Os motores a gasolina melhoraram um bocado em seus mais de 100 anos de vida, mas ainda não são muito eficientes na transformação de energia química em força mecânica. A maior parte da energia na gasolina (talvez 70%) se converte em calor, e o trabalho do sistema de arrefecimento é controlar esse calor. Para ter uma ideia, o sistema de arrefecimento de um carro rodando numa estrada dissipa calor suficiente para aquecer duas casas de tamanho médio! A tarefa principal do sistema de arrefecimento é transferir calor para o ar, impedindo que o motor superaqueça, mas o sistema também tem outras tarefas importantes.
O motor em seu carro roda melhor numa temperatura média. Quando ele está frio, seus componentes se desgastam mais rapidamente, o motor é menos eficiente e emite mais poluente. Cabe aos sistemas de arrefecimento permitir que o motor se aqueça com a maior velocidade possível e, então, mantê-lo numa temperatura constante.
Fundamentos básicos
O combustível é queimado constantemente no motor do seu carro. Muito do calor dessa combustão sai diretamente pelo sistema de escapamento, mas um pouco dele é absorvido pelo motor, aquecendo-o. O motor funciona melhor quando o seu líquido arrefecedor está a aproximadamente 90ºC . A esta temperatura:
• A câmara de combustão está quente o suficiente para vaporizar completamente o combustível, permitindo melhor combustão e reduzindo as emissões;
• O óleo usado para lubrificar o motor fica menos viscoso (mais fino), por isso as partes do motor se movem mais livremente e ele desperdiça menos força movendo seus próprios componentes;
• As partes de metal se desgastam menos.
Há dois tipos de sistemas de arrefecimento encontrados em carros: arrefecimento a líquido e arrefecimento a ar.
Arrefecimento a líquido
O sistema de arrefecimento a líquido faz circular um fluido por mangueiras e partes do motor. Ao passar pelo motor quente o líquido absorve calor, resfriando o motor. Depois que o fluido deixa o motor ele passa por um trocador de calor, ou radiador, que transfere o calor do fluido para o ar que passa pelo radiador.
Arrefecimento a ar
Alguns carros mais antigos (o Fusca e seus derivados, por exemplo) e uns poucos contemporâneos usam motores refrigerados a ar. Em vez de haver um líquido circulando pelo motor, o bloco e o cabeçote são dotados de aletas que aumentam a área de absorção de calor e de contato com o ar, conduzindo o calor para longe do motor. Uma potente ventoinha força o ar sobre essas aletas, que resfriam o motor ao acelerar a transferência de calor para o ar. Quando o motor é exposto ao fluxo de ar, como nas motocicletas, a ventoinha pode ser dispensada.
Mangueiras
Há muitas mangueiras, mas não só isso, no sistema de arrefecimento de um carro. Vamos começar pela bomba d'água, nesta página, e seguir por todo o sistema nas próximas seções.
A bomba d'água manda para o bloco do motor o fluido, que passa ao redor dos cilindros e depois pelo cabeçote do motor, por passagens existentes para esse fim. Há uma válvula termostática (sensível à temperatura) no ponto de saída do fluido. Se a válvula termostática está fechada, o sistema de mangueiras ao redor dela manda o fluido diretamente de volta à bomba d'água, para circular pelo bloco e cabeçote apenas; se aberta, o fluido passa pelo radiador primeiro e então volta para a bomba d'água.
Há também um circuito separado para o sistema de aquecimento (popularmente chamado de ar quente). Esse circuito pega o fluido do cabeçote e o faz passar pelo núcleo do aquecedor antes de voltar à bomba d'água.
Em carros com câmbio automático também há um circuito separado, dentro do radiador, para resfriar o fluido do câmbio. O óleo do câmbio é bombeado para um segundo trocador de calor dentro do radiador.
Fluido
Os carros rodam em regiões muito diversas – em alguns lugares a temperatura pode ficar abaixo de 0; em outros, muito acima de 40º C. Por isso, qualquer fluido usado no arrefecimento do motor precisa ter um ponto de congelamento muito baixo, um ponto de ebulição muito alto e deve ter a capacidade de armazenar muito calor.
A água é um dos fluidos mais eficazes na conservação de calor, mas ela congela numa temperatura muito alta para ser usada em motores de automóveis. O fluido que a maioria dos carros usa é uma mistura de água e etileno-glicol (C2H6O2), também conhecido como aditivo de radiador ou anticongelante. Adicionando-se etileno-glicol à água, os pontos de ebulição e de congelamento melhoram significativamente.
A temperatura do líquido de arrefecimento pode chegar, às vezes, de 121º C a 135º C. Mesmo com a adição do etileno-glicol, essas temperaturas ferveriam o líquido de arrefecimento; logo, algo mais tem de ser feito para elevar o ponto de ebulição.
O sistema de arrefecimento usa pressão para elevar ainda mais o ponto de ebulição do líquido de arrefecimento. Assim como a temperatura de ebulição é mais alta numa panela de pressão, a temperatura do líquido de arrefecimento ficará mais alta se o sistema for pressurizado. A maioria dos carros tem um limite de pressão de 14 a 15 libras por polegada quadrada (lb/pol²), ou 0,96 a 1,03 bar, o que aumenta o ponto de ebulição outros 25º C, permitindo que o líquido de arrefecimento suporte as altas temperaturas.
O anticongelante também contém aditivos para resistir à corrosão.
Bomba d'água
A bomba d'água é uma simples bomba centrífuga acionada por uma correia conectada ao virabrequim. A bomba faz o fluido circular sempre que o motor está ligado.
Bomba d'água centrífuga como a usada em seu carro
Enquanto gira, a bomba d'água usa força centrífuga para mandar fluido para fora, fazendo o líquido ser puxado do centro continuamente. A entrada para a bomba está localizada perto do centro para que o fluido que retorna do radiador bata nas pás da bomba, e essas lancem o fluido para fora da bomba, de onde pode seguir para o motor.
O fluido que sai da bomba passa primeiro pelo bloco do motor, pelo cabeçote, pelo radiador e finalmente volta para a bomba Em alguns motores mais modernos o fluxo começa pelo cabeçote, a parte mais quente, e só depois continua pelo bloco.
Motor
O bloco e o cabeçote do motor têm muitas passagens, moldadas durante a fundição ou usinadas, para permitir que o fluido corra livremente, chegando às partes mais críticas do motor.
As temperaturas na câmara de combustão do motor podem chegar a 2.500º C, o que torna vital resfriar a área ao redor do cabeçote. As áreas ao redor das válvulas de escapamento são especialmente importantes, e quase todos os espaços do cabeçote ao redor das válvulas que não têm função estrutural são preenchidos com o líquido de arrefecimento. Se o motor ficar sem refrigeração por muito tempo, ele pode fundir. Quando isto acontece, é porque o metal se aqueceu tanto que o pistão se soldou ao cilindro – e geralmente o motor é destruído.
O cabeçote também tem grandes condutos para o líquido de arrefecimento passar
Uma maneira interessante de reduzir as demandas para o sistema de arrefecimento é reduzir a quantidade de calor que é transferida da câmara de combustão para as partes metálicas do motor. Por isso, alguns motores têm a parte interna do topo do cabeçote revestida com uma fina camada de cerâmica, que não conduz bem o calor. Dessa maneira menos calor é transferido ao metal, e mais calor vai para fora pelo escapamento.
Radiador
Um radiador é uma espécie de trocador de calor. Ele é projetado para transferir calor do líquido de arrefecimento quente que ali circula para o ar que é jogado nele por uma ventoinha ou pelo ar que passa por ele estando veículo em velocidade superior a 60 km/h em média.
Os carros mais modernos usam radiadores de alumínio, feitos pela soldagem de finas aletas de alumínio a tubos achatados do mesmo metal. O líquido de arrefecimento flui da entrada até a saída por muitos tubos montados num arranjo paralelo. As aletas conduzem o calor dos tubos e o transferem para o ar que passa pelo radiador.
Algumas vezes os tubos têm um tipo de palheta inserida neles chamada de agitador, o que aumenta a turbulência do fluido em circulação. Se o fluxo de fluido fosse muito suave, somente o fluido tocando os tubos seria resfriado diretamente. A quantidade de calor transferida para os tubos pelo fluido circulando através deles depende da diferença de temperatura entre o tubo e o fluido que o toca. Se o fluido em contato com o tubo esfria rapidamente, menos calor será transferido. Criando uma turbulência dentro do tubo, todo o fluido se mistura, mantendo alta a temperatura do fluido que toca os tubos, e assim mais calor pode ser extraído - e todo o fluido dentro do tubo é usado de forma eficaz.
Normalmente, os radiadores têm um tanque de cada lado e dentro do tanque pode haver um arrefecedor de câmbio. A foto acima mostra a entrada e a saída do óleo do câmbio. O arrefecedor de câmbio é como um radiador dentro do radiador, mas em vez de trocar calor com o ar, o óleo troca calor com o líquido de arrefecimento no radiador.
Tampa do radiador
A tampa do radiador aumenta o ponto de ebulição do líquido arrefecedor (que o povo chama de água do radiador) em até 25º C . Como uma simples tampa faz isso? Do mesmo jeito que uma panela de pressão aumenta a temperatura de ebulição da água. A tampa é, na verdade, uma válvula de alívio de pressão (como o peso calibrado das panelas de pressão). Em carros, essa tampa normalmente é regulada para 15 lb/pol² ou 1,03 bar. O ponto de ebulição da água aumenta quando colocada sob pressão.
Esquema da tampa do radiador e reservatório
Quando o fluido no sistema de arrefecimento esquenta, ele se expande e faz aumentar a pressão. A tampa é o único lugar por onde a pressão pode escapar. A mola na tampa determina a pressão máxima no sistema de arrefecimento. Quando a pressão chega a 15 lb/pol²/1,03 bar, ela empurra e faz a válvula se abrir, permitindo que o líquido de arrefecimento escorra pelo tubo do vaso de expansão para o fundo dele. Isto mantém o ar fora do sistema. Quando o líquido do radiador esfria, um vácuo é criado no sistema de arrefecimento, abrindo outra válvula com mola e sugando de volta a água do vaso de expansão para substituir a água que tinha sido expelida.
Válvula termostática
O principal trabalho da válvula termostática é permitir que o motor chegue rapidamente à temperatura ideal e então mantê-la constante. Ele faz isto regulando a quantidade de água que atravessa o radiador. Em temperaturas baixas, essa passagem é completamente bloqueada, forçando todo o líquido arrefecedor contido no motor a circular somente dentro dele, com o que ele se aquece rapidamente.
Uma vez que a temperatura do líquido atinja de 80° C a 90° C, a válvula termostática começa a abrir, permitindo que o líquido seja enviador para o radiador. Quando o líquido chega a 93~103° C, a válvula está totalmente aberta.
Caso a combinação de baixa temperatura ambiente e pouca ou nenhuma utilização de potência faça o líquido arrefecedor esfriar demais, a válvula termostática se fecha, mantendo o motor em temperatura normal.
Se você quiser, pode fazer uma experiência prática para ver uma válvula termostática em ação parece mágica. É só colocar uma válvula numa panela com água fervente. Quando a temperatura da válvula chegar ao ponto certo ela vai se abrir uns 2 cm. Lojas de autopeças vendem válvulas termostáticas bem baratas.
O segredo da válvula termostática está num pequeno cilindro localizado na parte da peça virada para o motor. O cilindro é preenchido com uma cera que começa a derreter em torno de 80º C (as válvulas podem se abrir a temperaturas diferentes, mas a de 80º C é a mais comum). Uma haste conectada à válvula pressiona a 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 a experiência com a garrafa e a palha, você viu este processo em ação. Porém, a cera se expande um pouco mais porque está mudando de estado sólido para líquido, além de se expandir por causa do calor.
Esta mesma técnica é usada na abertura automática de janelas em estufas de plantas e clarabóias. Só que nesses dispositivos a cera derrete a uma temperatura mais baixa.
Ventoinha
Assim como o termostato, a ventoinha precisa operar de modo a permitir ao motor manter uma temperatura constante.
Carros com tração dianteira têm ventoinhas elétricas porque normalmente o motor é montado transversalmente, o que significa que a saída do motor é voltada para a lateral do carro. As ventoinhas são controladas por um interruptor termostático ou pela central eletrônica do motor e são ligadas quando a temperatura do líquido de arrefecimento sobe acima do ponto estabelecido, desligando quando a temperatura cai abaixo desse ponto.
Carros de tração traseira com motores longitudinais normalmente têm ventoinhas de arrefecimento acionadas pelo motor. Essas ventoinhas costumam ter embreagem de acoplamento tipo viscoso O sistema é posicionado no cubo da ventoinha, no fluxo de ar vindo através do radiador, e é semelhante ao acoplamento viscoso às vezes encontrado em carros de tração nas quatro rodas.
Ar quente
Diz a sabedoria popular (com razão) que se o carro está superaquecendo todas as janelas devem ser abertas e o ar quente deve ser acionado na máxima temperatura. Isso pode ajudar porque o sistema de aquecimento é, na verdade, um sistema de arrefecimento secundário que espelha o sistema principal do carro.
A parte central do ar quente, localizada no painel do carro, é na verdade um pequeno radiador. O ventilador do aquecedor sopra ar por esse radiador em direção à cabine do carro.
O radiador do ar quente recebe líquido de arrefecimento vindo do cabeçote e o devolve à bomba, o que permite ao sistema funcionar esteja a válvula termostática aberta ou fechada.
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