Como funcionam os sistemas de refrigeração de automóveis

Diagrama de um sistema de refrigeração: como o encanamento é conectado. Quer saber mais? Confira essas fotos do motor do carro. HSW

-Embora os motores a gasolina tenham melhorado muito, eles ainda não são muito eficientes em transformar energia química em força mecânica. A maior parte da energia na gasolina (talvez 7-0%) é convertida em calor, e é trabalho do sistema de refrigeração para cuidar desse calor. Na verdade, o sistema de resfriamento de um carro em uma rodovia dissipa calor suficiente para aquecer duas casas de tamanho médio! A principal tarefa do sistema de refrigeração é evitar que o motor superaqueça, transferindo esse calor para o ar, mas o sistema de refrigeração também tem várias outras tarefas importantes.

O motor do seu carro funciona melhor em uma temperatura bastante alta. Quando o motor está frio, os componentes se desgastam mais rapidamente e o motor é menos eficiente e emite mais poluição. Portanto, outra tarefa importante do sistema de arrefecimento é permitir que o motor aqueça o mais rápido possível e, em seguida, mantê-lo em uma temperatura constante.

Neste artigo, aprenderemos sobre as peças do sistema de refrigeração de um carro e como elas funcionam. Primeiro, vamos dar uma olhada em alguns princípios básicos.

-Dentro do motor do seu carro, o combustível está queimando constantemente. Muito do calor dessa combustão vai direto para o sistema de escapamento, mas parte dele penetra no motor, aquecendo-o. O motor funciona melhor quando o líquido de arrefecimento está a cerca de 93 graus Celsius (200 graus Fahrenheit). Nesta temperatura:

• A câmara de combustão é quente o suficiente para vaporizar completamente o combustível, proporcionando melhor combustão e reduzindo as emissões.
• O óleo usado para lubrificar o motor tem uma viscosidade mais baixa (é mais fino), de modo que as peças do motor se movem mais livremente e o motor gasta menos potência movendo seus próprios componentes.
• As peças de metal gastam menos.

Existem dois tipos de sistemas de refrigeração encontrados em carros: refrigerado a líquido e refrigerado a ar.

Refrigeração Líquida

O sistema de refrigeração em carros refrigerados a líquido circula um fluido através de tubos e passagens no motor. Conforme esse líquido passa pelo motor quente, ele absorve calor, resfriando o motor. Depois que o fluido sai do motor, ele passa por um trocador de calor, ou radiador, que transfere o calor do fluido para o ar que sopra pelo trocador.

Arrefecimento

Alguns carros mais antigos, e muito poucos carros modernos, são refrigerados a ar. Em vez de circular fluido pelo motor, o bloco do motor é coberto por aletas de alumínio que conduzem o calor para longe do cilindro. Um poderoso ventilador força o ar sobre essas aletas, o que resfria o motor, transferindo o calor para o ar.

Como a maioria dos carros é refrigerada a líquido, vamos nos concentrar nesse sistema neste artigo.

Clique em "Iniciar" para ver o fluxo de fluido através do motor à medida que o motor aquece.

-O sistema de refrigeração do seu carro tem muitos encanamentos. Começaremos na bomba e trabalharemos nosso caminho através do sistema, e nas próximas seções falaremos sobre cada parte do sistema em mais detalhes.

o bomba envia o fluido para o bloco do motor, onde ele passa pelas passagens do motor ao redor dos cilindros. Em seguida, ele retorna através do cabeça de cilindro do motor. o termostato está localizado onde o fluido sai do motor. O encanamento ao redor do termostato envia o fluido de volta para a bomba diretamente se o termostato estiver fechado. Se estiver aberto, o fluido passa pelo radiador primeiro e depois de volta para a bomba.

Existe também um circuito separado para o sistema de aquecimento. Este circuito pega o fluido da cabeça do cilindro e o passa através de um núcleo de aquecimento e depois de volta para a bomba.

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Em carros com transmissões automáticas, normalmente também há um circuito separado para resfriar o fluido de transmissão embutido no radiador. O óleo da transmissão é bombeado pela transmissão por meio de um segundo trocador de calor dentro do radiador.

-Os carros operam em uma ampla variedade de temperaturas, desde bem abaixo de zero até 100 F (38 C). Portanto, qualquer fluido usado para resfriar o motor deve ter um ponto de congelamento muito baixo, um ponto de ebulição alto e deve ter a capacidade de reter muito calor.

A água é um dos fluidos mais eficazes para reter o calor, mas congela a uma temperatura muito alta para ser usada em motores de automóveis. O fluido que a maioria dos carros usa é uma mistura de água e etilenoglicol (C₂H₆O₂), também conhecido como anticongelante. Ao adicionar etilenoglicol à água, os pontos de ebulição e congelamento melhoram significativamente.

Fluido - Ponto de Congelamento - Ponto de Ebulição

• Água Pura: 0 C / 32 F - 100 C / 212 F
• Mistura 50/50 de C₂H₆O₂/ Água: -37 C / -35 F - 106 C / 223 F
• 70/30 mix de C₂H₆O₂/ Água: -55 C / -67 F - 113 C / 235 F

A temperatura do refrigerante às vezes pode chegar a 250 a 275 F (121 a 135 C). Mesmo com etilenoglicol adicionado, essas temperaturas ferveriam o refrigerante, então algo adicional deve ser feito para aumentar seu ponto de ebulição.

O sistema de refrigeração usa pressão para aumentar ainda mais o ponto de ebulição do refrigerante. Assim como a temperatura de ebulição da água é mais alta em uma panela de pressão, a temperatura de ebulição do refrigerante é mais alta se você pressurizar o sistema. A maioria dos carros tem um limite de pressão de 14 a 15 libras por polegada quadrada (psi), o que aumenta o ponto de ebulição em outros 45 F (25 C) para que o refrigerante possa suportar as altas temperaturas.

O anticongelante também contém aditivos para resistir à corrosão.

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Uma bomba centrífuga como a usada em seu carro.

-A bomba d'água é uma bomba centrífuga simples acionada por uma correia conectada ao virabrequim do motor. A bomba circula fluido sempre que o motor está funcionando.

A bomba de água usa a força centrífuga para enviar fluido para o exterior enquanto gira, fazendo com que o fluido seja retirado do centro continuamente. A entrada da bomba está localizada perto do centro, de modo que o fluido que retorna do radiador atinge as palhetas da bomba. As palhetas da bomba lançam o fluido para fora da bomba, onde pode entrar no motor.

O fluido que sai da bomba flui primeiro através do bloco do motor e cabeça do cilindro, depois para o radiador e finalmente de volta para a bomba.

Observe que as paredes do cilindro são bastante finas e que o bloco do motor é quase totalmente oco.

-O bloco do motor e a cabeça do cilindro têm muitas passagens fundidas ou usinadas para permitir o fluxo do fluido. Essas passagens direcionam o refrigerante para as áreas mais críticas do motor.

As temperaturas na câmara de combustão do motor podem chegar a 4.500 F (2.500 C), portanto, resfriar a área ao redor dos cilindros é fundamental. As áreas ao redor das válvulas de escape são especialmente cruciais, e quase todo o espaço dentro da cabeça do cilindro ao redor das válvulas que não é necessário para a estrutura é preenchido com refrigerante. Se o motor ficar sem resfriamento por muito tempo, ele pode emperrar. Quando isso acontece, o metal realmente fica quente o suficiente para o pistão se soldar ao cilindro. Isso geralmente significa a destruição completa do motor.

O cabeçote do motor também possui grandes passagens de refrigeração.

Uma maneira interessante de reduzir as demandas do sistema de refrigeração é reduzir a quantidade de calor que é transferida da câmara de combustão para as partes metálicas do motor. Alguns motores fazem isso revestindo o interior da parte superior da cabeça do cilindro com uma fina camada de cerâmica. A cerâmica é um mau condutor de calor, então menos calor é conduzido para o metal e mais sai do escapamento.

Imagem do radiador mostrando o tanque lateral com refrigerador.

-Um radiador é um tipo de trocador de calor. Ele é projetado para transferir calor do refrigerante quente que flui através dele para o ar que é soprado através dele pelo ventilador.

A maioria dos carros modernos usa radiadores de alumínio. Esses radiadores são feitos soldando finas aletas de alumínio em tubos de alumínio achatados. O refrigerante flui da entrada para a saída através de muitos tubos montados em um arranjo paralelo. As aletas conduzem o calor dos tubos e o transferem para o ar que flui através do radiador.

Os tubos às vezes têm um tipo de aleta inserida neles chamada de turbulador, o que aumenta a turbulência do fluido que flui pelos tubos. Se o fluido fluísse muito suavemente pelos tubos, apenas o fluido que realmente tocasse os tubos seria resfriado diretamente. A quantidade de calor transferida para os tubos do fluido que passa por eles depende da diferença de temperatura entre o tubo e o fluido que o toca. Portanto, se o fluido que está em contato com o tubo esfriar rapidamente, menos calor será transferido. Ao criar turbulência dentro do tubo, todo o fluido se mistura, mantendo a temperatura do fluido tocando os tubos para que mais calor possa ser extraído e todo o fluido dentro do tubo seja usado de forma eficaz.

Os radiadores geralmente têm um tanque de cada lado e dentro do tanque há um refrigerador de transmissão. Na foto acima você pode ver a entrada e a saída por onde o óleo da transmissão entra no refrigerador. O refrigerador da transmissão é como um radiador dentro de um radiador, exceto que em vez de trocar calor com o ar, o óleo troca calor com o refrigerante no radiador.

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Corte da tampa do radiador e reservatório.

-Na verdade, a tampa do radiador aumenta o ponto de ebulição do refrigerante em cerca de 45 F (25 C). Como esse boné simples faz isso? Da mesma forma que uma panela de pressão aumenta a temperatura de ebulição da água. A tampa é, na verdade, uma válvula de alívio de pressão e, em carros, geralmente é ajustada para 15 psi. O ponto de ebulição da água aumenta quando a água é colocada sob pressão.

Quando o fluido no sistema de arrefecimento aquece, ele se expande, fazendo com que a pressão aumente. A tampa é o único lugar onde essa pressão pode escapar, então o ajuste da mola na tampa determina a pressão máxima no sistema de refrigeração. Quando a pressão atinge 15 psi, a pressão empurra a válvula aberta, permitindo que o refrigerante escape do sistema de refrigeração. Este refrigerante flui através do tubo de transbordamento para o fundo do tanque de transbordo. Esse arranjo mantém o ar fora do sistema. Quando o radiador esfria de volta, um vácuo é criado no sistema de resfriamento que abre outra válvula de mola, sugando a água de volta do fundo do tanque de transbordamento para repor a água que foi expelida.

As posições aberta e fechada de um termostato. HSW

-A principal função do termostato é permitir que o motor aqueça rapidamente e, em seguida, mantê-lo em uma temperatura constante. Ele faz isso regulando a quantidade de água que passa pelo radiador. Em baixas temperaturas, a saída para o radiador é completamente bloqueada - todo o líquido refrigerante é recirculado de volta através do motor.

Uma vez que a temperatura do líquido refrigerante sobe para entre 180 e 195 F (82 - 91 C), o termostato começa a abrir, permitindo que o fluido flua através do radiador. No momento em que o refrigerante atinge 200 a 218 F (93 - 103 C), o termostato está totalmente aberto.

Se você tiver a chance de testar um, um termostato é uma coisa incrível de se observar porque o que ele faz parece impossível. Você pode colocar um em uma panela de água fervente no fogão. À medida que aquece, sua válvula abre cerca de uma polegada, aparentemente por mágica! Se você quiser experimentar, vá a uma loja de peças de automóveis e compre um por alguns dólares.

O segredo do termostato está no pequeno cilindro localizado no lado do motor do dispositivo. Este cilindro é preenchido com uma cera que começa a derreter por volta de 180 F (diferentes termostatos abrem em diferentes temperaturas, mas 180 F é comum). Uma haste conectada à válvula pressiona essa cera. Quando a cera derrete, ela se expande significativamente, empurrando a haste para fora do cilindro e abrindo a válvula. Se você leu Como funcionam os termômetros e fez o experimento com a garrafa e o canudo, viu esse processo em ação - a cera apenas se expande um pouco mais porque está mudando de um sólido para um líquido, além de se expandir de o calor.

Essa mesma técnica é usada em abridores automáticos de aberturas de estufas e claraboias. Nestes dispositivos, a cera derrete a uma temperatura mais baixa.

Ventoinha

-Como o termostato, o ventilador de refrigeração deve ser controlado de modo que permita que o motor mantenha uma temperatura constante.

Carros com tração dianteira têm ventiladores elétricos porque o motor geralmente é montado transversalmente, o que significa que a saída do motor aponta para a lateral do carro. Os ventiladores são controlados por uma chave termostática ou pelo computador do motor e ligam quando a temperatura do líquido de arrefecimento ultrapassa um determinado ponto. Eles desligam quando a temperatura cai abaixo desse ponto.

Carros de tração traseira com motores longitudinais geralmente têm ventiladores de refrigeração movidos a motor. Esses ventiladores possuem uma embreagem viscosa controlada termostaticamente. Esta embreagem é posicionada no cubo da ventoinha, no fluxo de ar que passa pelo radiador. Esta embreagem viscosa especial é muito parecida com o acoplamento viscoso às vezes encontrado em carros com tração nas quatro rodas.

Encanamento aquecedor

-Você pode ter ouvido o conselho de que se o carro está superaquecendo, abra todas as janelas e ligue o aquecedor com o ventilador funcionando a todo vapor. Isso ocorre porque o sistema de aquecimento é, na verdade, um sistema de refrigeração secundário que espelha o sistema de refrigeração principal do seu carro.

O núcleo do aquecedor, que está localizado no painel do seu carro, é na verdade um pequeno radiador. A ventoinha do aquecedor sopra ar através do núcleo do aquecedor e para o compartimento do passageiro do seu carro.

O núcleo do aquecedor parece um pequeno radiador.

O núcleo do aquecedor extrai seu refrigerante quente da cabeça do cilindro e o retorna para a bomba - então o aquecedor funciona independentemente de o termostato estar aberto ou fechado.

Para mais informações sobre sistemas de refrigeração de carros e tópicos relacionados, verifique os links na próxima página.

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