El circuito de refrigeración incluye todas las zonas del motor que están bajo tensión térmica. El refrigerante que circula por dicho circuito disipa el calor producido durante la combustión y garantiza una temperatura constante del motor. Para mantener su temperatura de funcionamiento lo más rápido posible tras arrancar, la potencia de refrigeración debe permanecer lo más baja posible durante la fase de calentamiento del motor. Para ello, basta con un pequeño circuito de refrigeración. Solo una vez se ha alcanzado la temperatura de funcionamiento se necesita un gran circuito de refrigeración.
El control de los dos circuitos se realiza mediante un termostato que cambia del circuito pequeño al grande cuando se alcanzan los 80 o 90 °C. Es importante que el circuito de refrigeración esté diseñado de modo que mantenga la temperatura constante incluso en momentos de carga máxima y a temperaturas extremas.
En la actualidad, se utiliza como refrigerante una compleja mezcla de agua y varios aditivos que no solo reduce el punto de congelación del refrigerante, sino que también incrementa su punto de ebullición hasta los 120 °C. Además, los inhibidores protegen contra la corrosión los distintos metales por los que circula el refrigerante, como el aluminio de las culatas.
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