Design moderno de sistema de resfriamento: trata-se mais de trem de força do que de temperatura

Ler artigos de engenharia tende a ser um exercício chato, mas eles dão a um técnico como eu uma nova perspectiva sobre como um sistema de refrigeração automotiva comum poderia realmente ser melhorado. Claro, nosso pensamento imediato é como o sistema de refrigeração pode manter o motor mais frio. Não é assim, de acordo com um artigo. Pelo contrário, a palavra-chave não é sobre “temperatura”; trata-se de “trem de força”. Dado o estado avançado da tecnologia do motor de combustão interna (ICE), algumas inovações recentes no sistema de refrigeração irão, na verdade, aumentar o binário do motor e a economia de combustível, ao mesmo tempo que reduzem as emissões de escape. Deixe-me simplificar essa ideia: a nova tecnologia de sistema de refrigeração fará com que os ICEs funcionem melhor e mais limpos. Então, vamos entrar na mesma página revisando alguns princípios básicos.

Embora ajustar o sistema de refrigeração para obter mais potência e economia seja algo inebriante, a maior parte desta história é que a tecnologia atual do sistema de refrigeração não progrediu muito em relação aos simples sistemas de termossifão introduzidos no início do século XX. O sistema termossifão circula o líquido refrigerante, permitindo que o líquido refrigerante expandido termicamente suba do motor quente para o tanque coletor de um radiador de latão com núcleo vertical. À medida que o líquido refrigerante começa a afundar devido à contração térmica, o líquido refrigerante irradia calor para a massa de ar que passa pelo núcleo do radiador. Depois que o núcleo do radiador dissipa o calor do líquido refrigerante, o fluxo do líquido refrigerante retorna ao bloco inferior do motor para repetir o ciclo. Mas, por mais simples que fossem, os sistemas termossifão funcionavam bem apenas com motores que produziam menos de 30 cv.

Com o advento de mais potência, as bombas de água centrífugas acionadas por correia transformaram o sistema termo-sifão em um moderno sistema de resfriamento de fluxo positivo que pode operar em praticamente qualquer tipo de clima. Infelizmente, a bomba de água centrífuga fornece mais circulação de líquido refrigerante do que o motor necessita na maioria das situações de condução, o que a torna lamentavelmente ineficiente em termos de conservação de energia moderna.

A distribuição de água através do cabeçote é controlada por passagens moldadas no bloco e por passagens estampadas na junta do cabeçote. Não importa o sistema, distribuir um fluxo uniforme de líquido de arrefecimento através do bloco do motor, do cabeçote do cilindro e ao redor das portas de escapamento quentes continua sendo o objetivo principal de qualquer sistema de arrefecimento contemporâneo.

Idealmente, um ICE deve operar próximo ao ponto de ebulição da água para garantir que a água, um subproduto da combustão, evapore do óleo do motor durante a operação normal. Sem um ponto de regulação de temperatura do líquido de arrefecimento elevado, o óleo do motor transforma-se rapidamente numa lama preta e altamente viscosa que obstrui as passagens vitais do óleo e corrói as peças internas. Hoje, os termostatos controlados por pellets de cera são o método padrão para gerenciar mecanicamente o fluxo e a temperatura do líquido refrigerante.

O termostato bloqueia o fluxo do líquido refrigerante durante o aquecimento do motor, o que causa uma diferença marcante nas taxas de expansão térmica entre blocos de motor de ferro fundido e cabeçotes de cilindro de alumínio. Essa desigualdade na transferência de calor pode eventualmente causar fadiga do metal no cabeçote e falha na junta do cabeçote. O circuito de desvio do líquido refrigerante permite que a bomba de água aqueça o conjunto do motor uniformemente, circulando o líquido refrigerante através do bloco do motor e do cabeçote do cilindro enquanto o termostato está fechado. A maioria dos circuitos de derivação circulam o refrigerante diretamente da saída de pressão da bomba de água para a base do termostato, o que garante uma temperatura precisa de abertura do termostato.

Um radiador remove o calor do líquido refrigerante, transferindo-o para uma atmosfera relativamente fria. Os radiadores evoluíram dos radiadores de latão do passado para os radiadores contemporâneos com núcleo de alumínio e tanques de plástico. Por uma questão prática, antigamente, os radiadores eram montados na parte frontal da chapa metálica da carroceria para coletar o ar que flui livremente na velocidade da estrada. Hoje em dia, os radiadores são colocados atrás de chapas metálicas da carroceria para atingir objetivos aerodinâmicos, o que cria grandes problemas de projeto em relação à capacidade de refrigeração do radiador e à exposição ao fluxo livre de ar.