Reportaje técnico FAE: los componentes de la gestión térmica

En este nuevo reportaje en profundidad sobre la tecnología que fabrica FAE, vamos a explicar los distintos sistemas que existen para la gestión térmica; es decir, para controlar la temperatura que genera la actividad del propio motor. Todos estos sistemas forman parte del amplio catálogo de productos del fabricante español, cuyos productos en este campo se clasifican en:

Termostatos: regulan el flujo de refrigerante.
Termocontacto: se encarga de gestionar el encendido del ventilador o aviso de temperatura anómala.
Sensores de temperatura: su misión es controlar la temperatura del líquido refrigerante.
Electroválvula termostática: calienta el interior del habitáculo.

Diagrama de temperatura del motor. Las altas temperaturas en la cámara de combustión interna pueden superar los 2.000 ºC

1. Introducción a la gestión térmica

Sabemos que la propia actividad de un motor genera unas altas temperaturas de trabajo que pueden llegar hasta los 2.000ºC en la combustión y que pueden llegar a dañar, incluso fundir, los materiales del motor. Una alta temperatura en un motor se traduce en la dilatación de los materiales, lo que puede provocar agarrotamientos y deformaciones.

Y es que menos de una cuarta parte de la energía calorífica consumida en el motor de combustión interna se transforma en fuerza útil; el resto del calor debe dispersarse, de modo que ninguna parte llegue a calentarse hasta el punto de impedir su buen funcionamiento. Es por ello que la refrigeración en cualquier motor es fundamental para garantizar su correcto funcionamiento y durabilidad.

En este sentido, el sistema de refrigeración deberá evacuar el calor producido por la combustión y la fricción interna del motor y mantener constante una temperatura ideal de trabajo en los límites que le permitan ser lo más eficiente posible, sin perjudicar la mecánica. Pero no sólo eso, este sistema también deberá ayudar al calentamiento del motor en su encendido, para conseguir la temperatura ideal de trabajo lo antes posible.

1.2 La refrigeración del motor

Uno de los sistemas más utilizados en la actualidad es el sistema de refrigeración por agua. Se trata de un circuito por el interior del motor a través de unas cavidades huecas que permiten la circulación del agua y que, mezclado con líquido refrigerante y anticongelante, enfría las paredes internas de los conductos, evacuando la temperatura excesiva. Esta agua sale del motor para enfriarse gracias a la acción del radiador, para volver a entrar en el motor y enfriarlo. Debido a las altas temperaturas y a las altas revoluciones a las que llegan actualmente los coches, la circulación de agua por el motor ha de ser muy alta. Cuanto más rápido circule el agua, menos caudal será necesario.

esquema de refrigeracion por bomba de agua

Esquema de refrigeración por bomba de agua

La bomba de agua centrífuga es la encargada de regular el caudal de agua adecuado para cada situación. A mayores revoluciones del motor, mayor será la velocidad de circulación del agua por el sistema. El agua entra en el motor por la parte baja del mismo y pasa por todo el interior hueco de la culata y de la cámara de combustión, saliendo por la parte alta. De ahí entra directamente al radiador, que es un intercambiador de calor donde el agua se enfría al estar expuesta al aire frío y gracias a la extensa superficie de enfriamiento que tiene en su entramado de celdas. El agua enfriada es enviada de nuevo al interior del motor por la aspiración de la bomba de agua.

El sistema de circulación forzado es capaz de mantener la temperatura del agua estable a unos 85-90ºC, ya que un cambio brusco en la temperatura del motor (ya sea por enfriamiento o por calentamiento) puede provocar dilataciones o contracciones de los materiales.

Además, el calor que disipa el sistema de refrigeración del motor también se utiliza para la calefacción de habitáculo. Cuando encendemos la calefacción del coche, un pequeño intercambiador de calor calienta el aire que va a calentar el habitáculo del coche.

2. El termostato: regulación del flujo de refrigerante

El termostato o válvula termostática controla que la temperatura de trabajo esté entre los límites idóneos para el buen funcionamiento del motor. Esta válvula se encarga de regular la circulación del agua por el circuito para mantener estable la temperatura del motor entre 70 y 90ºC, límites ideales para su buen funcionamiento del motor.

La temperatura de trabajo del motor incide directamente en la lubricación y la alimentación, así como en el consumo de combustible y, por lo tanto, en la contaminación.

Detalle de las partes de un termostato de cera FAE

A bajas temperaturas de funcionamiento, la mezcla de combustible no alcanza el poder calorífico necesario y aumenta su consumo. El aceite es más denso y dificulta el movimiento interno. Por el contrario, a altas temperaturas el aceite pierde propiedades lubricantes y los materiales del motor se resienten.

El termostato se sitúa a la salida del bloque motor (antes del radiador) y cuando la temperatura del agua es inferior a la prevista, el termostato permanece cerrado para que el agua no circule por el radiador y se caliente antes el motor. De hecho, lo que provoca este cierre del termostato es disminuir la eficacia del circuito de refrigeración, reduciendo la circulación del líquido refrigerante e incluso suprimiéndola y haciéndola circular únicamente por el interior del bloque motor. Así se consigue un calentamiento del motor mucho más rápido en el arranque del mismo, reduciendo el tiempo en el que trabaja a bajas temperaturas. El tipo de termostato más utilizado en la actualidad es el conocido como termostato de cera.

Un termostato, un kit completo de termostato y dos tapas de termostato FAE

2.1. El termostato de cera: el más utilizado en la actualidad

Una cantidad determinada de cera se encuentra en el interior de una cápsula que, con los cambios de temperatura, cambia su volumen de forma considerable. Esto provoca su expansión al calentarse y empuja una membrana de goma que, unida a una varilla, hace que la cápsula se desplace y abra el termostato, dejando circular el agua por el sistema de refrigeración. Al enfriarse se contrae, lo que provoca que la capsula vuelva a su posición original gracias al efecto del muelle, cerrando de nuevo la válvula y evitando la circulación de agua por el circuito.

Funcionamiento de un termostato de cera FAE

Para que este sistema funcione correctamente, el sistema de refrigeración debe ser estanco. De esta forma, el punto de ebullición del agua sube por encima de los 100ºC y se favorece la refrigeración. Para ello es importante mantener la estanqueidad de las zonas con juntas, como la tapa del termostato.

Esta es la forma que tiene la válvula de mantener estable la temperatura idónea de trabajo en el sistema de refrigeración de nuestro motor.

3. El termocontacto: gestión del ventilador y alarma de anomalía

Para ayudar en la refrigeración, los motores incorporan un ventilador que, movido por el propio motor, genera una circulación de aire forzado a través del radiador, lo que permite un mejor enfriamiento del agua, sobretodo a marcha lenta y al ralentí.

Aunque su funcionamiento no es continuo, en el caso de que la velocidad del coche sea rápida el aire que entra por la rejilla frontal será el suficiente para la refrigeración. En este caso, el ventilador permanecerá apagado para minimizar el consumo y para una circulación más silenciosa. En coches con aire acondicionado, el ventilador también enfría el condensador por lo que, en estos casos, es necesario uno o dos ventiladores más potentes.

Para controlar el funcionamiento del ventilador del radiador o avisar al conductor de una anomalía en la temperatura del motor, se utilizan los llamados termocontactos. Son interruptores que, montados en el circuito de refrigeración (en el radiador o próximo a él) actúan con la variación de temperatura. Por encima de cierto límite de temperatura, accionan la apertura o cierre de contactos eléctricos.

Existen de dos tipos de termocontactos fabricados por FAE:

disección de un termocontacto de alarma FAE

Termocontacto de alarma: Es un sistema que informa al conductor de un estado anormal de la temperatura del motor.

disección de un termocontacto de ventilador

Termocontacto de ventilador: Conecta y desconecta el ventilador del radiador en relación a la temperatura deseada para conseguir la temperatura óptima de funcionamiento del motor.

4. La electroválvula termostática: calienta el interior del habitáculo

La electroválvula FAE es una válvula electromecánica que controla el paso de un fluido por un conducto. La válvula se mueve mediante una bobina solenoide, la cual genera la energía mecánica necesaria para que la válvula abra o cierre el paso del fluido.

Electroválvula termostática de FAE

Como ya hemos dicho, para calentar el habitáculo del automóvil se usa el circuito de refrigeración del motor como fuente de calor. El fluido refrigerante fluye a través de un pequeño intercambiador de calor llamado «núcleo del calentador». Un ventilador hace circular aire a través de este núcleo cuando necesitamos aire caliente. La válvula de control (o electroválvula) del calentador controla la cantidad de refrigerante que fluye a través del núcleo del calentador, para así generar el calor necesario según las necesidades marcadas desde el tablero de mandos.

Funcionamiento de una electroválvula termostática de FAE

5. Sensores de temperatura: control de temperatura del líquido refrigerante

Uno de los elementos más importantes en los automóviles actuales es el sensor de temperatura, que mide la temperatura del líquido refrigerante. Esa información, medida a través de una NTC (Negative Temperature Coefficient) que cambia su resistencia con la temperatura y que está situada en el interior de sensor, es enviada directamente a la ECU o al módulo de gestión del sistema de refrigeración, que regulará la inyección para adecuar la combustión a la temperatura del motor.

Con el motor frío, la electrónica del motor mejora la combustión enriqueciendo la mezcla y regulándola constantemente hasta llegar a la temperatura ideal. Y es que en el arranque en frío se producen fallos de combustión y cambios rápidos de temperatura en piezas frías, por lo que la ECU modifica el ángulo de avance del encendido, el mapa de inyección, la capacidad de inyección de aceite, la válvula de ventilación de aceite, etc. para que todos los sistemas del motor trabajen bajo parámetros establecidos y la mecánica no sufra en este proceso crítico.

El sensor de temperatura FAE se utiliza también, y cada vez más, en sustitución del termocontacto para encender y apagar el ventilador, así como para indicar la temperatura en el termómetro del tablero de mandos. Anteriormente, esta función la desempeñaban las conocidas como termoresistencias, de las que FAE fabrica un gran número de referencias disponibles en el mercado.

Disección de un sensor de temperatura fabricado por FAE

FAE y la gestión térmica

FAE fabrica productos para la gestión de la temperatura del motor desde el 1952 y actualmente tiene una producción de más de dos millones de piezas anuales que sirve a los más de 97 países donde tiene cobertura, con más de 1.200 referencias para aplicaciones europeas, asiáticas y norteamericanas.