motori a combustione interna raffreddati a liquido, i canali che attraversano il monoblocco e la testata sono collegati al radiatore attraverso il quale scorre il liquido di raffreddamento.

Il refrigerante stesso è molto spesso glicole etilenico o glicole propilenico (con una piccola quantità di inibitore di corrosione). Dallo sviluppo dei motori in alluminio o in metallo misto, la resistenza alla corrosione è diventata ancora più importante della resistenza al gelo.

Un tipico sistema di raffreddamento automobilistico include:

• Canali di raffreddamento nel blocco motore e nella testata che circondano le camere di combustione con fluido circolante per dissipare il calore;
• un radiatore, costituito da tanti tubicini dotati di alette a nido d’ape per una rapida dissipazione del calore, che raccoglie e raffredda il fluido caldo del motore;
• solitamente una pompa dell’acqua di tipo centrifugo (o pompa dell’acqua) che sposta il liquido di raffreddamento;
• un termostato per regolare la temperatura modificando la quantità di refrigerante che entra nel radiatore;
• un ventilatore che disperde aria calda.

Il sistema è solitamente chiuso, quindi può funzionare a una pressione superiore a quella ambiente. Ciò significa, ad esempio, che una temperatura di 100 °C non significa necessariamente che il liquido di raffreddamento, o anche l’acqua di raffreddamento, bolle.

Un sottoprodotto del processo di combustione è una grande quantità di calore. Se si permettesse al calore di accumularsi in modo incontrollabile nel motore, i suoi componenti alla fine si espanderebbero a tal punto da smettere di ruotare. Per contrastare questo effetto, il liquido di raffreddamento circola nel motore e ne assorbe il calore.

Dopo aver assorbito il calore dal motore, il liquido di raffreddamento continua a fluire verso il radiatore. Il radiatore trasferisce il calore dal fluido all’atmosfera, raffreddando il fluido, che a sua volta raffredda il motore. I radiatori vengono spesso utilizzati per raffreddare i fluidi della trasmissione automatica, il liquido di raffreddamento dell’aria condizionata, l’aria aspirata e talvolta l’olio motore o il fluido del servosterzo.

Radiatore

I radiatori per veicoli sono costituiti da una coppia di serbatoi di metallo o plastica collegati da una serie di nuclei di tubi stretti, che forniscono un’ampia superficie per un dato volume. Questo nucleo è solitamente costituito da strati sovrapposti di lamiera, pressati in canali e brasati o saldati insieme.

Per molti anni, i raffreddatori sono stati realizzati con anime in ottone o rame-ottone saldate alle teste dei collettori in ottone. Le unità moderne hanno un’anima in alluminio e spesso consentono di risparmiare sui costi di produzione e sul peso utilizzando coperture in plastica con guarnizioni. Questo design è più soggetto a guasti e più difficile da riparare rispetto ai materiali convenzionali.

Pompa

I refrigeratori utilizzavano per la prima volta il flusso discendente verticale, puramente per effetto del termosifone. Il liquido di raffreddamento nel motore si riscalda, si assottiglia e quindi sale. Man mano che il radiatore raffredda il fluido, questo diventa più denso e scende sul fondo.

Questo effetto è sufficiente per motori stazionari di bassa potenza, ma non sufficiente per veicoli di grandi dimensioni. Per molti anni, tutte le auto hanno utilizzato una pompa centrifuga per far circolare il liquido di raffreddamento del motore, poiché la circolazione naturale ha un flusso molto basso.

Termostato

La temperatura del motore nelle auto moderne è principalmente controllata da un termostato a cera a pellet che è una valvola che si apre quando il motore raggiunge la sua temperatura operativa ottimale.

Quando il motore è freddo, il termostato è chiuso ad eccezione di un basso flusso di bypass (“piccolo circuito”). Il termostato registra le variazioni di temperatura del liquido di raffreddamento mentre il motore si riscalda. Il liquido di raffreddamento del motore viene indirizzato attraverso il termostato all’ingresso della pompa di circolazione, bypassa il radiatore e ritorna direttamente al motore. Facendo circolare il fluido solo attraverso il motore, raggiunge la temperatura di esercizio ottimale il più rapidamente possibile evitando “punti caldi” locali. Quando il liquido di raffreddamento raggiunge la temperatura di attivazione del termostato, questo si apre, consentendo al liquido di raffreddamento di fluire attraverso il radiatore per evitare che la temperatura salga ulteriormente.

Una volta raggiunta la temperatura ottimale, il termostato regola il flusso del liquido di raffreddamento del motore al radiatore, consentendo al motore di funzionare alla temperatura ottimale.

In condizioni di carico di punta, come salire lentamente su una collina ripida in una giornata calda, il termostato si aprirà completamente poiché il motore sta producendo quasi la massima potenza, mentre la velocità dell’aria che scorre attraverso il radiatore è bassa, il che ostacola anche lo scambio di calore .

D’altra parte, quando si guida in autostrada in una notte fredda, il termostato sarà quasi chiuso perché il radiatore può dissipare molto più calore di quello prodotto dal motore. Se nel radiatore entra troppo liquido di raffreddamento, il motore funzionerà a una temperatura inferiore a quella ottimale, con conseguente riduzione dell’efficienza del carburante e aumento delle emissioni.

Il termostato si sposta quindi costantemente all’interno della sua gamma, rispondendo ai cambiamenti del carico operativo del veicolo, della velocità e della temperatura esterna per mantenere il motore alla sua temperatura operativa ottimale.