Diseno-de-un-prototipo-de-control-de-un-motor-de-combustion-interna-usando-Matlab-y-Simplorer

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO 
 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
Diseño de un prototipo de control 
 de un Motor de combustión interna 
 usando Matlab y Simplorer. 
 
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: 
 INGENIERO ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO 
 P R E S E N T A :
ANSELMO SALINAS LÓPEZ 
DIRECTOR DE TESIS: DR. JAIME B. MORALES SANDOVAL 
MÉXICO, D.F. NOVIEMBRE 2007 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
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mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, 
reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el 
respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
ii
Agradecimientos 
 
Al Doctor: 
Jaime Baltasar Morales Sandoval por su asesoría y paciencia a lo largo de este trabajo 
 
Al Doctor: 
Rafael Reséndiz Rodríguez que sin su ayuda este trabajo habría demorado aun mas 
 
A mis Sinodales: 
Ing. Francisco Rodríguez, M.C. Edgar Salazar Salazar, M.C. Edgar Valdemar Aguado 
Cruz, Ing. Rafael Flores García, por su labor de revisión del material de la tesis. 
Al Prof. Demetrio: 
Hola viejo, no en el tiempo que lo prometí, pero finalmente acabe 
 
Al Prof. Federico Dávalos: 
Gracias, por los consejos académicos y por su invaluable asesoría, no en el proyecto de 
tesis, sino en el proyecto de vida.
iii
A mi madre que con su ejemplo me enseño a luchar duramente todos los días, y que con la 
herencia que me dejo, siempre he tratado de ayudar a los demás sin dejar a nadie en el 
camino. 
 
A Graciela Samels, que fue la primera que me dijo que fuera perseverante, que lo intentara 
una y otra vez, que una meta se conquista día a día, mes tras mes, y año tras año, gracias 
por las demás armas que me distes para enfrentarme a la vida, gracias por la paciencia y 
cariño al enseñar a alguien que parecía no valer la pena. Hace 17 años que te fuiste, y me 
distes mi principal virtud y mi peor defecto, no rendirme nunca. 
 
A Heroito y a Kenia, saben, pasamos buenos momentos e hicimos lazos muy fuertes, 
gracias por ser mi hermano mayor en la etapa en que mas lo necesite, siempre camine detrás 
de ti siguiendo tus pasos, un poco mas lento al entrar a la facultad pero finalmente estoy 
llegando a la meta, fue difícil pero tu ejemplo siempre me animo a seguir adelante. 
 
No podías faltar a continuación Irlanda, tu también eres parte de mi vida, pasamos 
muchas alegrías y tristezas juntos, a ti te toco aguantarme en una etapa destructiva , 
después de ese falso Reinado, tu me entiendes ¿verdad?, gracias por ayudarme con los 
profesores en más de una ocasión, gracias por hacer mi tarea de termo cuando no tenia 
ganas de hacerla, sabes, fue una jornada muy larga, pero como te he dicho, si tuviera 
oportunidad de cambiar algo, no lo haría, por que cada cosa me enseño algo que tenia que 
aprender y de otra manera, no lo hubiera hecho. 
 
A Ricardo F., y Susana I., y Gustavo M., Jorge B., Rogelio T, gracias por su amistad 
sincera, con la cual también forje una fuerte amistad, si ya estoy viendo tu expresión 
Susana por que Irlanda primero, es cuestión de quien pega mas fuerte, todos son 
importantes para mi, ni uno mas ni uno menos, ustedes saben que siempre que me han 
llamado siempre he ido. 
 
A Gabriel C. con quien también desde tiempos del CCH forjamos una amistad, gracias por 
el continuo abasto de material didáctico, sin lo cual este trabajo hubiera sido mas tedioso, 
gracias por enseñarme a enfrentarme sin miedo a la vida, tu te enfrentaste primero a ella, 
sin temor, yo quizás me sentí temeroso y decidí permanecer en la escuela mas tiempo, por 
que creía no estar preparado, para enfrentarme a la vida, gracias por tu ejemplo de lucha. 
 
Finalmente a la niña que tanto admiro por su dedicación y empeño a todo lo que hace, 
Mari Carmen P., tu sabes cuanto cuesta esto, dejar de hacer las cosas que quieres, por las 
cosas que debes, que el presente trabajo te anime en esos momentos difíciles, que 
seguramente vendrán, pero se que, no te dejaras vencer por las tempestades de la vida, por 
que eres una niña muy inteligente y trabajadora. 
 
iv 
Capítulo 1: La emisión de contaminantes 
1.1 Introducción................................................................................................................. 1.2. 
1.2 Objetivos...................................................................................................................... 1.2. 
1.3 Alcance......................................................................................................................... 1.3. 
1.4 Contenido..................................................................................................................... 1.3. 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 
2.1 Funcionamiento básico de un motor de combustión interna......................................... 2.2 
2.2 Esquema del Motor....................................................................................................... 2.2 
2.2.1 Bloque de cilindros y culata (cabeza) de cilindros..................................................... 2.3 
2.2.2 Bloque de Válvulas.................................................................................................... 2.5 
2.2.3 Bloque de Pistones y cigüeñal................................................................................... 2.8 
2.2.4 Bloque de Enfriamiento........................................................................................... 2.11 
2.2.5 Sistema de Combustible.......................................................................................... 2.14 
2.2.6 Sistema de Admisión y escape................................................................................. 2.15 
2.2.7 Bloque de Inyección................................................................................................. 2.16 
2.2.8 Bloque de encendido................................................................................................ 2.18 
2.2.9 Bloque de arranque y carga...................................................................................... 2.25 
 
Capítulo 3: Sistemas e Instrumentación 
3.1 Concepto de Sistema..................................................................................................... 3.2 
3.2 Diagrama de Bloques para representar un Sistema....................................................... 3.2 
3.3 Sistemas Analógicos..................................................................................................... 3.4 
3.4 Ejemplo de Sistema Analógico..................................................................................... 3.5 
3.5 Sistemas Digitales......................................................................................................... 3.6 
3.6 Señales digitales............................................................................................................ 3.6 
3.7 Ejemplo de Sistema Digital........................................................................................... 3.6 
3.8 Ventajas de los sistemas digitales................................................................................ 3.7 
3.9 Ventajas del procesado digital de señales frente al analógico..................................... 3.9 
3.10 Instrumentación......................................................................................................... 3.10 
3.11 Medición...................................................................................................................3.10 
3.12 Sensores..................................................................................................................... 3.11 
3.12.1 Sensor de Carga en el Múltiple y de la Temperatura del Aire............................... 3.16 
3.12.2 Potenciómetro de la Mariposa................................................................................ 3.16 
3.12.3 Sensor de Temperatura del Motor.......................................................................... 3.18 
3.12.4 Sonda Lambda........................................................................................................ 3.19 
3.13 Actuadores................................................................................................................. 3.20 
3.13.1 Sistema de Combustible......................................................................................... 3.20 
3.13.2 Inyectores:.............................................................................................................. 3.20 
3.13.3 Sistema de ignición................................................................................................ 3.21 
 
v
Capítulo 4 Sistemas de control 
4.1 Controladores automáticos, actuadores y sensores....................................................... 4.2 
4.2 Controladores auto operados......................................................................................... 4.2 
4.3 Control de lazo abierto.................................................................................................. 4.4 
4.4 Control realimentado..................................................................................................... 4.4 
4.5 Control de lazo cerrado................................................................................................. 4.4 
4.6. Clasificación de los controladores industriales............................................................ 4.5 
4.7. Acciones básicas de control......................................................................................... 4.5 
4.7.1 Acción de control de dos posiciones o de encendido y apagado............................... 4.5 
4.7.2 Acción de control proporcional.................................................................................. 4.7 
4.7.3 Acción de control integral.......................................................................................... 4.8 
4.7.4 Acción de control proporcional-integral.................................................................... 4.8 
4.7.5 Acción de control proporcional-derivativa.............................................................. 4.10 
4.7.6 Acción de control proporcional-integral-derivativa................................................ 4.11 
4.7.7 Teoría del Control Óptimo...................................................................................... 4.12 
4.7.8 Control Robusto....................................................................................................... 4.13 
4.7.9 Modo Deslizantes..................................................................................................... 4.14 
4.8 Efectos del sensor sobre el desempeño del sistema.................................................... 4.15 
4.9 El control y la Ingeniería Automotriz......................................................................... 4.16 
4.10 El modelo del motor.................................................................................................. 4.17 
4.11. Sistema Antibloqueo de Frenos (ABS).................................................................... 4.18 
4.12 Modelo del Clutch..................................................................................................... 4.20 
4.13 Sistema de suspensión............................................................................................... 4.22 
4.14 Sistema Hidráulico.................................................................................................... 4.23 
4.15 Control de Transmisión Automática......................................................................... 4.25 
 
Capitulo 5 La Descripción del modelo 
5.1 Mariposa........................................................................................................................ 5.2 
5.1.1 Dosificación del aire.................................................................................................. 5.2 
5.2 Múltiple de admisión..................................................................................................... 5.4 
5.3 Flujo de aire de admisión.............................................................................................. 5.6 
5.4 Compresión................................................................................................................... 5.6 
5.5 Torque y aceleración..................................................................................................... 5.6 
5.6 Construcción del modelo en Simulink.......................................................................... 5.7 
5.7 El modelo en Simulink.................................................................................................. 5.9 
5.8 El modelo de Franklin y Gene.................................................................................... 5.14 
 
Capítulo 6 Desarrollo del Modelo 
6.1 Implementación del modelo de Franklin y Gene.......................................................... 6.2 
6.1.1 Modelo del combustible............................................................................................. 6.2 
6.2 La respuesta Transitoria................................................................................................ 6.4 
6.3 Los polos del sistema.................................................................................................... 6.4 
6.4 El Lugar Geométrico de las Raíces............................................................................... 6.5 
6.5 El atraso en el sensor..................................................................................................... 6.6 
6.6 Los criterios de diseño.................................................................................................. 6.8 
vi 
6.7 La Herramienta SISOTOOL......................................................................................... 6.9 
6.8 Implementado el controlador PI.................................................................................. 6.10 
6.9 La constante de compensación.................................................................................... 6.10 
6.10 La respuesta escalón del sistema............................................................................... 6.11 
6.11 Especificaciones de la respuesta transitoria.............................................................. 6.13 
6.12 El modelo en Simulink.............................................................................................. 6.14 
6.13 La relación A/F del control en Simulink................................................................... 6.14 
6.14 El Error del sistema simulado................................................................................... 6.15 
6.15 Corrección del error por la sonda lambda................................................................. 6.15 
6.16 Especificaciones de la respuesta transitoria en Simulink ......................................... 6.16 
6.17 Localización de los polos en Lazo cerrado, en Simulink.......................................... 6.17 
6.18 Digitalización del modelo......................................................................................... 6.17 
6.19 Estabilidad y Respuesta Transitoria en Z.................................................................. 6.17 
6.20 Discretización del modelo......................................................................................... 6.19 
6.21 el Modelo propuesto..................................................................................................6.21 
6.22 Resultados del modelo.............................................................................................. 6.21 
 
Capítulo 7 Implementación del Modelo 
7.1 El sistema de Control Digital del Motor....................................................................... 7.2 
7.2 Las Características Digitales Del Control Del Motor................................................... 7.2 
7.3 Los modos de control de combustible........................................................................... 7.4 
7.4 Detalles de las rutinas de control.................................................................................. 7.7 
7.5 La programación del MSP430...................................................................................... 7.8 
7.6 El Código en C++ y ensamblador............................................................................... 7.12 
7.7 La simulación Electrónica........................................................................................... 7.20 
 
Capítulo 8 Conclusiones 
Conclusiones....................................................................................................................... 8.2 
Trabajo Futuro..................................................................................................................... 8.3 
Bibliografía 
 
Anexos 
Anexo 1 Emisiones contaminantes en el valle de México.................................................. A1 
Anexo 2 Características de la placa de Desarrollo eZ430................................................... A2 
Resumen 
 
El objetivo de este trabajo, es el diseño de un prototipo de control de combustión 
interna, utilizando la teoría de control clásica, apoyándonos del software Matlab para la 
parte de control y el software Simplorer para la simulación de circuitos en un trabajo 
futuro el sistema, puede implementarse en un microcontrolador como el TiMSP430. 
 
El alcance es: simular un prototipo sencillo, que con poco refinamiento pueda ser usado 
como control de un motor de 4 tiempos tradicional. Este diseño no pretende diseñar un 
calculador profesional del motor, con todas sus variables que intervienen ya sean 
térmicas, mecánicas, magnéticas, que se considera fuera del alcance de este proyecto. 
 
El trabajo esta organizado de la siguiente manera 
 
Capítulo 1: La electrónica automotriz 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 
Capítulo 3: Sistemas e Instrumentación 
Capítulo 4: Sistemas de control 
Capítulo 5: La descripción del modelo 
Capítulo 6: Desarrollo del modelo 
Capítulo 7: Implementación del modelo 
Capítulo 8: Conclusiones 
Anexo 1: Emisiones contaminantes en el valle de México 
Anexo 2: El TiMSP430 
Capítulo 1: La emisión de contaminantes 1.1 
 
Capítulo 1: 
La emisión de contaminantes 
 
Capítulo 1: La emisión de contaminantes 1.2 
 
Capitulo 1: La Electrónica Automotriz 
 
1.1 Introducción 
La electrónica fue relativamente lenta en alcanzar el automóvil primordialmente por la 
relación entre el costo añadido y los beneficios. La electrónica generalmente no ha sido 
bien recibida por el cliente. 
 
Dos acontecimientos principales ocurridos durante el final de la década de los años 1970 
influenciaron la tendencia hacia el uso de electrónica moderna en el automóvil: (1) la 
introducción de las normas de gobierno de los EUA principalmente en el estado de 
California, para emisiones contaminantes y la economía de combustible. (2) El control del 
motor fue posible con los costos reducidos de la electrónica de estado sólido, además la 
electrónica digital es cada día mas usada en el control del motor. 
 
La electrónica y los microprocesadores están siendo usados ampliamente en el automóvil y 
probablemente seguirán aumentando funciones, siendo usados en los autos del futuro. 
Algunas de las aplicaciones presentes y potenciales de uso generalizado son: 
 
Para el control del sistema motriz y de navegación: 
 
1. El control del motor para minimizar emisiones contaminantes y maximizar la economía 
de combustible. 
 
2. Medición e instrumentación de los parámetros de actuación del vehículo y del 
diagnóstico de los sistemas de frenado, estabilidad, suspensión, seguridad, confort, etc. 
 
3. El control de la trayectoria y movimiento del vehículo 
 
4. Seguridad y confort 
 
5. Entretenimiento, comunicaciones y navegación. 
 
Por otra parte las autoridades del D.F. han aprobado que todo automóvil del valle de 
México debe tener la tecnología TIER2 para el 2012, pero esta tecnología no era factible de 
implementar en México con las gasolinas actuales, debido a la falta de gasolinas de calidad, 
aun cuando en octubre del 2006 PEMEX comenzó a distribuir la gasolina UBA (Ultra Bajo 
Azufre) con la cual es posible que los motores puedan cumplir con esta norma que se 
implemento hace 4 años en Europa y que es conocida como EURO4 o L5, básicamente la 
norma es un control de emisiones mas eficiente, dando un mínimo de 9 km/l logrando 
llegar a los 20 km/l. Con lo que los beneficios son múltiples, menos contaminación, menor 
consumo de gasolina, que con lleva a un ahorro de energía y un saneamiento del planeta 
generando menos gases contaminantes. 
 
1.2 Objetivos 
El objetivo de este trabajo, es el diseño de un prototipo de control de combustión interna, 
utilizando la teoría de control clásica, apoyándonos del software Matlab para la parte de 
Capítulo 1: La emisión de contaminantes 1.3 
 
control y el software Simplorer para la simulación de circuitos en un trabajo futuro el 
sistema, puede implementarse en un microcontrolador como el TiMSP430. 
 
1.3 Alcance 
 
El alcance es: simular un prototipo sencillo, que con poco refinamiento pueda ser usado 
como control de un motor de 4 tiempos tradicional. Este diseño no pretende diseñar un 
calculador profesional del motor, con todas sus variables que intervienen ya sean térmicas, 
mecánicas, magnéticas, que se considera fuera del alcance de este proyecto. 
 
1.4 contenido 
Capítulo 1: La electrónica automotriz 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 
Capítulo 3: Sistemas e Instrumentación 
Capítulo 4: Sistemas de control 
Capítulo 5: La descripción del modelo 
Capítulo 6: Desarrollo del modelo 
Capítulo 7: Implementación del modelo 
Capítulo 8: Conclusiones 
Anexo 1: Emisiones contaminantes en el valle de México 
Anexo 2: El TiMSP430 
 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.1 
Capítulo 2: 
 
El motor a gasolina de cuatro tiempos 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.2 
Capitulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 
 
2.1 Funcionamiento básico de un motor de combustión interna 
 
Para optimizar la eficiencia, el confort, el espacio y otros parámetros, el motor de un 
automóvil debe ser compacto y liviano de peso, que genere gran potencia, que sea fácil de 
manejar, que raramente se averíe y que sea silencioso cuando opere. Por estas razones, los 
motores de gasolina y diesel son los mas utilizados en automóviles, e industria en general 
ver figura 2.1. 
 
Una parte principal del automóvil es el motor, donde la potencia es generada 
principalmente para mover el vehículo, pero muchos otros sistemas del mismo requieren de 
él para su operación. Un motor de automóvil incluye sistemas de lubricación para cada 
pieza, de enfriamiento para prevenir el sobrecalentamiento, de combustible para 
suministrarlo, de admisión y escape para hacer la mezcla de aire-combustible, de arranque 
para el motor, de generación de electricidad para manejo nocturno señalización, 
entretenimiento, etc., de purificación de gases de escape para prevenir la contaminación 
atmosféricay otros dispositivos [Mayz Edgar]
2.2 Esquema del Motor 
Figura 2.1: Esquema de un motor VTEC 
 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.3 
En un motor de gasolina, las bujías encienden la mezcla de aire-combustible consistente de 
aire y gasolina, creando la combustión en el interior de los cilindros. La presión generada 
allí empuja al pistón hacia abajo. Este movimiento es convertido por el cigüeñal, al cual los 
pistones están conectados mediante las bielas en movimiento rotatorio. A fin de obtener 
fuerza continua desde el motor, es necesario extraer los gases innecesarios creados en los 
procesos de combustión y suministrar nueva mezcla de aire combustible dentro de los 
cilindros en una forma cíclica. 
 
Para que un motor de gasolina se mueva continuamente, el movimiento requerido por la 
combustión debe ser repetido en una secuencia constante. Primero, la mezcla aire-
combustible es tomada dentro del cilindro, esto luego es comprimido y quemado, y después 
los gases de combustión generados por el combustible quemado son extraídos desde el 
cilindro. De este modo, los pistones van a través de las 4 etapas; admisión, comprensión, 
combustión y escape, es llamado motor de 4 ciclos. 
 
2.2.1 Bloque de cilindros y culata (cabeza) de cilindros 
 
El bloque de cilindros y la culata de cilindros son las partes principales del motor. Los 
pistones, el cigüeñal y otros componentes importantes son ensamblados en el bloque de 
cilindros, y el sistema de admisión y escape, mecanismo de válvulas, cámara de 
combustión, bujías y otras partes, las cuales tienen un mayor impacto en el rendimiento, 
han sido ensambladas en la culata de cilindros. El bloque de cilindros forma el armazón del 
motor. Generalmente está hecho de hierro fundido, pero a fin de reducir el peso, así como 
para mejorar la eficiencia de enfriamiento, muchos son hechos de aleación de aluminio, ver 
figura 2.2. Las partes principales del bloque de cilindros son las siguientes: 
 
Cilindros: estos son los tubos cilíndricos en los cuales los pistones se mueven arriba y 
abajo. 
 
Camisas de Agua: estas proveen conductos para el refrigerante usado para enfriar los 
cilindros. 
 
Galerías de Aceite: Estas proveen conductos para la entrega del aceite de motor al bloque 
de cilindros y culata de cilindros. 
 
Rodamientos del Cigüeñal: Estas partes sostienen al cigüeñal vía rodamientos. 
 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.4 
Figura 2.2: Bloque de cilindros de un motor Volvo 2.2 T 
 
La culata de cilindros es montada en la parte superior del bloque de cilindros, que en unión 
con los cilindros y pistones, forman la cámara de combustión. Como en el bloque de 
cilindros, la culata de cilindros, está hecha de hierro fundido o aleación de aluminio ver 
figura 2.3. Las partes principales de la culata de cilindros tienen los siguientes nombres y 
funciones: 
 
Cámara de Combustión: esta cámara es donde la mezcla de aire-combustible es quemada 
y donde las bujías de encendido prenden la mezcla aire-combustible que es ingresada. 
 
Orificios de Admisión y Escape: estos son conductos a través de los cuales la mezcla aire-
combustible es entregada al cilindro y a través de los cuales los gases de escape son 
expulsados desde los cilindros. Ellos son abiertos y cerrados por sus respectivas válvulas. 
 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.5 
Camisa de Agua y Galería de Aceite: estas proveen conductos para el refrigerante y 
aceite del motor alrededor de las cámaras de combustión para enfriarlas. [Mayz Edgar]
Figura 2.3: Esquema de una Culata DOHC que denota al doble árbol de levas en la 
cámara 
2.2.2 Bloque de Válvulas 
 
En un motor de 4 ciclos, cada uno de los cilindros es provisto con una o dos válvulas de 
admisión y válvulas de escape. El mecanismo de válvula es el equipo el cual abre y cierra 
éstas válvulas en el momento óptimo para que el movimiento de las válvulas coincida con 
los pistones cuando ellos se mueven arriba y abajo. Los mecanismos de válvula 
principalmente consisten de los mecanismos OHV, OHC y DOHC ver figura 2.4. 
 
OHV (Válvula Encima de la Cámara) 
Este es un mecanismo con un eje de levas el cual está ubicado en el costado de los 
cilindros. Los movimientos de esta leva actúan vía varillas de empuje, brazos de balancín u 
otros mecanismos que abren y cierran las válvulas ubicadas en la parte superior de la 
cámara de combustión. 
 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.6 
OHC (Eje de Leva Encima de la Cámara) 
Este es un mecanismo con un eje de levas el cual está ubicado en la culata de cilindros. Los 
movimientos de esta leva actúan vía brazos de balancín para mover las válvulas. 
 
Figura 2.4: Diferencias entre OHV y DOCH 
 
DOHC (Doble Eje de Levas Encima de la Culata) 
Este es un mecanismo con 2 ejes de levas, uno usado exclusivamente para las válvulas de 
admisión y el otro usado exclusivamente para las válvulas de escape, ver figura 2.5, los 
cuales abren y cierran las válvulas directamente. 
Figura 2.5: Doble árbol de levas
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.7 
Eje de Levas 
Este eje funciona para abrir y cerrar las válvulas. La cima en la leva empuja para abrir la 
válvula y la zona baja permite que la válvula esté cerrada por la fuerza de un resorte. 
Algunos ejes de levas también son adjuntados a un engranaje que transmite al distribuidor o 
son usados para operar la bomba de combustible (en el caso de OHV) ver figura 2.6. 
 
Figura 2.6: Árboles de levas 
 
Válvulas 
Consisten en válvulas de admisión instaladas en los orificios de admisión para abrir y cerrar 
el conducto para entregar la mezcla de aire-combustible, y en las válvulas de escape, 
instaladas en los orificios de escape para abrir y cerrar los conductos para el escape de los 
gases de combustión. 
 
Debido a que las válvulas son siempre sometidas a las altas temperaturas de los gases e 
impactos de la explosión de la combustión, ellas deben ser suficientemente fuertes para 
resistir el calor y los grandes impactos ver figura 2.7. 
 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.8 
Figura 2.7: Mecanismo de válvulas 
 
Resortes de Válvulas 
Estos funcionan para cerrar las válvulas, asegurando la respuesta al movimiento de las 
levas. 
 
Brazos de Balancines 
Estos son instalados en la culata de cilindros y son apoyados en el centro por un eje. La 
mitad de los brazos de balancines siguen el movimiento de la leva, y son, de éste modo, 
movidos cerca al eje de oscilación formado por éste eje. La otra mitad de los brazos de 
balancines actúan para empujar las válvulas y abrirlas. 
 
Levanta Válvulas 
Estas son piezas de forma cilíndrica las cuales entran en contacto con el eje de levas y 
cambian las rotaciones de la leva a movimiento para arriba y para abajo. 
 
Varillas de Empuje 
Estas funcionan para transmitir los movimientos de los levanta válvulas a los brazos de 
balancines. [Godoy Pedro]
2.2.3 Bloque de Pistones y cigüeñal 
 
Un motor de gasolina quema gasolina y obtiene energía térmica. El medio por el cual esta 
energía térmica es convertida a potencia, es a través de los pistones, bielas y cigüeñal. Los 
movimientos de los pistones para arriba y abajo generados por la presión de la combustión 
son convertidos por el cigüeñal, vía las bielas, a movimientos rotatorios, de este modo llega 
la potencia que puede ser utilizada para mover el vehículo. 
 
Pistones 
El pistón recibe la presión de la combustión y funciona para transmitir esa energía al 
cigüeñal vía la biela, al igual que para empujar a los gases de combustión fuera del cilindro. 
Los pistones son hechos demateriales que puedan resistir altas temperaturas y alta presión. 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.9 
Con la finalidad de reducir el peso para igualar y minimizar las fuerzas inerciales 
principalmente el cambio de dirección para ir de arriba a abajo, una aleación de aluminio es 
usada, ver figura 2.8. 
 
Figura 2.8: Vista de un pistón 
A fin de que un motor de gasolina se mueva continuamente, el movimiento requerido por la 
combustión debe ser repetido en una secuencia constante. Primero, la mezcla aire-
combustible es introducida dentro del cilindro, luego es comprimida y quemada, 
finalmente los gases de combustión generados por el combustible quemado son extraídos 
del cilindro. 
 
Carrera de Admisión: Esta es la carrera en la cual la mezcla aire-combustible es 
arrastrada dentro del cilindro, la válvula de admisión está abierta mientras la válvula de 
escape está cerrada. Como el pistón se mueve hacia abajo, un vacío parcial es creado en los 
cilindros y la mezcla de aire-combustible es forzada dentro del cilindro por presión 
atmosférica. 
 
Carrera de Compresión: Esta es la carrera en la cual la mezcla de aire-combustible es 
comprimida. Ambas válvulas, de admisión y escape, están cerradas. Como el pistón se 
eleva desde BDC (punto muerto inferior) a TDC (punto muerto superior), la mezcla aire-
combustible es comprimida. Como resultado, la presión y la temperatura se incrementan 
para facilitar la combustión. El cigüeñal ha hecho una revolución completa cuando se 
alcanza el TDC. 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.10 
Carrera de Combustión (Potencia): Esta es la carrera en la cual el motor genera fuerza 
motriz para el vehículo. Justo antes que el pistón alcance el TDC durante la carrera de 
compresión, las bujías encienden la mezcla de aire-combustible comprimida. El quemado 
del gas a alta presión fuerza el pistón hacia abajo. Esta fuerza se convierte en potencia del 
motor ver figura 2.9. 
 
Carrera de Escape 
Esta es la carrera en la cual el gas quemado es descargado desde el cilindro. La válvula de 
escape está abierta y el pistón se mueva hacia arriba desde el BDC al TDC, forzando el gas 
quemado (gases de escape) desde el cilindro. 
 
Figura 2.9: Vista de un pistón en Combustión 
Anillos de Pistón 
Los anillos de pistón consisten en anillos de compresión, los cuales actúan para prevenir 
que los gases escapen a través de la holgura entre el pistón y las paredes del cilindro, y los 
anillos de aceite, los cuales actúan para raspar el exceso de aceite lubricante de las paredes 
del cilindro, que fluye, regresando al deposito de aceite. 
 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.11 
Biela 
Esta funciona para transmitir la fuerza recibida por el pistón al cigüeñal. Dado que esta 
varilla está a grandes fuerzas de compresión y de extensión mientras el motor está 
funcionando, los materiales que son usados tienen suficiente resistencia, siendo al mismo 
tiempo livianos de peso como los pistones. 
 
Cigüeñal 
Este eje funciona para convertir los movimientos para arriba y abajo generados por la 
carrera de combustión de los pistones en cada uno de los cilindros en movimientos 
rotatorios. El cigüeñal también trabaja para generar movimientos continuos para 
suministrar movimiento a los pistones en las otras carreras. 
 
Cojinetes 
Los cojinetes son montados en la parte de apoyo, la cual viene a ser el centro de la rotación 
del cigüeñal, y donde las bielas conectan a los pistones y cigüeñal. Ellos funcionan para 
facilitar la rotación así como también para prevenir el desgaste. 
 
Volante del Motor 
Esto es una placa redonda hecha de hierro fundido la cual es montada en la parte posterior 
del cigüeñal. El cigüeñal recibe la fuerza rotacional desde la carrera de combustión 
solamente, mientras que en las otras carreras, éste pierde fuerza rotacional. Como resultado, 
la fuerza rotacional producida no es constante durante la operación cíclica del motor y el 
cigüeñal recibe impulsos que no son uniformes. El volante del motor permite reducir los 
efectos de los impulsos de fuerzas por energía inercial. [Mayz Edgar]
2.2.4 Bloque de Enfriamiento 
Por refrigeración, entendemos el acto de evacuar el calor de un cuerpo o moderar su 
temperatura, hasta dejarla en un valor determinado o constante. La temperatura que se 
alcanza en los cilindros es muy elevada, por lo que es necesario refrigerarlos. 
 
La refrigeración es el conjunto de elementos, que tienen como misión eliminar el exceso de 
calor acumulado en el motor, limitando las altas temperaturas y llevarlo a través del medio 
empleado, al exterior. La temperatura normal de funcionamiento oscila entre los 75º y los 
90º. El exceso de calor produciría dilatación y como consecuencia dañaría las piezas 
móviles. Por otro lado, estropearía la capa aceitosa del engrase, por lo que el motor no 
giraría al no ser adecuado el engrase y sufrirían desgaste prematuro las piezas vitales del 
motor. 
 
Tipos de refrigeración: 
El medio empleado puede ser: 
 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.12 
Por aire: La refrigeración por aire se usa frecuentemente en motocicletas y automóviles de 
tipo pequeño y, principalmente, en los que en sus motores los cilindros van dispuestos 
horizontalmente. En las motocicletas, es aprovechado el aire que reciben, cuando están en 
movimiento. En los automóviles pequeños la corriente de aire es activada por un ventilador 
y es canalizada hacia los cilindros. Los motores que se refrigeran por aire suelen pesar poco 
y ser muy ruidosos, se enfrían y calientan con facilidad, es decir, son motores fríos, lo que 
obliga a usar frecuentemente el arrancador, además esta baja temperatura de operación los 
hace termodinámicamente, bastante ineficientes en conversión de calor y trabajo mecánico. 
 
Por agua: Es el medio empleado para la dispersión del calor, dado que al circular entre los 
cilindros por unos orificios practicados en el bloque y la culata, llamados cámaras de agua, 
el refrigerante, recoge el calor y va a enfriarse al radiador, para volver de nuevo al bloque y 
a las cámaras de agua y circular entre los cilindros. 
 
Elementos: 
La refrigeración por aire se logra mediante un ventilador. La corriente de aire AB enfría el 
cilindro provisto de aletas, ver figura 2.10 
 
Figura 2.10: Enfriamiento por aire 
 
En el sistema de refrigeración por agua, sigue siendo el aire el elemento final donde se 
deposita el calor generado en el motor ver figura 2.11 [Rueda Jesús]
Figura 2.11: Enfriamiento por aire 
 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.13 
Un sistema de enfriamiento por agua es complejo, ya que no sólo entrega enfriamiento 
estable, además, actúa para controlar el ruido del motor y la transferencia de calor al 
refrigerante para que pueda ser usada opcionalmente en la calefacción del vehículo. 
 
Camisa de Agua: Este es un conducto para el refrigerante en el bloque de cilindros y 
culata de cilindros, el cual permite que el agua enfríe el calor generado por el motor. 
 
Bomba de Agua: Esta bomba circula el refrigerante y está montada en el frente del bloque 
de cilindros y es conducida por una correa en V desde el cigüeñal, aun cuando hay muchas 
otras configuraciones. 
 
Termostato: El termostato trabaja automáticamente para mantener la temperatura del 
refrigerante constante. Este es instalado en el circuito del refrigerante, entre el radiador y el 
motor. Cuando la temperatura del refrigerante está baja, el termostato cierra la válvula, 
permitiendo al refrigerante circular alrededor del interior del motor. Cuando la temperatura 
del refrigerante viene a ser alta, el termostato abre la válvula,permitiendo al refrigerante 
circular hacia el radiador. 
 
Radiador: El radiador enfría al refrigerante cuando este alcanza una temperatura elevada. 
Está formado de muchos conductos con aletas sobre ellos, a través de los cuales el 
refrigerante fluye antes de que retorne al motor. El radiador es enfriado por el aire que es 
aspirado por el ventilador o por el viento que golpea a este en el frente mientras el vehículo 
está en movimiento. 
 
Ventilador: La velocidad del ventilador eleva el flujo de aire que pasa a través del radiador 
mejorando la eficiencia de enfriamiento del mismo. El ventilador es montado justo en la 
parte posterior del radiador. Algunos ventiladores son conducidos por una correa en V que 
viene desde el cigüeñal y otros son conducidos por un motor eléctrico ver figura 2.12. [Mayz 
Edgar]
Figura 2.12: Bloque de enfriamiento de un motor SAAB 
 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.14 
2.2.5 Sistema de Combustible 
 
El equipo de combustible es usado para suministrar gasolina al motor. Dicho equipo 
consiste en un tanque de combustible, la bomba de combustible (que aspira la gasolina 
desde el tanque de combustible y la envía al motor), el filtro de combustible (que remueve 
la suciedad del combustible), el carburador o los inyectores dependiendo del tipo de 
inyección (que mezcla el combustible con el aire para hacer la mezcla aire-combustible) y 
las líneas de combustible que enlazan estos componentes. 
 
Tanque de Combustible 
El tanque de combustible es un contenedor para almacenar gasolina. Comúnmente, este es 
montado en la parte inferior del vehículo y tiene una capacidad de 40 a 90 litros. Un sensor 
medidor de combustible o dispositivo similar para indicar la cantidad de combustible 
remanente es instalado en el tanque. Placas divisorias son también instaladas en el tanque 
de combustible para prevenir que el combustible produzca oleaje cuando el vehículo para o 
acelera repentinamente. 
 
Filtro de Combustible 
La gasolina puede contener suciedad o humedad. Si esto es entregado al motor y debido a 
que los conductos en el carburador son de un diámetro capilar, que pueden obstruirse, 
originando que el motor falle por una mezcla incorrecta de (A/F). El filtro de gasolina 
remueve esta suciedad y humedad de la gasolina.. 
 
Bomba de Combustible Eléctrica: Esta es una bomba con engranes que opera usando un 
motor. Algunas bombas de combustible son instaladas en el tanque de combustible y 
algunas en la tubería de combustible, ver figura 12.13. [Mayz Edgar]
Figura 2.13 Bomba eléctrica de combustible 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.15 
2.2.6 Sistema de Admisión y escape 
 
En los equipos de admisión y escape la admisión consiste en un purificador de aire que 
remueve el polvo del aire del múltiple de admisión, que conduce la mezcla aire-
combustible a cada uno de los cilindros. El sistema de escape consiste en un múltiple de 
escape, el cual recolecta los gases combustión cuando son extraídos desde los cilindros, la 
tubería de escape, la cual extrae estos gases al aire exterior, pasándolos por el silenciador, el 
cual reduce el nivel de ruido del escape, ver figura 2.14. 
 
Figura 14: Sistema de admisión y escape 
 
Múltiple de Admisión: Este múltiple posee un conducto para conducir la mezcla de aire-
combustible hecha por el carburador, o aire si es un sistema multipunto para cada uno de 
los cilindros. 
 
Múltiple de Escape: El múltiple de escape posee un conducto para que todos los gases de 
escape salgan de los cilindros para ser conducidos a la tubería de escape. Es necesario que 
este múltiple sea conformado para que el flujo de gases de escape de cada uno de los 
cilindros salga fácilmente ver figura 2.15. 
Figura 2.15: Múltiple de escape. 
 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.16 
Convertidor Catalítico: El convertidor catalítico está montado en la mitad del camino 
entre el múltiple de escape y el silenciador. EI convertidor catalítico tiene interiormente 
alúmina granular activada, llamada píldoras catalíticas, con una estructura interna con un 
cubrimiento delgado de platino la cual tiene un efecto catalítico. Cuando los gases de 
escape fluyen entre las píldoras catalíticas, el efecto catalítico ocasiona una reacción 
química que purifica los gases de escape [Mayz Edgar]. 
 
2.2.7 Bloque de Inyección 
 
Sistema EFI 
 
El EFI (Electronic Fuel Inyection) se usa para la Inyección de Combustible por medio de 
un motor y control electrónico. La tendencia a reemplazar al carburador del pasado con el 
sistema EFI continúa en aumento. La característica principal del sistema EFI es que en 
lugar del carburador, se usan inyectores. Este es un equipo que usa el control preciso 
provisto por un computador para suministrar el combustible necesario por el motor. 
EI volumen de admisión de aire del motor, temperatura del refrigerante, temperatura de 
admisión de aire, relación de aceleración o desaceleración y otras condiciones son 
detectadas por sensores y la computadora EFI utiliza los datos almacenados para calcular y 
así ordenar un determinado control sobre la inyección del combustible, de tal forma que se 
logre un ajuste de la relación aire-combustible para las características de un determinado 
motor y la demanda instantánea del mismo. Por esta razón, la relación aire-combustible 
ideal para las condiciones de conducción normales, se puede obtener con el EFI. Esto 
significa que la eficiencia de combustión es buena y que se pueden lograr etapas efectivas 
para purificar los gases de escape [Mayz Edgar]. 
 
Inyección Central (Cl) 
 Así como en el EFI, este sistema usa sensores para detectar las condiciones de conducción 
y las condiciones del motor y una computadora controla la relación aire-combustible y la 
distribución de encendido a los niveles óptimos. 
 
La diferencia del EFI es que con él, el combustible es inyectado dentro de cada uno de los 
múltiples de admisión, mientras que con inyección central (CI), un inyector simple inyecta 
combustible dentro del cuerpo de la válvula de obturación. Por esta razón, la mezcla aire-
combustible es suficientemente vaporizada cuando es admitida en los cilindros y una 
cantidad uniforme de mezcla aire-combustible ingresa a cada uno de los cilindros. Por lo 
tanto, comparándolo con el sistema EFI, este sistema es un poco inferior cuando llega a la 
potencia de salida máxima, pero este ofrece mejor economía de combustible, ver figura 
2.16. 
 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.17 
Figura 2.16: Diferencias entre CI y EFI. 
 
El sistema EFI envía el combustible necesario para la combustión al inyector. Cuantifica 
señales para el inyector, luego origina que este suministre la cantidad óptima de 
combustible dentro de cada múltiple de admisión ver figura 2.17. En la figura 2.18 se 
puede observar un sistema EFI usado comercialmente 
 
Figura 2.17: Sistema EFI 
 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.18 
2.2.8 Bloque de encendido 
 
Encendido electrónico integral 
El distribuidor evoluciona a la vez que se perfecciona el sistema de encendido, esta vez 
desaparecen los elementos de corrección del avance del punto de encendido ("regulador 
centrifugo" y "regulador de vació") y también el generador de impulsos, a los que se 
sustituye por componentes electrónicos. El distribuidor en este tipo de encendido se limita a 
distribuir, como su propio nombre indica, la alta tensión procedente de la bobina a cada una 
de las bujías. 
 
El tipo de sistema de encendido al que nos referimos ahora se le denomina: "encendido 
electrónico integral" y sus particularidades con respecto a los sistemas de encendido 
estudiados hasta ahorason el uso de: 
 
� Un sensor de velocidad angular del motor que sustituye al "regulador centrifugo" 
del distribuidor. 
 
� Un sensor de presión que mide la presión de carga del motor y sustituye al 
"regulador de vació" del distribuidor. 
 
Las ventajas de este sistema de encendido son: 
� Posibilidad de adecuar mejor la regulación del encendido a las variadas e 
individuales exigencias planteadas al motor. Posibilidad de incluir parámetros 
de control adicionales (por ejemplo: la temperatura del motor). 
� Buen comportamiento del arranque, mejor marcha en ralentí y menor consumo 
de combustible. 
� Adquisición de una mayor cantidad de datos de funcionamiento. 
� Viabilidad de la regulación antidetonante, ver figura 2.18. 
 
La ventaja de este encendido se aprecia claramente observando la cartografía ver figura 
2.19 de encendido donde se aprecian los ángulos de encendido para cada una de las 
situaciones de funcionamiento de un motor arranque, aceleración, retención, ralentí y etc. 
El ángulo de encendido para un determinado punto de funcionamiento se elige teniendo en 
cuenta diversos factores como el consumo de combustible, par motor, gases de escape 
distancia al limite de detonación, temperatura del motor, aptitud funcional, etc. Por todo lo 
expuesto hasta ahora se entiende que la cartografía de encendido de un sistema de 
encendido electrónico integral es mucho más compleja que la cartografía de encendido 
electrónico sin contactos que utiliza un regulador centrifugo y de vació en el distribuidor. 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.19 
Figura 2.18: Sistema Comercial EFI-L 
 
Figura 2.19: Cartografía 3D del ángulo de encendido 
 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.20 
Si además hubiese que representar la influencia de la temperatura, que normalmente no es 
lineal, u otra función de corrección, seria necesaria para la descripción del ángulo de 
encendido, de un encendido electrónico integral que tiene una cartografía tetradimensional 
imposible de ilustrar. 
 
La señal entregada por el sensor de vació se utiliza para el encendido como señal de carga 
del motor. Mediante esta señal y la de rpm., del motor, se establece un campo característico 
de ángulo de encendido tridimensional que permite en cada punto de velocidad de giro y de 
carga (plano horizontal) programar el ángulo de encendido más favorable para los gases de 
escape y el consumo de combustible (en el plano vertical). En el conjunto de la cartografía 
de encendido existen, según las necesidades, aproximadamente de 1000 a 4000 ángulos de 
encendido individuales. 
 
Con la mariposa de gases cerrada, se elige la curva característica especial ralentí/empuje. 
Para velocidades de giro del motor inferiores a la de ralentí nominal, se puede ajustar el 
ángulo de encendido en sentido de avance, para lograr una estabilización de marcha en 
ralentí mediante una elevación en el par motor. En marcha por inercia (cuesta abajo) están 
programados ángulos de encendido adecuados a los gases de escape y comportamiento de 
marcha. A plena carga, se elige la línea de plena carga. Aquí, el mejor valor de encendido 
se programa teniendo en cuenta el limite de detonación. Para el proceso de arranque se 
pueden programar, en determinados sistemas, un desarrollo del ángulo de encendido en 
función de la velocidad de giro y la temperatura del motor, con independencia del campo 
característico del ángulo de encendido. De este modo se puede lograr un mayor par motor 
en el arranque. 
 
La regulación electrónica de encendido puede ir integrada junto a la gestión de inyección de 
combustible formando un mismo conjunto como ocurre en el sistema comercial de 
inyección electrónica de gasolina denominado "Motronic". Pero también puede ir la unidad 
de control de encendido de forma independiente como se ve en el sistema comercial de 
inyección electrónica denominado "LE2-Jetronic" ver figura 2.20. 
 
Para saber el nº de rpm del motor y la posición del cigüeñal se utiliza un generador de 
impulsos del tipo "inductivo", que esta constituido por una corona dentada que va acoplada 
al volante de inercia del motor y un captador magnético frente a ella. El captador esta 
formado por un imán permanente, alrededor esta enrollada una bobina donde se induce una 
tensión cada vez que pasa un diente de la corona dentada frente a él. Como resultado se 
detecta la velocidad de rotación del motor. La corona dentada dispone de un diente, y su 
correspondiente hueco, más ancho que los demás, situado 90º antes de cada posición p.m.s. 
Cuando pasa este diente frente al captador la tensión que se induce es mayor, lo que indica 
a la centralita electrónica que el pistón llegara al p.m.s. a 90º de giro, [Godoy Pedro], ver figura 
2.21. 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.21 
Figura 2.20: Sistema LE-jetronic 
 
Figura 2.21: Sensor de Velocidad Angular 
 
Para saber la carga del motor se utiliza un captador de depresión ver figura 2.22 el cual 
tiene la función de transformar el valor de depresión que hay en el colector de admisión en 
una señal eléctrica que será enviada e interpretada por la centralita electrónica. Su 
constitución es parecido al utilizado en los distribuidores al regulador de vació, se 
diferencia en que su forma de trabajar ahora se limita a mover un núcleo que se desplaza 
por el interior de la bobina de un oscilador, cuya frecuencia eléctrica varia en función de la 
posición que ocupe el núcleo con respecto a la bobina. 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.22 
La señal del captador de depresión no da una medida exacta de la carga del motor y para 
esto es necesario saber la cantidad de masa de aire que entra en los cilindros (caudalimetro) 
y esto en los motores de inyección electrónica de gasolina es un dato conocido por lo que la 
señal de carga utilizada para la preparación de la mezcla puede usarse también para el 
sistema de encendido. 
Figura 2.22: Captador de depresión 
 
Además del sensor de rpm y del captador de depresión, el encendido electrónico integral 
utiliza otros parámetros de funcionamiento del motor: 
 
Sensor de temperatura: Situado en el bloque motor para medir la temperatura de 
funcionamiento del motor. Adicionalmente o en lugar de la temperatura del motor puede 
captarse también la temperatura del aire de admisión a través de otro sensor situado en la 
toma del filtro del aire. 
Posición de la mariposa: Mediante un potenciómetro o sensor de posición , la mariposa 
suministra una señal de conexión tanto de ralentí como a plena carga del motor (acelerador 
pisado a fondo). 
 
Tensión de la batería: Es una magnitud de corrección captada por la unidad de control. 
 
Captador de picado: Aplicado a los sistemas de encendido mas sofisticados y que 
explicamos mas adelante. 
Unidad de Control Comercial EZ (encendido electrónico integral EZ)
Tal como muestra en la figura 2.23, el esquema de bloques de una Electronic Central Unit 
(ECU), el elemento principal de la unidad de control para encendido electrónico es un 
microprocesador. Este contiene todos los datos, incluido el campo característico 
(cartografía de encendido), así como los programas para la captación de las magnitudes de 
entrada y el calculo de las magnitudes de salida. Dado que los sensores suministran señales 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.23 
eléctricas que no son identificadas por el microprocesador se necesitan de unos dispositivos 
que transformen dichas señales en otras que puedan ser interpretadas por el 
microprocesador. Estos dispositivos son unos circuitos acondicionadores que transforman 
las señales de los sensores en señales digitales definidas. Lossensores, por ejemplo: el de 
temperatura y presión suministran una señal analógica. Esta señal es transformada en un 
convertidor analógico-digital y conducida al microprocesador en forma digital [Godoy Pedro]. 
Figura 2.23: Diagrama a bloques de una ECU 
 
Con el fin de que los datos del campo característico (cartografía de encendido) puedan ser 
modificados hasta poco antes de ser introducidos en la fabricación en serie, hay unidades de 
control dotadas de una memoria eléctricamente programable (EPROM). 
 
La etapa de potencia de encendido: puede ir montada en la propia unidad de control 
(como se ve en el esquema de bloques) o externamente, la mayoría de las veces en 
combinación con la bobina de encendido. En el caso de una etapa de potencia de encendido 
externa, generalmente la unidad de control de encendido va montada en el habitáculo, y 
esto sucede también, aunque con poca frecuencia, en el caso de unidades de control con 
etapa de potencia integrada. 
 
Si las unidades de control con etapa de potencia integrada están en el compartimiento 
motor, necesitan un sistema de evacuación de calor eficaz. Esto se consigue gracias a la 
aplicación de la técnica híbrida en la fabricación de los circuitos. Los elementos 
semiconductores, y por tanto, la etapa de potencia, van montados directamente sobre el 
cuerpo refrigerante que garantiza contacto térmico con la carrocería. Gracias a ello, estos 
aparatos suelen soportar sin problemas temperaturas ambiente de hasta 100ºC. Los aparatos 
híbridos tienen además la ventaja de ser pequeños y ligeros. 
 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.24 
La unidad de control de encendido además de la señal de salida que gobierna la bobina de 
encendido suministra otro tipo de salidas como la señal de velocidad de giro del motor y las 
señales de estado de otras unidades de control como por ejemplo, la inyección, señales de 
diagnostico, señales de conexión para el accionamiento de la bomba de inyección o relés, 
etc. 
 
Como hemos dicho anteriormente la unidad de control de encendido puede ir integrada con 
la unidad de inyección de combustible formando un solo conjunto. La conjunción de ambos 
sistemas forman el sistema al que el fabricante Bosch denomina "Motronic". 
 
Una versión ampliada es la combinación del encendido electrónico con una "regulación 
antidetonante", ver figura 2.24. 
Figura 2.24: Sistema de encendido con captadores antidetonantes 
 
Esta combinación es la que se ofrece principalmente, ya que la regulación en retardo del 
ángulo de encendido constituye la posibilidad de actuación más rápida y de efectos más 
seguros para evitar la combustión detonante en el motor. La regulación antidetonante se 
caracteriza por el uso de un captador de picado o de detonación, que se instala cerca de las 
cámaras de combustión del motor, capaz de detectar la detonación. Cuando el par resistente 
es elevado (ejemplo: subiendo una pendiente) y la velocidad del un motor es baja, un 
exceso de avance en el encendido tiende a producir una detonación a destiempo 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.25 
denominada picado. Para corregir este fenómeno es necesario reducir las prestaciones del 
motor adoptando una curva de avance inferior, ver figura 2.25. 
 
Figura 2.25:Captador de picado 
a)nivel de presión dentro del cilindro 
b) señal que recibe la ECU 
c) señal generada por el sensor de picado 
 
El captador de picado viene a ser un micrófono que genera una pequeña tensión cuando 
el material piezoeléctrico del que esta construido sufre una deformación provocada por la 
detonación de la mezcla en el interior del cilindro del motor ver figura 2.26 [Godoy Pedro]. 
Figura 2.26:Captador de picado 
2.2.9 Bloque de arranque y carga 
 
En el equipo eléctrico de los motores, además del equipo de encendido, se incluye el equipo 
de carga que restablece la energía a la batería la cual es usada por el equipo de arranque, 
que enciende el motor. El equipo de carga consiste en el alternador, que genera electricidad, 
y el regulador, que mantiene el voltaje constante de la electricidad generada. El equipo de 
arranque consiste en el arrancador. La batería adicionalmente esta siendo usada como un 
dispositivo de almacenaje eléctrico que también es usado como creador del suministro de 
energía. 
 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.26 
Alternador: El alternador no funciona solamente para suministrar energía eléctrica a varios 
dispositivos durante el manejo, sino también para mantener la carga en la batería. El 
alternador tiene una bobina rotora (electromagnetorotor) que es conectado directamente a la 
polea, que es girada vía una correa en V por el motor. El alternador tiene también una 
bobina reactora que genera energía de corriente alterna. Esta corriente alterna es convertida 
a corriente DC por un rectificador, ver figura 2.27. 
Figura 2.27: Corte de un alternador Bosch 
 
El regulador: Funciona para ajustar el voltaje generado por el alternador a un voltaje 
constante (aproximadamente 14-15V). El regulador puede tener cualquier tipo de contacto 
regulador, el cual mantenga un voltaje constante por abertura y cierre de puntos, o un 
regulador de estado sólido, que controla la corriente usando un circuito integrado ver figura 
2.28. 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.27 
Figura 2.28: Regulador de estado sólido 
 
Marcha o Arrancador: Puesto que un motor de gasolina o diesel es incapaz de arrancar 
por él mismo, su cigüeñal debe ser girado por una fuerza externa a fin de que la mezcla 
aire-combustible sea tomada, para dar lugar a la compresión y para que el inicio de la 
combustión ocurra. EI arrancador montado en el bloque de cilindros empuja contra un 
engranaje motriz cuando el interruptor de encendido es girado, una cremallera engancha 
con el volante y el cigüeñal es girado, ver figura 2.29. 
 
Figura 2.29: Marcha Bosch 
 
Capítulo 2: El motor a gasolina de cuatro tiempos 2.28 
Batería: La batería funciona para suministrar electricidad al equipo de arranque del motor, 
al equipo de encendido y luces, así como también a otros dispositivos eléctricos que son 
usados en el vehículo. Además, ésta es recargada con electricidad generada por el 
alternador. La batería es un contenedor (deposito de batería) que está dividido interiormente 
en varios segmentos. Este contenedor contiene fluido electrolítico y placas. Estos 
segmentos divididos internamente son unidos por conectores en serie, para que juntos 
ocurra la descarga y recarga a través de una reacción química entre el fluido electrolítico y 
las placas [Mayz Edgar]. 
 
En este capitulo vimos la constitución de un motor de 4 tiempos así como las partes básicas 
que lo componen, para poder comprender mejor las variables que deseamos controlar, así 
mismo vimos algunos de los sistemas de control que ya existen en el mercado y su 
funcionamiento básico. 
 
Capítulo3: Sistemas e Instrumentación 3.1 
Capítulo 3: 
Sistemas e Instrumentación 
Capítulo3: Sistemas e Instrumentación 3.2 
Capitulo 3: Sistemas e Instrumentación 
 
3.1 Concepto de Sistema 
 
Un sistema es una colección de componentes que funcionan en conjunto para ejecutar una 
tarea específica. Los sistemas se encuentran en nuestra vida diaria, el conjunto de carreteras 
del país, como la 57 de México a Querétaro o la México Cuernavaca, nos referimos a ellas 
como el sistema carretero del país. Cada sistema puede ser dividido en subsistemas, estos 
subsistemas están formados de otro numero de partes individuales, tantascomo sean 
necesarias para simplificar el proceso. 
 
Los sistemas electrónicos son similares, en el sentido de que ellos consisten en una 
colección de partes electrónicas y eléctricas interconectadas conectadas de tal manera, que 
ejecuten una función específica. Los componentes de un sistema electrónico, incluyen 
transistores, diodos, resistores, capacitores, así como interruptores y conectores entre otros. 
Estos componentes están conectados con cables individuales, pistas flexibles o con 
circuitos impresos, muchos sistemas electrónicos automotrices incorporan componentes 
especializados, conocidos como sensores o actuadores, que permiten al sistema electrónico 
hacer interfase con los sistemas mecánicos correspondientes. 
 
Los sistemas electrónicos pueden ser descritos, en varios niveles de abstracción, desde un 
simple dibujo a bajo nivel o un diagrama electrónico, hasta un diagrama a bloques de alto 
nivel. Para los propósitos que perseguimos el sistema de alto nivel o de bloques, será el 
que utilizáremos. A este nivel cada subsistema es caracterizado por entradas, salidas y las 
relaciones entre entrada y salida. 
 
Normalmente sólo el diseñador del sistema o los técnicos de mantenimiento, son los que se 
preocupan de los diagramas en detalle y el funcionamiento del sistema. En un diagrama de 
bloques, cada componente o subsistema, es representado por un bloque debidamente 
etiquetado. Las entradas y las salidas de cada bloque, están marcadas. En los sistemas 
electrónicos, estas variables de entrada y salida son señales eléctricas, excepto por el 
sistema de entrada y el sistema de salida. 
 
3.2 Diagrama de Bloques para representar un Sistema 
Un sistema electrónico puede ser representado por un diagrama de bloques, dependiendo 
del sistema electrónico dado 
a) control b) medición, c) comunicación, de esta manera tendríamos tres bloques de 
configuración. Como se muestran en la figura 3.1. 
Capítulo3: Sistemas e Instrumentación 3.3 
Figura 3.1 Diagrama de bloques para diferentes sistemas 
 
Un beneficio de esta aproximación de subsistema es que su operación puede ser descrita 
por relaciones funcionales entre entrada y salida, por lo que no es necesario describir la 
operación de los componentes individuales transistores, resistores contenidos en los 
bloques. 
 
El control de un subsistema físico llamado la planta, ocurre por la regulación de algunas 
variables físicas a través de un actuador. Un actuador tiene una entrada eléctrica y una 
salida que puede ser mecánica, neumática, química, o su equivalente. La planta comienza 
controlando diversos, cambios en el actuador de salida. El control es determinado por una 
señal electrónica, procesada en base a una medición o alguna variable, por un sensor que 
relaciona la orden de entrada con el operador de este sistema. 
Capítulo3: Sistemas e Instrumentación 3.4 
Arquitectura de un sistema de control electrónico: la salida del sensor es siempre una 
señal eléctrica llamada e1 en la figura 3.1 a) la entrada es una variable física en la planta a 
ser controlada. La señal electrónica procesada genera una señal eléctrica de salida llamada 
e2, que ópera al actuador. La señal procesada en diseñada para lograr el control deseado de 
la planta en relación a la variable que es medida por el sensor. Una explicación más 
detallada de control electrónico será dada más adelante. 
 
Arquitectura del sistema de medición: también conocido como instrumentación, es 
similar a lo que acabamos de describir, en el sentido que ambos sistemas incorporan un 
sensor y un sistema electrónico para procesar esta señal. Sin embargo, en lugar de un 
actuador, el sistema de medición incorpora un dispositivo de despliegue, llamado display. 
Un display es un dispositivo electromecánico o electro óptico capaz de representar valores 
alfanuméricos al usuario, vea la figura 3.1 b) 
 
Arquitectura de un sistema de comunicaciones: en este sistema los datos o los mensajes 
son enviados de una fuente a un receptor a través de un medio de comunicación. Esta 
arquitectura es lo suficientemente generalizada, para poder ser empleada en nuestro sistema 
de comunicación, ya que puede ser empleada para radios, buses digitales de datos como 
puede ser CAN, VAN, IC2. [Ribbens William ] 
Entonces tenemos que un diagrama de bloques de un sistema es una representación gráfica 
de las funciones que lleva a cabo cada componente y el flujo de señales. Tal diagrama 
muestra las relaciones existentes entre los diversos componentes. A diferencia de una 
representación matemática puramente abstracta, un diagrama de bloques tiene la ventaja de 
indicar en forma más realista el flujo de las señales del sistema real. En un diagrama de 
bloques se enlazan una con otra todas las variables del sistema, mediante bloques 
funcionales. El bloque funcional o simplemente bloque es un símbolo para representar la 
operación matemática que sobre la señal de entrada hace el bloque para producir la salida. 
Las funciones de transferencia de los componentes por lo general se introducen en los 
bloques correspondientes, que se conectan mediante flechas para indicar la dirección del 
flujo de señales. 
 
En general, la operación funcional del sistema, se aprecia con más facilidad si se examina 
el diagrama de bloques, que si se revisa el sistema físico mismo. Un diagrama de bloques 
contiene información relacionada con el comportamiento dinámico, pero no incluye 
información de la construcción física del sistema. En consecuencia, muchos sistemas 
diferentes y no relacionados pueden representarse mediante el mismo diagrama de bloques. 
Debe señalarse que, en un diagrama de bloques, la principal fuente de energía no se 
muestra explícitamente y que el diagrama de bloques de un sistema determinado no es 
único. Es posible dibujar varios diagramas de bloques diferentes para un sistema, 
dependiendo del punto de vista del análisis. [K Ogata]
3.3 Sistemas Analógicos 
 
Se dice que un sistema es analógico cuando las magnitudes de la señal se representan 
mediante variables continuas, esto es análogas a las magnitudes que dan lugar a la 
Capítulo3: Sistemas e Instrumentación 3.5 
generación de esta señal. Un sistema analógico contiene dispositivos que manipulan 
cantidades físicas representadas en forma analógica. En un sistema de este tipo, las 
cantidades varían sobre un intervalo continuo de valores. Así, una magnitud analógica es 
aquella que toma valores continuos. 
 
La mayoría de las cosas que se pueden medir cuantitativamente aparecen en la naturaleza 
en forma analógica. Un ejemplo de ello es la temperatura: a lo largo de un día la 
temperatura no varía entre, 20 ºC o 25 ºC de forma instantánea, sino que alcanza todos los 
infinitos valores que hay entre ese intervalo. Otros ejemplos de magnitudes analógicas son 
el tiempo, la presión, la distancia, el sonido. De esta manera podemos definir que señales 
analógicas son el voltaje o la corriente que varía suave o abruptamente, continuamente. 
Una onda senoidal es una señal analógica de una sola frecuencia. Los voltajes de la voz y 
del video son señales analógicas que varían de acuerdo con el sonido o variaciones de la luz 
que corresponden a la información que se está transmitiendo. [SEAT]
3.4 Ejemplo de Sistema Analógico 
 
El impulsor de revoluciones y referencia: Los impulsores de revoluciones y de referencia 
angular del cigüeñal, son sensores inductivos, donde el elemento captador es una bobina 
enrollada en un imán que genera corriente alterna por efecto de inducción, ver figura 3.2. 
Al girar la corona dentada modifica el entrehierro, es decir la distancia entre el impulsor y 
el diente de la corona, y esta variación del campo magnético da origen a la señal de 
corriente alterna. 
Figura 3.2Capítulo3: Sistemas e Instrumentación 3.6 
3.5 Sistemas Digitales 
 
Un sistema digital es cualquier dispositivo destinado a la generación, transmisión, 
procesamiento o almacenamiento de señales digitales. También un sistema digital es una 
combinación de dispositivos diseñado para manipular cantidades físicas o información que 
estén representadas en forma digital; es decir, que sólo puedan tomar valores discretos. La 
mayoría de las veces estos dispositivos son electrónicos, pero también pueden ser 
mecánicos, magnéticos o neumáticos. Para el análisis y la síntesis de sistemas digitales 
binarios se utiliza como herramienta el álgebra de Boole. Los sistemas digitales pueden ser 
de dos tipos: 
 
Sistemas digitales combinacionales: Son aquellos en los que la salida del sistema sólo 
depende de la entrada presente. Por lo tanto, no necesita módulos de memoria, ya que la 
salida no depende de entradas previas. 
 
Sistemas digitales secuénciales: La salida depende de la entrada actual y de las entradas 
anteriores. Esta clase de sistemas necesitan elementos de memoria que recojan la 
información de la historia pasada del sistema. Para la implementación de los circuitos 
digitales, se utilizan puertas lógicas (AND, OR y NOT) y transistores. Estas puertas siguen 
el comportamiento de algunas funciones booleanas. 
3.6 Señales digitales 
Las señales digitales, en contraste con las señales analógicas, no varían en forma continua, 
sino que cambian en pasos o en incrementos discretos. La mayoría de las señales digitales 
utilizan códigos binarios o de dos estados. 
 
3.7 Ejemplo de Sistema Digital 
 
Los instrumentos digitales toman muestras periódicas de la magnitud que miden y lo 
convierten a números binarios (unos y ceros) que pueden representar valores, escalonados 
de tensión, después los números binarios se traducen a dígitos que aparecen en una pantalla, 
mostrando así la magnitud de la medida. En los multímetros analógicos la lectura de la 
medida se realiza por estimación, ya que el usuario ha de apreciar la situación de la aguja y 
determinar cual es la medida realizada. Se requiere pues cierta experiencia en el uso del 
multímetro analógico ya que de no estimarse bien es fácil tener un error en la lectura. Con 
el multímetro digital hay menos posibilidad de lectura errónea que con el analógico porque 
la lectura aparece en forma de valor numérico, sin que le influya el ángulo de visión ni la 
precisión de la escala. Ver figura 3.3 [Wakerly John]
Capítulo3: Sistemas e Instrumentación 3.7 
Figura 3.3 
 
3.8 Ventajas de los sistemas digitales 
 
La revolución electrónica ha estado vigente bastante tiempo; la revolución del estado sólido 
comenzó con dispositivos analógicos y aplicaciones como los transistores y los radios 
transistorizados. Cabe preguntarse ¿por qué ha surgido ahora una revolución digital? 
 
De hecho, existen muchas razones para dar preferencia a los circuitos digitales sobre los 
circuitos analógicos: 
 
Reproducibilidad de resultados: Dado el mismo conjunto de entradas tanto en valor 
como en serie de tiempo, cualquier circuito digital diseñado en la forma adecuada, siempre 
producirá exactamente los mismos resultados. Las salidas de un circuito analógico varían 
con la temperatura, el voltaje de la fuente de alimentación, la antigüedad de los 
componentes y otros factores. 
 
Facilidad de diseño: El diseño digital, a menudo denominado diseño lógico; es de fácil 
implementación. No se necesitan habilidades matemáticas especiales, y el comportamiento 
de los pequeños circuitos lógicos puede visualizarse mentalmente sin tener alguna idea 
Capítulo3: Sistemas e Instrumentación 3.8 
especial acerca del funcionamiento de capacitores, transistores u otros dispositivos que 
requieren del cálculo para modelarse. 
 
Flexibilidad y funcionalidad: Una vez que un problema se ha reducido a su forma digital, 
podrá resolverse utilizando un conjunto de pasos lógicos en el espacio y el tiempo. Por 
ejemplo, se puede diseñar un circuito digital que mezcle o codifique su voz grabada de 
manera que sea absolutamente indescifrable para cualquiera que no tenga su clave o 
contraseña, pero ésta podrá ser escuchada virtualmente sin distorsión por cualquier persona 
que posea la clave. Esto no puede implementarse con un circuito analógico. 
 
Programabilidad: probablemente ya se esté familiarizado con las computadoras digitales y 
la facilidad con la que se puede diseñar, escribir y depurar programas para las mismas. Una 
gran parte del diseño digital se lleva a cabo en la actualidad al escribir programas, también, 
en los lenguajes de descripción de Hardware, HDLs, por sus siglas en inglés. Estos 
lenguajes permiten especificar o modelar tanto la estructura como la función de un circuito 
digital. Además de incluir un compilador, un HDL típico también tiene programas de 
simulación y síntesis. Estas herramientas de programación se utilizan para verificar el 
comportamiento del modelo de hardware antes que sea construido, para posteriormente 
realizar la síntesis del modelo en un circuito, aplicando una tecnología de componente en 
particular. 
 
Velocidad: Los dispositivos digitales de la actualidad son muy veloces. Los transistores 
individuales en los circuitos integrados más rápidos pueden conmutarse en menos de 10 
picosegundos, un dispositivo completo y complejo construido a partir de estos transistores 
puede examinar sus entradas y producir una salida en menos de 2 nanosegundos. Esto 
significa que un dispositivo de esta naturaleza puede producir 500 millones o más 
resultados por segundo. 
 
Economía: Los circuitos digitales pueden proporcionar mucha funcionalidad en un espacio 
pequeño. Los circuitos que se emplean de manera repetitiva pueden integrarse en un solo 
chip y fabricarse en masa a un costo muy bajo, haciendo posible la fabricación de productos 
desechables como son las calculadoras, relojes digitales y tarjetas musicales de felicitación. 
 
Avance tecnológico constante: Cuando se diseña un sistema digital, casi siempre se sabe 
que habrá una tecnología más rápida, más económica o en todo caso, una tecnología 
superior para el mismo caso poco tiempo después, como es el caso de los procesadores de 
la serie Pentium de Intel. 
 
Los diseñadores inteligentes pueden adaptar estos avances futuros durante el diseño inicial 
de un sistema, para anticiparse a la obsolescencia del sistema y para ofrecer un valor 
agregado a los consumidores. Por ejemplo, las computadoras portátiles a menudo tienen 
ranuras de expansión para adaptar procesadores más rápidos o memorias más grandes que 
las que se encuentran disponibles en el momento de su presentación en el mercado. 
 
Capítulo3: Sistemas e Instrumentación 3.9 
3.9 Ventajas del procesado digital de señales frente al analógico 
 
Existen muchas razones por las que el procesado digital de una señal analógica puede ser 
preferible al procesado de la señal directamente en el dominio analógico. Primero, un 
sistema digital programable permite flexibilidad a la hora de reconfigurar las operaciones 
de procesado digital de señales sin más que cambiar el programa. La reconfiguración de un 
sistema analógico implica habitualmente el rediseño del hardware, seguido de la 
comprobación y verificación para ver que opera correctamente. 
 
También desempeña un papel importante al elegir el formato del procesador de señales y la 
consideración de la precisión. Las tolerancias en los componentes de los circuitos 
analógicos hacen que para el diseñador del sistema sea extremadamente difícil controlar la 
precisión de un sistema de procesado analógico de señales. En cambio, un sistema digital 
permite un mejor control de los requisitos