La combustione dentro un cilindro raggiunge per un istante temperature ben oltre i 2.000°C — abbastanza calde da sciogliere più volte l’alluminio o la ghisa che la circondano. Un motore sopravvive solo perché un circuito costante e attentamente gestito di liquido sottrae calore al metallo ogni secondo in cui è in funzione, abbastanza in fretta da mantenere blocco e testata a una temperatura di esercizio stabile e sicura. Se quel circuito smette di funzionare, il risultato non è un problema graduale: è una testata deformata, una guarnizione bruciata, o un motore grippato nel giro di pochi minuti.
Le camicie d’acqua: il liquido scorre dove il calore c’è davvero
Fusi nel blocco motore e nella testata, avvolti attorno a ciascun cilindro e alle camere di combustione sopra di essi, ci sono passaggi cavi chiamati camicie d’acqua. Il liquido di raffreddamento viene pompato attraverso questi passaggi, a diretto contatto con il metallo più caldo del motore, e sottrae calore per semplice convezione prima di proseguire per essere a sua volta raffreddato. Le camicie sono sagomate deliberatamente in modo disomogeneo: più flusso di liquido viene indirizzato verso le zone attorno alle valvole di scarico e alla parte superiore delle canne cilindro, dove le temperature sono più alte, rispetto alle pareti inferiori dei cilindri, relativamente più fredde.
La pompa dell’acqua: di solito trascinata dal motore stesso
A far circolare il liquido lungo quel circuito, in continuo, provvede la pompa dell’acqua — sulla maggior parte dei motori a combustione, una semplice girante centrifuga fatta ruotare direttamente dal motore tramite cinghia o catena di distribuzione, così la sua velocità scala automaticamente con i giri motore: più calore generato, più portata di liquido, senza alcuna elettronica di mezzo. Quella semplicità meccanica è anche il suo limite principale, motivo per cui un numero crescente di motori moderni usa invece una pompa elettrica, del tutto disaccoppiata dal regime motore, controllata dalla centralina: può continuare a pompare anche a motore spento per evitare danni da accumulo di calore residuo, girare a una velocità calcolata con precisione invece che a quella imposta dall’albero motore, e restare del tutto ferma durante il riscaldamento per aiutare il motore a raggiungere prima la temperatura di esercizio.
Il termostato: una valvola che tiene deliberatamente caldo il motore
In modo controintuitivo, il primo compito dell’impianto di raffreddamento non è affatto raffreddare il motore — è impedirgli di raffreddarsi troppo, troppo presto. Il termostato è una valvola a cera posta tra motore e radiatore che resta completamente chiusa a motore freddo, costringendo il liquido a ricircolare solo all’interno del motore stesso invece che attraverso il radiatore, così il motore raggiunge il prima possibile la sua temperatura di esercizio efficiente (tipicamente 90-105°C). Solo quando il liquido raggiunge la temperatura di apertura calibrata del termostato, la valvola inizia a lasciar defluire il liquido verso il radiatore. Un motore freddo consuma più carburante, si usura più in fretta e produce più emissioni di uno caldo, ed è esattamente per questo che i costruttori ritardano deliberatamente il raffreddamento pieno invece di massimizzarlo fin dal momento in cui si gira la chiave.
Il radiatore: liberarsi definitivamente del calore
Una volta che il liquido è abbastanza caldo da averne bisogno, il termostato lo indirizza verso il radiatore: una rete di tubicini e alette montata davanti all’auto, progettata per massimizzare la superficie di scambio in modo che l’aria che la attraversa — dal moto in avanti dell’auto, da una ventola elettrica, o da entrambi — possa sottrarre calore al liquido prima che venga ripompato nel motore per assorbirne altro. La ventola elettrica, a differenza del flusso d’aria generato semplicemente guidando, viene accesa dalla centralina ogni volta che la temperatura del liquido o la sola velocità dell’auto non garantiscono abbastanza flusso d’aria — motivo per cui è la ventola, non il radiatore in sé, a continuare a girare udibilmente per un minuto o due dopo aver parcheggiato un’auto calda e spento il motore.
Perché il liquido non è semplice acqua
L’acqua pura è in realtà un pessimo liquido di raffreddamento a lungo termine per un motore: congela a 0°C, il che spaccherebbe il blocco motore in inverno, bolle a 100°C a livello del mare, e corrode da sola i componenti in ferro e alluminio del motore. Il liquido di raffreddamento automotive è una miscela di acqua e glicole etilenico o propilenico (antigelo), tipicamente in rapporto grosso modo 50/50, che abbassa il punto di congelamento ben sotto lo zero e, più importante per un motore che lavora caldo, alza il punto di ebollizione. Quel punto di ebollizione viene alzato ulteriormente dal fatto che l’intero impianto è pressurizzato, di solito intorno a 1-1,5 bar sopra la pressione atmosferica, tramite un tappo a molla: aumentare la pressione alza ulteriormente il punto di ebollizione, permettendo al liquido di lavorare in sicurezza sopra i 100°C senza trasformarsi in vapore e perdere la capacità di trasportare calore. La miscela contiene anche inibitori di corrosione formulati appositamente per il mix di alluminio, ferro, tubi in gomma e guarnizioni contro cui deve stare per anni senza attaccarne nessuno.
Cosa si guasta davvero, e perché raramente è graduale
Un guasto all’impianto di raffreddamento non è quasi mai un declino lento — una cinghia che slitta, un termostato bloccato chiuso, un tubo che perde o una pompa dell’acqua guasta possono trasformare un motore che gira normalmente in uno surriscaldato nel giro di un paio di minuti, perché il calore generato dalla combustione non si ferma mentre il guasto viene diagnosticato. La modalità di guasto più costosa è la guarnizione della testata bruciata: il sottile strato di tenuta tra testata e blocco motore, posizionato esattamente accanto sia alle camere di combustione sia alle camicie del liquido di raffreddamento, che può cedere per surriscaldamento prolungato e far entrare gas di combustione nel circuito del liquido, o liquido nei cilindri — in entrambi i casi trasformando un problema di raffreddamento in un motore da rifare.
Un problema completamente diverso su un’elettrica
Un’auto elettrica non ha nessuna combustione a 2.000°C da gestire, ma non è priva di esigenze di raffreddamento: batteria, motore elettrico ed elettronica di potenza generano tutti calore sotto carico e, altrettanto importante, un pacco batterie agli ioni di litio invecchia più in fretta e può perdere autonomia utile se lasciato lavorare troppo caldo o troppo freddo per periodi prolungati, motivo per cui la maggior parte delle elettriche usa un circuito di raffreddamento (e a volte riscaldamento) liquido separato e regolato con precisione, dedicato esclusivamente al pacco batterie, del tutto indipendente dal climatizzatore dell’abitacolo — un problema di ingegneria genuinamente diverso da quello descritto sopra, costruito per proteggere la chimica della batteria invece che per proteggere il metallo dal calore di combustione.
Foto: © Car-Shooters