Design moderno del sistema di raffreddamento: è più una questione di propulsione che di temperatura

Leggere documenti tecnici tende ad essere un esercizio noioso, ma offre a un tecnico come me una nuova prospettiva su come un comune sistema di raffreddamento automobilistico potrebbe effettivamente essere migliorato. Naturalmente, il nostro pensiero immediato è come il sistema di raffreddamento possa mantenere il motore più fresco. Non è così, secondo un giornale. Al contrario, la parola chiave non riguarda la “temperatura”; si tratta di "propulsore". Dato lo stato avanzato della tecnologia dei motori a combustione interna (ICE), alcune recenti innovazioni del sistema di raffreddamento aumenteranno effettivamente la coppia del motore e il risparmio di carburante riducendo al contempo le emissioni di scarico. Permettetemi di semplificare l’idea: la nuova tecnologia dei sistemi di raffreddamento farà sì che gli ICE funzionino meglio e in modo più pulito. Quindi, andiamo sulla stessa pagina rivedendo alcune nozioni di base.

Anche se modificare il sistema di raffreddamento per ottenere maggiore potenza ed economia è una cosa inebriante, la maggior parte di questa storia è che l'attuale tecnologia dei sistemi di raffreddamento non è progredita così lontano dai semplici sistemi a termosifone introdotti all'inizio del 1900. Il sistema a termosifone fa circolare il liquido di raffreddamento consentendo al liquido di raffreddamento espanso termicamente di salire dal motore caldo nel serbatoio di testa di un radiatore in ottone a nucleo verticale. Quando il liquido di raffreddamento inizia ad abbassarsi a causa della contrazione termica, il liquido di raffreddamento irradia calore nella massa d'aria che passa attraverso il nucleo del radiatore. Dopo che la massa radiante del radiatore ha dissipato il calore del liquido refrigerante, il flusso del liquido refrigerante ritorna al blocco motore inferiore per ripetere il ciclo. Ma, per quanto semplici fossero, i sistemi a termosifone funzionavano bene solo con motori che producevano meno di 30 CV.

Con l'avvento di una maggiore potenza, le pompe dell'acqua centrifughe con trasmissione a cinghia hanno trasformato il sistema a termosifone in un moderno sistema di raffreddamento a flusso positivo in grado di funzionare praticamente in qualsiasi tipo di clima. Sfortunatamente, la pompa dell’acqua centrifuga fornisce una circolazione di refrigerante maggiore di quella di cui il motore ha bisogno nella maggior parte delle situazioni di guida, il che la rende tristemente inefficiente in termini di moderno risparmio energetico.

La distribuzione dell'acqua attraverso la testata è controllata da passaggi fusi nel blocco e da passaggi stampati nella guarnizione della testata. Indipendentemente dal sistema, la distribuzione uniforme del flusso di liquido refrigerante attraverso il blocco motore, la testata e attorno alle luci di scarico calde rimane l'obiettivo principale di qualsiasi sistema di raffreddamento contemporaneo.

Idealmente, un ICE dovrebbe funzionare vicino al punto di ebollizione dell'acqua per garantire che l'acqua, un sottoprodotto della combustione, venga evaporata dall'olio motore durante il normale funzionamento. Senza un valore impostato elevato per la temperatura del liquido di raffreddamento, l'olio motore si trasforma rapidamente in una morchia nera e altamente viscosa che ostruisce i passaggi vitali dell'olio e corrode le parti interne. Oggi, i termostati controllati da pellet di cera rappresentano il metodo standard per la gestione meccanica del flusso e della temperatura del refrigerante.

Il termostato blocca il flusso del liquido di raffreddamento durante il riscaldamento del motore, il che provoca una marcata differenza nei tassi di dilatazione termica tra i blocchi motore in ghisa e le testate dei cilindri in alluminio. Questa disuguaglianza nel trasferimento di calore può eventualmente causare l'affaticamento del metallo nella testata e il guasto della guarnizione della testata. Il circuito di bypass del liquido di raffreddamento consente alla pompa dell'acqua di riscaldare uniformemente il gruppo motore facendo circolare il liquido di raffreddamento attraverso il blocco motore e la testata mentre il termostato è chiuso. La maggior parte dei circuiti di bypass fanno circolare il refrigerante direttamente dall'uscita della pressione della pompa dell'acqua alla base del termostato, garantendo una temperatura di apertura precisa del termostato.

Un radiatore rimuove il calore dal liquido di raffreddamento trasferendolo all'atmosfera relativamente fresca. I radiatori si sono evoluti dai radiatori in ottone del passato ai radiatori contemporanei con nucleo in alluminio con serbatoi in plastica. In pratica, in passato, i radiatori venivano montati sulla parte anteriore della lamiera della carrozzeria per raccogliere l’aria che scorreva liberamente alla velocità della strada. Al giorno d'oggi, i radiatori sono posizionati dietro la lamiera della carrozzeria per raggiungere obiettivi aerodinamici, il che crea importanti problemi di progettazione per quanto riguarda la capacità del refrigerante del radiatore e l'esposizione all'aria che scorre liberamente.