Sistemes propulsius

Enginyeria Aeronàutica
Sistemes propulsius
Ref : MTZ / April 2011 / Vol 72
Módulo 4
Motores alternativos de combustión interna
Tema 10
Fundamentos
Manel Quera
Ramon Carreras
Laboratori de Motors Tèrmics i Automòbils
Dep. Màquines i Motors Tèrmics
ETSEIA Terrassa
MACI / Manel Quera, Ramon Carreras
-2-
ÍNDICE
Motores alternativos de combustión interna. Fundamentos.
1. Introducción
2. Principio operative del motor Otto
2.1. Ciclo de trabajo del motor Otto 4T ( 4 tiempos )
2.2. Ciclo de trabajo del motor Otto 2T ( 2 tiempos )
3. Principio operative del motor Diesel
3.1. Ciclo de trabajo del motor Diesel 4T ( 4 tiempos )
3.2. Ciclo de trabajo del motor Diesel 2T ( 2 tiempos )
4. Resumen comparativo del motor Otto – motor Diesel
5. Características comunes de los MACI
5.1. Características dimensionales fundamentales
5.2. Características constructivas fundamentales
5.3. Características operativas
5.4. Características efectivas
6. Curvas características de un motor
7. Problemas
7.1. Balance de energía de un MACI ( Base PCI )
7.2. Motor Otto 4T
Bibliografía

R. Stone. Introduction to Internal Combustion Engines. MacMillan Education Ltd. London (1985)

J.B. Heywood. Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill (1988).

R. Carreras, A .Comas, A. Calvo. Motores de Combustión Interna. Fundamentos. Departament
de Màquines i Motors Tèrmics (ETSEIT). Edicions UPC (1993).

D. Giacosa. Motores endotérmicos. Hoepli – Editorial Centífico-Médica. Barcelona. (1970)

D. Cabronero. Motores de combustión interna y turbinas de gas. (1989)

MTZ. Springer Automotive Media. Munich
Revista mensual sobre los últimos avances tecnológicos en MACI de la industria alemana
MACI / Manel Quera, Ramon Carreras
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1.- Introducción
Los motores de combustión interna más utilizados actualmente, que operan según el principio de las
máquinas volumétricas, pueden clasificarse en dos grandes grupos:

Motores alternativos de combustión interna

Motores rotativos de combustión interna
En la Tabla 1 se incluyen las principales variantes de dicho tipos de motores.
MOTORES TÉRMICOS DE COMBUSTIÓN INTERNA
Motores Alternativos de Combustión Interna
( MACI )
Motores Rotativos de Combustión Interna
( MRCI )
Versión de motor
Otto
Diesel
Wankel
Tipo de ciclo
2T
4T
4T
2T
De menor a
mayor potencia
Tipo de motor térmico
4T
2T : 2 Tiempos / 4T : 4 Tiempos
Tabla 1 Principales tipos de motores de combustión interna
Los motores de uso más extendido son los motores alternativos de dos o de cuatro tiempos en sus
versiones Otto ( encendido por chispa ) y Diesel ( encendido por compresión )
No tan sólo son los típicos motores utilizados en automoción y en accionamiento de maquinaria para
obras y servicios, sino que también los hallamos mayoritariamente en la propulsión naval y en
propulsión aérea ligera y, en competencia con otros motores, en plantas generadoras eléctricas, en
tracción ferroviaria y en el accionamiento de máquinas de muy diversa índole.
La utilización del motor rotativo Wankel está restringido actualmente, entre otras aplicaciones, como
motor de propulsión de determinados modelos de automóviles de un fabricante japonés ( Mazda ),
siendo su presencia minoritaria, frente a los MACI convencionales ( Otto o Diesel ).
Históricamente los MACI se desarrollaron, en una primera fase, para aplicaciones
estacionarias (accionamiento de maquinaria) y transporte terrestre. Posteriormente se amplió
su campo de utilización para transporte marítimo y propulsión aérea.
Por dicho motivo gran parte de sus fundamentos y tecnología es común a la mayoría de
aplicaciones.
De cara a la presentación de los MACI para su aplicación en propulsión aeronáutica, se ha
estructurado el texto en cuatro temas diferenciados :
Tema 10 : MACI. Fundamentos
Capítulo dedicado a principio operativo del motor Otto y del motor Diesel (en sus versiones 2T y 4T),
principales características dimensionales, constructivas y operativas.Determinación de prestaciones y
rendimiento de MACI (características efectivas), a partir de los resultados experimentales obtenidos
en bancos de ensayo (curvas características de motores).
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-4-
Tema 11 : MACI. Tecnología
Capítulo dedicado a las característica tecnológicas más destacbles de cada tipo de motor (Otto 4T,
Diesel 4T), centradas en : regulación de par, sistemas de alimentación de combustible y
sobrealimentación.
Tema 12 : El motor Otto aeronáutico
Capítulo dedicado a las principales características constructivas y operativas de los motores Otto,
utilizados en propulsión aeronáutica, fundamentalmente en el campo de la aviación ligera. Es el tipo
de motor más utilizado actualmente.
Tema 13 : El motor Diesel aeronáutico
Capítulo dedicado a las principales características constructivas y operativas de los motores Diesel,
utilizados en propulsión aeronáutica. Se presenta un breve resumen histórico, desde los primeros
motores Diesel aeronáuticos, hasta los prototipos más recientes. Este tipo de motor, aunque tiene un
nivel de utilización en propulsión aeronáutica mucho menor que el motor Otto, presenta unas
interesantes perspectivas futuras en aviación ligera, debido a los destacados avances tecnológicos
conseguidos en sus aplicaciones terrestres, que pueden ser utilizados para el diseño de nuevos
motores Diesel aeronáuticos.
2.- Principio operativo del motor Otto
2.1.- Ciclo de trabajo del motor Otto 4T ( 4 Tiempos )
En la Figura 1 se presenta un esquema simplificado de un motor monocilíndrico Otto 4T, que está
constituído por tres partes o bloques constructivos básicos :

Culata

Bloque

Cárter
Bujía
Válvula admisión
Mezcla aire-gasolina
( Entrada )
Válvula escape
Gases combustión
( Salida )
Culata
PMS
Cilindro
s = carrera
Pistón o émbolo
PMI
Bloque del motor
biela
Cigueñal ( eje motor )
manivela
Cárter
Figura 1 : Esquema básico constructivo de un motor Otto 4T
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En la culata o parte superior del motor se alojan los elementos que permiten regular la operación del
motor :

Válvula de admisión
Permite la entrada de la mezcla aire-gasolina al interior del cilindro del motor

Válvula de escape
Permite la salida de los gases de combustión del cilindro una vez finalizado el ciclo de trabajo

Bujía
Es la responsable de provocar la ignición o inicio del proceso de combustión de la mezcla airegasolina ( encendido por chispa )
El bloque del motor contiene los elementos que permiten generar el trabajo mecánico obtenido en el
motor por expansión del fluido de trabajo :

Cilindro

Pistón

Cigüeñal o eje motor
Durante el ciclo de trabajo del motor ( que más adelante se describe ) el pistón realiza cuatro
carreras entre el PMS ( Punto Muerto Superior ) y el PMI ( Punto Muerto Inferior ), generando un
movimiento lineal alternativo, que es convertido en movimiento rotativo, mediante un mecanismo tipo
biela-manivela.
Al final de este proceso se obtiene un par motor ( energía mecánica rotativa ) sobre el cigüeñal, como
forma de energía más fácilmente explotable o utilizable.
El Cárter es la tapa que permite sellar el motor en su parte inferior y contiene el aceite de lubricación,
junto con la bomba de circulación e inyección de aceite ( no indicada en la figura ).
Motor Otto 4T : Descripción del ciclo de trabajo
El ciclo de trabajo del motor Otto 4T consta de cuatro etapas ( denominadas también 4 tiempos ), que
corresponden a las cuatro carreras que debe realizar el pistón para completar dicho ciclo de trabajo
(Figura 2 : 4 carreras = 2 revoluciones del cigüeñal ).
1. Admisión
El pistón descendente aspira la mezcla gasolina-aire, a través de la válvula de admisión abierta,
llenando todo el cilindro de dicha mezcla, hasta el PMI.
La preparación de dicha mezcla se ha realizado previamente, en el colector de aspiración del motor,
mediante un proceso (carburación o inyección), en el que se inyecta la gasolina líquida en el flujo de
aire, que va camino del cilindro. Debido a la alta volatilidad de la gasolina, ésta se evapora muy
rápidamente, por lo que puede considerarse que la mezcla homogénea aire-gasolina que penetra en
el cilindro está en fase gas.
2. Compresión
Con ambas válvulas cerradas (admisión y escape), el pistón ascendente comprime la mezcla. Cerca
del PMS la bujía genera una chispa que inciará el proceso de combustión ( encendido por chispa ).
3. Expansión
La mezcla aire-gasolina sufre un rápido proceso de combustión que genera unos gases de
combustión a elevada presión y temperatura, que empujan el pistón descendente hacia el PMI
(proceso de expansión)
4. Escape
Se abre la válvula de escape y el pistón ascendente expulsa hacia el exterior los gases quemados.
MACI / Manel Quera, Ramon Carreras
1 - Admisión
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2- Compresión
3- Expansión
4- Escape
Figura 2 : Ciclo de trabajo del motor Otto 4T
2.2.- Ciclo de trabajo del motor Otto 2T ( 2 Tiempos )
El motor Otto 2T presenta unas diferencias constructivas significativas, respecto al motor Otto 4T, tal
como se indica en la Figura 3 adjunta :

No dispone de válvulas de admisión y escape, realizando la admisión de la mezcla aire-gasolina
y el escape de los gases de combustión a través de unas lumbreras mecanizadas en el cilindro
(lumbrera de admisión y lumbrera de escape)

El bloque del motor y el cárter forman un conjunto constructivo que está comunicado por un canal
interior, denominado lumbrera de transferencia o de carga

Dispone de la bujía de encendido en culata, de foma similar al motor Otto 4T
Figura 3 : Esquema básico constructivo de un motor Otto 2T ( tipo 3 lumbreras )
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Motor Otto 2T : Descripción del ciclo de trabajo
A nivel operativo, el motor Otto 2T realiza las cuatro etapas del ciclo de trabajo del motor Otto 4T,
pero utilizando solamente dos carreras ( 1 revolución del eje o cigüeñal ) :

Carrera descendente : Expansión y escape

Carrera ascendente : Admisión y compresión
En la Figura 4 se resume el ciclo de trabajo de dicho motor.
1. Carrera descendente : Expansión y escape
La carrera descendente del pistón puede dividirse en cuatro tramos, en cada uno de los cuales se
realizan diferentes procesos, correspondientes a las cuatro etapas del ciclo.
En el primer tramo, el pistón situado en el PMS inicia la carrera descendente de expansión de los
gases calientes (parte superior del cilindro), mientras en la cámara inferior del cilindro (cárter) se está
produciendo simultáneamente la entrada de la mezcla aire-gasolina, a través de la lumbrera de
admisión.
En el segundo tramo de carrera, el pistón cierra el paso de la mezcla aire-combustible a través de la
lumbrera admisión y realiza la precompresión de la mezcla confinada en el cárter.
En el tercer tramo de carrera, el pistón descubre la lumbrera de escape y se inicia la fase de
expulsión de los gases de combustión.
En el cuarto y último tramo de carrera, el pistón descubre la lumbrera de carga, iniciando el paso o
transferencia de la mezcla aire-combustible desde el cárter al cilindro, mientras simultáneamente
sigue el proceso de escape o barrido de los gases de combustión.
2. Carrera ascendente : Admisión y compresión
La carrera ascendente del pistón, desde el PMI al PMS, puede dividirse en tres tramos.
En el primer tramo, el pistón cierra la lumbrera de transferencia, mientras sigue el proceso de
expulsión de los gases de combustión, a través de la lumbrera de escape.
En el segundo tramo, el pistón cierra la lumbrera de escape.
En el tercer tramo el pistón realiza la compresión final de la mezcla aire-combustible, confinada en el
cilindro, hasta el PMS. Poco antes del PMS la bujía genera una chispa que inciará el proceso de
combustión.
1 – Carrera descendente : Expansión y escape
2 – Carrera ascendente : Admisión y compresión
Figura 4 : Ciclo de trabajo del motor Otto 2T
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Resumen comparativo motor Otto 4T – motor Otto 2T
El motor Otto 2T realiza las mismas cuatro etapas del ciclo de trabajo que el motor Otto 4T, pero
utilizando solamente dos carreras. Esto implica que, a igualdad de tamaño de motor ( caracterizado
por la cilindrada, tal como más adelante se define ) y para el mismo régimen de trabajo ( RPM =
revoluciones por minuto del cigüeñal o eje motor ), un motor Otto 2T permite obtener teóricamente el
doble de potencia efectiva que un motor Otto 4T, aunque a costa evidentemente de un mayor
consumo de combustible.
Esta constatación puede a llegar a deducirse conceptualmente, de un forma simple, a partir del
trabajo efectivo generado por cada ciclo de trabajo del motor ( We ).
En un motor 4T operando a una determinado régimen de trabajo ( RPM ), la potencia efectiva
generada puede calcularse como :
Pe ( W )  N
revol 4 carreras 1 ciclo We ( J ) 1min
min
2 revol 4 carreras 1 ciclo 60 s

Pe 
We ·N
120
En un motor 2T de igual cilindrada y operando al mismo régimen de trabajo, el trabajo generado por
ciclo será teóricamente igual ( We ), pero la potencia efectiva generada sería el doble :
Pe ( W )  N
revol 2 carreras 1 ciclo We ( J ) 1min
min 1revol 2 carreras 1 ciclo 60 s

Pe 
We ·N
60
En la realidad esto no es exactamente así, ya que, entre otros factores, la calidad del ciclo en un
motor 2T es inferior al de un motor 4T, debido al diferente proceso de renovación de carga entre
ambos tipos de motores.
En el motor 4T la fase de admisión de mezcla aire-combustible ( primera carrera ) está claramente
diferenciada de la fase de escape o expulsión de los gases quemados ( cuarta carrera ), pudiendo
conseguir una buena renovación de la carga del fluido de trabajo en el cilindro.
En el motor 2T la fase de admisión de mezcla aire-combustible en el cilindro y la fase de escape se
realizan simultáneamente durante una parte del ciclo, situación que conduce a pérdidas de gas fresco
(mezcla aire-combustible) a través del escape y a la dilución del gas fresco, durante el proceso de
compresión, por la presencia de gases quemados, que no han sido completamente evacuados del
clilindro al final del ciclo de admisión.
Ello conduce a una peor renovación de carga, peor proceso de combustión y menor trabajo generado
por ciclo ( We ).
3.- Principio operativo del motor Diesel
3.1.- Ciclo de trabajo del motor Diesel 4T ( 4 Tiempos )
El motor Diesel 4T es muy similar en determinados aspectos al motor Otto 4T, utilizando cuatro
carreras para completar el ciclo de trabajo y estando constituido, desde el punto de vista constructivo,
asimismo por tres partes :

Culata

Bloque

Cárter
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La diferencia más significativa es que el motor Diesel no dispone de bujía de encendido en culata. En
su lugar se coloca un inyector que permite pulverizar e introducir el combustible líquido (gasoil)
directamente en el interior del cilindro. Dicho combustible en contacto con el aire caliente
(previamente comprimido) inciará el proceso de combustión por autoignición térmica
Motor Diesel 4T : Descripción del ciclo de trabajo
Aunque el motor Diesel comparte el mismo número de etapas que el motor Otto, existen diferencias
significativas en el funcionamiento del ciclo ( fundamentalmente en la etapas 1 y 2 ), que se resumen
en la Figura 5.
1. Admisión
El pistón descendente aspira solamente aire, a través de la válvula de admisión abierta, llenando todo
el cilindro, hasta el PMI.
Compresión
Con ambas válvulas cerradas (admisión y escape), el pistón ascendente comprime el aire. Cerca del
PMS, el inyector introduce en el cilindro el combustible líquido atomizado, que, al entrar en contacto
con una masa de aire a elevada presión y temperatura, inicia un proceso de autoignición térmica
(encendido por compresión).
2. Expansión
Los gases de combustión a elevada presión y temperatura empujan el pistón descendente hacia el
PMI (proceso de expansión)
3. Escape
Se abre la válvula de escape y el pistón ascendente expulsa hacia el exterior los gases quemados.
1 - Admisión
2- Compresión
3- Expansión
Figura 5 : Ciclo de trabajo del motor Diesel 4T
4- Escape
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3.2.- Ciclo de trabajo del motor Diesel 2T ( 2 Tiempos )
El motor Diesel 2T presenta algunas diferencias constructivas, respecto al motor Diesel 4T, tal como
se indica en la Figura 6 adjunta.
Dicho motor presenta las siguientes características constructivas y operativas básicas:

No dispone de válvulas de admisión y escape, realizando la admisión de aire y el escape de los
gases de combustión a través de unas lumbreras mecanizadas en el cilindro.

Realiza la admisión de aire a través de un compresor ( motor sobrealimentado )

Dispone de un inyector de combustible en culata para introducir el combustible atomizado en el
interior del cilindro ( similar al Diesel 4T )
Inyector de combustible
Aire
Filtro
Lumbrera escape
( Exhaust port )
Compresor
Lumbrera admisión
( Inlet port )
Figura 6 : Esquema constructivo de motor Diesel 2T
De forma similar al motor Otto 2T, el motor Diesel 2T realiza las cuatro etapas del ciclo de trabajo,
utilizando solamente dos carreras ( 1 revolución del eje o cigüeñal ) :

Carrera ascendente : Admisión y compresión

Carrera descendente : Expansión y escape
En las Figuras 7 y 8 adjuntas, se resume el ciclo de trabajo de dicho motor.
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Figura 7 : Motor Diesel 2T / Carrera ascendente : Admisión y compresión
Figura 8 : Motor Diesel 2T / Carrera descendente : Expansión y escape
Ref : D.Cabronero. Motores de Combustión Interna y Turbinas de Gas
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Resumen comparativo motor Diesel 4T – motor Diesel 2T
Si realizamos un anàlisis comparativo entre Diesel 2T y 4T, pueden deducirse conclusiones análogas
a las comentadas anteriormente entre el motor Otto 2T y 4T.
El motor Diesel 2T realiza las mismas cuatro etapas del ciclo de trabajo que el motor Diesel 4T, pero
utilizando solamente dos carreras. En consecuencia, a igualdad de tamaño de motor (cilindrada) y de
régimen de trabajo ( RPM del cigüeñal o eje motor ), un motor Diesel 2T permite obtener
teóricamente el doble de potencia efectiva que un motor Diesel 4T.
Sin embargo el motor Diesel 2T realiza un mejor proceso de renovación de carga que el motor Otto
2T. En la etapa de admisión solamente penetra aire en el cilindro, por lo que las eventuales pérdidas
de gas fresco por la lumbrera de escape no suponen una pérdida de combustible ( como ocurre con
el motor Otto 2T ), si no simplemente de aire comprimido que favorece el barrido o expulsión de los
gases quemados.
Por dicho motivo, el motor Diesel 2T presenta un menor consumo de combustible (menores pérdidas)
y mejor nivel de calidad de combustión y rendimiento que el motor Otto 2T.
Estas buenas prestaciones del Diesel 2T le permiten competir incluso con el Diesel 4T en
determinadas aplicaciones. A igualdad de régimen de trabajo (RPM) presenta mayores potencias y
similares rendimientos o incluso superiores al Diesel 4T, por lo que es un motor utilizado en
propulsión naval ( grandes motores Diesel lentos ).
4.- Resumen comparativo motor Otto – motor Diesel
Los motores Otto y Diesel han sufrido una serie de evoluciones a lo largo de su historia con el
objetivo de adaptarse a las diferentes aplicaciones a los que van destinados, así como al nivel
creciente de exigencia en materia de eficiencia energética ( incrementar rendimiento y reducir
consumo de combustible ) y en materia de impacto ambiental ( minimizar emisión de contaminantes ).
En al Tabla 2 se presenta un resumen comparativo de las principales características del motor Otto y
Diesel, como introducción al desarrollo de la temática en apartados posteriores.
MACI / Manel Quera, Ramon Carreras
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Variable
Motor Otto
Motor Diesel
Tipo de ciclo
2T ( pequeña cilindrada ) / 4T ( gran cilindrada )
4T ( pequeña cilindrada ) / 2T ( gran cilindrada )
Gasolina ( usual )
Gasoil ( usual )
Combustible
Otros combustibles : GLP, gas natural, metanol
Otros combustibles : fuel-oil, biodiesel
H2, bioetanol
Sistema encendido
Provocado por chispa ( bujía )
Cuantitativa
Cualitativa
Regulación
Se regula la cantidad de mezcla aire-gasolina
Se regula la cantidad de combustible
introducida en el motor
inyectada en el cilindro
Tipo de combustión
Homogénea
Hetereogénea
Cualidad de la mezcla aire-combustible
= 1 ( mezcla estequiométrica )
 > 1 ( exceso de aire )
Carburación
Inyección indirecta ( antecámara )
Sistema dosificación de combustible
Inyección indirecta ( colector ): unipunto / multipunto
Inyección directa ( cilindro )
( Evolución histórica )
Inyección directa ( cilindro )
Sobrealimentación del motor
Atmosférico ( usual ), sobrealimentado
Atmosférico, sobrealimentado ( usual )
Relación compresión :  = Vmax / Vmin
Inyección indirecta ( 2 Válvulas ) : 8- 10
Inyección indirecta : 18- 24
Vmax = Volumen cilindro en PMI
Inyección indirecta ( 4 Válvulas ) : 9- 11
Inyección directa : 17 -21
Vmin = Volumen cilindro en PMS
Inyección directa ( 4 Válvulas ) : 11 - 14
Rango de potencia efectiva
1 - 500 kW
10 - 40.000 kW
Rendimiento
25 - 35 %
35 - 51 %
Aplicaciones
Actividad I + D
Autoignición térmica ( por compresión )
Transporte turismos ( motocicleta, automóvil )
Transporte turismos ( automóvil )
Transporte marítimo ( peq potencia )
Transporte industrial por carretera, marítimo,
y ferroviario ( locomotoras )
Propulsión aeronáutica (aviación ligera)
Estacionario : Accionamiento maquinaria pequeña
Estacionario : Grupos electrógenos,
potencia (grupo electrógeno,bombas,…)
cogeneración ( mediana y gran potencia )
Minimizar consumos y reducir emisiones
contaminantes
Reducir emisiones contaminantes ( NOx )
Control electrónico
Control electrónico
Mejora ID-sobrealimentación
Desarrollo inyección directa + sobrealimentación
Utilización de combustibles alternativos : biodiesel
Utilización de combustibles alternativos : bioetanol,
hidrógeno,…
Tabla 2 : Características constructivas y operativas básicas, principales aplicaciones y estado de
desarrollo de los MACI ( Otto y Diesel )
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5.- Características comunes de los MACI
La solución de convertir el trabajo de expansión de los gases en par motor en un eje, aprovechando
el sistema émbolo-cilindro-biela-manivela, la hallamos en motores de combustión interna que operan
con distintos procedimientos: Otto o Diesel, 2 tiempos, 4 tiempos... Sin embargo existen en ellos
algunas características comunes que resulta ventajoso tratar unitariamente.
Las características del motor se pueden dar desde distintos puntos de vista. De estas características
podemos citar:




características dimensionales
características constructivas
características operativas
características efectivas
Se analizarán a continuación por separado.
5.1.- Características dimensionales fundamentales
En la Figura 9 se esquematiza el mecanismo básico de la mayoría de MACI: émbolo cilindro-bielamanivela, y junto a ella se resumen algunas de las características dimensionales fundamentales.
Diámetro
V max = VPMI
Vmin = VPMS
d
PMS
PMS
Carrera s = 2r
PMI
PMS
Cilindrada Vd
Pistón o émbolo
PMI
l
PMI
l
biela
r
r
manivela
eje cigueñal
Vd = Cilindrada unitaria = Vmax - Vmin =
 d2
s
4
 = Relación volumétrica de compresión =
Vmax
Vmin
=
Vd + Vmin
Vmin
 = Relación manivela-biela = r / l
 = Relación carrera-diámetro = s / d
Fig. 9 : Principales características dimensionales de un MACI
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Referencias posicionales
PMS, PMI ( Punto Muerto Superior y Punto Muerto Inferior )
Como su nombre indica, estas referencias designan las posiciones extremas del recorrido del émbolo:

PMS : Posición del émbolo al final de la carrera de compresión y de la carrera de escape

PMI : Posición del émbolo al final de la carrera de aspiración y de la carrera de expansión
En el PMI el volumen del cilindro es máximo ( Vmax ) y en el PMS el volumen del cilindro es mínimo
(Vmin ). Es decir en un motor 4T, el pistón o émbolo pasará dos veces por el PMS y dos veces por el
PMI.
Referencias lineales
Diámetro ( d ) y carrera ( s )
La dimensión lineal de referencia más importante en los motores alternativos es el diámetro del
cilindro ( d ). En los análisis dimensionales y en cuestiones de semejanza el diámetro del cilindro es
la dimensión empleada para definir el tamaño de un motor.
La carrera ( s ) representa la distancia entre el punto muerto superior ( PMS ) y el punto muerto
inferior ( PMI ). Esta magnitud, junto con el diámetro del cilindro, define la cilindrada unitaria del
motor.
Longitud de biela ( l ) y radio de la manivela ( r )
La longitud de la biela ( l ) se mide del centro de la cabeza al centro del pie ( Figura. 10 ). El radio de
manivela ( r ) corresponde al radio del codo del cigüeñal y su tamaño es la mitad de la carrera.
s 2r
(1)
Pie
r
l
Cabeza
Cigüeñal
Biela
Fig. 10 : Biela y cigüeñal de un motor de tipo automoción
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Referencias volumétricas ( Figura 3 )
Cilindrada ( Vd ) y relación de compresión (  )
El Volumen mínimo o volumen de la cámara combustión corresponde al volumen interior del cilindro
cuando el pistón se halla en el PMS ( Vmin = VPMS ).
El Volumen máximo corresponderá al existente cuando el émbolo se halla en su PMI ( Vmax = VPMI ).
La Cilindrada unitaria Vdu de un motor corresponde al volumen desplazado por el émbolo al moverse
entre el PMS y el PMI y es una medida de la capacidad de aspiración del cilindro.
Vdu  
d2
s
4
(2)
La Cilindrada total Vd de un motor policilíndrico resulta de multiplicar la cilindrada unitaria por el
número z de cilindros del motor.
Vd  Vdu z
(3)
La Relación volumétrica de compresión o relación de compresión ( e ) se define como la relación
entre el volumen máximo y el volumen mínimo.
 
Vmax VPMI

Vmin VPMS
(4)
En todos los MACI el rendimiento (  ) aumenta si la relación de compresión aumenta. No obstante, la
pendiente ( d/d) resulta cada vez menor, por lo que llega un momento a partir del cual carece de
interés seguir aumentando la relación de compresión con la finalidad de aumentar el rendimiento. Los
valores de la relación de compresión habituales en la actualidad dependen del tipo de proceso motor.
En el motor Otto interesa que la relación de compresión, dentro de lo viable, sea lo mayor posible ya
que ello conduce a mejores rendimientos. Sin embargo, su valor viene limitado por el fenómeno del
picado ( autoignición térmica de la mezcla aire-gasolina en la etapa de compresión, antes del instante
del encendido provocado por la chispa de la bujía ).
La relación de compresión media usual de un motor Otto se situa aproximadamente en  ≈ 10.
La relación de compresión máxima depende del tipo de motor :

Motor Otto ( inyección indirecta en colector ) : max≈ 11

Motor Otto ( inyección directa en cilindro ) : max≈ 14
El motor Diesel debe operar a mayores relaciones de compresión, ya que al final de la carrera de
compresión, el aire debe alcanzar una temperatura suficientemente alta ( entre 500 y 700 ºC ) para
facilitar la autoignición térmica del combustible ( gasóleo ), cuando sea inyectado en la cámara de
combustión. Dicho nivel de temperaturas solamente son alcanzables si el aire es comprimido a una
presión suficientemente alta ( elevada e ).
A partir de un límite superior de relación de compresión ( e > 24 aprox ) no resulta interesante la
construcción de un motor Diesel, ya que, entre otras razones, las altas presiones que alcanza el aire
al final de la etapa de compresión requiere la construcción de un motor cada vez más robusto, caro y
pesado.
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La relación de compresión media usual de un motor Diesel se situa aproximadamente en  ≈ 20.
La relación de compresión máxima depende del tipo de motor :

Motor Diesel ( inyección indirecta en antecámara ) : max≈ 24

Motor Diesel ( inyección directa en cilindro ) : max≈ 21
Las condiciones operativas de los motores Diesel reales ( e ≈ 20 ) conducen a un rendimiento
térmico usualmente superior al de los motores Otto, que operan a menores relaciones de compresión
( e ≈ 10 ) .
Relaciones entre dimensiones lineales
Carrera/diámetro ( )
Una de las características geométricas del cilindro es la relación entre la carrera del émbolo y el
diámetro del cilindro :

s
d
(5)
En función de dicha relación, los motores pueden clasificarse como:

Motor cuadrado :
Aquel cuya carrera es igual al diámetro ( = 1 )

Motor alargado :
Si s > d ( > 1 )

Motor supercuadrado :
Si s < d ( < 1 )
El hecho de diseñar un cilindro motor más o menos cuadrado tiene una serie de consecuencias a
veces contrapuestas. El diseño final será una solución de compromiso que satisfaga las diferentes
especificaciones y sus prioridades.
Al ser la velocidad media del émbolo uno de los criterios definitorios de las solicitaciones mecánicas
del motor, para igual cilindrada e igual velocidad media del émbolo, la disminución de la carrera a
base de aumentar el diámetro, permite operar a mayor rpm, con lo que se puede conseguir mayor
potencia máxima. Correspondientemente: un diseño cuadrado, para igual rpm, operará a menores
velocidades medias del émbolo.
El aumento del diámetro relativo proporciona más espacio para ubicar las válvulas, por tanto mayor
sección de paso y menor pérdida de carga lo que mejora la capacidad de aspiración o rendimiento
volumétrico del motor.
En cambio, si el motor es más alargado, su cámara de combustión es más compacta y permite una
combustión más rápida en el motor Otto y resulta más adecuada para tolerar relaciones de
compresión más elevadas sin picar. El análisis de algunas de las consecuencias derivadas de una
modificación de la relación s/d pone de manifiesto que la elección correcta deberá basarse en el
establecimiento de unas prioridades (consumo, potencia, emisiones de contaminantes...), ya sea en
una experiencia previa y en extensos ensayos experimentales o bien en el uso de un buen modelo de
simulación numérica completada con unos ensayos de prototipos (diseño orientado por ordenador).
Los motores Otto suelen ser cuadrados o ligeramente alargados. El motor Diesel 4T suele ser
bastante más alargado que el motor Otto, ya que el motor Diesel opera a mayores relaciones de
compresión que el motor Otto. Los grandes motores Diesel de 2 tiempos presentan en la actualidad
un diseño superalargado.
MACI / Manel Quera, Ramon Carreras
- 18 -
Radio manivela / longitud biela ( 
La segunda relación dimensional fundamental es la relación entre el radio de manivela ( r ) y la
longitud de biela ( l ) :

siendo:
r s

l 2l
(6)
s = 2 r = carrera dels pistón
Obsérvese que esta relación en principio (salvo interferencia entre los elementos) es independiente
de la relación carrera/diámetro.
5.2.- Características constructivas fundamentales
Tipos constructivos de los MACI
Por razones de regularidad de marcha, equilibrado y también por razones económicas y de relación
peso/potencia, es habitual el uso de más de un cilindro motor actuando sobre el mismo eje. Con ello
tenemos, además del motor monocilíndrico, el bicilíndrico y en general, los motores policilíndricos.
En los motores policilíndricos, las disposiciones de los cilindros pueden ser también variadas: en
línea, en boxer ( línea con cilindros alternativamente abatidos a 180° ) en V, en W, en H en X, en ∆ y
en estrella. Algunas de ellas aparecen en la Figura 11 basada en la norma DIN 1940.
Figura 11 Principales formas constructivas de los motores alternativos de combustión interna, según
norma DIN 1940
Motor
con
émbolo buzo
Motor
horizontal
Motor en V
y en
líneas de V
Motor
con
cruceta
Motor
suspendido
Motor en W
Motor
de
simple efecto
Motor
en
línea
Motor
de
varias estrellas
Motor
de
doble efecto
Motor
de
doble línea
Motor en H
y en
líneas de H
Motor (boxer)
cilindros
opuestos
Motor
en
estrella
Motor
vertical
MACI / Manel Quera, Ramon Carreras
- 19 -
La configuración final del motor también dependerá del tipo de solución adoptada en los sistemas de
distribución ( válvulas, lumbreras,...), en los de refrigeración ( agua, aire ), en los de alimentación
(carburación, inyección) y en los de encendido ( espontáneo, por chispa: magneto, inducción,
condensador...).
La unidad básica de los motores alternativos la constituye el cilindro unitario. Esta unidad no tan sólo
sirve para el desarrollo de un nuevo motor sino también para configurar un motor policilíndrico que
satisfaga las necesidades de potencia de una aplicación determinada. Por ello pasamos a analizar las
características dimensionales, constructivas y de operación en función del cilindro unitario.
Número y disposición de cilindros: influencia sobre peso y volumen del motor
La intuición nos podría llevar a pensar que para aumentar la potencia de un motor bastaría con
aumentar su cilindrada unitaria. Sin embargo, esta solución basada en aumentar las dimensiones de
sus cilindros conlleva un deterioro de la relación peso/potencia del motor. Ello se debe al hecho de
que en motores mecánicamente semejantes1, la masa del motor aumenta con d3 mientras que la
potencia lo hace con d2.
La solución al problema del aumento de la potencia de un motor pasa por ganarla, no sólo a base de
aumentar las dimensiones del cilindro, sino aumentando el número de cilindros del motor. Es por ello
que en motores industriales se han comercializado motores constituidos por hasta 40 cilindros en H y
48 cilindros en X; sin embargo, el máximo habitual práctico se sitúa en 24.
La solución del motor policilíndrico no solamente conlleva evitar el empeoramiento de la relación
potencia/peso, sino que permite disminuir el grado de irregularidad en la velocidad de giro del motor
al poder operar los distintos cilindros en forma desfasada. Esta práctica permite también reducir la
masa del volante de inercia que incorporan los motores, con el fin de regularizar su marcha y
almacenar energía en las fases que el motor proporciona un par positivo (expansión de la carga) para
proporcionárselo cuando su par es negativo (compresión de la carga).
En el campo de la automoción una reducción del 10% en el peso del vehículo puede suponer una
disminución del 3-4% del consumo. Ello ha llevado al diseño de motores más compactos, cuya
geometría ( disposición de cilindros ) va variando, al ir incrementando el nº de cilindros del motor : tipo
en línea ( 4 cilindros ), V ( 6 a 12 cilindros ) y W ( 12 ó más cilindros ).
En el campo aeronáutico, donde la reducción del tamaño y peso del motor es un condicionante más
prioritario que en el sector terrestre, también se aplicaron estos criterios al concebir motores de
diferente geometría ( orden creciente de cilindros y potencia del motor ) : línea, cilindros horizontales
opuestos ( bóxer ), V, W, X ( estrella ) y H.
Con la aparición del turborreactor, los MACI dejaron de utilizarse para motores de gran potencia, con
lo que algunas de estas soluciones constructivas fueron abandonadas, utilizando actualmente los
siguientes tipos de motores :

Motores de mediana y gran potencia : Turborreactor

Motores de pequeña potencia ( aviación ligera ) : MACI disposición horizontal tipo bóxer
(horizontally opposed ) de 4, 6 ó 8 cilindros ( tipo constructivo más usual ).
1
Es decir, geométricamente semejantes y construidos con iguales materiales igualmente solicitados mecánicamente, (lo que
implica: igual velocidad media del émbolo e igual presión media de trabajo).
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- 20 -
5.3.- Características operativas
Velocidad media de giro
Habitualmente la velocidad media de giro N del eje de un motor se expresa en revoluciones por
minuto (rpm). La frecuencia de giro en radianes/segundo será entonces

2 N
60
(7)
La velocidad de giro de régimen nominal tiende a disminuir al aumentar el tamaño del cilindro.
Velocidad media del émbolo
Otro de los parámetros de funcionamiento de importancia en el diseño es la velocidad media del
émbolo. Puesto que por cada revolución el émbolo recorre dos veces la carrera s, la velocidad media
del émbolo vendrá dada por:
2sN
e 
(8)
60
En motores de una misma tecnología se observa una cierta tendencia a la disminución de la
velocidad media del émbolo al aumentar las dimensiones de sus cilindros.
En el conjunto de los MACI de automoción, las velocidades medias del émbolo se sitúan entorno a los
siguientes valores:

Motores Diesel de transporte industrial
8÷12 m/s

Motores Otto 4T de automóvil turismo
11÷16 m/s

Motores Otto 4T deportivos y de competición
hasta 25 m/s
5.4.- Características efectivas
El concepto de magnitud efectiva va asociado al valor de dicha magnitud determinado en el eje del
motor. Las magnitudes efectivas se hallan por vía experimental, siendo las más importantes o
representativas de las prestaciones del motor :





Trabajo efectivo
Par motor efectivo
Potencia efectiva
Consumo específico
Potencia efectiva específica
We
Me
Pe
ce
pe
[J]
[N m]
[kW]
[g/kW h]
[kW/l]
Para la determinación experimental de dichas variables se recurre a la utilización de un banco de
ensayos de motores, cuyo esquema básico se resume en la Figura 12, dónde a título de ejemplo se
pretende ensayar un motor Otto 4T.
De forma resumida, en un banco de ensayos se coloca el motor sobre una bancada y se conecta
mecánicamente su eje (cigüeñal) al eje de un freno, de forma que permite girar ambos equipos al
mismo régimen de operación (rpm).
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- 21 -
Para un determinado régimen de alimentación del motor (regulable manualmente según se indica en
el esquema), éste genera un par motor efectivo ( Me ) al que se opone el par resistente generado por
el freno ( Mr ), el cual es asimismo regulable a voluntad, mediante un mecanismo que incluye dicho
freno ( R ).
Caudalímetro
Regulación caudal
( carga del motor )
Gases de combustión
Analizador composición
ma
Aire
Combustible
Admisión
RPM
Mecanismo de regulación
del par resistente
Cigüeñal
Mezcla aire-combustible
Tacómetro
Circuito de disipación de
energía térmica generada
( Ej : circulación agua )
T
mc
Dosificación combustible
( Carburación )
Sonda temperatura
A
MOTOR
FRENO
Me
R
Mr
Fig 12 Esquema de un banco de ensayos de un MACI ( Ejemplo : Motor Otto 4T )
Una vez estabilizado el punto de funcionamiento del motor ( rpm ), el par generado por el motor es el
mismo que el par resistente generado por el freno, el cual es medible experimentalmente :
Me = Mr
Adicionalmente el banco incluye una serie de equipos de medición de las principales variables de
operación de l motor:
 a =Caudal masico

m
de aire ( kg/s)
 c =Caudal masico

m
de combustible ( kg/s)
T = Temperatura de los gases de combustión ( escape motor )
A = Análisis de composición de los gases de combustión ( O2, CO2, CO, NOx, CxHy, …)
RPM = Régimen de operación del motor ( revol/min de giro del cigüeñal )
El motor puede ser ensayado para distintas condiciones de régimen de alimentación del motor
(cantidad de mezcla aire-combustible) y para distintos niveles de carga resistente generada por el
freno ( Mr ), obteniendo así un mapa completo de prestaciones del motor.
En la actualidad existen diferentes tipos de bancos de ensayos de motores, en función del tipo de
freno utilizado, destacando entre los más utilizados los siguientes:

Freno mecànico o hidráulico ( agua, aceite)

Freno electromagnético ( corrientes de Foucault o generador dinamo )
A partir de las variables de operación experimentales obtenidas en un banco de ensayos, es posible
calcular las principales magnitudes efectivas del motor, tal como se resume a continuación.
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- 22 -
Potencia efectiva ( Pe )
Es la potencia que suministra el eje del motor en unas condiciones operativas determinadas y es
calculable mediante la siguiente expresión :
Pe  Me 
siendo
(9)
Pe = Potencia efectiva o potencia mecánica generada en el eje ( W )
Me = Par motor efectivo ( N-m )
w = Régimen de operación del motor ( rad/s )
Con frecuencia el eje del motor (cigüeñal) acciona una serie de órganos auxiliares tales como:
ventilador, bomba de agua, bomba de aceite, bomba de combustible, alternador, compresor del aire
acondicioando, etc….
Es por ello a la hora de indicar la potencia efectiva del motor, debe indicarse si la potencia efectiva
calculada es:

Potencia efectiva bruta: Potencia sumnistrada por el motor sin tener en cuenta las pérdidas
mecánicas para accionar los elementos auxiliares mencionados

Potencia efectiva neta: Potencia disponible una vez descontadas las pérdidas mecánicas para
accionar determinados elementos auxiliares
Normalmente el ensayo de motores se realiza siguiendo determinadas normas, tales como norma
SAE ( Society of Automotive Engineers / USA ) o norma DIN ( Standard of German Industry ).
En la norma SAE, se acostumbra a indicar la potencia efectiva bruta y en la norma DIN, se indica la
potencia efectiva neta.
Consumo específico de combustible ( ce )
En los ensayos de motores se suelen determinar los consumos por hora de combustible y aire. Ahora
bien, para obtener unas características de consumo de combustible comparativas entre diferentes
condiciones de operación y de puesta a punto y entre diferentes motores, el consumo se expresa
comúnmente como consumo horario en relación a la potencia efectiva generada, tal es el concepto de
consumo específico (de combustible):
ce 
c
m
Pe
[ g/kW·h ]
( 10 )
El consumo específico de combustible es inversamente proporcional al rendimiento efectivo del
motor:
e 
Pe
Pe
1


 C  PCI ce  PCI
Qaportado m
( 11 )
Es decir cuando el motor opera a mínimo consumo específico de combustible, opera a máximo
rendimiento.
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- 23 -
Relación aire/combustible ( r )
Nótese que el cociente entre el consumo de aire y el de combustible nos proporciona información
sobre el tipo de proceso de combustión que tiene lugar en el motor ( exceso o defecto de aire ).
r 
a
m
c
m
( 12 )
La relación aire/combustible de referencia es la relación estequiométrica re ( combustión
químicamente ajustada ), es decir, la cantidad de aire es la justa para que todo el combustible de la
mezcla se inflame, sin que haya exceso de aire ( oxígeno ), ni inquemados ( combustible ) al final de
la combustión.
Puesto que la relación estequiométrica varía en función de la composición del combustible, es
práctico utilizar el concepto de factor lambda ( ) o factor de aire, definido como :

r
Relacion aire - combustible real

re Relacion aire - combustible estequiometrica
( 13 )
Para  < 1 : Mezcla rica ( exceso de combustible o defecto de aire )
Para  = 1 : Mezcla neutra o estequiométrica ( usual en motores Otto 4T )
Para  > 1 : Mezcla pobre (exceso de aire, usual en motores Diesel 4T )
Los motores Otto alcanzan su mayor potencia con un 0 a 10% de escasez de aire (mezcla rica) y su
mayor rendimiento térmico y menor consumo con un 10% de exceso de aire (mezcla pobre). En
cambio, los motores Diesel trabajan a máxima potencia con un exceso de aire del 10 al 15%.
Potencia efectiva específica ( pe )
Cuando se trata de efectuar un análisis comparativo del nivel de prestaciones de motores de diferente
tamaño o cilindrada, resulta útil el empleo de la potencia efectiva específica definida como:
pe 
Pe Potencia efectiva

Vd
Cilindrada
( 14 )
La potencia específica de los motores de automóvil se sitúa actualmente entorno a los siguientes
valores:
Otto
Aspirado ( 4 válvulas/cil ) ≈ 45-55 kW/l
Diesel
Aspirado : 22-27 kW/l.
Turbosobrealimentado : 27-35 kW/l.
Turbosobrealimentado + Refrigeración intermedia : 35-45 kW/l.
Como podemos observar, la potencia efectiva específica es mayor en los motores Otto que en los
Diesel.
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- 24 -
6.- Curvas características de un motor
A partir de los datos experimentales obtenidos en un banco de ensayos ( magnitudes efectivas ), los
fabricantes de motores acostumbran a representar el nivel de prestaciones de un motor, utilizando
dos grandes grupos de gráficos o mapas experimentales:

Curvas características a plena carga

Planos acotados de consumos específicos
Curvas características a plena carga
En este tipo de curvas se ensaya el motor a máximo nivel de alimentación de combustible (es decir, a
gas máximo), determinando las principales magnitudes efectivas para diferentes régimenes de
operación ( N : RPM ) :

Par motor efectivo : Me ( N-m )

Potencia efectiva : Pe ( kW )

Consumo específico de combustible : ce ( g/kW-h )
A título de ejemplo, se indica en la Figura 13 adjunta la curva característica a plena carga de un motor
Otto 4T.
Características constructivas y operativas básicas

Especificaciones del motor : Mercedes-Benz M 266 E20 (A 200)

Tipo de motor : Otto 4T atmosférico 4 cilindros / Inyección indirecta de combustible multipunto
en colector aspiración

Diámetro / carrera : 83,0 / 94,0 mm

Cilindrada total : 2034 cm3

 = relación de compresión = 11 : 1
Características efectivas a plena carga

Potencia efectiva máxima :
100,8 kW a 5500 r.p.m.

Par motor máximo :
185 Nm a 3500 r.p.m.

Consumo específico mínimo : 237 g/kW h a 2500 rpm

Potencia específica del motor : 49,6 kW/l.
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- 25 -
100,8
100
90
190
80
185
180
70
170
60
160
50
150
40
140
30
130
20
10
290
280
270
260
250
240
237
230
1000
2000
3000
4000
5000
6000
N : Régimen de trabajo ( RPM )
Fig. 13 Curvas características a plena carga de un motor Otto 4T atmosférico de inyección indirecta
( Mercedes-Benz A200 de 2,0 litros )
Para intentar justificar conceptualmente este tipo de curvas experimentales obtenidas en un banco de
ensayos, se incluye a continuación un breve análisis comparativo entre el comportamiento teórico de
un motor ideal y las prestaciones reales de un motor.
Par motor ( Me )
En un motor que operase según un ciclo ideal de referencia, el trabajo por ciclo sería independiente
del tiempo invertido en realizarlo (puesto que el rendimiento térmico de los ciclos ideales no es
función del tiempo), y por tanto el par motor teórico (o el trabajo por ciclo), para una cantidad
invariante de calor suministrado, se mantendría constante respecto al régimen de velocidad del motor
( N ). La evolución del par en este hipotético motor sería el de la línea horizontal punteada de la
Figura 14.
Ahora bien en, un motor real, el trabajo, y por tanto el par motor, dependen del tiempo empleado en
realizar el proceso y, en consecuencia, del régimen de velocidad del motor. Esta dependencia se
debe a que por una parte el rendimiento de un ciclo real puede depender de la velocidad con la que
se realiza y por otro lado a que la cantidad de fluido motor que opera en el ciclo también se ve
afectada por el tiempo disponible para renovar la carga.
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- 26 -
El hecho de que, a partir de un determinado régimen de velocidad, para el que se ha optimizado la
renovación de la carga (tiempos de apertura y cierre de válvulas, longitudes y secciones de
conductos, etc.), se produzca un deterioro de la capacidad de aspiración del motor (es decir, del
llamado rendimiento volumétrico), provoca que a partir de un cierto número de revoluciones por
minuto la masa de aire aspirado por ciclo disminuya, la cantidad de combustible que puede quemar
también y asimismo el trabajo realizado; por tanto se detectará una caída del par motor.
El efecto de la velocidad sobre el rendimiento se deberá esencialmente a la variación de las pérdidas
por fricción, a la variación de las pérdidas de calor y a la velocidad angular del aporte de calor
(combustión).
M
Motor ideal
Motor real
Los conductos y la distribución están
optimizados para una velocidad. Al sobrepasarla los ciclos cada vez proporcionan
menos trabajo por ser peor la admisión y
el par decae...
N [rpm]
Fig.14 Curvas de par motor vs. velocidad para un motor que operase según un ciclo ideal y
para un motor real
La tendencia apuntada en la evolución del par motor se muestra en forma de línea continua en la
gráfica anterior ( Motor real ). En la zona de menores rpm también se observa una disminución del
par que podemos atribuir a que el motor opera fuera de la zona para la cual se ha optimizado el
proceso.
Potencia efectiva ( Pe )
La potencia del motor viene dada por
P  M  
2  N  M
60
( 15 )
Según la ecuación 15, en un motor ideal ( M = cte ), la potencia crecería linealmente con el régimen
de velocidad tal como se indica mediante la recta punteada de la Figura 15.
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- 27 -
P
La disminución de la calidad de
los ciclos no llega a ser compensada
por el aumento del nº de ciclos
realizados por unidad de tiempo
tangente
Motor ideal
.
Motor real
Nmin
NM max
NP max Nmax
N [rpm]
Fig. 15 Curva de potencia vs. velocidad de un motor real respecto a uno que operase según un ciclo
ideal. Puntos característicos de operación. En punteado se indica toda la zona útil de trabajo.
Puesto que la disminución del par se hace cada vez más notable al ir aumentando las rpm, llega un
momento en que el aumento del número de ciclos por unidad de tiempo no llega a compensar el
empeoramiento de éste, y el producto Pe = M  , tras pasar por un máximo, disminuye.
Para un análogo tamaño y principio operativo de un motor, el régimen de velocidad al cual se obtiene
el máximo de potencia es más o menos elevado según sea el diseño de su sistema de renovación de
la carga. Así por ejemplo, el uso de válvulas con secciones totales de paso relativamente mayores y
de apertura más rápida (3, 4 ó 5 válvulas por cilindro), el uso de conductos de admisión de geometría
variable y el uso de sistemas de distribución variable permiten aumentar el régimen a partir del cual
decae sensiblemente el par, y por tanto el valor y el correspondiente régimen de máxima potencia se
desplazan a mayores cotas, consiguiéndose también potencias específicas superiores.
Planos acotados de consumo específico
En este tipo de curvas se ensaya el motor a diferentes niveles de alimentación de combustible ( es
decir, a diferentes cargas parciales ), determinando las principales magnitudes efectivas para
diferentes régimenes de operación ( N : RPM ) :

Par motor efectivo : Me ( N-m )

Consumo específico de combustible : ce ( g/kW·h )
A título de ejemplo, se indica en la Figura 16 adjunta el plano acotado de consumos del mismo motor
Otto 4T, del que se han indicado las curvas características a plena carga ( Mercedes-Benz A200 ).
Dicho motor presenta las siguientes características básicas:

Par motor máximo :

Consumo específico mínimo : 230 g/kW h a 2500 rpm ( Carga parcial )
185 Nm a 3500 r.p.m.
( Plena carga )
Debe indicarse que la curva superior de par ( Me ), representada en trazo negro grueso, corresponde
a régimen de plena carga. Las prestaciones del motor a carga parcial se representan en forma de
líneas de isoconsumo ( ce ) para diferentes régimenes de operación del motor ( N ) y diferente nivel de
carga del motor.
MACI / Manel Quera, Ramon Carreras
- 28 -
ce : Consumo específico ( g / kWh )
ce a plena carga
267
245
238
237
250
240
255
262
270
279
289
180
160
140
230
120
235
240
250
100
80
275
60
300
340
40
20
1000
400
600
2000
3000
4000
5000
6000
N : Régimen de trabajo ( RPM )
Fig. 16 Plano acotado de consumos de un motor Otto 4T atmosférico de inyección indirecta
( Mercedes-Benz A200 de 2,0 litros )
De forma similar a las curvas características a plena carga, se incluye a continuación una breve
justificación teórica de las curvas obtenidas a carga parcial ( plano acotado de consumo ).
Especialmente en el caso de la automoción, un motor no suele operar siempre gas a fondo, sino que
puede trabajar dentro de un campo de utilización delimitado por un régimen de mínima velocidad
estable, un régimen de máxima velocidad segura (sin daños), una carga mínima (en vacío) y una
carga máxima (máxima alimentación). En el campo de los motores industriales estacionarios sí que
es frecuente que el motor opere continuamente a plena carga, razón por la cual, un mismo motor, si
se destina al campo industrial, se le rebaja la curva de par a plena carga respecto a la que se le
toleraría en automoción.
En la Figura 17, se han trazado dos curvas de potencia efectiva, la superior correspondiente a plena
carga y la interior correspondiente a una carga parcial. La zona punteada, situada entre Nním y Nmáx,
representa todo el campo de utilización del motor.
MACI / Manel Quera, Ramon Carreras
- 29 -
Potencia resistente
Pe
puntos de equilibrio
Pe = Pr
Plena carga Pe = max
Carga intermedia
CAMPO DE
UTILIZACION
*
N min
Vacío (*ralentí Pe =0)
N max
Fig. 17 Campo de utilización de un motor
Sobre el mismo gráfico se ha trazado una curva representativa de una potencia resistente del tipo de
la hallada en una aplicación automotriz. Los puntos de intersección de la curva de potencia resistente
con una curva de potencia motriz (efectiva) indican un régimen de equilibrio. Si se aumenta el gas, el
motor acelera hasta interseccionar con la curva resistente a un mayor régimen de velocidad.
Recíprocamente, para una carga (gas) constante, si se aumenta la resistencia (por ejemplo como
consecuencia de un aumento de la pendiente de la carretera) se pasa a otra curva de resistencia de
mayor curvatura (no representada) con lo que el motor perderá velocidad hasta hallar el nuevo punto
de equilibrio.
Un punto singular de la operación en vacío, y por tanto en el que toda la potencia generada es
absorbida para vencer las pérdidas mecánicas de fricción y de accionamiento de auxiliares, es el de
ralentí. En ralentí el motor no produce trabajo efectivo y gira al régimen de velocidad al que se
equilibran las pérdidas mecánicas (función de N) con el trabajo generado (función de la cantidad de
combustible suministrado). Este régimen de velocidad debe ser suficiente para que la energía cinética
inercial almacenada como consecuencia del giro inducido por una explosión pueda realizar la
compresión de la carga en el ciclo siguiente. En caso de que (I2) sea insuficiente, no se completará
la compresión y el motor se calará.
En un motor en concreto su rendimiento, y en consecuencia su consumo específico, no es constante
sino que es función de las condiciones variables o controladas de operación. (variables: % carga,
régimen de velocidad, estado térmico, y controladas: avances/retrasos en encendido, inyección,
distribución, etc.). Es por ello que los consumos específicos variarán dentro de todo el campo de
utilización del motor.
Tal como ya se indicó, para visualizar los niveles de consumo específico dentro de toda la zona de
utilización del motor se usan planos acotados de consumo específico, en los que mediante unas
curvas de nivel se demarcan las zonas de isoconsumo (las curvas unen puntos de igual consumo
específico). Esta técnica de representación gráfica se puede utilizar para describir otras
características de operación del motor, trazando, por ejemplo dentro de la zona de utilización, las
curvas de igual nivel de emisión de un determinado contaminante, las curvas de igual rendimiento
mecánico, las de igual trabajo de bombeo, las de igual emisión sonora, etc.
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- 30 -
7.- Problemas
7.1.- Balance de energía de un MACI ( Base PCI )
Un MACI tipo Otto 4 tiempos opera en las condiciones de trabajo indicadas de la figura adjunta.
Datos de cálculo
PCI gasolina : 41.500 kJ/kg
Calor específico gases de combustión (escape) : cpGC = 1,2 kJ/kg°C
Calor específico agua: cpW = 4,184 kJ/kg°C
Gasolina
To = 25 ºC
mc= 13,57 kg/h
0
ma
Mezcla aire-gasolina
=1
Aire
To = 25 ºC
mGC
TGC = 500 ºC
GC
0
Gases combustión
( escape motor )
Sistema inyección gasolina
( colector aspiración )
3000 rpm
Volumen de control
MACI
W ef (kW)
( Otto 4T )
Eje motor
Agua
mw= 2.870 kg/h
T2 = 90 ºC
1
2
Circuito refrigeración
bloque del motor
RADIADOR
Qrad (kW)
1. Plantear el balance de energía del motor ( Base PCI )
Balance másico
E = S ( kg/s )
c m
a  m
 GC
m
Combustible
Aire Gases combustión
T1 = 70 ºC
Aire exterior
T = 25 ºC
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- 31 -
Balance de energía
E = S ( kW )
TGC

HcTo  HaTo  HwT1  HwT2  HGC
W
ef


TGC
To
To

HcTo  HaTo  HGC
  HwT2  HwT1   HGC
 HGC
W
(1 )
ef
Reacción de combustión a To = 25 ºC
Combustible + Aire → GC + Qcomb ← ( Calor reacción a To = 25 ºC)
To
To
To
To



HcTo  HaTo  HGC
Q
comb  Qcomb  Hc  Ha  HGC  mc  kg / s ·PCI  kJ / kg 
(2)
PCI = Calor generado por combustión del combustible ( gasolina ), suponiendo que la reacción
tiene lugar a T0 = 25 ºC
Entalpía gases ideales / líquidos
Entalpía específica : h = cp·T ( kJ/kg )
 ·h  m
 ·cp ·T ( kW ) ( 3 )
Entalpía : H  m
Introduciendo las ecuaciones ( 2 ) y ( 3 ) en la ecuación general de balance de energía del motor ( 1 ),
se llega a :
To
To
To


Q
comb  Hc  Ha  HGC  mc ·PCI  Calor generado por combustion
  H T2  H T1  m
 w ·c pw · ( T2 T1 )  Calor transferido al agua( refrigeracion del motor )
Q
rad
w
w
  H TGC  H To  m
 GC ·c pGC · ( TGC To )  Perdidas de calor gases de escape
Q
esc
GC
GC
Q comb  Q rad  Q esc  W ef
MOTOR TÉRMICO
MOTOR TÉRMICO
( Principio operativo general )
( Principio operativo MACI )
Fuente caliente
Fuente caliente
Tc
Tc
Qc
( Gases combustión )
( Gases combustión )
Qc = Q comb
Ciclo termodinámico
de potencia
Ciclo de potencia
Otto
W
W ef
Qesc
Qf
Qf = Qrad + Qesc
Gases comb
Tf
( Aire exterior 25 ºC)
Tf
Aire
Fuente fría
Qcomb
=
W
Qc
Fuente fría
MACI ( Otto )
Wef
=
Combustible
Agua
Qrad
Wef
Qcomb
( Aire exterior 25 ºC)
MACI / Manel Quera, Ramon Carreras
- 32 -
2. Plantear la reacción estequiomètrica de combustión aire-gasolina y determinar la relación
aire/combustible ( rea ) de dicha reacción
Masas molares : C=12, H=1, Aire=28,965
C7H12 + 10 ( O2 + 3,76 N2 )  7 CO2 + 6 H2O + 37,6 N2
Tomando de base 1 mol de gasolina :
1 mol C7H12 = 7x12 + 12x1 = 96 g gasolina
1 mol C7H12
reA 
10  4,76 molsaire 28,965 g
 1378,73 g aire
1 mol C7H12
1 molaire
Masa aire
1378,73

 17,36 kgaire / kgcomb
Masa Combustible
96
3. Determinar la potencia efectiva ( potencia al eje ) suministrada por el motor
Balance másico
 GC  m
 c m
 a m
 c  reA m
c
m
 GC  13,57 14,36·13,57  208,43 kg/h
m
Balance de energía
Q comb  Q rad  Q esc  W ef
13,57


Q
41500  156,3 kW
comb  m PCI 
3600
 m
 GC ·cP ·T  25   208,43 x1,2 x  500  25   33,0 kW
Q
esc
GC
3600
 m
 w ·cP · 90  70   2870 x4,184x  90  70   66,7 kW
Q
rad
w
3600
 
156,3  33,0  66,7  W
ef
  56,6 kW
W
ef
4. Determinar el rendimiento al que opera el motor

W
56,6
ef   ef 
 0,362
Qcomb 156,3
Tc
Qcomb = 156,3 kW
Wef = 56,6kW
Consumo específico del motor

m
13,57 ·1000
g/h
ce   c 
 240
56,6
kW
Wef
QRad+ QEsc = 99,7 kW
Tf
Comentario final
Los datos utilizados para realizar el balance de energía de un MACI que se ha presentado
corresponden aproximadamente al motor Otto 4T Mercedes-Benz A 200, operando a 3000 rpm en
régimen de plena carga.
MACI / Manel Quera, Ramon Carreras
- 33 -
7.2.- Motor Otto
Se pretenden deducir las principales características efectivas del motor Otto 4T anteriormente
descrito ( Mercedes-Benz A200 ), utilizando el plano acotado de consumos específicos de dicho
motor ( Figura 16 ).
Datos motor
 Otto 4T atmosférico / Inyección indirecta de combustible

Cilindrada total : 2034 cm3
Datos combustible
 Gasolina : PCI = 41.500 kJ / kg / d = 0,75 kg/litro
 Fórmula aproximada: C7H12
 Masas molares: C=12, H=1, 0=16
1. Determinar el máximo rendimiento efectivo que presenta este motor
max  Ce min  230
Ce  230
max 
g / h  M  150 N·m

kW  N  2500 rpm
g
1kWh
1 kg
 6,389x10 5 kg / kJ
x
x
h·kW 3600 kJ 1000 g
1
1

 0,377
Ce ·PCI 6,389 x105 x 41500
2. Determinar la potencia efectiva máxima que presenta este motor
Pe  W   M N·m ·w  rad / s   M
2 N
60
PeMAX   MxN MAX
A partir del gràfico podemos determinar el régimen para el que ( MxN ) sea máximo, mediante la
siguiente tabla :
N
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
M
180
185
185
182
180
175
156
MxN
540.000
647.500
740.000
819.000
900.000
962.500 ←MAX
936.000
MACI / Manel Quera, Ramon Carreras
PeMAX  175
- 34 -
2  5500
 100.793 W  100,8 kW
60
Potencia efectiva específica :
pe 
Pefectiva 100,8 kW

 49,56 kW/l
Vd
2,034 l
3. En el régimen de trabajo del motor indicado en la pregunta anterior, ¿Cuál sería el
consumo horario de combustible y las emisiones de CO2 a la atmósfera que genera dicho
motor?
C7H12 + 10 ( O2 + 3,76 N2 )  7 CO2 + 6 H2O + 37,6 N2
MC7H12 = 7x12 + 12 x 1 = 96 g/mol
MCO2 = 1x12 + 16 x 2 = 44 g/mol
Consumo de gasolina :
100,8 kW
279 g / h
 28.123 g / h  28,12 kg / h  28,12 / 0,75  37,49 l / h
1 kW
Emisiones de CO2
28,12
44 g CO2 1 kg CO2
kg gasolina 1000 g 1 mol gasolina 7 mol CO2
 90,22 kg CO2 / h
h
1 kg 96 g gasolina 1 mol gasolina 1 mol CO2 1000 g CO2