DESARROLLO EXPERIMENTAL DE LA REPOTENCIACION DE UN …

DESARROLLO EXPERIMENTAL DE LA REPOTENCIACION DE UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA A GASOLINA

ALFONSO GUTIERREZ GUTIERREZ

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C.

JULIO 2004

DESARROLLO EXPERIMENTAL DE LA REPOTENCIACION DE UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA A GASOLINA

ALFONSO GUTIERREZ GUTIERREZ

Proyecto de grado presentado como requisito parcial para optar al

Título de Ingeniero Mecánico

Asesor: JUAN PABLO CASAS

Ingeniero Mecánico, M.Sc.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C. JULIO 2004

AGRADECIEMIENTOS

Agradezco enormemente a mi familia ya que sin su apoyo y su comprensión no habría

logrado culminar esta etapa de mi vida. Al esfuerzo para lograr financiar esta carrera a

pesar de las adversidades que se encontraron en el camino, esfuerzo que será

recompensado con el pasar de los años.

A mi asesor, el Ingeniero Juan Pablo Casas por su comprensión, constancia y apoyo para

que este proyecto saliera adelante. Por generar gran confianza.

Agradezco también al Ingeniero Horacio Vargas y al señor Luís Pablo Vargas por sus

grandes aportes a nivel técnico y teórico, su apoyo con sus talleres y herramientas y su

profundo interés presentado por este proyecto.

TABLA DE CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCION 7

1. CARACTERISTICAS DEL MOTOR 11

1.1 FICHA TÉCNICA 11

1.2 MODELAJE COMPUTACIONAL DE LAS PIEZAS 13

1.2.1 Pistón 13

1.2.2 Biela 13

1.2.3 Cigüeñal 14

1.2.4 Volante de inercia 15

1.2.5 Ensamblaje del motor 15

2. MODELO TERMODINÁMICO 17

2.1 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA 17

2.1.1 Bloque 20

2.1.2 Culata 21

2.1.3 Conjunto móvil 23

2.1.4 Sistema de encendido 24

2.1.5 Carburación 24

2.1.6 Tiempo de Válvulas 25

2.2 CICLOS TERMODINÁMICOS 26

3.2.1 Ciclo de Otto de Aire Estándar 26

3.2.3 Ciclo de Aire – Combustible 27

3. MODELO DINAMICO DE PREDICCIÓN DE POTENCIA 33

3.1 PRUEBAS DE MOTORES 33

3.1.1 Freno Prony 33

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Desarrollo Experimental de la Repotenciación de un Motor de Combustión Interna

Alfonso Gutiérrez Gutiérrez – Proyecto de grado

2

3.1.2 Frenos hidráulicos 35

3.1.3 Frenos de corrientes parásitas 35

3.1.4 Selección del Dinamómetro 35

3.2 FACTORES DE FUNCIONAMIENTO 36

3.2.1 Potencia 37

3.2.2 Presión Media Efectiva (bmep ó p b) 37

3.2.3 Presión Media Efectiva Indicada (imep ó p i) 38

3.2.4 Par Torsional (torque) y mep 38

3.2.5 Rendimiento Volumétrico (η v) 39

3.3 CÁLCULOS DINÁMICOS 39

3.3.1 Cálculos de Velocidades 40

3.3.2 Cálculos de Aceleraciones 42

3.3.3 Cálculos de las Fuerzas de Inercia 43

3.3.4 Cálculos del Torque 44

3.3.4.1 Debidos a Fgas y Fo4 44

3.3.4.2 Debido a Fo3 46

3.3.4.4 Superposición 48

3.4 Motores multicilíndricos 48

3.5 Potencia 50

4. MODIFICACIONES REALIZADAS 51

4.1 CÁLCULOS PREVIOS A LAS MODIFICACIONES 51

4.2 EL TRUCAJE 53

4.3 MODIFICACIONES REALIZADAS 53

4.3.1 Cigüeñal 53

4.3.2 Bielas 58

4.3.3 Pistones 60

4.3.4 Volante de inercia 61

4.3.5 Porting de Culata 63

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5. RESULTADOS DEL MODELO DE PREDICCIÓN DE ENERCIA 67

5.1 MOTOR 956 C.C A NIVEL DEL MAR 67

5.2 MOTOR 956 C.C A NIVEL DE BOGOTÁ 68

5.3 MOTOR 1108 C.C A NIVEL DEL MAR 68

5.4 MOTOR 1108 C.C A NIVEL DE BOGOTÁ 68

5.5 MOTOR 1108 C.C MODIFICADO A NIVEL DE BOGOTÁ 68

6. CONCLUSIONES 70

6.1 RECOMENDACIONES 72

APENDICE 73

A. Medidas internas del motor 74

B. Planos de taller de las piezas originales y

sus posibles modificaciones 77

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4

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1: Características del motor Renault 956 c.c 11

Tabla 2: Tiempos de válvulas 25

Tabla 3: Valores de presión, temperatura y fuerza para puntos críticos,

Motor 956 c.c a nivel del mar 28


Motor 956 c.c en Bogotá 29





Tabla 7: Datos iniciales y finales de las bielas 59

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5

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1: Modelo Pistón 956 c.c 13

Figura 2: Modelo Biela 956 c.c 13

Figura 3: Modelo Cigüeñal 956 c.c 14

Figura 4: Modelo Volante 956 c.c 15

Figura 5: Modelo Motor 956 c.c ensamblado 15

Figura 6: Carrera de Admisión y Diagrama P-V 18

Figura 7: Carrera de Compresión y Diagrama P-V 19

Figura 8: Carrera de Fuerza y Diagrama P-V 19

Figura 9: Carrera de Escape y Diagrama P-V 20

Figura 10: Tipos de Motores 21

Figura 11: Despiece Motor Renault 956 c.c. 22

Figura 12: Despiece Culata Motor Renault 956 c.c. 23

Figura 13: Sección transversal del Motor Renault 956 c.c.

Se observa todo los conjuntos antes mencionados. 1. Bujía,

2. Culata, 3. Ducto entrada, 4. Guía válvula,

5. Cámara de compresión, 6. Eje de levas,

7. Varilla impulsadora, 8. Biela, 9. Cigüeñal, 10. Válvula,

11. Eje de balancines. 25

Figura 14: Diagrama P aire-comb, P real y P atm,

Motor 956 c.c. a nivel del mar 31


Motor 956 c.c. en Bogotá 31





Figura 18: Freno Prony 34

Figura 19: Mecanismo biela-manivela con convenciones 40

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6

Figura 20: Diagramas de Cuerpo Libre debidos a Fgas y Fo4 45

Figura 21: Torque Ts’ Debido a Fgas y Fo4 46

Figura 22: Torque Ts’’ Debido a Fo3 47

Figura 23: Torque Ts’’ Debido a Fo3 47

Figura 24: Torque Total (sumando los torques) debido a Fo3 48

Figura 25: Torque de cada uno de los pistones con un desfase de 180° 49

Figura 26: Torque Total para un motor de 4 cilindros y desfase de 180° 50

Figura 27: Modelo Cigüeñal 850 c.c con taladrado axial 54

Figura 28: Ubicación del mayor concentrador de esfuerzos en

el cigüeñal 850 c.c. 55

Figura 29: Modelo Cigüeñal modificado comparado con el original. 55

Figura 30: Cigüeñal original sin modificar. 56

Figura 31: Cigüeñal modificado. 56

Figura 32: Montaje en el torno para hacer la forma de cuchilla 57

Figura 33: Pulido y acabo del cigüeñal 58

Figura 34: Propuesta de biela Modificada por Ing. Herrera 58

Figura 35: Propuesta de biela Modificada 59

Figura 36: Proceso de reducción de masa de bielas. 60

Figura 37: Deferencia entre Pistón original y modificado. 61

Figura 38: Volante Original (arriba) y Posible modificación (abajo). 62

Figura 39: Volante Original (arriba) y modificado (abajo). 62

Figura 40: Turbulencias generadas por el codo B y por la vena A 63

Figura 41: Sección de culata; Izq: guía salida, Der: codo muy notable. 64

Figura 42: Resultado final de un porting, respetando la forma. 65

Figura 43: culata original sin modificar, ductos centrales: admisión,

los externos: escape. 65

Figura 44: Culata porteada y pulidos los ductos 65

Figura 45: Múltiple de admisión y escape. Los ductos de admisión de

la derecha ya están enfrentados y trabajados.

Nótese que el empaque tiene una medida mayor en los

orificios y hasta ahí hay que trabajarle al múltiple para

enfrentarlo a la culata. 66

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7

INTRODUCCION

El motor de combustión interna a gasolina desde sus inicios y hasta nuestros días

se ha vuelto una maquina indispensable en el desarrollo del mundo. Se utiliza en

muchas industrias y en especial en la automotriz. Por tal razón día a día se buscan

nuevas tecnologías que hagan de esta una maquina mejor y actual ya que el

automóvil se ha convertido en una necesidad en el mundo de hoy.

La competencia en el sector es amplia y eso hace que las industrias tengan que

presentar nuevas maquinas con mejores diseños y llevarlas a las salas de venta en

periodos de tiempo mas cortos.

De la mano de este desarrollo industrial ha venido evolucionando un área en la que

se desarrollan técnicas de modificación o trucaje de motores de combustión interna

de serie, o de calle, para personas entusiastas en el tema que simplemente desean

tener máquinas diferentes en las calles o para personas especializadas en el

automovilismo deportivo. En nuestro país estos desarrollos vienen en alza, sin ser

un área de estudio profesional, sino de personas que lo han aprendido de otras,

empíricos o simplemente mecánicos automotrices que desarrollan modificaciones

basados en pruebas y error.

La repotenciación de motores de combustión interna es simplemente la búsqueda

de aumentos de potencia en motores de autos de calle, llegando a niveles muy

altos de potencia equiparándolos con motores de competición que han sido

diseñados para llegar a altas prestaciones. Estos aumentos se logran subiendo los

regímenes de giro del motor, aumentando la cantidad y la calidad de la mezcla que

entra al cilindro y haciendo desalojar mas rápido los gases quemados. Como se

mencionó anteriormente, y sin demeritar su labor, las personas que realizan estos

trabajos en nuestro medio no se basan en teorías ingenieriles como tal y por esto

no tienen en cuenta conceptos importantes como resistencias de materiales y

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8

estructurales o problemas dinámicos o termodinámicos que se pueden presentar.

Estas personas saben que los ingenieros que diseñan motores siempre utilizan

factores de seguridad altos y así logran repotenciaciones importantes sin daños en

el motor.

Por lo anterior el autor de este proyecto, entusiasta del tema, ha propuesto un

desarrollo experimental con el fin de hacer estudios y llegar a conclusiones, para

ayudar a profesionales y técnicos del área a tener un apoyo para así generar una

mentalidad mas abierta en el tema.

Este Proyecto de Grado tiene como objetivo continuar los estudios iniciados por el

Ingeniero DANIEL HERRERA ESCOBAR, en su Proyecto de Grado titulado:

“CARACTERIZACION DE AUMENTOS DE POTENCIA EN MOTORES DE

COMBUSTION INTERNA DE CUATRO TIEMPOS”, en donde se diseñaron

modificaciones a algunas partes de un motor Renault de 850 c.c., para aumentar su

potencia original de fabrica. El Ingeniero propuso modificar bielas, cigüeñal, culata,

eje de levas y resortes de válvulas. Estos diseños se realizaron a nivel teórico con

ayudas computacionales, como modelajes y simulaciones, pero nunca se han

llevado a la práctica.

Para continuar con estos estudios se deberá comprender bien el funcionamiento de

un motor de combustión interna de cuatro tiempos a gasolina, desarrollando los

ensayos necesarios para la medición de los parámetros mas importantes de un

motor. Para determinar la variación de estos parámetros de funcionamiento se

deben variar las condiciones operativas del motor. Se deberá implementar un banco

de pruebas con la instrumentación correspondiente, y con un sistema de

refrigeración. Este banco deberá tener un dinamómetro encargado de crear un

torque resistente que proporciona la carga al motor. Para tal fin frenos de fricción,

hidráulicos y eléctricos, siendo todos buenos como sistemas de medición de

potencia a la salida del cigüeñal.

Para este estudio se utilizará un motor de automóvil montado en un soporte

diseñado para que se haga posible el estudio y la fácil manipulación del motor. Se

tratará de usar un motor Renault 850 c.c. en el cual se basaron los estudios del

Ingeniero Herrera.

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9

Durante el desarrollo del proyecto se presentó la oportunidad de llevar a cabo un

proyecto global con otros estudiantes para lograr el diseño y la construcción de un

vehículo movilizado por este motor repotenciado. Finalmente se llegó al diseño de

una motocicleta, para la cual se construyó el chasis al terminar este proyecto. El

proyecto global se continuará en los semestres venideros para llegar a la

construcción completa de la motocicleta diseñando y construyendo todas sus partes

restantes.

El motor que finalmente se utilizó fue un motor Renault de 956 c.c. entregado por el

Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Los Andes.

El proyecto se desarrolló de la siguiente manera: encendido del motor sin montarlo

en un banco de pruebas ya que no se consiguió uno al iniciar el proyecto,

simplemente se vio su funcionamiento durante algún tiempo. Desarmado del motor

y comprobación del estado de las partes. Modelaje de las piezas con la ayuda del

software Solid Edge V.14., y ensamblado de las mismas para formar el motor.

Modificación de las piezas seleccionadas (bielas, pistones, cigüeñal, volante y

culata) y consecución de algunas otras requeridas para el buen funcionamiento del

motor (camisas, pistones, anillos, empaquetaduras, etc.). Armado del motor,

prendido y pruebas. Al mismo tiempo se debe estudiar, analizar y poner en

funcionamiento la teoría termodinámica utilizadas en el proyecto del Ingeniero

Herrera. También desarrollar un modelo dinámico que prevea la potencia de un

motor de combustión interna y muestre los cambios a partir de las variaciones de

masas y de inercias al modificar las piezas del motor. Al tener este modelo se

puede comparar con los datos de la ficha técnica proporcionada por el fabricante y,

si es posible, comparar los datos con los obtenidos a partir de las pruebas en el

dinamómetro.

Para la repotenciación, se seguirán algunos de los parámetros propuestos por el

Ingeniero Herrera, como el aligerado de masas y el porteado de culata. Se armará

de nuevo el motor, se probará y se verificará la confiabilidad de este, además

analizará si los cambios realizados fueron rentables en cuanto a tiempo y costos.

Dentro de estos objetivos principales se encuentran algunos otros que deben ser

desarrollados en el transcurso de Proyecto, como:

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10

• Conocer las bases teóricas para el funcionamiento de un motor de

competición recurriendo a la consulta de literatura especializada y de

personas del mundo del automovilismo deportivo (preparadores de motores

de competición).

• Investigar sobre los trucajes que se estén realizando en autos de calle.

• Desarrollar un banco de pruebas que ayude a verificar los datos calculados

teóricamente.

• Estudiar la confiabilidad del motor y sus componentes luego de realizadas

las modificaciones. Para este objetivo se estudiará cada parte modificada

por separado, analizando su comportamiento dinámico y estructural.

También se analizaran otras partes que no fueron modificadas pero que con

el aumento en la velocidad de giro pueden ver comprometida su función la

bomba de aceite ya que sin una buena lubricación, el aumento de potencia

no se verá reflejado.

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11

1. CARACTERISTICAS DEL MOTOR

Como se dijo en la introducción el motor utilizado en el proyecto fue un Renault

C1C – A700 – B/C/S4001, de 956 c.c., un motor poco conocido en Colombia y

perteneciente a un Renault 5 de los años 70’s. Este tipo de motor pero con otras

cilindradas (850, 1025 y 1108 c.c) se utilizó en los R-4 y R-6. Se decidió utilizar este

motor por su economía, bajos costos de repuestos y fácil consecución de estos,

además de la opción de repuestos usados. Este aspecto de la economía es

primordial en el proyecto global de la motocicleta, ya que uno de los objetivos es

poder construirla con los mas bajos costos.

1.1 FICHA TÉCNICA

En la tabla a continuación se encuentran las características técnicas principales del

motor Renault, proporcionadas por el “MANUAL DE REPARACION RENAULT

MOTOR C” edición española de 1996, y por el departamento técnico de Sofasa–

Renault Colombia. Esta ficha técnica es la de interés general y de conocimiento

público, otras características principales del motor se darán en otras tablas en los

anexos.

TIPO MOTOR C1C – A700 – B/C/S400

DISPOSICION 4 cilindros en línea

Eje de levas sencillo, en el bloque.

Culata de aleación de aluminio

REFRIGERACIÓN Sistema con bomba de agua y

radiador Camisas húmedas

ORDEN ENCENDIDO 1-3-4-2

DIAMETRO CILINDRO 65 mm

CARRERA 72 mm

1 “RENAULT, MANUAL DE REPARACION”, Edición Española, 1996

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12

DESPLAZAMIENTO TOTAL 956 c.c.

VOLUMEN CAMARA DE COMPRESION 34.05 c.c.

RELACION DE COMPRESION 8.3 : 1

POTENCIA 43 hp @ 5500 r.p.m.

TORQUE 45,3 lb.ft (61,4 N.m) @3500 r.p.m.

APOYOS DE BANCADA 5

VALVULAS POR CILINDRO 2

CONTRAPESAS 4

DIAMETRO CABEZA DE VALVULAS

Admisión 34,2 mm

Escape 30,3 mm

ASIENTO DE VALVULAS 45°

ALZADA DE VALVULAS Admisión 7,46 mm

Escape 7,40 mm

LONGITUD RESORTES DE VALVULAS 42.2 mm

TIEMPOS DE VALVULAS

Avance Apertura Admisión (AAA)

Retraso Cierre Admisión (RCA)

Avance Apertura Escape (AAE)

Retraso Cierre Escape (RCE)

18°

54°

53°

23°

Tabla 1: Características del motor Renault 956 c.c2

1.2 MODELAJE COMPUTACIONAL DE LAS PARTES

Al desarmar el motor se tomaron sus medidas y dimensiones para modelar las

piezas. Se tuvieron en cuenta una buena cantidad de detalles para que los modelos

computacionales fueran muy cercanos a los reales y así obtener datos importantes

y útiles para el modelo dinámico. Los modelos se desarrollaron a partir del

programa Solid Edge V.14.

2 “RENAULT, MANUAL DE REPARACION”, Edición Española, 1996.

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13

1.2.1 Pistón

Figura 1: Modelo Pistón 956 c.c

El pistón de este motor no es de cabeza plana, tiene una forma sobresaliente

diseñada para elevar la relación de compresión. Pistones de este mismo diámetro

se consiguen de cabeza plana, reduciendo así la potencia. Tienen un peso de 290

gramos en promedio y diámetro de 65 mm. En la figura 1 se muestra el pistón en

distintas vistas, notando la cabeza sobresaliente. Materiales: “Aluminio-silicio con

cobre, níquel y magnesio en fundición y tratamiento térmico escalonado”.3

1.2.2 Biela

Figura 2: Modelo Biela 956 c.c

3 http://www.geocities.com/jam49_es/

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La biela es una de las piezas mas importantes dentro del modelaje ya que es

fundamental la ubicación del centro de masa y el valor de la inercia. Estas son

fabricadas en “Acero al cromo-molibdeno, silicio y manganeso, Acero al carbono

aleado con níquel y cromo”2 que son materiales muy resistentes. En la figura 2 se

observa que la cabeza (mayor diámetro) es la parte que va en el muñón del

cigüeñal y donde están las contrapesas y el pie va en el pistón, unidos por el bulón.

Las bielas trabajan a tensión-compresión, por lo que no hay que trabajar el vástago

que une la cabeza y el pie en el momento de la repotenciación para no debilitarlo.

1.2.3 Cigüeñal

Figura 3: Modelo Cigüeñal 956 c.c

El cigüeñal es una parte fundamental del motor, hecho de “Acero al Cromo-

Molibdeno con cobalto y níquel. Con tratamientos térmicos de Temple/Revenido en

cigüeñales estampados o fundidos”4. Debe tener gran resistencia ya que soporta

todas las cargas de la fuerza de la explosión en los muñones de biela y bancada.

Lo importante de esta pieza es el balanceo dinámico para evitar vibraciones que

pueden dañar el motor. En la figura 3 se observa diseño. Tiene 5 apoyos de

bancada y 4 contrapesas a las cuales se les puede reducir su masa, teniendo

cuidado de hacerlo simétricamente para minimizar la posibilidad de desbalanceo.

4 http://www.geocities.com/jam49_es/

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15

1.2.4 Volante de inercia

Figura 4: Modelo Volante 956 c.c

Este motor fue diseñado en los años 60’s y se puede decir que su volante de inercia

es algo exagerado comparado con los actuales, ya que tiene un peso de 8925

gramos. El volante es la salida de potencia del motor, va unido al cigüeñal a través

de 7 pernos y en su parte exterior aloja el embrague. Se utiliza para reducir las

vibraciones del motor generadas por el desfase de las explosiones. Su finalidad es

acumular la energía entregada por la combustión y entregarla a la salida para

suavizar la marcha del motor.

1.2.5 Ensamblaje del motor

Figura 5: Modelo Motor 956 c.c ensamblado

La figura 5 muestra el ensamble final del motor realizado con Dynamic Designer,

programa adjunto a Solid Edge. Este ensamblaje se realiza ubicando cada parte del

motor con sus restricciones de movimiento, para luego simular su movimiento real.

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16

El ensamblaje se inicia con un modelo del bloque y camisas simplificado y a partir

de esto se ubican el resto de las partes del conjunto móvil comenzando con el

cigüeñal que está apoyado solamente en dos de los cinco apoyos. Se observan

también los pistones, las bielas y bulones, el cigüeñal y el volante con sus pernos

de unión.

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17

2. MODELO TERMODINÁMICO

La termodinámica de un motor de combustión interna se ha venido estudiando por

mas de un siglo y sus principios siguen siendo los mismos. Para la realización de

un modelo hay que tener en cuenta muchos aspectos y variables. Han existido

autores que han desarrollado modelos termodinámicos ideales y otros que se

acerquen a la realidad existiendo siempre discrepancias entre ellos. Como la

finalidad de este proyecto no es el desarrollo de un modelo termodinámico, se

basará este en propuesto por el Ingeniero Herrera, se tendrá que estudiar, analizar

y comprender bien el modelo y se adecuará para este nuevo estudio, colaborando

este en el desarrollo del modelo de predicción de potencia. Se explicará el

funcionamiento de un motor de combustión interna y luego se utilizará el modelo

termodinámico para hallar la función de fuerza sobre el pistón y con ella trabajar en

el modelo dinámico.

2.1 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

El motor de combustión interna a gasolina, con mas de un siglo de invención, sigue

siendo una maquina asombrosa. En sus inicios la gente pensó que era una moda

pasajera, pero ahora forma parte integral de nuestras vidas gracias a sus diversas

utilizaciones. Este invento ha permitido el desarrollo del mundo de la mano del

sector de transportes. Ha sido transformado y reinventado en muchas ocasiones

pero continúa rigiéndose por el mismo principio desde su invención el Ciclo de Otto

de 2 o de 4 tiempos. Este ciclo describe que un motor de combustión interna genera

potencia a partir de la combustión de una mezcla de aire y combustible dentro de

una cámara cerrada. El ciclo se rige por cuatro tiempos fundamentales: admisión,

compresión, fuerza o explosión y escape.

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En la carrera de admisión la válvula de admisión se encuentra abierta y la de

escape cerrada, observar la figura 6. El pistón viaja del punto muerto superior

(PMS) al punto muerto inferior (PMI) aspirando mezcla proveniente del carburador

para llenar el volumen del cilindro y la cámara de compresión.

Figura 6: Carrera de Admisión y Diagrama P-V, para un motor con eje de levas en la culata 5

En la figura 6 también se observan todos los componentes del motor como son:

• A. Válvula de admisión, balancín y resorte

• B. Tapa de válvulas

• C. Ducto de entrada de mezcla

• D. Culata

• G. Cárter de aceite

• I. Eje de levas

• J. Válvula de escape, balancín y resorte

• K. Bujía

• L. Ducto de escape de gases quemados

• M. Pistón

• N. Biela

• P. Cigüeñal

En la carrera de compresión (figura 7), ambas válvulas están cerradas y el pistón va

del PMI al PMS. La presión de la mezcla, al igual que su temperatura aumentan.

5 http://auto.howstuffworks.com/engine3.htm. Imagen tomada de “CARACTERIZACION DE AUMENTOS DE POTENCIA EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA DE CUATRO TIEMPOS”, Daniel HERRERA E., Universidad de Los Andes, 2002

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Figura 7: Carrera de Compresión y Diagrama P-V 6

Unos grados antes de llegar al PMS salta la chispa que provee la bujía y se

enciende la mezcla que llega a su máxima presión otros grados después del PMS.

Este avance de la chispa se debe a que la mezcla demora un tiempo en completar

su combustión debido al tiempo de propagación de la llama. Con el aumento de la

presión interna comienza la carrera de fuerza (figura 8) donde ambas válvulas

siguen cerradas y la fuerza de la explosión hace que el pistón vaya del PMS al PMI.

Figura 8: Carrera de Fuerza y Diagrama P-V 7

El ciclo se completa con la carrera de escape (figura 9). En este momento la válvula

de escape está abierta, mientras que el pistón va del PMI al PMS.

6 http://auto.howstuffworks.com/engine3.htm Imagen tomada de “CARACTERIZACION DE AUMENTOS DE POTENCIA EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA DE CUATRO TIEMPOS”, Daniel HERRERA E., Universidad de Los Andes, 2002 7 http://auto.howstuffworks.com/engine3.htm Imagen tomada de “CARACTERIZACION DE AUMENTOS DE POTENCIA EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA DE CUATRO TIEMPOS”, Daniel HERRERA E., Universidad de Los Andes, 2002

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Figura 9: Carrera de Escape y Diagrama P-V8

Todo este ciclo dura 720° de giro del cigüeñal, por lo que cada carrera tiene una

duración de 180°. Es importante fijarse bien en la posición de las válvulas en las

figuras 6 a 9.

2.1.1 Bloque

El bloque es la parte que soporta las camisas de los cilindros, contiene los apoyos

para el cigüeñal, los ductos de circulación del líquido refrigerante y del fluido

lubricante. En él van montados los elementos del conjunto móvil. Su diseño es muy

variado y depende principalmente del tamaño, de la cantidad de cilindros y de su

disposición (en línea, en V, opuestos o rotativos) (figura 10). Se fabrica por

fundición en aleaciones de hierro o aluminio y conforma una solo pieza.

La parte inferior del bloque es el cárter que es el reservorio de aceite lubricante. Y

en la parte superior va montada la tapa del motor o la culata.

8 http://auto.howstuffworks.com/engine3.htm Imagen tomada de “CARACTERIZACION DE AUMENTOS DE POTENCIA EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA DE CUATRO TIEMPOS”, Daniel HERRERA E., Universidad de Los Andes, 2002

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Figura 10: Tipos de Motores9

La figura 11 es un despiece de un bloque de motor con todos sus elementos

descritos a continuación:

1. Eje de levas

2. Cadena de repartición

3. Tapa de repartición

4. Anillos

5. Pistón

6. Camisa Húmeda

7. Biela

8. Casquetes de Biela

9. Bloque Volante

10. Cigüeñal

11. Casquetes de bancada

12. Sombreretes de bancada

13. Cárter de aceite

2.1.2 Culata

En los inicios de los motores de combustión interna las culatas o tapa de motor no

tenían mucha ciencia, pero hoy en día es una parte fundamental del motor ya que

aloja gran cantidad de elementos importantes. En esta parte se alojan las válvulas

que permiten la entrada de mezcla y salida de gases (mínimo una de admisión y

una de escape), las bujías que encienden la mezcla y eje de balancines que abre y

cierra las válvulas por la acción del eje de levas.

9 http://auto.howstuffworks.com/engine5.htm

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24

que produce la explosión de la mezcla. El movimiento reciprocante del pistón entre

el PMS y el PMI es la carrera del motor y es dos veces el radio del cigüeñal.

2.1.4 Sistema de encendido

El sistema de encendido es el que provee la chispa para que se genere la explosión

de la mezcla. El motor en estudio utiliza el sistema de distribuidor que es un eje

con un piñón movido por el eje de levas y el cual con ayuda de un condensador y

unos platinos manda la chispa en el momento necesario para que se encienda la

mezcla. La corriente eléctrica de alto voltaje la provee la bobina, que a su vez la

recibe de la batería. Otro tipo de encendido es el electrónico que a través de un

sensor montado en el volante manda la chispa en el momento necesario. El

encendido nunca se hace en el PMS sino unos grados antes que el pistón llegue a

ese punto, esto es el avance de la chispa. A nivel del mar la chispa debe

encenderse de 7 a 9° antes del PMS y a nivel de Bogotá este avance debe ser de

11 a 13°. Este avance es debido a la concentración de oxígeno en la mezcla. Como

a nivel del mar la concentración es mayor la combustión es mejor y la propagación

de llama es mas rápida.

2.1.5 Carburación

Este es el sistema donde se genera la mezcla de aire-combustible y consta de un

carburador, que regula la cantidad de aire y de combustible necesarias para el buen

funcionamiento del motor dependiendo de algunas condiciones como temperatura

del motor o grado de aceleración. El carburador consta de una boca de entrada de

aire, un ventury que lo acelera y un dosificador de gasolina que hace que el fluido

se gasifique en el aire y así se pueda sacar la potencia térmica del combustible.

IM-2004-I-16



26

PMS. Esto hace que en un instante las dos válvulas están abiertas, esto es el cruce

o traslape valvular. Se hace para una mejor respiración del motor, mejor llenado y

evacuación de gases, teniendo en cuenta perdidas de mezcla. En los motores

comerciales el tiempo de válvulas es pequeños pero para los motores de

competición se modifican los ejes de levas para que las válvulas permanezcan mas

tiempo abiertas y se tenga mayor cruce valvular.

2.2 CICLOS TERMODINÁMICOS Existen varios ciclos termodinámicos con los que se puede hacer el estudio de un

motor de combustión interna. A continuación se hará una breve descripción de

estos ciclos a partir del análisis realizado por el Ingeniero Herrera en este aspecto.

Esto se hace ya que la finalidad de este proyecto no es desarrollar un modelo

termodinámico.

2.2.1 Ciclo de Otto de Aire Estándar Este ciclo asume que “…la mezcla se puede tratar a través de las propiedades del

aire, con el calor especifico a presión constante (Cp) y el calor especifico a volumen

constante (Cv) como constantes en todo el ciclo, al igual que el exponente

isentrópico (k). Las carreras de compresión y expansión son procesos adiabáticos

reversibles (isentrópicos) y la adición de calor es a volumen constante. Las carreras

de admisión y escape son a presión constante (isobárico) de tipo adiabático, sin

pérdidas o adición de calor…”13.

Los puntos críticos del ciclo son:

• (1) Admisión y Escape

• (2) Fin Compresión

• (3) Fin Adición de Calor

• (4) Fin Expansión

13 “CARACTERIZACION DE AUMENTOS DE POTENCIA EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA DE CUATRO TIEMPOS”, Capitulo 3, pagina 12, HERRERA E. Daniel, Universidad de Los Andes, 2002

IM-2004-I-16



27

A partir de la siguiente ecuación se obtienen los exponentes politrópicos de

compresión y expansión con los valores de presión y volumen en los puntos

críticos.

cstePV n =

El exponente de compresión se halla con las presiones P1 y P2 y con los volúmenes

Vmin, el de la cámara de compresión para P1, y Vmax el volumen total del cilindro

incluyendo la cámara para P2. El exponente de expansión se halla de la misma

forma pero con P3 y P4 y los mismos volúmenes dependiendo la carrera.

Esta vez se quiso hacer mas especifico el estudio y se calcularon valores para una

presión inicial y temperatura de admisión a nivel del mar (101.325 kPa y 60°) y

también para la altitud de Bogotá (75.2 kPa y 50°). Las temperaturas de entrada no

son las ambientales sino la temperatura a la que entre la mezcla al cilindro después

de pasar por el múltiple de admisión y la culata donde sube su temperatura. El

combustible utilizado en este desarrollo es el Octeno (C8H16). 2.2.3 Ciclo de Aire – Combustible Finalmente se llega al ciclo que se utiliza para los cálculos de presión del gas y la

fuerza del mismo. Este es un método puramente grafico que genera algunos

errores pero muy cercano a la realidad y mas preciso que el ciclo de Aire Estándar.

Está desarrollado en la referencia bibliográfica [5]14 y explicado en el documento del

Ingeniero Herrera, a continuación se hará un resumen de su trabajo.

Conociendo presión y temperatura de admisión, relación de compresión (R), y

relación estequiométrica a real de aire-combustible A/C (Fr), se encuentran las

propiedades de la mezcla en cada punto crítico a partir de gráficos. Para el motor

en estudio se utilizaron los siguientes valores:

• P1 = 101.325 kPa y 75.2 kPa

• T1 = 60° y 50°

• R = 8.3 : 1 y 8 : 1

• Fr = 1.2 Mezcla rica, acelerador completamente abierto 14 TAYLOR, Charles F. “THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE IN THEORY AND PRACTICE” Vol 1.2, The MIT Press, Cambridge, Massachusetts, USA, 1989

IM-2004-I-16



28

• h = 0.01

El procedimiento se encuentra descrito en el documento del Ingeniero Herrera o en

la referencia [5], utilizando las graficas (a) a (hh) de las páginas 82 a 88.

Al realizar todo el análisis se encuentran los valores de la tabla 2 para los puntos

críticos del motor 956 c.c a nivel del mar:

PUNTO CRITICO PRESIÓN

(Kpa) TEMPERATURA

(K) FUERZA

(N)

ADMISION (1) 101,325 333,15 334,4

FIN COMPRESION (2) 1950.5 566.36 6436.65

FIN ADICION DE CALOR (3) 6896 2456.31 22756.8

FIN EXPANSION (4) 500.55 1500.84 1651.82

ESCAPE 101,325 333,15 334,4 Tabla 3: Valores de presión, temperatura y fuerza para puntos críticos, Motor 956 c.c a nivel del mar

De la misma forma que se describió para el ciclo de aire estándar se hallan los

valores de los exponentes n de compresión y de expansión, con los cuales se hace

el ajuste de líneas para completar el proceso.

24.1

4.1

exp =

=

n

ncomp

Estos valores también son validos para la presión de Bogotá.

Según Taylor el modelo de aire-combustible es muy cercano al real, pero solamente

difiere en la presión máxima (3), por lo que hay que utilizar el ciclo real para corregir

este valor. Esta corrección también se hace gráficamente con la figura 5-22 de la

referencia [5] donde se obtiene un factor de corrección de 0.77 para los cuatro

casos de estudio, y con el que se obtiene una presión al final de la adición de calor

de 5309.92 kPa, para una fuerza máxima de 17522.7 N. Con este nuevo valor de

presión máxima, se recalcula el exponente de expansión y se halla que es de 1.12

Este mismo análisis se realizó para el motor 956 c.c. pero para la altitud de Bogotá,

los resultados se entregan en la tabla 3:

IM-2004-I-16



29


(Kpa) TEMPERATURA

(K) FUERZA

(N)

ADMISION (1) 75.2 323.15 248.16

FIN COMPRESION (2) 1447.6 528.35 4777.08

FIN ADICION DE CALOR (3) 5118.1 2382.58 16889.73

FIN EXPANSION (4) 371.49 1455.79 1225.9

ESCAPE 75.2 1455.79 248.16 Tabla 4: Valores de presión, temperatura y fuerza para puntos críticos, Motor 956 c.c en Bogotá

Con el factor de corrección la presión máxima es 3943.94 kPa, para una fuerza de

13015N.

Durante el desarrollo del proyecto se tomó la decisión de subir la cilindrada del

motor debido a que en el momento de desarmarlo se encontró que estaba fundido

un pistón y no se consiguió, entonces se compraron camisas, pistones y anillos de

70mm de diámetro para una nueva cilindrada de 1108 c.c. Con esta nueva

cilindrada se calcularon los valores de los puntos críticos para las dos altitudes. En

las tablas 3 y 4 se muestran los resultados obtenidos:


(Kpa) TEMPERATURA

(K) FUERZA

(N)

ADMISION (1) 101.325 333.15 334.38

FIN COMPRESION (2) 1823.85 566.36 6018.7

FIN ADICION DE CALOR (3)

6646.92 2456.31 21934.84

FIN EXPANSION (4) 508.65 1524.16 1678.55

ESCAPE 101.325 333.15 334.38 Tabla 5: Valores de presión, temperatura y fuerza para puntos críticos, Motor 1108 c.c a nivel del mar

IM-2004-I-16



30


(Kpa)

TEMPERATURA (K)

FUERZA (N)

ADMISION (1) 75.2 323.15 248.16

FIN COMPRESION (2)

1353.6 528.35 4466.88

FIN ADICION DE CALOR (3)

4933.12 2382.58 16279.3

FIN EXPANSION (4) 377.5 1478.41 15033.55

ESCAPE 75.2 323.15 248.16 Tabla 6: Valores de presión, temperatura y fuerza para puntos críticos, Motor 1108 c.c en Bogotá

Los coeficientes para este caso son:

09.121.137.1

exp

exp

=

=

=

real

comp

nnn

La presión máxima real para el nivel del mar es 5118.13 kPa y para Bogotá es

3798.5 kPa. Esto daría unas fuerzas máximas sobre el pistón de 16889.83 N y

12535.05 N.

Las figuras 14 a 17 muestran los diagramas de Presión Real, Presión del ciclo

Aire-Combustible y presión atmosférica contra Giro del Cigüeñal.

IM-2004-I-16



31

Presion del Gas Mar

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0 180 360 540 720

Giro del Cigueñal (°)

Pres

ion

(kPa

)

P aire-comb P real P atm

Figura 14: Diagrama P aire-comb, P real y P atm, Motor 956 c.c. a nivel del mar

Presion Gas Bogotá

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 180 360 540 720

Giro Cigueñal (°)

Pres

ion

(kPa

)

P real P atm P aire-comb

Figura 15: Diagrama P aire-comb, P real y P atm, Motor 956 c.c. en Bogotá

IM-2004-I-16



32

Presion Gas Mar

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0 180 360 540 720

Giro Cigueñal (°)

Pres

ion

(kPa

)

P aire-comb P real P atm

Figura 16: Diagrama P aire-comb, P real y P atm, Motor 1108 c.c a nivel del mar

Presion Gas Bogotá

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 180 360 540 720

Giro Cigueñal (°)

Pres

ion

(kPa

)

P aire-comb P real P atm Figura 17: Diagrama P aire-comb, P real y P atm, Motor 1108 c.c en Bogotá

IM-2004-I-16



33

3. MODELO DINAMICO DE PREDICCIÓN DE POTENCIA

Para predecir el torque y la potencia final de un motor de combustión interna hay

que tener en cuenta la mayor cantidad de variables posibles para que el resultado

no difiera mucho de los resultados que se pueden obtener con la ayuda de un

banco de pruebas o dinamómetro.

Los ingenieros que se dedican al desarrollo de nuevas tecnologías en el campo

automotriz siempre van a tener que estar familiarizados con las pruebas de motores

y deben conocer el funcionamiento de los laboratorios de pruebas. Para estas

pruebas existen varios tipos de maquinas que ayudan a medir el torque de un motor

para conocer la potencia, que es el aspecto mas importante para los especialistas

de los autos repotenciados ya que así pueden determinar la capacidad de

producción de un motor.

3.1 PRUEBAS DE MOTORES

3.1.1 Freno Prony

Este dispositivo es uno de los primeros desarrollados para la medición de torque y

potencia de motores. Es un dinamómetro muy sencillo de poca precisión y en

desuso. “Esta compuesto por un acople que va al volante del motor y este a su vez

esta anclado a un tambor de diámetro r, que lleva a su alrededor una banda

ajustable y con la cual se determina la fricción de arrastre, la cual opone resistencia

a la rotación del motor. La banda a su vez tiene una estructura de brazo de palanca

IM-2004-I-16



35

A partir de la definición de potencia se deduce que el trabajo por minuto es la

potencia. Para verla en unidades comerciales, caballos de potencia, solo hay que

hacer el siguiente cálculo:

3.716**

4500****2 NRPNRPmétricoHp ==⋅

π

HpkW 36.11 =

Como se dijo anteriormente este freno no es muy utilizado, solamente funciona bien

en bajas velocidades, ya que en altas ocurren ondulaciones en la banda que hacen

que no se pueda mantener una carga constante en la bascula.

3.1.2 Frenos hidráulicos

Son frenos que constan de un disco montado en una cubierta que contiene un

fluido. Tiene un depósito de fluido y unas válvulas que hacen entrar más o menos

líquido. La resistencia que encuentra el disco al girar es igual y opuesta a la

reacción que tiende a hacer girar a la cubierta. Esta clase de freno se utiliza para

carga pesadas o para altas velocidades, ya que su curva característica muestra que

la capacidad es aproximadamente proporcional al cubo de la velocidad de giro.

3.1.3 Frenos de corrientes parásitas

“Consta de un disco que al ser accionado por el motor en prueba gira en un campo

magnético. La intensidad del campo se controla variando la corriente que pasa por

unas bobinas colocadas a los lados del disco. Este actúa como un conductor

cortando el campo magnético. En el disco se inducen corrientes y por no haber un

circuito externo, lo calientan”18.

Estos son los métodos mas utilizados para probar motores de combustión interna.

3.1.4 Selección del Dinamómetro

Para el caso de los motores de combustión interna el factor mas importante es la

capacidad de absorción, para esto se pueden usar dinamómetros de corrientes

parasitas o hidráulicos ya que tienen un bajo costo y tienen facilidades de

18 “MOTORES DE COMBUSTION INTERNA, ANÁLISIS Y APLICACIONES” OBERT, Edward F., Capitulo 2, numeral 2.1, pagina 49

IM-2004-I-16



36

funcionamiento a altas revoluciones. “Para medir la velocidad de un motor se utiliza

un tacómetro, pero aunque es preciso no es lo mejor ya que mide velocidades

instantáneas y variaciones de velocidad. Como este factor de la velocidad del motor

es muy importante en las pruebas entonces se debe utilizar un contador de

movimiento positivo, el cual cuenta el número total de revoluciones en un periodo

determinado de tiempo”19.

Otros factores que se pueden tener en cuenta, y que también son de suma

importancia, son el consumo de combustible y de aire. Para el primero se utiliza un

método de pesado de combustible. Se logra pesando el combustible por intervalos

de tiempo y anotando la diferencia de peso entre el inicio de la prueba y el final y

así encontrando el consumo promedio durante el periodo de prueba. Para el

segundo hay que tener en cuenta que “el trabajo realizado por un motor de

combustión interna depende de la cantidad de energía liberada cuando se quema

una mezcla de aire combustible”20. Esta es una medida importante ya que de la

cantidad de aire depende la potencia del motor, si no entra suficiente cantidad aire

al motor, así se le agregue mucho combustible, este no rendirá como debe.

Entonces esta prueba se realiza para verificar que no haya restricciones en los

sistemas de admisión y escape que eviten la libre respiración, para el caso de

motores aspirados ya que los motores turbocargados no tienen el problema porque

la mezcla es impulsada a la cámara de combustión del motor.

Estas dos pruebas también son importantes para poder conocer la relación aire-

combustible y las variaciones de cada una de ellas, siendo estas primordiales para

el buen desempeño del motor y de las cuales depende la potencia final de este.

3.2 FACTORES DE FUNCIONAMIENTO

A continuación se hará una breve descripción de las variables importantes de un

motor de combustión interna, las definiciones y las formulas fueron tomadas del

19 “MOTORES DE COMBUSTION INTERNA, ANÁLISIS Y APLICACIONES” OBERT, Edward F., Capitulo 2, numeral 2.7, pagina 60 20 “MOTORES DE COMBUSTION INTERNA, ANÁLISIS Y APLICACIONES” OBERT, Edward F., Capitulo 2, numeral 2.9, pagina 63

IM-2004-I-16



37

libro “MOTORES DE COMBUSTION INTERNA, ANALISIS Y APLICACIONES”,

OBERT F. Edward, p6521.

3.2.1 Potencia

Dentro de un motor se encuentran varios tipos de potencia, la mas conocida es la

potencia al freno (bhp) o de salida. Otra es la indicada (ihp) que es la potencia total

desarrollada sobre el pistón. Latercera es la de fricción (fhp), que no llega a la

salida del motor, es la que se utiliza para vencer la fricción de los casquetes,

paredes del cilindro y el resto de las piezas móviles del motor. Las rige la siguiente

relación:

fhpbhpihp +=

A partir de la relación anterior se encuentra el rendimiento mecánico (η m):

ihpbhp

m =η

3.2.2 Presión Media Efectiva (bmep ó p b)

Este factor es la presión teórica constante que se ejerce durante la carrera de

potencia (fuerza) para producir una potencia igual a la del freno, entonces:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛=

xnNALp

bhp b *450000

***

Donde: p b ó bmep: [kg / cm^2]

A = área del pistón [cm^2]

L = carrera [cm]

N = velocidad de giro [rpm]

n = numero de cilindros en el motor

x = numero de revoluciones necesarias por cada carrera de potencia

producida. Para motor de 2 t: x = 2, y para motor de 4 t: x = 1

21 La inclusión de estas formulas no pretende violar los derechos de autor, simplemente ayudar a la comprensión de los factores de funcionamiento de un motor de combustión interna.

IM-2004-I-16



38

3.2.3 Presión Media Efectiva Indicada (imep ó p i)

Es la presión teórica constante que se ejerce durante la carrera de potencia, para

producir una potencia igual a la indicada:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛=

xnNALp

ihp i *450000

***

Entonces

imepbmep

pp

i

bm ==η

3.2.4 Par Torsional (torque) y mep

Para este análisis el torque tiene unidades de (kg*m), entonces la potencia (hp) es:

( )x

NDmephp

NThp

*100*4500**

3.716*

=

=

3.716**450000 Txmep =

Finalmente para un motor de 2 tiempos:

DTmep *1260=

Y para un motor de 4 tiempos:

DTmep *2520=

Las presiones medias efectivas son unos factores de comparación muy buenos, ya

que entre mas elevadas mejor es el diseño del motor. Por el contrario el torque de

un motor no es un buen índice de comparación porque depende exclusivamente del

tamaño del motor. Lo mismo pasa al comparar las potencias ya que estas no solo

dependen del tamaño del motor sino también de la velocidad.

IM-2004-I-16



39

3.2.5 Rendimiento Volumétrico (η v)

Es la relación del peso real de aire que entra al cilindro y el peso teórico que debe

entrar al total del cilindro a la temperatura y presión atmosféricas:

t

av m

m=η

Donde ma es el peso real de aire en la carrera de admisión [(kg*h)/# carreras de

admisión], y mt es el peso teórico de aire.

3.3 CÁLCULOS DINÁMICOS

La figura 19 muestra la simplificación de un mecanismo de biela-manivela con las

convenciones que se utilizaran en todo el desarrollo de este modelo dinámico y

serán descritas a continuación:

• 1: Bloque motor

• 2: Cigüeñal

• 3: Biela

• 4: Pistón

• O: Apoyos de bancada

• A: Muñón de biela (unión entre biela y cigüeñal)

• B: Bulón (unión entre biela y pistón)

• G3: Centro de masa de la biela

• Theta (θ): Ángulo de giro del cigüeñal. θ = 0° es inicio carrera de

admisión.

• Phi (φ): Ángulo entre la vertical y la biela, donde:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= −

AB

OA

RsenoR

senoθ

φ*1

El siguiente método muestra la forma para calcular velocidades, aceleraciones,

torque y potencia para un mecanismo de biela-manivela o para un motor

monocilíndrico, a partir de los vectores (magnitudes y direcciones). Los datos de

entrada necesarios son:

IM-2004-I-16



40

Figura 19: Mecanismo biela-manivela con convenciones

• La velocidad angular del cigüeñal (ω2)

• Radio del cigüeñal (ROA), que es la mitad de la carrera

• Longitud de la biela entre centros (lAB)

• Distancia entre el centro de masa de la biela y el pistón (RG3B)

• Distancia entre el centro de masa de la biela y el muñón (RG3A)

• Masa del pistón (Mpis)

• Masa de la biela (Mbie)

• Inercia de la biela (I3)

• Diámetro del pistón (dpist)

3.3.1 Cálculos de Velocidades

Hay que tener en cuenta dos cosas importantes para este calculo, que la velocidad

del pistón siempre es en sentido vertical (positivo o negativo) y que la velocidad del

IM-2004-I-16



41

cigüeñal siempre es tangencial a la dirección radial. Todo el análisis se hace a partir

de velocidades relativas.

La velocidad del pistón es igual a la velocidad del pistón vista desde el muñón mas

la velocidad del muñón vista desde el centro del cigüeñal.

OAtA

BnA

BO

B

OA

AB

OB

RVVV

VVV

*2ω+⎟⎠⎞⎜

⎝⎛+⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛=

+=

Como O

AV siempre es perpendicular a OA y va en el sentido del giro del motor, y

OBV siempre es vertical, entonces se hace un triangulo de velocidades para hallar

ABV . En este triangulo hay tres ángulos, los cuales son necesarios para resolver

las velocidades, estos son:

• Epsilon (ε): ángulo entre O

AV y O

BV

θε −= 90

• Alpha (α): ángulo entre O

AV y A

BV

φθα +=

• Beta (β): ángulo entre O

BV y A

BV

φβ −= 90

Luego de tener los ángulos se encuentran las magnitudes de las velocidades:

)()(*

)()(*

βε

βα

senosenoVV

senosenoVV

OA

BA

OA

OB

=

=

El paso a seguir es el cálculo de la velocidad angular de la biela AB. El sentido de

ωAB esta regido por la dirección de A

BV , esto da que para el primer y segundo

cuadrante ωAB es positivo (CCW) y para los otros dos cuadrantes es negativo (CW).

IM-2004-I-16



42

AB

AB

AB R

V=ω

3.3.2 Cálculos de Aceleraciones

El punto A (muñón) tiene un movimiento circular de radio ROA, con velocidad

constante ω2, entonces la aceleración de este punto solo tiene una componente

normal, en dirección de A a O.

( )

( )2

22

*

*

ABABnA

B

OAO

A

tAB

nAB

OA

AB

OA

OB

RA

RA

AAAAAA

ω

ω

=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

=

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛+⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛+=+=

Construyendo el polígono de aceleraciones y con las magnitudes de O

AA y de

nABA ⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ tendríamos un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas

tABA ⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ y

OBA . Descomponiendo las aceleraciones en x y en y se puede resolver el sistema y

encontrar las incógnitas.

)cos(*)(*)(*0

)(*)cos(*)cos(*

φφθ

φφθ

tAB

nAB

OA

tAB

nAB

OA

OB

AsenoAsenoA

senoAAAA

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛−⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛−=

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛−⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛+=

Con estas aceleraciones ya se puede calcular la aceleración angular de la biela

(αAB). Esta aceleración está dada por la dirección de tA

BA ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ y la longitud de la

biela.

AB

tBA

AB R

A ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

=α

IM-2004-I-16



43

Esta aceleración es negativa (CW) en el primer y cuarto cuadrante y negativa

(CCW) en los otros dos.

Ahora el cálculo siguiente es el de la aceleración del centro de masa de la biela con

respecto del centro del cigüeñal.

( )

( )22

2

*

*

*

33

33

3333

ω

α

ω

OAO

A

ABAGtA

G

ABAGnA

G

OA

tAG

nAG

OA

AG

OG

RA

RA

RA

donde

AAAAAA

=

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=+=

El cálculo de las direcciones de las aceleraciones es muy importante, sobre todo el

de la dirección de O

GA3

que es la misma de la fuerza de inercia de la biela Fo3 y a

partir de esta fuerza se calculará una componente del torque.

3.3.3 Cálculos de las Fuerzas de Inercia

Estas son fuerzas producidas por las masas en movimiento que se oponen a él.

Para este caso solo existen dos fuerzas de inercia: Fo4, que es la del pistón, y Fo3

que es la debida al movimiento de la biela. Estas fuerzas simplemente son el

producto de la masa de la pieza móvil por la aceleración de su centro de masa, y

tienen la dirección de la aceleración.

OGo

OBo

AMF

AMF

3*

*

33

44

=

=

La fuerza Fo4 tiene como punto de acción la unión de la biela y el pistón (bulón) y

siempre va en sentido contrario al movimiento del pistón. Sin embargo la fuerza Fo3

IM-2004-I-16



44

tiene la misma dirección de la aceleración de AG3 pero no pasa por su centro de

gravedad. Tiene una excentricidad e que existe para que haya una conservación de

momento sobre la biela:

3

33

333

3

*

**

*

3

3

33

o

G

Go

GG

FI

e

IeF

IM

α

α

α

=

=

=Σ

3.3.4 Cálculos del Torque

3.3.4.1 Torque Debido a Fgas y Fo4

La fuerza del gas siempre se ejerce sobra la cabeza del pistón en dirección vertical

(negativa). Sin embargo Fo4, como va en dirección contraria al movimiento, en

algunos instantes es positiva y en otros negativa. De la suma vectorial de estas dos

fuerzas sale una resultante denominada F4. Si tomamos solo las fuerzas

anteriormente descritas y hacemos diagramas de cuerpo libre sobre cada elemento

se encontrará que en el bulón solo actúan tres fuerzas: F4, F14’ y F34’, donde F14’ es

una fuerza normal que ejercen las paredes del cilindro sobre el pistón y actúa en la

unión de este con la biela. La fuerza F34’ es la resultante de las dos anteriores y por

el efecto de acción y reacción actúa sobre la biela. La biela solo puede estar

sometida a tensión o compresión, lo que hace que en la unión de esta con el

cigüeñal haya otra fuerza en el mismo sentido que F34’. En el cigüeñal sucede algo

similar y solo actúan dos fuerzas, la que es igual a F34’ y una reacción en el apoyo

de bancada, de igual magnitud pero de sentido contrario, entonces:

''''' 1232234334 FFFFF ====

La figura 20 muestra los diagramas de cuerpo libre del mecanismo sometido a la

fuerza del gas y a la fuerza de inercia del pistón. La suma vectorial de estas dos

IM-2004-I-16



45

fuerzas es la resultante F4. Estos diagramas hacen referencia al instante cuando el

cigüeñal lleva 60° desde su PMS.

Figura 20: Diagramas de Cuerpo Libre debidos a Fgas y Fo4

Haciendo un triangulo de fuerzas, y teniendo en cuenta los ángulos entre las

fuerzas, se puede hallar F14’ y F34’, encontrando luego F12’ que es la fuerza que

genera torque en el cigüeñal en el momento que actúan Fgas y Fo4. Este torque

simplemente es la fuerza por una distancia d’ que es la distancia perpendicular

entre F12’ que se ejerce en el apoyo de bancada y F32’ que se ejerce en el muñón

de biela y que tienen la misma dirección.

El torque causado por la fuerza del gas y la fuerza de inercia del pistón es:

''*' 12 dFTS =

Este torque es cíclico y es el que rige, en mayor parte, el torque total del motor. La

figura 21 muestra este torque durante todo un ciclo (720°) del motor. El torque

máximo se encuentra después de los 360° (carrera de fuerza), en ese instante llega

la presión interna llega a su máximo y por esta razón el torque es máximo.

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46

Ts'

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

0 180 360 540 720

Giro Cigueñal (°)

Ts' (

N.m

)

Ts' Mabie Figura 21: Torque Ts’ Debido a Fgas y Fo4

3.3.4.2 Torque Debido a Fo3

Esta fuerza se debe a la aceleración del centro de masa de la biela y se ejerce con

una excentricidad e. Al realizar le diagrama de cuerpo libre debido a esta sola

fuerza se observa que existen dos fuerzas resultantes debido a la de inercia: F14’’,

que es la normal del cilindro al pistón, F12’’ que es una fuerza de reacción en el

apoyo de bancada. Al hacer una proyección de las F14’’ y de Fo3 se ve que tienen un

punto de concurrencia k, por el cual también debe pasar F12’’. Haciendo este

análisis y luego con los ángulos encontrados a raíz del punto de concurrencia k se

hace un triangulo de fuerzas para hallar:

''''''

''''''

123223

143443

FFF

FFF

==

==

F12’’ actúa sobre el apoyo de bancada en dirección OA y F32’’ actúa en el muñón

pero no son colindares y la distancia perpendicular entre ellas d’’ es la que genera

torque con F12’’.

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47

Figura 22: Torque Ts’’ Debido a Fo3

La figura 22 hace referencia al diagrama de cuerpo libre sobre el mecanismo.

'''*''' 12 dFTS =

En la figura 23 se observa el torque debido a Fo3 durante todo el ciclo.

Ts''

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 180 360 540 720

Giro Cigueñal (°)

Ts''

(N.m

)

Ts'' Mabie Figura 23: Torque Ts’’ Debido a Fo3

IM-2004-I-16



48

3.3.4.4 Superposición

Por superposición de las fuerzas anteriores se obtienen las fuerzas totales sobre

cada uno de los elementos de unión, como bulón, muñón de biela y apoyo de

bancada, y el torque total que es la suma algebraica de Ts’ y Ts’’, hay que tener

cuidado en el sentido de estos torque para que la suma sea correcta.

''' SSS TTT +=

Torque 1 cilindro Vs Giro Cigueñal

-50

0

50

100

150

200

0 180 360 540 720

Giro Cigueñal (°)

Torq

ue 1

cili

ndro

(N.m

)

T1 cil Mabie Figura 24: Torque Total (sumando los torques) debido a Fo3

La figura 24 muestra la grafica de torque contra giro del cigüeñal para un ciclo

completo de un solo pistón.

3.4 MOTORES MULTICILÍNDRICOS

El torque total de un motor de mas de un cilindro se calcula de la misma forma, pero

con la diferencia que hay que tener en cuenta el orden de encendido del motor y así

ver que cada pistón genera el mismo torque pero en diferenta instante de giro del

cigüeñal. En la figura 25 se puede observar el torque de cada pistón desfasado en

IM-2004-I-16



49

180°. Al ver esta grafica se puede deducir que al hacer la sumatoria de para cada

grado de giro del cigüeñal se puede hallar el torque total, el cual tiene un promedio

y un máximo con los cuales se calcula la potencia del motor para esa velocidad

angular del cigüeñal. En la figura 26 se muestra una curva de torque contra giro de

cigüeñal para un motor de 4 cilindros para una velocidad angular del cigüeñal de

7000 rpm.

Torque 4 cilindros

-50,00

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

0 180 360 540 720

Giro Cigueñal (°)

Torq

ue (N

.m)

T cil1 T cil3 T cil4 T cil2

Figura 25: Torque de cada uno de los pistones con un desfase de 180°

Hay que tener en cuenta que este análisis se realizó sin un volante de inercia, el

cual suaviza los picos de la grafica de torque pero mantiene el torque promedio

igual. El volante de inercia es un acumulador de energía que entrega energía

cuando el torque es negativo y así disminuye las fluctuaciones haciendo un motor

mas suave y pudiendo mantenerlo en bajas revoluciones. Los autos de

competición tienen volantes de inercia muy pequeños, para hacer girar mas rápido

el motor, pero en bajas revoluciones no se comportan bien y hay que tenerlos

acelerados en el momento de estar detenido.

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50

Torque Total

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 180 360 540 720

Giro Cigueñal (°)

Torq

ue T

otal

(N.m

)

T Total Mabie T prom Ideal Figura 26: Torque Total para un motor de 4 cilindros y desfase de 180°

3.5 POTENCIA

Al tener el torque del motor para velocidad angular constante es muy sencillo el

cálculo de la potencia. Simplemente el torque máximo y el promedio se multiplican

por la velocidad angular y se obtienen la potencia máxima y la promedio. Hay que

tener mucho cuidado para el manejo de las unidades, ya que si se está trabajando

en el sistema métrico (N.m) la potencia será en (kW), pero si se trabaja en el

sistema ingles (lb.ft) la potencia resultará en (hp). El modelo desarrollado utilizo

unidades métricas pero la potencia final esta dada en (hp). Esto se logra pasando

de N.m a lb.ft y después multiplicando por la velocidad angular en rad/s.

Para hacer una curva de potencia contra giro de cigüeñal hay que calcular la

potencia para distintas velocidades angulares, tomar el dato de cada una y

graficarla.

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51

4 MODIFICACIONES REALIZADAS

El objetivo primordial de este proyecto, y como su titulo lo expresa, es el lograr la

repotenciación de un motor de combustión interna a gasolina. Esta actividad es mas

conocida como trucaje. Para lograr un aumento de potencia en un motor existen

varios factores que modificándolos se puede llegar a un motor de competición, y

eso es lo que se realiza normalmente en nuestro país ya que por costos es

preferible el trucaje que armar motores de competición con todas las piezas

diseñadas para ese fin. Dentro de las técnicas que existen para la repotenciación

las mas utilizadas y las que mejores resultados dan son: aumentar la cilindrada,

aumento de la relación de compresión, mejoras en la elaboración de la mezcla,

aumento en la entrada de aire, mejoras en el encendido, aligeramiento de masas y

modificación de la distribución (ejes de levas). Este proyecto se centró en tres de

los aspectos anteriores, el aumento de cilindrada, el aumento en la entrada de aire

y el aligeramiento de masas.

4.1 CÁLCULOS PREVIOS A LAS MODIFICACIONES

Como primera medida antes de decidir las modificaciones a realizar hay que

estudiar un poco el motor. Al desarmar el motor hay que comprobar algunas

características de este, como el diámetro exacto del cilindro, la carrera y el volumen

de la cámara de compresión. Con estas medidas se deben realizar los siguientes

cálculos:

IM-2004-I-16



52

• Cilindrada: cnCDCilind ***4

2

π= , donde D2 es el diámetro del

cilindro, C es la carrera y nc es el numero de cilindros.

• Relación de compresión: para este cálculo previamente se debe

haber medido muy bien el volumen de la cámara de compresión con

la ayuda de una lámina con un agujero y una pipeta graduada o una

jeringa. Se conoce el volumen de líquido en la pipeta y se comienza

a introducir por el orificio, cuando el líquido quede totalmente contra

la lámina y no haya burbujas se detiene el vertimiento de líquido y se

mide cuanto queda en la pipeta, se resta ese valor del original y así

se halla el volumen de la cámara. Hay que utilizar este método ya

que las cámaras tienen formas complejas. Para el calculote la

relación de compresión se utiliza la cilindrada unitaria, que es

simplemente dividir la total por el número de cilindros. Y finalmente

se calcula la relación de compresión con:

vvVRc

+=

Donde V es la cilindrada unitaria y v es el volumen de la cámara de

compresión.

• Otro calculo importante es el de la velocidad media del pistón, ya que

esta no debe sobrepasar 18 m/s22

600002**CNV p =

Donde N es la velocidad angular en rpm y C la carrera.

Dependiendo de estos cálculos uno debe decidir que modificaciones realizar, ya

que no debe sobrepasar en mas 13 la relación de compresión. Y en cuanto a la

velocidad media del pistón uno no debe aligerar demasiado las masas para no

llegar a valores altos porque los motores de calle no están diseñados para resistir

esos esfuerzos a esas velocidades.

22 “PREPARACION DE MOTORES DE COMPETICION”, RUIGI, Luís, Biblioteca del Automóvil, Ediciones CEAC, ESPAÑA, 1985

IM-2004-I-16



53

Para el motor Renault 956 c.c. Rc = 8.3 : 1, y Vp = 13.2 m/s

4.2 EL TRUCAJE

La literatura consultada para este fin define el trucaje como toda modificación que

se pueda realizar a partes de un motor que lleven a un aumento significativo de su

potencia. En el trucaje existe una regla primordial, y en los motores de combustión

interna en general, que dice “La potencia de un motor no puede ser aumentada

nada mas que en la misma medida en que se consigue aumentar su consumo de

aire”23, esto quiere decir que lo único que mejora el desempeño de un motor es el

aumento en la capacidad de llenado del cilindro. Por esta razón una de las

modificaciones mas comunes es aumentar la presión media efectiva, lo que

significa sobrealimentar un motor con ayuda de un turbocargador o de un

supercargador. Esta técnica simplemente hace entrar mucha mas mezcla al cilindro

elevándole la presión. Pero este no es el caso de este estudio. Entonces para llegar

a llenar con mas mezcla el cilindro quedan dos opciones: aumentar la cilindrada o

aumentar el régimen de giro del motor. Estas dos técnicas si se realizaron en este

proyecto, ya que se pasó de una cilindrada de 956 c.c. a 1108 c.c., y se aligeraron

las masas del conjunto móvil para elevar el régimen de giro. A su vez se modificó la

culata para que al subir de revoluciones la mezcla entre con mayor facilidad y en

mayor cantidad al cilindro.

4.3 MODIFICACIONES REALIZADAS

4.3.1 Cigüeñal

El cigüeñal es la parte del motor que recibe todos los esfuerzos provenientes de la

fuerza del gas y transmitidos por el pistón y la biela. Su forma con codos lo hacen

una parte delicada dentro del motor ya que se generan altos concentradores de

esfuerzo en esos puntos y hacen que falle por torsión. Por esta razón la estructura

central no se debe modificar, quedando así solamente la posibilidad de aligerarle

masa con el recorte de las contrapesas, diseñadas para balancearlo dinámicamente

acumulando energía y entregándola en momentos en que el torque va en sentido

23 “TRUCAJE DE MOTORES DE CUATRO TIEMPOS”, DE CASTRO VICENTE, Miguel, EDICIONES CEAC, ESPAÑA, 1986

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54

contrario al sentido de giro del motor. Esto, con ayuda del volante son los

encargados de mantener una marcha suave en bajas revoluciones.

La masa original del cigüeñal es de 8420 g, su longitud total es de 437.3 mm, el

diámetro de los muñones de bancada es de 46 mm y el de los muñones de biela es

de 43.98 mm. Las contrapesas en su forma semicircular tienen un radio de 71.35

mm. Y la distancia entre el centro del cigüeñal y el centro de los muñones de biela

es de 35 mm.

Para ver el modelo de este cigüeñal hay que dirigirse a la figura 3 del Capitulo 2,

donde se observan sus contrapesas en forma semicircular, las cuales serán

sometidas a modificaciones. El Ingeniero Herrera propuso realizar un taladrado

axial pasando por los centros de los muñones de biela y bancada y también por las

contrapesas, pero esta modificación no es posible realizarla ya que no se tuvieron

en cuenta los ductos de lubricación que van en los muñones. Si se llegara a realizar

esa modificación la presión de aceite se perdería y los casquetes no tendrían su

capa hidrodinámica para su buen desempeño y terminarían fundiéndose en el

cigüeñal. La figura 27 hace referencia a lo planteado por el Ingeniero y se observa

claramente el taladrado axial. Él basó su decisión luego de simular el cigüeñal

taladrado axialmente y ver que el agujero no influía en los concentradores de

esfuerzos mostrados en la figura 28.

Figura 27: Modelo Cigüeñal 850 c.c con taladrado axial24

24 Imagen tomada de “CARACTERIZACION DE AUMENTOS DE POTENCIA EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA DE CUATRO TIEMPOS”, HERRERA, Daniel, Universidad de Los Andes, COLOMBIA, 2002

IM-2004-I-16



55

Figura 28: Distribución de esfuerzos en el cigüeñal 850 c.c. luego del taladrado axial.25

Al tener en cuenta lo anterior se decidió no realizar este trabajo sino basarse en la

literatura consultada26, donde se plantea el aligeramiento de las contrapesas

recortándole las puntas y además haciendo otro corte tipo “cuchilla”. Se modeló esa

posible modificación y su resultado se ve en la figura 29 las tres figuras de la

izquierda, las otras figuras son las del cigüeñal sin modificar y se retomaron para

lograr una rápida comparación de las modificaciones.

Figura 29: Modelo Cigüeñal modificado comparado con el original.

25 Imagen tomada de “CARACTERIZACION DE AUMENTOS DE POTENCIA EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA DE CUATRO TIEMPOS”, HERRERA, Daniel, Universidad de Los Andes, COLOMBIA, 2002 26 “PREPARACION DE MOTORES DE SERIE PARA COMPETICION”, GILLIERI, Stefano, EDICIONES CEAC, ESPAÑA, 1996 NOTA: no se pretende violar los derechos de autor incluyendo las figuras 27 y 28, simplemente se hace referencia a ellas para ilustrar las modificaciones planteadas por el Ingeniero Herrera.

IM-2004-I-16



56

La literatura propone este tipo de modificación ya que al recortarle las puntas a las

contrapesas se reduce su inercia, lo que lo hace girar mas rápido, y la forma de

“cuchilla” hace que pase con menos resistencia por el cárter de aceite y además

genera una mejor lubricación por un mejor salpicado, recordando que hay partes

del motor que se lubrican por salpicado y otras por presión. Las figuras 30 y 31 son

fotos del cigüeñal modificado, antes y después del trabajo realizado. Se presentan

excusas por la calidad de las figura 31, pero se cree conveniente mostrarlas para

hacer una comparación real de los resultados.

Figura 30: Cigüeñal original sin modificar.

Figura 31: Cigüeñal modificado.

IM-2004-I-16



57

La figura 32 se muestra el montaje en el torno para darle la forma de cuchilla a las

contrapesas. Este proceso se realizó en el Taller de Luís Pablo Vargas, reconocido

en el medio mecánico por sus trabajos de preparación de motores de competición.

Figura 32: Montaje en el torno para hacer la forma de cuchilla

El recortado de las puntas de las contrapesas se realizó en la fresa del taller de

Ingeniería Mecánica de la Universidad de Los Andes. Estos procesos se realizaron

con cautela para tratar de que quede balanceado el cigüeñal ya que no se contaba

con el presupuesto para el balanceo dinámico. Al finalizar las modificaciones se

montó el cigüeñal en el torno del taller, a 250 y 400 rpm y no se notaron grandes

vibraciones, también por esta razón se decidió no llevarlo al balanceo, además

porque el motor no va ser de uso diario. Para motores de autos de calle se

aconseja el balanceo de esta pieza, ya que puede generar altas vibraciones y dañar

el motor.

Al cigüeñal también se le dio un acabado espejo con ayuda de un Mototool, lijas y

piedra esmeril, la figura 33 muestra el procedimiento. Se procede con la eliminación

de las venas, con una piedra abrasiva o con fresa de carburo de tungsteno, que

quedan en el proceso de fabricación de fundición, luego se pulen el resto de las

superficies y se les da el acabado con la piedra esmeril W100 y un disco de trapo.

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58

Figura 33: Pulido y acabo del cigüeñal27.

Finalmente la masa de esta parte fue 7710 g lo que resulta en una reducción de

masa del 8.4%. La inercia pasó de 136598.6 kg*mm^2 a 113723.7 kg*mm^2, para

una reducción en porcentaje de 16.75 %.

4.3.2 Bielas

Las bielas trabajan a tensión y compresión por lo que sus mayores esfuerzos son

en la unión de la cabeza con el cuerpo (vástago), lugar donde se transmite toda la

fuerza de la explosión de la mezcla de la biela al cigüeñal y se genera el par

torsional. “Son fabricadas por el proceso de forja en aceros al cromo, por eso no se

deben taladrar ya que se debilitan y se rompen la disposición de las fibras propias

de la forja, debilitando el anima del vástago”28. Por esta razón no se realizaron las

modificaciones del Ing. Herrera, ver figura 34, donde propone taladrar muy

exactamente el anima del vástago de la biela. Se decidió eliminar masa retirándole

material de la contrapesa de la cabeza, retocando las superficies para eliminar las

rugosidades y dándole un acabado de espejo. El acabado espejo sirve para que el

aceite escurra al cárter y no se quede alojado en la superficie ayudando así a al

refrigeración de la biela.

27 http://www.sa-motorsports.com/blockdiy/blkdiy.htm 28 “TRUCAJE DE MOTORES DE CUATRO TIEMPOS”, DE CASTRO VICENTE, Miguel, EDICIONES CEAC, ESPAÑA, 1986

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59

Figura 34: Propuesta de biela Modificada por Ing. Herrera29

La figura 35 muestra el modelo de la biela modificada, conservando su estructura y

simplemente reduciendo al máximo la contrapesa de la cabeza. Se puede comparar

con la figura 2 “Biela original”. Se retocaron las superficies y se le dio acabado.

Figura 35: Propuesta de biela Modificada

Biela Masa Inicial (g)

Masa Final (g)

Inercia Inicial (kg*mm^2)

Inercia Final (kg*mm^2)

1 502 453.74 1267.25 1033.87

2 502 453.63 1267.25 1033.87

3 500.34 452.64 1267.25 1033.87

4 501.61 453.53 1267.25 1033.87 Tabla 7: Datos iniciales y finales de las bielas

Masa inicial promedio = 501.49 g

Masa final promedio = 453.39 g

Porcentaje de reducción de masa = 9.59%

Porcentaje de reducción de Inercia = 18.4%

29 Imagen tomada de “CARACTERIZACION DE AUMENTOS DE POTENCIA EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA DE CUATRO TIEMPOS”, HERRERA, Daniel, Universidad de Los Andes, COLOMBIA, 2002

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60

Este proceso se realizó con Mototool neumático utilizando piedras abrasivas, fresas

de carburo de tungsteno, lijas de agua y piedra esmeril para el acabado. El proceso

se debe realizar con la ayuda de una balanza precisa para ir pesándola e ir

haciendo un balanceo estático con el resto de las bielas. Se utilizó un margen de

error de mas o menos 1 g. Se toma una biela como referencia y se trabajan por

partes, así lo que se le quita a la primera biela en cierta región debe ser lo mismo

que se le reduzca a la segunda, tercera y cuarta en la misma región. Las figuras 36

muestran el proceso de reducción de masa y brillado.

Figura 36: Proceso de reducción de masa de bielas.

Figura 36: Proceso de reducción de masa de bielas.30

4.3.3 Pistones

El pistón, debido a las cargas que resiste de la explosión, es una parte delicada

para modificar. Al igual que las bielas también se debe conservar el balanceo

estático entre los cuatro. Por esta razón también hay que trabajar con la ayuda de

una balanza, tomando como referencia un pistón y haciéndole lo mismo al resto.

Existen varias posibilidades para la reducción de masa de los pistones pero la mas

30 http://www.sa-motorsports.com/blockdiy/blkdiy.htm

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61

utilizada es el recorte de la falda, “… se le puede recortar hasta dejar una distancia

de 5 milímetros por debajo del bulón…”31 si se le recorta mas el pistón puede

comenzar a cabecear y termina por romperse. La figura 37 muestra la diferencia

entre un pistón trabajado y uno original.

Figura 37: Deferencia entre Pistón original y modificado.

Se logró reducir 5 mm a la falda, se le hicieron ranuras de lubricación y se lo dejo el

bulón flotante en biela y pistón con la ayuda de unos pines instalados a ambos

lados del bulón.

En cuanto a la masa se redujo en un 5.25%, pasando de 259.5 g a 245.9 g.

El recorte de la falda se realizo con escofina y lija de agua para redondear los

bordes, ya que en los filos se generan concentradores de temperatura y podría

fallar el material. También se pulió la cabeza para mejorar la propagación de la

llama, teniendo en cuenta de no reducir la altura porque se reduciría la relación de

compresión.

4.3.4 Volante de inercia

Esta es una pieza de fácil trabajo, se montó en un torno y se le logró reducir en un

16.5% su masa, siendo este el valor mas alto dentro de todas la modificaciones,

pasando de 8123 g a 6785 g, habiéndolo trabajado en la parte interna y externa.

Refiriéndome a interna como la parte que va contra el bloque y externa como el

31 “PREPARACION DE MOTORES DE SERIE PARA COMPETICION”, GILLIERI, Stefano, EDICIONES CEAC, ESPAÑA, 1996

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62

alojamiento del embrague. En la figura 38 se muestran los modelos del volante

original (superior) y de la posible modificación (inferior).

Figura 38: Volante Original (arriba) y Posible modificación (abajo).

La realidad se muestra en la figura 39, y se mostraran en la misma disposición que

la anterior figura.

Figura 39: Volante Original (arriba) y modificado (abajo).

IM-2004-I-16



63

Se logró un acercamiento bastante bueno a la propuesta de modificación. Se le

retiró material del borde externo y la parte trasera, sin tocar el alojamiento del

embrague, se hubiera podido trabajar en esta parte pero sin saber el uso futuro es

mejor dejarlo intacto en esta parte. Si se construye una caja de velocidades

automática para la moto no se necesitaría esta.

4.3.5 Porting de Culata

Como se dijo al principio de este capitulo las mejoras que se quieran conseguir en

un motor no se ven reflejadas sin el aumento en el flujo de aire dentro de este. Por

este aspecto es muy importante contrarrestar el aligeramiento de masas con una

mejora en la entrada de mezcla. Esto se logra con la instalación de turbo o un

supercargador o con el porting de culata, que es simplemente retocar las paredes

de los ductos de entrada de mezcla y salida de gases para que no se generen

turbulencias (ver figura 39) y se frene el fluido, logrando un mal llenado del

Figura 40: Turbulencias generadas por el codo B y por la vena A32.

cilindro o una acumulación de gases quemados dentro del mismo. El principio no es

de agrandar los ductos, sino de mejorar la superficie de las paredes para lograr que

el fluido se vuelva laminar y aumente se velocidad. Se comienza por rebajar todas

las venas que quedan después del proceso de fundición y por mejorar los codos,

que son las irregularidades causadas por un deterioro del molde de fundición.

También se deben recortar las guías de las válvulas que sobresalen demasiado y

hacen que la mezcla se choque y se frene. En la figura 41 se muestra una culata

32 http://www.sa-motorsports.com/diyport.htm

IM-2004-I-16



64

seccionada donde se observa un codo y la saliente de la guía de válvula dentro del

ducto.

Figura 41: Sección de culata; Izq: guía salida, Der: codo muy notable30.

Los ductos de entrada de mezcla no se deben dejar con “acabado espejo” porque la

mezcla tendería a quedarse pegada a las paredes y se condensaría luego de estar

gasificada.

Todo este trabajo se realizó con un Mototool neumático, con fresas de carburo de

tungsteno. Se inicia definiendo cual va a ser el tamaño en que van a quedar las

paredes que van unidas a los múltiples, se puede marcar con un rayador y una

escuadra, o con un empaque del múltiple que se haya recortado a la medida

deseada. En la figura 43 se observa la culata antes de ser trabajada, se alcanza a

ver un poco las marcas realizadas para demarcar los nuevos orificios. Luego se

inicia el trabajo desde el costado de la culata hacia el centro teniendo en cuenta de

mantener la forma cónica de los ductos. Esta forma es de tipo ventury (figura 42)

para que la mezcla se vaya acelerando a medida que va entrando. En la figura 44

se observan los mismos ductos de la culata que en la figura 43 pero luego de haber

sido modificados. Observe el terminado interno de los ductos. Los ductos centrales

son los de admisión y se modificaron ya que el múltiple viene con un solo ducto (ver

figura 45) y la mezcla tiende a estrellarse con la división que se ve en la figura 43.

Desde ese punto se generan turbulencias y desde ahí le queda complicado a la

mezcla la entrada al cilindro, sin tener en cuenta el resto del ducto antes de pasar

por la válvula.

Luego de tener la culata porteada y con sus acabados se debe modificar el

empaque de los múltiples de admisión, dándole la misma medida y forma que la

IM-2004-I-16



65

culata. Con este empaque se pasa a hacer el enfrentamiento de los múltiples, que

significa dejarlos con la misma forma que haya quedado la culata para que no se

estrelle la mezcla al llegar a la culata o los gases al salir.

Figura 42: resultado final de un porting, respetando la forma33.

Figura 43: culata original sin modificar, ductos centrales: admisión, los externos: escape.

Figura 44: Culata porteada y pulidos los ductos

33 http://www.sa-motorsports.com/diyport.htm

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66

Figura 45: Múltiple de admisión y escape. Los ductos de admisión de la derecha ya están enfrentados

y trabajados. Nótese que el empaque tiene una medida mayor en los orificios y hasta ahí hay que

trabajarle al múltiple para enfrentarlo a la culata.

IM-2004-I-16



67

5 RESULTADOS DEL MODELO DE PREDICCIÓN DE

INERCIA

Al desarrollar el modelo para los dos tipos de motor mencionados (956 y 1108 c.c.),

con diferentes condiciones de operación (presión y temperatura) y con las

reducciones de masas se llega a los siguientes resultados de torque y potencia:

5.1 MOTOR 956 C.C. A NIVEL DEL MAR

Los fabricantes de autos hacen las pruebas a nivel del mar y los datos que se

encuentran en las fichas técnicas corresponden a este tipo de pruebas.

Las condiciones de operación para este caso son:

• Presión inicial y final = 101.325 kPa

• Temperatura inicial = 60° C

• Velocidad de giro: para el cálculo de torque es 3500 rpm y para el

cálculo de potencia es de 5500. Se toman estas dos velocidades

para poder comparar con los datos de la ficha técnica.

La temperatura inicial no es la temperatura ambiente sino la que tiene la mezcla en

el momento de entrar al cilindro. Se aumenta su temperatura en el paso por el

múltiple y por la culata.

Los puntos críticos se pueden observar en la tabla 3.

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Los resultados obtenidos son:

• Torque máximo = 297.86 N.m

• Potencia máxima = 44.09 hp

5.2 MOTOR 956 C.C A NIVEL DE BOGOTÁ

• P1 = 75.2 kPa

• T1 = 50 °C

• Torque máximo = 150.2 N.m @ 5500rpm

• Potencia máxima = 30.73 hp @ 3500 rpm

5.3 MOTOR 1108 C.C A NIVEL DEL MAR

• P1 = 101.325 kPa

• T1 = 60 °C

• Torque máximo = 289.77N.m @ 5500rpm


5.4 MOTOR 1108 C.C A NIVEL DE BOGOTÁ

• P1 = 75.2 kPa

• T1 = 50 °C

• Torque máximo = 140.48 N.m @ 5500rpm


5.5 MOTOR 1108 C.C MODIFICADO A NIVEL DE BOGOTÁ

• P1 = 75.2 kPa

• T1 = 50 °C

Para una potencia máxima de:

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• Potencia máxima = 66.36 hp @ 7500rpm

Se supone una velocidad de giro de 7500 rpm porque el motor, luego de la

aligeración de masas, sube la velocidad debido a la menor inercia. Stefano Gillieri

en su libro “Preparación de Motores de Serie para Competición “ dice que en por

cada 16% de reducción de masa en el volante la velocidad aumenta en un 33%.

Como se mencionó en el numeral 5.3.4 la reducción de masa para este volante fue

16.5%, por esto se asume 7500 rpm como la velocidad donde la potencia es

máxima.

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6 CONCLUSIONES

La potencia máxima encontrada de 66.36 hp a través del modelo, luego de las

modificaciones descritas es un valor posible para este motor. Desafortunadamente

no se pudieron realizar pruebas al motor donde se pudiera verificar la predicción de

un aumento de alrededor de 30 hp. Lo ideal al realizar un trucaje es medir y

obtener las curvas de potencia y torque con la ayuda de un dinamómetro, realizar

las modificaciones y luego volver a obtener las curvas. Al mismo tiempo predecir,

con la ayuda del modelo, la nueva potencia máxima para que al final se puedan

comparar y sacar conclusiones lógicas.

El modelo se puede verificar contra la ficha técnica obtenido en el departamento

técnico de Renault para el motor de 956 c.c. dice que tiene una potencia máxima de

43 hp a 5500rpm y el modelo predice 44.09 hp a la misma velocidad y para el motor

de 1108 c.c. el fabricante dice que tiene 47 hp a 5500 rpm y el modelo predice

41.78 rpm a la misma velocidad. Lo que nos dice que el primer valor entregado por

el modelo es muy cercano al dato del fabricante, ya que la relación de compresión

medida es la misma que el dato de fabrica, pero para el motor 1108 c.c la relación

de compresión medida es de 8.3 a 1 mientras que el dato del fabricante es de

8.8 a 1. Esto puede ser el factor que hace que la predicción no sea tan acertada. La

relación de compresión medida difiere de la real porque la culata utilizada no es la

original de este motor sino que tiene una cámara de compresión un poco mas

grande (34.04 c.c) mientras que la original es de 32.9 c.c.

Es importante también resaltar las grandes diferencias entre la potencia entregada

por un motor a nivel del mar y la que entrega el mismo a nivel de Bogotá (2600 m

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sobre el nivel del mar. Esto lo causa la diferencia de presión atmosférica donde su

porcentaje de reducción es 25.78%. Para los casos estudiados las reducciones de

potencia están del orden de 30.3% para el motor 956 c.c. y de 31.3% para el otro

motor. Esto nos deja ver que puede existir una relación entre la diferencia de

presión y la diferencia de potencia. El otro factor que no se tuvo en cuenta en el

modelo es la diferencia en la combustión para estas dos altitudes, este factor

también es importante tenerlo en cuenta ya que el porcentaje de oxigeno es

diferente y esto hace que la mezcla no se comporte de la misma manera para

ambos casos.

Al armar el motor y prenderlo se pudo verificar su buen comportamiento, con una

marcha dispareja en bajas revoluciones pero muy suave en altas. Con este

resultado se puede decir definitivamente que los motores trucados deben ser

trabajados a revoluciones mas altas de las normales para lograr una marcha suave,

pero con el inconveniente de un mayor consumo de combustible y mayor emisión

de gases. Esto hay que tenerlo muy en cuenta en el momento de decidir modificar

un motor y comentárselo a las personas interesadas porque afecta el factor

económico. Tocando el tema económico hay que remarcar que las modificaciones

tuvieron un costo aproximado, entre tiempo de trabajo y herramientas utilizadas, de

400.000 pesos mas costos adjuntos debido al desarme y armado del motor como

empaquetaduras y otras cosas que siempre hay que cambiar al armar un motor.

Desafortunadamente no se puede hacer una relación costo beneficio, por la

imposibilidad de la realización de las pruebas, pero dado el caso que el modelo

prediga un valor muy cercano al real, daría que cada caballo de fuerza ganado

tendría un costo aproximado de 11.000 pesos, lo cual es una ganancia muy alta por

tan bajo costo.

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7.1 RECOMENDACIONES

Es imprescindible realizarle pruebas para diferentes condiciones de manejo al

motor para comprobar su potencia y al mismo tiempo corroborar la veracidad del

modelo de predicción.

También es factible realizar un estudio de flujos a la culata, comparándola con una

original y verificar si la porteada es efectiva.

En cuanto al motor estudiado y trucado es recomendable cambiar el carburador,

podría ser por uno de doble cuerpo que haga entrar mas mezcla en el mismo

instante de tiempo. Balancear el conjunto de cigüeñal, volante y polea en el caso

que se vaya a utilizar en la motocicleta diseñada. Seria importante también poder

llevar a cabo la modificación del eje de levas planteada por el Ingeniero Herrera y

corroborar el programa desarrollado para el diseño de levas, cambiando los

resortes a partir de los recomendados realizadas por el Ingeniero.

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APENDICES

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APENDICE A

MEDIDAS INTERNAS DEL MOTOR34 Guías de válvulas

DIAMETRO INTERIOR 7 mm

DIAMETRO EXTERIOR 11,25 mm

INCLINACION DE LAS GUIAS 17°

POSICION DE LA GUIA CON RESPECTO AL ASIENTO

Admisión 27,2 mm

Escape 25,2 mm

Válvulas de escape

DIAMETRO DE LA COLA 7 mm

ANGULO DEL ASIENTO 90 °

DIAMETRO DE LA CABEZA 30,3 mm

Válvulas de admisión

DIAMETRO DE LA COLA 7 mm

ANGULO DEL ASIENTO 90 °

DIAMETRO DE LA CABEZA 34,2 mm

Resortes de válvulas

DIAMETRO DEL HILO 3,4 mm

DIAMETRO INTERIOR 21,6 mm

LONGITUD BAJO CARGA de 60 a 200 N: 32 mm

de 210 a 500 N: 25 mm

SENTIDO DE ENROLLAMIENTO a derecha

34 “RENAULT, MANUAL DE REPARACION”, Edición Española, 1996

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Varillas de balancines

VARILLAS DE BALANCINES (LONG) 176,3 mm

Camisas

DIAMETRO DE CENTRADO (D) 75,5 mm

SALIENTE DE LA CAMISA (X) 0,04 a 0,12 mm

TIPO DE EMPAQUE DE LA BASE Excelnyl (papel)

ALTURA DE LA CAMISA (H) 95,005 a 95,035 mm

Pistones

LONGITUD BULON 57 mm

DIAMETRO EXTERIOR BULON 18 mm

DIAMETRO INTERIOR BULON 11 mm

AJUSTE DEL BULON Apretado en la biela y girando en

el pistón

SENTIDO DE MONTAJE Flecha orientada lado volante

ANILLO DE COMPRESION (ESPESOR) 1,75 mm

ANILLO DE ESTANQUIDAD (ESPESOR) 2 mm

ANILLO DE ACEITE (ESPESOR) 3,5 mm

Cigüeñal

MATERIAL COJINETES Aluminio - estaño

PAR APRIETE TORNILLOS DE BANCADA 55 a 65 N.m

JUEGO LONGITUDINAL 0,05 a 0,23 mm

MUÑONES DE BANCADA 54,795 mm

MUÑONES DE BIELA 43,98 mm

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Bielas

PAR APRIETE TUERCAS CABEZA 35 N.m

ANCHO 25 mm

MATERIAL COJINETES Aluminio - estaño

JUEGO LATERAL CABEZA 0,31 a 0,6 mm

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APENDICE B

PLANOS DE TALLER

En los siguientes planos se acotaron solo las medidas que se van a modificar,

porque el objetivo no es realizar un diseño sino simplemente ilustrar los cambios en

las medidas iniciales de las partes. Por esta razón también se incluyen las piezas

originales en estos planos.

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