Sistema de Arrefecimento dos Motores de Combustão Interna

As consecutivas combustões do motor levam o mesmo a atingir temperaturas extremas dentro da câmara de combustão (2000°C). Fato este que levaria a destruição total do motor caso não houvesse um sistema de arrefecimento que retirasse o calor das paredes da câmara de combustão. Os diversos componentes do motor trabalham a diferentes gradientes térmicos, sendo que as paredes do cilindro não podem ultrapassar a temperatura limite do óleo lubrificante (150°C).

Diretamente em contato com a combustão, os pistões trabalham a temperatura de 320°C, o limite do seu material (liga de alumínio). A câmara de combustão atinge em torno 200°C, sendo que outros componentes também ligados a combustão trabalham a temperaturas maiores. As válvulas de admissão(120°C) por sua vez tem o fluxo de ar/combustível que retira calor das mesmas no momento de sua admissão, mas as válvulas de escape (750°C) trabalham sob constante estresse térmico, pois os gases da combustão são retirados da câmara de combustão através dela, assim como a vela (500-600°C) que efetua a combustão.

As válvulas conseguem trocar de calor com suas sedes e guias, e as velas escoam sua temperatura para o cabeçote, e finalmente o fluído de arrefecimento troca de calor com estes. A importância do sistema de arrefecimento está no fato de que a temperatura interna do motor deve ser tal que, o óleo consiga trabalhar com boa viscosidade, que as folgas internas sejam preenchidas, que a expansão da frente de chama não atinja as paredes da câmara e principalmente, que as temperaturas elevadas da câmara de combustão sejam evitadas devido, ao efeito nocivo da detonação. Com isso o sistema de arrefecimento trabalha para manter o motor em sua temperatura ideal, sendo esta cerca de 90-95°C.

O sistema de arrefecimento dos automóveis possuem duas variações:

  • Sistema de arrefecimento a ar;
  • Sistema de arrefecimento a água.

O sistema de arrefecimento a água possui duas variações:

  • Arrefecimento a água por termossifão;
  • Arrefecimento a água forçado.

Sistema de arrefecimento a ar

No mercado automotivo o uso deste sistema não se estendeu por muito tempo, apenas algumas marcas como Porsche e Volkswagen foram mais longe em seu uso. Este sistema tem como maior característica sua simplicidade. Não há circulação de água dentro do motor, o arrefecimento é realizado pelo fluxo de ar que passa por ele durante o deslocamento do veículo. A temperatura de funcionamento em motores arrefecidos a ar é maior que em motores arrefecidos a água, por sua vez o óleo lubrificante acaba por ter um importante papel na troca de calor com componentes internos, o que motivou o uso de óleos de qualidade e radiadores de óleo para esses motores. A temperatura do óleo é monitorada por um termostato.

Aletas usinadas no cabeçote garante maior área de contato com o fluxo de ar e assim um melhor arrefecimento. Embora estes motores atinjam sua faixa de temperatura de trabalho mais rapidamente, em situações de baixo ou inexistente fluxo de ar, como paradas em marcha-lenta ou subidas muito longas, o arrefecimento ficaria comprometido. Isso não ocorre devido ao uso de uma ventoinha, que pode vir montada na árvore de manivelas, garantindo o fluxo de ar necessário para o motor.

No entanto, em momentos que o motor precisar atingir ou manter a temperatura de trabalho, como nas partidas a frio, deslocamento em alta velocidade ou descidas de montanha, frequentemente era utilizado um obturador que cessava a passagem do fluxo de ar para as aletas do cabeçote para garantir a temperatura ideal de funcionamento.

A limitação deste sistema está no fato da grande variação de temperatura durante seu funcionamento, e de sua sensibilidade a variação de carga do próprio motor e da temperatura ambiente, resultando em tolerâncias de projeto maiores e óleos mais viscosos. Sua manutenção está vinculada a correia que liga a árvore de manivelas a ventoinha, e nos casos de ventoinha diretamente acoplada na árvore de manivelas, não há nenhuma manutenção.

Sistema de arrefecimento a água

A utilização de água desmineralizada misturada na devida proporção com aditivo deu um grande salto na evolução dos motores de combustão interna. Não havia mais aquela irregularidade na temperatura de funcionamento do motor, e os motores passaram a funcionar com limites de temperatura cada vez mais estreitos. O que certamente ajudou no aumento do binário do motor no decorrer dos anos. Entretanto, o primeiro sistema de arrefecimento a água a surgir foi o Termossifão, mas ainda era deficiente em alguns pontos.

Sistema de arrefecimento a água – termossifão

Neste sistema, o fluido de arrefecimento circula a partir da diferença de densidade do fluído que se encontra no radiador, e do fluído nos arredores dos cilindros. O fluído de arrefecimento contido no radiador era menos quente e mais denso, tende a descer. Contrariamente o fluído que está no bloco do motor é mais quente e menos denso, então é empurrado pelo fluido que sai pelo conduto inferior do radiador e canalizado direto para próprio radiador fechando um ciclo.

Isto garante uma boa fase de aquecimento do motor, pois a água apenas circula depois que o motor alcançar a temperatura de trabalho. Apesar disso, este sistema requisita grandes dimensões do radiador e suas condutas, além de estar desnivelado em relação ao motor, resultando em grande área ocupada na dianteira, prejudicando a aerodinâmica.

A diferença de temperatura entre o ponto mais frio do motor e o ponto mais quente pode apresentar 40°C, o que compromete o controle estreito da temperatura do motor e facilita o congelamento da água no radiador em locais de clima frio. Em momentos de pouco fluxo de ar sobre o radiador, o fluxo de ar é suprido por uma ventoinha.

Sistema de arrefecimento a água – forçado

O sistema de arrefecimento forçado superou completamente o antigo termossifão. Finalmente era possível obter um controle mais rígido em cima dos limites de temperatura do motor, diminuir as dimensões do radiador, reduzir a diferença de temperatura entre pontos frio e quente(<10c), além poder se utilizar do fluído para o aquecedor interno do veículo.

Uma bomba acionada pelo próprio motor pressuriza o sistema e garante a circulação de fluído de arrefecimento no motor sem que este tenha grandes perdas em potência. A pressão exercida pela bomba circula o fluído em grande velocidade aumentando o coeficiente de transferência de calor. A passagem de fluído pelo radiador é controlada por uma válvula termostática, que libera e cessa a passagem de fluído para o radiador de acordo com a temperatura do fluído, permanecendo fechada quando o fluido ainda não estiver dentro da faixa de 85-90°C.

Quando o veículo encontra-se parado com o motor em funcionamento, o fluxo de ar sobre o radiador é nulo. Para garantir este fluxo, é empregado um eletro-ventilador controlado eletricamente por um interruptor termostático. Este interruptor aciona o eletro-ventilador sempre que a temperatura do fluído de arrefecimento superar os 95°C.

A circulação do fluído de arrefecimento dentro do motor e radiador é possibilitada pelo uso da válvula termostática. Esta válvula está diretamente em contato com o fluído, e quando encontra-se fechada, o fluido segue para um canal de retorno ao bloco do motor. Uma vez atingida a temperatura de abertura, o fluído tem passagem livre para o radiador.

Componentes – Sistema arrefecimento a água forçado

  • Aditivo Anti-congelante do radiador;
  • Reservatório de expansão;
  • Radiador;
  • Bomba de água;
  • Válvula termostática;
  • Eletro-ventilador;
  • Câmara de água.

Aditivo anti-congelante do radiador

Feito a base de etilenoglicol, o conhecido aditivo do radiador é um fluído que deve ser combinado a água destilada em um proporção que varia de acordo com o fabricante. A função do aditivo é elevar a pressão e a temperatura de ebulição da água. Entretanto, as funções mais importantes são as de agente anti-corrosão e lubrificação, que servem para reduzir o impacto da oxidação da água sobre o metal do motor e lubrificar a bomba d’água.

Reservatório de expansão

Também chamado de reservatório de água, não possui função de armazenar o fluído de arrefecimento, na realidade este componentes serve para possibilitar que o fluído de arrefecimento (água e aditivo combinados em proporções determinadas) tenha espaço para expandir quando estiver em temperaturas elevadas. Em geral, são fabricados em materiais plásticos e translúcidos, com marcações do volume mínimo e máximo de fluído de arrefecimento.

A tampa do reservatório, possui uma pequena válvula de um fluxo único, no qual os vapores de fluído possam escapar do sistema e não gerar sobrepressão e permitir que ar entre no sistema.

Radiador

Erroneamente chamado de radiador, o radiador não se utiliza da radiação para realizar a troca de calor entre fluido e ar. E sim da convecção. Os radiadores são compostos elementos em forma de favo, com tubulações por onde circulam o fluído de arrefecimento.

Os primeiros radiadores possuía uma tampa chamada de registro, que limitava a pressão do sistema em momento de aquecimento e expansão da água. Atualmente existe um reservatório de expansão para isso, onde o fluido encontra-se a um determinado nível, ao aquecer o nível do fluído aumenta devido expansão, aumentando também a pressão.

Quando frio, o fluido se contrai reduzindo o nível do reservatório. A tampa do reservatório de expansão aumenta a pressão do sistema em 0,3-0,5 Bar acima da pressão atmosférica, o que eleva a temperatura de ebulição da água para 110°C. Isso garante que o fluído de arrefecimento não ferva e entre em ebulição nas mais variadas condições climáticas que o veículo venha a enfrentar;

Bomba de água

Uma bomba centrífuga que pressuriza e acelera a circulação do fluído sobre o bloco do motor. Esta bomba é ligada a árvore de manivelas por uma correia trapezoidal feita de borracha. O uso do aditivo colabora com a vida útil da bomba, o aditivo lubrifica as partes móveis da bomba e previne contra oxidação.

Válvula termostática

Esta válvula possui a importante função de controlar a temperatura de trabalho do motor. É constituída por uma cápsula cilíndrica no qual possui uma cera em estado sólido sensível a variações de temperatura. Quando o motor atinge uma temperatura acima da temperatura limite para a válvula permanecer fechada, a cera aquece e derrete, empurrando a haste e abrindo a passagem para fluído de arrefecimento seguir rumo ao radiador.

Câmara de água

É o espaço por onde o fluído de arrefecimento circula por todo o bloco do motor e cabeçote. A câmara de água coloca o fluído de arrefecimento em contato com as paredes dos cilindros, sedes de válvulas e guias de válvulas para trocar de calor com esses componentes, efetuando o arrefecimento. Sua entrada de água é localizada na parte inferior do bloco, que é ligada ao duto inferior do radiador, e sua saída de água é posicionada na parte superior do bloco, ligada ao duto superior do radiador.

Manutenção

O sistema de arrefecimento funciona com a utilização do fluído de arrefecimento, que é a mistura proporcional de água (de preferência desmineralizada) mais aditivo (geralmente 40%) para radiadores. Este aditivo contém propriedades que alteram a temperatura de ebulição da água, evitam a corrosão do motor, combatem a formação de calcário e proporciona um certo poder lubrificante sobre a bomba de água do motor. Mesmo com o uso do aditivo o sistema não está livre de manutenção, a substituição do líquido é feita em períodos determinados pelo fabricante do veículo.

Quando a falta de manutenção prevalece, ocorre um grave problema de incrustação do calcário em suspensão no fluido de arrefecimento. Isso ocorre quando o fluído está sob baixa temperatura(cerca 55°C) e o calcário forma crosta por todo o sistema diminuindo a condutibilidade térmica das paredes metálicas, e em casos extremos, podendo até entupir os dutos do sistema prejudicando a circulação do fluído.

O tratamento de limpeza do sistema para dissolver a crosta é muito agressivo, recomenda-se que seja realizada uma inspeção no radiador e no bloco para verificação de possíveis vazamentos. Pois as substâncias utilizadas frequentemente expõe vazamentos que anteriormente eram acobertados pela crosta.

Primeiramente, efetua-se uma limpeza interna do sistema contra sujeira, oxidação e detritos em suspensão, adicionando uma solução de água e soda cáustica (2 a 3 kg para cada 10 l de água) e funcionando o motor a média carga por 10 minutos. Retira-se toda a solução do sistema.

Após essa etapa, para dissolução da crosta é utilizada uma solução de ácido clorídrico (20-40%) e água colocada no sistema de arrefecimento do motor. O motor é posto em funcionamento em regime de trabalho por cerca de 10 minutos, para então retirar a solução e efetuar a limpeza interna. Na maioria dos casos esse procedimento é feito mais de uma vez, tudo depende do nível de contaminação do sistema.

Referências

  • SENAI, Série Metódica Ocupacional;
  • CHOLLET, H. M., Curso Prático e Profissional para Mecânicos de Automóveis: O motor e seus acessórios, Lausanne, Hemus, 1996. 402;
  • BOSCH, Robert, Manual de Tecnologia Automotiva. 25.ed. Edgard Blücher LTDA, 2004. 1231p.