Teoria e pratica sul sistema di raffreddamento dei motori a combustione interna....
Iveco 35c13
Come funzionano i sistemi di raffreddamento dell'automobile
Anche se i motori a combustione interna sono migliorati molto, non sono ancora molto
efficienti nel trasformare l'energia chimica fornita dalla miscela
combustibile-comburente in energia meccanica. La
maggior parte dell'energia del combustibile (oltre il 70%) è convertita in
calore ed è il lavoro del sistema di raffreddamento a dissipare quel calore. Il
lavoro primario del sistema di raffreddamento è quello di evitare al motore il
surriscaldamento, trasferendo questo calore all'aria, ma il sistema di
raffreddamento ha parecchi altri compiti importanti. Il motore
dell’automobile funziona meglio ad una temperatura ragionevolmente elevata.
Quando il motore è freddo, i suoi componenti si usurano più velocemente per
attrito, è
meno efficiente ed inquina di più. Per questo motivo, un altro compito importante del
sistema di raffreddamento, è permettere che il motore si riscaldi il più
rapidamente possibile, per poi mantenerlo ad una temperatura costante.
Sui veicoli equipaggiati di trasmissione automatica (a convertitore di coppia idraulico), vi è di norma un circuito separato per il raffreddamento del liquido della trasmissione. L'olio idraulico è pompato dalla trasmissione, in un secondo scambiatore di calore (spesso acqua-olio), collocato accanto al radiatore.
Liquido
I motori a combustione interna devono funzionare bene in un ampio range di temperature
ambientali, a partire da parecchi gradi sotto zero a ben oltre 40 °C. Il liquido usato per
raffreddare il motore deve quindi avere un punto di congelamento molto basso, un
alto punto di ebollizione e deve avere elevata capacità di assorbire il calore.
L'acqua è uno dei liquidi più efficaci per l'assorbimento di calore*, ma
ghiaccia ad una temperatura troppo alta e bolle a una temperatura troppo bassa
per poter essere impiegata senza additivi nei moderni propulsori. Il liquido
maggiormente usato è una miscela di acqua e glicole etilenico (C2H6O2),
volgarmente conosciuta come antigelo. Mescolando il glicole etilenico con
l'acqua, i punti di ebollizione e congelamento migliorano significativamente.
| 100% H2O | 50/50 C2H6O2-H2O |
70/30 C2H6O2-H2O |
|
| Punto di Congelamento | 0 °C | -37 °C | -55 °C |
| Punto di Ebollizione | 100 °C | 106 °C | 113 °C |
La temperatura del refrigerante può, in alcuni casi, raggiungere e superare 120 °C. Anche con il glicole etilenico aggiunto, queste temperature porterebbero ad ebollizione il refrigerante, qualche cosa di supplementare deve quindi essere fatto per innalzare questo limite. La pressione di esercizio del sistema di raffreddamento può ulteriormente aumentare il punto di ebollizione del refrigerante. Questo lo si spiega anche empiricamente, con un esempio della pentola a pressione, dove la temperatura d'ebollizione dell’acqua è più alta; applicando lo stesso principio, otteniamo che la temperatura di ebollizione del refrigerante è più alta se si pressurizza il sistema. La maggior parte delle automobili hanno una sovrappressione di circa 1 kg/cm2, che incrementa il punto di ebollizione anche di 25 °C, in modo che il refrigerante possa sostenere più alte temperature. L'antigelo inoltre contiene additivi per combattere la corrosione dei materiali.
*(L'acqua presenta un elevato calore specifico. Il calore specifico di una sostanza è il numero di calorie necessarie per elevare di 1°C la temperatura di un grammo di sostanza. Dire che l’acqua presenta un elevato calore specifico significa che, a parità di massa, l'acqua necessita di una quantità di calore molto più elevata di qualsiasi altra sostanza inorganica (ammoniaca (NH3) esclusa) per manifestare lo stesso effetto di riscaldamento, ovvero lo stesso aumento di temperatura. In altre parole l'acqua, rispetto ad altre sostanze può assorbire molto calore senza scaldarsi eccessivamente. Una conseguenza di questo fenomeno è che l'acqua si scalda e si raffredda molto più lentamente delle altre sostanze. L'elevata capacità termica e l'elevato calore di evaporazione fanno dell'acqua un ottimo liquido refrigerante e, in generale, termoregolante, capace cioè di ammortizzare in modo molto efficace gli sbalzi termici.)
Pompa dell’acqua
La pompa dell’acqua è una semplice pompa centrifuga semplice mossa da una
cinghia o da un treno di ingranaggi, collegati all'albero a gomiti del motore. La pompa fa circolare il
liquido durante il funzionamento del motore, il movimento rotatorio crea una
forza centrifuga che spinge il liquido verso la parte esterna (mandata), inducendo
il liquido ad essere estratto continuamente dal centro (aspirazione). L'ingresso
alla pompa è collocato vicino al centro in modo che il liquido che arriva dal
radiatore colpisca le alette della pompa. Le alette della pompa spingono il
liquido incomprimibile verso la parte esterna della pompa. Il liquido che lascia la pompa passa
in primo luogo nel monoblocco del motore e nella testata dei cilindri, poi nel
radiatore ed infine di nuovo alla pompa.
Motore
Il blocco motore e la testata hanno, ricavati molti passaggi nella fusione o per
lavorazione, calcolati tenendo conto della quantità di fluido che deve
scorrervi. Questi passaggi sono studuati anche per dirigere il refrigerante verso le zone più critiche
del motore.
Si noti che le pareti del cilindro sono
abbastanza sottili e che il blocco motore è essenzialmente vuoto (foto di motori
generici)
I materiali che costituiscono il monoblocco e la testata di un motore a combustione interna, sia benzina che gasolio, non sono in grado di resistere al calore prodotto dal combustibile, senza l'impiego di un sistema di raffreddamento. Le temperature nella camera di combustione del motore possono raggiungere 2.500 °C nei motori a benzina, anche se per brevissimo tempo. Le zone intorno alle valvole di scarico sono particolarmente cruciali e quasi tutto lo spazio all'interno della testata del cilindro intorno alle valvole, che non è necessaria per esigenze strutturali, è riempito di liquido refrigerante. Se il motore funzionasse senza raffreddarsi a lungo, andrebbe incontro al fenomeno detto grippaggio. Durante questo processo degenerativo irreversibile, il metallo diventa abbastanza caldo da far sì che il pistone si saldi al cilindro; in questa eventualità, si verifica la distruzione completa del motore.
La testa del motore inoltre ha grandi passaggi del refrigerante.
Per ridurre le “incombenze” del sistema di raffreddamento, si cerca di diminuire la quantità di calore che viene trasferita dalla camera di combustione, alle parti metalliche del motore. Alcuni motori ottengono questo risultato, grazie al rivestimento del cielo della camera di combustione, con uno strato sottile di ceramica. Essendo la ceramica è un cattivo conduttore di calore, questo ultimo raggiunge il metallo, del motore in maniera proporzionalmente ridotta.
Radiatore
Un radiatore è un tipo di scambiatore di calore. Serve a trasferire il calore
dal liquido refrigerante caldo che lo attraversa, all'aria convogliata ad esso dal
ventilatore o dal vento di corsa. La maggior parte veicoli
utilizzano i radiatori di alluminio (che e' un ottimo conduttore di calore
rispetto all'acciaio). Questi radiatori sono realizzati brasando
le sottili alette di alluminio a tubi di alluminio appiattiti. Il refrigerante
scorre dall'ingresso attraverso molti tubi montati in una disposizione parallela
oppure una serpentina. Le alette conducono il calore dai tubi trasferendolo
all'aria che attraversa il radiatore, aumentando virtualmente così la superficie di
scambio di questi ultimi. Il radiatore a flusso incrociato è dotato di un vaso
di espansione semitrasparente per permettere l’espansione dei vapori del
refrigerante ad alta temperatura e facilitarne il controllo del livello.
Su alcuni motori il vaso è integrato nella struttura del radiatore.
A: vaso di espansione B: vite di scarico C: interruttore termico ventola
radiatore in alluminio con "alette ondulate"
matrice a "tubi alettati"
All'interno dei tubi spesso viene inserita una specie di spirale denominata turbolatore; questa aumenta la turbolenza del liquido che attraversa i tubi.
Se il liquido passasse in maniera uniforme per i tubi, solo il liquido che effettivamente a contatto con i tubi sarebbe raffreddato direttamente. La quantità di calore trasferita ai tubi dal liquido che li attraversa dipende dalla differenza di temperatura fra il tubo metallico ed il liquido che questo tocca. Così, se il liquido che è in contatto con il tubo si raffredda rapidamente, meno calore sarà trasferito. Generando una turbolenza all'interno del tubo, tutte la miscela fluida si mescola continuamente; mantenendo la temperatura del liquido complessivamente su valori più alti, tutto il liquido all'interno del tubo viene impiegato efficacemente, in modo da potere trasferire più calore possibile.
Immagine del radiatore che mostra lo scambiatore acqua-olio di una trasmissione automatica
I radiatori dei veicoli con trasmissione automatica a ruotismi epicicloidali, sono muniti spesso di uno scambiatore acqua-olio. Nelle immagini qui sopra, si vede l'ingresso e la presa in cui l'olio dalla trasmissione entra nel dispositivo di raffreddamento. Il dispositivo di raffreddamento della trasmissione è assimilabile ad un radiatore all'interno di un radiatore, solo che invece di scambiare calore con l'aria, l'olio scambia il calore con il refrigerante nel radiatore.
Controllo sovrappressione
Il circuito del radiatore sigillato aumenta il punto di ebollizione
del refrigerante di circa 25 °C. E’ lo stesso principio di una pentola a
pressione, che aumenta la temperatura d'ebollizione dell’acqua. Il controllo
del sistema è realizzato utilizzando una valvola di rilascio della pressione
calibrata solitamente a 1 kg/cm2.
Quando il liquido nel sistema di raffreddamento si riscalda, si espande,
causando un aumento di pressione. La valvola di protezione è l'unico posto in
cui questa pressione può fuoriuscire in caso di necessità; la regolazione della molla della valvola
di protezione determina la pressione di esercizio nel sistema di raffreddamento.
Quando la pressione raggiunge 1 kg/cm2,
la pressione costringe la valvola ad aprirsi, permettendo che il refrigerante
fuoriesca dal sistema di raffreddamento. Questo refrigerante viene scaricato
attraverso il tubo di troppo-pieno. La valvola spesso e' integrata nel tappo di
riempimento del circuito.
Termostato a cartuccia di cera
La valvola termostatica è un semplice dispositivo sensibile alla variazione di
temperatura: da una posizione di chiusura, essa si apre gradualmente per
permettere il passaggio completo del fluido giunto ad una temperatura ritenuta
ottimale per l'impianto specifico. Il suo compito, in un motore a combustione
interna con raffreddamento ad acqua o per meglio dire indiretto, è esattamente
quello di consentirne il riscaldamento in un lasso di tempo minore, grazie al
minor quantitativo di calore asportato dal liquido per via della sezione di
passaggio parzializzata. Appare evidente come sia necessario che, raggiunto un
fissato livello termico x, la valvola non blocchi il fluido per non avere un
effetto controproducente sul piano prestazionale.
Il compito principale del termostato è permettere appunto che il motore si
riscaldi rapidamente e a quel punto lo mantenga ad una temperatura
costante. Fa questo modulando la quantità di acqua che passa tramite il
radiatore. A freddo la presa al radiatore è completamente ostruita e tutto il
refrigerante ricircola nel motore e nel sistema di riscaldamento dell’abitacolo.
Una volta che la temperatura del refrigerante aumenta fra 80°e 90°C, il
termostato comincia ad aprirsi, permettendo che il liquido attraversi il
radiatore.
Il termostato si apre gradualmente per mantenere la temperatura di progetto,
controllando la quantità di acqua che raggiunge il radiatore. Il grado di
apertura del termostato dipende da molti fattori, tra cui la potenza richiesta al motore,
il flusso d’aria al radiatore e la temperatura esterna. Il processo di base è
interamente meccanico, il solo elemento controllato elettricamente è solitamente
la ventola di raffreddamento. Nel momento in cui il
refrigerante raggiunge una temperatura compresa in 90 - 105 °C, il termostato è tutto aperto.
Facendo terminare la fase di preriscaldamento del motore il più rapidamente
possibile, il termostato contribuisce a ridurre l'usura per attrito dei metalli, i residui e le
emissioni inquinanti del motore.
Il termostato nella maggior parte delle automobili, ha un diametro di circa 5 centimetri.
La posizione aperte e chiuse di un termostato a cartuccia di cera
Questa tipologia di termostati (quasi universalmente usata)
funziona meccanicamente; utilizza una cartuccia di cera (o paraffina, entrambe
sostanze ad elevato coefficiente di dilatazione termica) inserita in una sede
sigillata. La cera è solida a basse temperature ma quando il motore si scalda la
cera fonde e si espande. La sede sigllata ha un sistema di espansione che apre
progressivamente la valvola spinta da un pistoncino, quando si supera la temperatura di
taratura; una molla antagonista fa da contrasto. La temperatura di attuazione è
prefissata, determinata dalla specifica composizione della cera; i
termostati di questo tipo possono mantenere differenti temperature di
intervento, generalmente tra i 70 e i 90 °C.
Molti termostati hanno un piccolo buco di bypass, per sfiatare l’aria che
potrebbe essere entrata nel circuito, ad esempio durante la sostituzione del liquido
refrigerante.
Ventilatore
Come il termostato, il ventilatore deve essere controllato in modo da permettere
che il motore lavori a una temperatura costante. In generale, i ventilatori sono
controllati con un interruttore termostatico o dalla centralina del motore e
partono quando la temperatura del refrigerante supera un punto di taratura.
Si spengono quando la temperatura scende a valore inferiore.
ventilatore generico
Riepilogando i modelli di ventilatore possono essere:
VENTOLA MOSSA DALL'ALBERO MOTORE. La ventola di raffreddamento è
collegata all'albero motore, ed è calettata alla pompa dell’acqua
tramite un giunto viscostatico. Tale ventola a
freddo gira al 25% dei giri motore, perchè c'è comunque attrito nei cuscinetti
del mozzo, al massimo gira al 95%.
Iveco invece utilizza una ventola a frizione elettromagnetica, comandata da termocontatto inserito sul
corpo del radiatore (nb: Il primo Daily aveva una
ventola "fissa"); qui la puleggia interna ed esterna vengono rese
solidali da un freno elettromagnetico.
VENTOLA ELETTRICA. Tipica dei veicoli a motore trasversale. Una ventola
munita di motore elettrico con uno o due velocità, è posta dietro al radiatore e controllata
dal sistema di gestione del motore o termocontatto.
VENTOLA AUSILIARIA. In alcuni veicoli viene montata una ventola ausiliaria
elettrica, che serve essenzialmente per il circuito dell’aria
condizionata, ma agisce anche quando la temperatura del refrigerante supera un
certo valore.
Sistema di riscaldamento
E’noto il consiglio che se il motore si sta surriscaldando, è utile far
funzionare il riscaldamento con il ventilatore abitacolo attivato alla massima velocità.
Questo perché il sistema di riscaldamento è realmente un sistema di
raffreddamento secondario che rispecchia il sistema di raffreddamento principale
dell’automobile.
impianto idraulico riscaldatore (esempio)
Il nucleo del riscaldatore, che è situato all'interno del cruscotto dell’automobile, è in pratica un piccolo radiatore. Il ventilatore del riscaldatore invia l'aria calda proveniente dal blocco del riscaldatore all’abitacolo dell’auto.
esempio di riscaldatore
Il riscaldatore funziona a prescindere dal fatto che il termostato sia aperto o meno, infatti preleva e ricircola il refrigerante caldo direttamente dal motore; è chiaro che se si chiede il massimo riscaldamento a motore ancora freddo, questo raggiungerà la temperatura di esercizio più lentamente. Alcuni impianti di riscaldamento sono provvisti di rubinetti termostatici che impediscono l'attivazione del ventilatore abitacolo a motore freddo e regolano il flusso del liquido nel riscaldatore, per mantenere costante la temperatura abitacolo (v. Alfa Romeo 75 con A/C)
RISOLUZIONE DEI PROBLEMI
La maggior parte dei guasti può essere inserita in una di queste 3 categorie:
• Perdite dal circuito di raffreddamento
• Insufficiente circolazione del liquido
• Guasti alle ventole di raffreddamento
• Guasti all'impianto elettrico/elettronico di controllo
Prima di procedere a qualsiasi intervento conviene effettuare
un’accurata ispezione visiva di tutti i componenti del sistema (pompa, cinghie,
manicotti, radiatore, ecc..). Il circuito di raffreddamento si trova in
pressione alla normale temperatura di esercizio, per ottenere un innalzamento
della temperatura di ebollizione del liquido (che è una miscela di acqua e
glicole etilenico, con temperature critiche inferiori a 0 °C e superiori a 100°C
rispetto alla sola acqua).
Se ci sono perdite, il circuito fatica ad andare in pressione, e il liquido bollirà ad
una temperatura inferiore.
Se il circuito è correttamente riempito di liquido e mantiene la pressione, le più
probabili cause di surriscaldamento derivano da:
• Ventola guasta
• Cinghia di comando della ventola danneggiata (per chi ne è dotato)
• Termostato o pompa guasti
• Radiatore e manicotti sporchi o intasati
PROVA DI TENUTA DELLA PRESSIONE
Tale prova serve per verificare eventuali perdite interne. Alcune cause
frequenti di perdite interne sono: guarnizione della testa rovinata, testata e/o
monoblocco fessurati.
Per eseguire questa prova occorre uno speciale attrezzo:
A motore freddo, montare lo strumento al posto del tappo del vaso di
espansione; pressurizzare il sistema fino al valore specificato. La pressione
non deve calare più di 0.1 bar per almeno 2 minuti. Se la pressione cala
rapidamente e non ci sono segni esterni visibili di perdite (manicotti,
radiatore, ecc), potrebbe essere danneggiata la guarnizione della testa; in tal
caso eseguire una prova di compressione dei cilindri.
Per verificare il corretto funzionamento della valvola di sovrapressione del
tappo del vaso di espansione occorre un altro attrezzo: una pompetta a mano a
cui applicare il tappo con cui verificare a che valore di pressione la valvola
scatta.
CONTROLLO RAPIDO DEL TERMOSTATO
Per verificare se il termostato apre e il liquido circola nel radiatore, far
raggiungere al motore freddo la temperatura di esercizio (ago del termometro
circa al centro del quadrante).
Spegnere il motore.
Toccare la tubazione superiore del radiatore; se il manicotto è caldo, il
liquido probabilmente circola correttamente. Se ci sono alcune zone fredde nei
manicotti o nel radiatore, il flusso del refrigerante potrebbe essere ostruito.
(Altrimenti fare la prova inversa: con motore acceso da pochi minuti e ancora
freddo, toccare il manicotto di ingresso al radiatore: se è caldo vuol dire che
il liquido sta circolando nel radiatore anche quando non dovrebbe, per cui la
valvola resta aperta) Verificare se il termostato è rotto o il radiatore è
intasato.
Un termostato bloccato aperto farà scaldare il motore molto lentamente e
funzionerà sotto la normale temperatura a velocità elevate; se bloccato chiuso o
semi chiuso ostacolerà il flusso del liquido al radiatore e causerà
surriscaldamento.
Se il motore scalda troppo e non ci sono altri problemi nel sistema, il
radiatore può avere manicotti ostruiti che ostacolano il passaggio del liquido.
Il termostato è generalmente montato in un alloggiamento nella parte frontale del blocco
o della testa cilindri (figura) . alcuni motori, come la Fiat 600/850 hanno la
pompa acqua distante dal motore
Un rapido controllo al trasduttore per l’indicatore temperatura può
servire a verificare se l’indicatore funziona correttamente.
Se l’ago dell’indicatore rimane in posizione di riposo a motore caldo, togliere
la pipetta dal trasduttore e ponticellare i terminali corretti nel connettore
per simulare una situazione di alta temperatura motore (vedi sopra). Dare
contatto: se l’ago sale, il trasduttore è guasto. Se lo strumento non reagisce,
è rotto il suo cablaggio (circuito aperto) o è guasto l’indicatore in sé.
NOTA: su alcuni veicoli conformi alla OBD II. Staccando i cablaggi elettrici con
il contatto inserito si possono creare codici di errore nella ECM, che andranno
visualizzati e resettati.
Se l’ago dell’indicatore legge un valore troppo alto quando il motore è freddo,
togliere la pipetta dal trasduttore. Dare contatto: se l’ago non si sposta, il
cablaggio o l’indicatore sono a massa. Se l’ago scende, il trasduttore è da
sostituire (sempre insieme alla sua guarnizione di tenuta.
CONTROLLO DELLA VENTOLA DEL RADIATORE
Un impianto di raffreddamento sano può portare comunque al surriscaldamento a
causa della rottura della ventola/e.
In alcuni modelli che hanno la ventola mossa da cinghia, il controllo che
avviene tramite un giunto viscoso dipendente dalla temperatura.
Con il motore spento, controllare la ventola facendola muovere a mano. La
ventola dovrebbe ruotare con un po’ di resistenza. Se gira senza resistenza, non
gira proprio a mano, o ci sono tracce di perdita di olio dal giunto, sostituire
il giunto. In altri modelli il movimento avviene tramite giunto
elettromagnetico; per verificarne il funzionamento, a motore spento la frizione
non impegna la ventola, che si muoverà liberamente rispetto all'asse della
pompa; per provare se la frizione si attiva, a motore spento, si staccano i due
contatti sul termocontatto-ventola, si accende il quadro senza avviare e si
verifica se la ventola viene bloccata dalla frizione sull'asse della pompa.
La ventola elettrica interviene quando la temperatura del liquido supera un
valore prefissato o quando l’aria condizionata è accesa.
esempio di termocontatto sul radiatore
Quando si sostituisce il termo-interruttore verificare i valori delle
temperature di funzionamento, che dovrebbero essere stampigliati sul corpo dello
stesso. Se il liquido circola alla normale temperatura di esercizio, ma la
ventola non gira, staccare il connettore dall’interruttore sul radiatore e
eseguire delle prove con un ponticello azionando la chiave nel blocchetto di
accensione motore (Attenzione!!! Pericolo, la ventola su
alcuni veicoli si inserisce a prescindere la posizione della chiave nel
blocchetto di accensione)
Se la ventola gira solo quando alimentata direttamente dai fili ponticellati e
il refrigerante caldo circola nel radiatore, l’interruttore termico del
radiatore è probabilmente rotto.
Se la ventola ausiliaria non gira quando alimentata direttamente, controllare se
arriva tensione dalla batteria alla pipetta dell’interruttore. Se non c’è
tensione, controllare i fusibili.
Alcune ventole elettriche hanno due velocità, e' necessario verificare entrambi
i circuiti!
Interruttori ventola 35.12 e precedenti
Torna alla pagina precedente GO BACK
il sito www.giordanobenicchi.it NON ha alcun contatto con il produttore dei veicoli ricreazionali/meccaniche, tutte le informazioni pubblicate nelle pagine di questo sito sono frutto di esperienza personale.