HerreraAndres-2021-DisenoSistemaRefrigeracion

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DISEÑO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN 
PARA UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA 
 
Autor 
Andrés Felipe Herrera Atehortúa 
 
 
 
Universidad de Antioquia 
Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Mecánica 
Medellín, Colombia 
2020 
 
https://co.creativecommons.net/wp-content/uploads/sites/27/2008/02/by-nc-sa.png
 2 
Diseño de un sistema de refrigeración para un motor de combustión interna 
 
 
 
 
Andrés Felipe Herrera Atehortúa 
 
 
 
 
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de: 
Ingeniero Mecánico 
 
 
 
 
 
Asesor (a): 
Iván Darío Bedoya Caro 
 Doctor en Ingeniería 
 
 
 
 
Línea de Investigación: 
Línea Energética 
Grupo de investigación: 
GASURE 
 
 
 
 
 
 
Universidad de Antioquia 
Facultad de ingeniería, Departamento de Ingeniería Mecánica 
Medellín, Colombia 
2020. 
 
 3 
Resumen 
 
Este trabajo de grado tiene como objetivo el diseño y la implementación de un sistema de 
refrigeración para un motor de combustión interna de encendido por chispa (MEP) con el fin 
de brindar una condición segura y mantener una temperatura óptima del motor en el cual 
actualmente se está desarrollando un proyecto CODI de la Universidad de Antioquia en el 
Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía (GASURE). 
 
Inicialmente se realizó una exhaustiva investigación del estado del arte con el fin de adquirir 
información acerca del funcionamiento y la disponibilidad de los sistemas de refrigeración 
de motores de combustión interna de encendido por chispa que actualmente se encuentran en 
bancos de pruebas. 
 
En la metodología se describió el proceso de búsqueda de la información, para el cual se 
tomó como referencia el método de macro- procesos empleado por universidades a nivel 
mundial con el fin de obtener información confiable. Esta técnica consiste en la elaboración 
de algoritmos de búsqueda y un análisis de la calidad de la información encontrada que aportó 
a la elaboración de este trabajo de grado. 
 
En los resultados, se presentó el sistema de refrigeración empleado y se describió 
detalladamente los elementos que lo componen con la explicación de su respectivo 
funcionamiento individual y el funcionamiento del sistema de refrigeración con todos los 
elementos en conjunto. Además, se realizó un balance de masa y energías con el cual es 
posible obtener la energía en forma de calor que debe ser retirada del motor a través del 
sistema de refrigeración y se describió cálculo de la capacidad de transferencia del 
intercambiador de calor. 
 
Finalmente, se presentan las conclusiones entre la cuales se destacan, los sistemas de gestión 
térmica que implementa el motor en estudio, que ayuda a minimizar el calentamiento del 
motor en el arranque en frío reduciendo así, emisiones contaminantes y el consumo de 
combustible. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 4 
Agradecimientos 
 
Agradezco principalmente a mis Padres: William y Patricia, a quienes les debo lo que 
actualmente soy, pues me han apoyado y guiado durante todo el camino y quienes con su 
cariño, esfuerzo y dedicación me enseñaron la importancia de ser una persona de bien para 
la sociedad. A mi novia Sofía por su incondicional apoyo. A mis dos grandes amigos Sammy 
y Daniel, con los cuales pude compartir este maravilloso pregrado, quienes me enseñaron el 
valor de la amistad y quienes me dejaron muchas enseñanzas tanto en lo personal como en 
lo académico. A todos los profesores del departamento de Ingeniería Mecánica, en especial 
al profesor Juan Fernando Pérez y al profesor Iván Darío Bedoya por la formación académica 
y personal que me pudieron brindar. Y finalmente a la Universidad de Antioquia y al Grupo 
de investigación GASURE por brindarme educación de calidad y permitirme realizar este 
trabajo de grado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 5 
Contenido 
 
1. Introducción .............................................................................................................. 9 
2. Objetivos ................................................................................................................. 13 
2.1. Objetivo general ......................................................................................................... 13 
3. Marco Teórico.......................................................................................................... 14 
3.1. Transferencia de calor ................................................................................................ 14 
3.2. Sistema de refrigeración ............................................................................................. 17 
3.3. Tipos de refrigeración para motores de combustión interna ...................................... 18 
3.3.1. Refrigeración por aire......................................................................................... 18 
3.3.2. Refrigeración por líquido .................................................................................... 18 
3.4. Sistemas de refrigeración para motores de combustión interna ubicados en bancos de 
pruebas ................................................................................................................................... 19 
3.4.1. Sistemas de suministro directo de agua de refrigeración: Control de temperatura 
del refrigerante del motor .................................................................................................. 20 
3.4.2. Sistemas abiertos de enfriamiento por agua ...................................................... 24 
3.4.3. Sistemas cerrados de enfriamiento por agua ..................................................... 25 
3.4.4. Circuitos de agua helada. ................................................................................... 26 
3.5. Estado del arte............................................................................................................ 27 
4. Metodología ............................................................................................................ 29 
4.1. Revisión sistemática de la literatura................................................................................. 30 
4.2. Descripción detallada del Sistema de refrigeración .......................................................... 33 
4.3. Balance de masa y energía ......................................................................................... 37 
4.3.1 Balance de masa ..................................................................................................... 38 
4.3.2. Balance de energía ............................................................................................. 39 
4.3.3. Cálculo y selección de los intercambiadores (radiadores) .................................. 46 
5. Análisis y resultados ................................................................................................ 52 
5.1. Metodología de indexación y resumen en Scopus............................................................ 53 
5.2. Caracterización del sistema de refrigeración y su funcionamiento. .................................. 59 
5.2.1. Elementos que componen el sistema de refrigeración definido. ............................... 60 
5.2.2. Funcionamiento del sistema de refrigeración ........................................................... 68 
5.3. Cálculo de los radiadores y selección del ventilador ................................................... 77 
5.3.1. Cálculo de los radiadores .......................................................................................... 77 
5.3.2. Selección del ventilador ..................................................................................... 82 
5.4. Cotización ................................................................................................................... 86 
6. Conclusiones............................................................................................................ 87 
7. Referencias bibliográficas ........................................................................................... 90 
8. Anexos ..................................................................................................................... 93 
 
 
 
 6 
Figura 1. distribución de temperatura típica que se encontraría en un motor MEP 
operando en estado estable. [5] .............................................................................. 14 
Figura 2. Ilustración de los fenómenos de transferencia de calor dentro del cilindro. 
[4] ............................................................................................................................ 15 
Figura 3. Refrigeración por bomba y presurización. [7] .............................................. 19 
Figura 4. "Cooling Colum": Columna de refrigeración del motor. [8] ....................... 20 
Figura 5. Sistema abierto de agua de refrigeración que incorpora un sumidero 
dividido. [8] ............................................................................................................. 25 
Figura 6. Sistema cerrado de enfriamiento por agua. [12] ........................................... 26 
Figura 7. Circuito de agua helada. ................................................................................ 27 
Figura 8. Motor 1,6 L Turbocargado inyección directa (GTDI) con tecnología 
downsizing, modelo 2018. ....................................................................................... 30 
Figura 9. Diseño del sistema de refrigeración. .............................................................. 36 
Figura 10. Distribución de la energía del combustible. [4] ........................................... 37 
Figura 11. Volumen de control seleccionado para elaboración del balance de masa. . 38 
Figura 12. Volumen de control seleccionado para describir el balance energético del 
motor. ...................................................................................................................... 39 
Figura 13. Diagrama de capacitancias térmicas en el ducto de escape. ....................... 42 
Figura 14. Diagrama de la capacitancia térmica en la pared del motor. ..................... 43 
Figura 15. Diagrama de las capacitancias térmicas en el enfriador de aceite.............. 44 
Figura 16. Diagrama de la resistencia térmicas en el eje del turbo. ............................. 45 
Figura 17. Volumen de control seleccionado para describir el balance energético del 
radiador. ................................................................................................................. 46 
Figura 18. Mapa de delimitación del ELR. ................................................................... 53 
Figura 19. Ubicación de los elementos que componen el sistema de refrigeración en el 
motor (vista frontal). .............................................................................................. 60 
Figura 20. Ubicación de los elementos que componen el sistema de refrigeración en el 
motor (vista lateral derecha). ................................................................................. 67 
Figura 21. Ubicación de los elementos a través de los cuales fluye el refrigerante. ..... 70 
Figura 22. Etapa 1 - Flujo estancado en el motor. ........................................................ 72 
Figura 23. Etapa 2 - Refrigerante fluye a través del motor y los demás elementos a 
refrigerar. ............................................................................................................... 73 
Figura 24. Etapa 3 - Refrigerante comienza a fluir hacia el termostato. ..................... 74 
Figura 25. Etapa 4.1 - Refrigerante fluye a través del radiador. ................................. 75 
Figura 26. Etapa 4.2 - Refrigerante fluye intermitentemente al radiador con el fin de 
mantener temperatura de trabajo. ........................................................................ 76 
Figura 27. Características del ventilador seleccionado. [27] ........................................ 84 
Figura 28. Dimensiones del ventilador seleccionado. [27] ............................................ 85 
Figura 29. Conexión eléctrica de los sensores ECT y HCT a la PCM. ......................... 93 
Figura 30. Conexión eléctrica del electro-ventilador. ................................................... 94 
 
 
 
 
 7 
Grafica 1. Distribución del consumo de energía entre los diferentes sectores del país. 
[3] ............................................................................................................................ 10 
Grafica 2. Distribución del consumo por energético en el sector transporte de 
Colombia-2015. [2] ................................................................................................. 10 
Grafica 3. Proyección del cambio en la matriz energética del sector transporte de 
Colombia. [3] .......................................................................................................... 11 
Grafica 4. Variación de la temperatura de diferentes elementos del motor con el 
tiempo. [5] ............................................................................................................... 15 
Grafica 5. Reducción de la fricción como consecuencia de la aplicación de diferentes 
revestimientos de pulverización térmica. [11] ....................................................... 23 
Grafica 6. Curvas de potencia y torque del motor en estudio. ..................................... 34 
Grafica 7. Valores típicos de la distribución de la energía del combustible en un motor 
de encendido por chispa (MEP).[1] ....................................................................... 41 
Grafica 8.Efectividad para los intercambiadores de calor. [21] ................................... 51 
Grafica 9. Número de publicaciones acerca de sistemas de refrigeración de motores de 
combustión interna a través de los años. ............................................................... 54 
Grafica 10. Publicaciones acerca de sistemas de refrigeración para motores de 
combustión interna por países. .............................................................................. 55 
Grafica 11. Publicaciones que se han realizado acerca de sistemas de refrigeración de 
motores de combustión interna por universidades en el mundo. ......................... 56 
Grafica 12. Publicaciones acerca del sistema de refrigeración de los motores de 
combustión interna por áreas académicas............................................................. 56 
Grafica 13. Razón de transferencia de calor real del radiador Vs flujo másico de aire y 
de refrigerante. ....................................................................................................... 80 
Grafica 14. Razón de transferencia de calor real del radiador Vs Efectividad del 
radiador. ................................................................................................................. 81 
Grafica 15. Razón de transferencia de calor real del radiador Vs Resistencia térmica 
total. ........................................................................................................................ 81 
Grafica 16. Efectividad del radiador Vs Flujo másico de aire y de refrigerante. ........ 82 
Grafica 17. Diferencia económica entre los sistemas de refrigeración posibles a 
emplear. .................................................................................................................. 86 
 
 
 
 
 
 
 
 
 8 
Tabla 1. Tecnologías de sistemas de gestión térmica incorporadas por grandes marcas 
de automóviles. [10] ................................................................................................ 23 
Tabla 2. Palabras claves y sus sinónimos. .....................................................................30 
Tabla 3. Estudios más relevantes para el desarrollo del trabajo de grado. ................. 32 
Tabla 4. Características del motor de combustión interna seleccionado. .................... 34 
Tabla 5. Variables para determinar los balances de masa y energía. .......................... 36 
Tabla 6. Análisis de calidad - Top 30 ............................................................................ 57 
Tabla 7. Análisis de calidad - Top 10............................................................................. 58 
Tabla 8. Estado del arte - Top 7. ................................................................................... 59 
Tabla 9. Nombre de los elementos que componen el sistema de refrigeración que se 
encuentran ubicados en el motor (vista frontal).................................................... 60 
Tabla 10. Presión del sistema de refrigeración. ............................................................ 61 
Tabla 11. Temperaturas de apertura del termostato. ................................................... 63 
Tabla 12. Dimensiones del radiador. ............................................................................. 63 
Tabla 13. Espesores del radiador. ................................................................................. 63 
Tabla 14. Geometría de los tubos. ................................................................................. 64 
Tabla 15. Geometría de las aletas. ................................................................................. 64 
Tabla 16. Nombre de los elementos que componen el sistema de refrigeración que se 
encuentran ubicados en el motor (Parte lateral derecha). .................................... 67 
Tabla 17. Operación del sistema. ................................................................................... 69 
Tabla 18. Nombre de los elementos a través de los cuales fluye el refrigerante. ......... 71 
Tabla 19. Propiedades del refrigerante utilizado en el sistema de refrigeración. [24] 77 
Tabla 20. Parámetros de flujo del refrigerante y del aire. ........................................... 78 
Tabla 21. Propiedades termofluídicas. .......................................................................... 78 
Tabla 22. Resultados de las Variables relevantes para el cálculo de transferencia de 
calor. ....................................................................................................................... 79 
Tabla 23. Transferencia de calor real del radiador para diferentes velocidades del 
aire. ......................................................................................................................... 80 
Tabla 24. Variables para selección del ventilador. ....................................................... 83 
Tabla 25. Condiciones de operación del ventilador en Medellín. ................................. 85 
Tabla 26. Precio elementos del sistema de refrigeración diseñado............................... 86 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 9 
1. Introducción 
 
Un motor de combustión interna es una máquina que aprovecha la energía química de un 
combustible para transformarla en energía térmica y finalmente en trabajo rotacional, esto se 
da mediante un proceso de oxidación del combustible al interior del cilindro, lo que permite 
el incremento de la fuerza aplicada en la cara del pistón, produciendo así, un trabajo mecánico 
lineal que luego es transformado en trabajo mecánico rotacional a través de un mecanismo 
biela - manivela acoplado a un cigüeñal. 
 
Del 100% de la energía química del combustible, el motor de combustión interna solo 
aprovecha aproximadamente el 40% de esta [1] y el otro 60 % corresponde a la combustión 
incompleta, energía transformada en forma de calor debido a la fricción de los diferentes 
elementos mecánicos, temperatura de los gases de combustión y temperatura en las paredes 
de los cilindros como consecuencia de la combustión dentro de la cámara. Estos valores 
permiten concluir que los motores de combustión interna son máquinas ineficientes que, a su 
vez, posicionan al sector transporte como el sector con la mayor pérdida de energía a nivel 
mundial, razón por la cual, en la actualidad los motores de combustión interna continúan en 
constante desarrollo permitiendo encontrar cada día nuevas tecnologías que proporcionen un 
ahorro energético. Un ejemplo de ellos son los sistemas de gestión térmica en los sistemas 
de refrigeración quienes han logrado un ahorro en el consumo de combustible aumentando 
la eficiencia del sector transporte, y la penetración de nuevos combustibles o sistemas bi-
combustibles quienes a su vez también aportan al aumento de la eficiencia y a la reducción 
de emisiones de CO2. 
 
Hoy en día, Colombia se muestra como un país con baja eficiencia energética, pues durante 
el 2015 las perdidas en la matriz energética nacional ascendieron al 52% y solo el 48% 
corresponde a la porción de energía útil. Por esta razón, el nuevo plan de acción PROURE 
(Programa de Uso Racional y Eficiente de Energía y demás Formas de Energía No 
Convencionales) se enfoca en la eficiencia energética del sector transporte, pues como se 
muestra en la Grafica 1, este sector es el más crítico al representar el 40% del consumo de la 
energía total del país y es el más ineficiente de todos con una contribución del 65% del total 
de las perdidas energéticas en Colombia. [2]. 
 10 
 
 
Grafica 1. Distribución del consumo de energía entre los diferentes sectores del país. [3] 
Por otra parte, el sector transporte también tiene una gran influencia en el impacto ambiental 
ya que al ser el sector con el mayor consumo de combustible ya que su fuente principal de 
energía son los combustibles fósiles, especialmente la gasolina con un 40% y el ACPM con 
un 37% tal como se muestra en la Gráfica 2. Además, se encuentra la mayor cantidad de 
emisiones de gases de efecto invernadero como el CO2, y contaminantes de gran importancia 
para los centros urbanos como el material particulado (PM) y los óxidos de Nitrógeno (NOx) 
[2]. 
 
Grafica 2. Distribución del consumo por energético en el sector transporte de Colombia-2015. [2] 
 11 
Para aumentar la eficiencia en el consumo de energías y para mitigar el impacto ambiental 
producto del sector transporte, PAI 2017-2022 [2] propone introducir nuevas tecnologías y 
la reducción del uso de los combustibles líquidos impulsando así el uso del GNV (Gas 
Natural Vehicular) que permitan reducir las pérdidas energéticas y por ende la huella de 
carbono, pues el uso de combustibles con menor relación C/H, contribuyen a la disminución 
de emisiones netas de CO2 en el sector transporte. Incluso en la Gráfica 3, se muestra la 
proyección del cambio en la matriz energética del sector transporte donde se busca que el 
uso del gas natural incremente. 
 
 
 
Grafica 3. Proyección del cambio en la matriz energética del sector transporte de Colombia. [3] 
 
Los motores de encendido provocado (MEP) en modo bi-combustible son los más usados 
para el uso de combustibles gaseosos en transporte terrestre en Colombia. En dichos motores 
se utilizan dos sistemas de alimentación de combustible, uno para el combustible gaseoso y 
otro para la gasolina, y el motor opera con alguno de los dos combustibles, nunca con una 
mezcla. Dado que Colombia es un país importador de tecnologías en el sector transporte, 
debe hacer una revisión permanente de las tendencias tecnológicas en los países desarrollados 
para lograr una adecuada implementación y adaptación tecnológica en el mediano plazo a 
sus condiciones específicas de operación. La normatividad vigente para el sector transporte 
en los países fabricantes de vehículos contempla la regulación de emisiones de CO2, lo cual 
ha llevado a los fabricantes a implementar estrategias en el diseño de los mismos que 
permitan aumentar la eficiencia de transformación energética de los vehículos, siendo ladisminución de tamaño de los motores de encendido provocado (downsizing) una de las más 
importantes. 
 
La implementación de esta estrategia (downsizing) junto con la turbo-alimentación y el 
aumento de las relaciones de compresión, han permitido desarrollar altas potencias con 
motores mucho más pequeños. Sin embargo, estos cambios provocan que variables como la 
temperatura y la presión en el cilindro aumenten de forma considerable hasta el punto de 
presentarse fenómenos como el “Super Knocking” debido a la auto-ignición del combustible 
 12 
antes del encendido producido por la descarga eléctrica en la bujía, provocando así daños en 
elementos de vital importancia para el motor. Además, también se presenta la necesidad del 
uso de combustibles con mayor octanaje, lo cual es un reto para Colombia ya que el índice 
de octano de nuestra mejor gasolina está por debajo de los estándares recomendados por los 
países fabricantes de motores de combustión interna de encendido provocado (MEP). 
 
El Grupo GASURE (grupo de ciencia y tecnología del gas y uso racional de la energía) de la 
Universidad de Antioquia, se encuentra realizando el proyecto de investigación “Estudio 
Experimental del uso de mezclas gasolina/combustibles gaseosos para la optimización del 
desempeño de motores de encendido provocado de alta relación de compresión 
turboalimentados en el sector transporte colombiano”, cuyo objetivo es el estudio del “Super 
Knocking” y el uso de mezclas gasolina/gas natural para su atenuación a condiciones de 
Medellín. Para el desarrollo del proyecto de investigación es necesario el encendido y la 
puesta a punto del motor en cuestión (motor 1,6 L Turbocargado inyección directa (GTDI) 
con tecnología downsizing, modelo 2018), objetivo que sólo se puede alcanzar con el 
correcto funcionamiento de los demás sistemas que componen el motor, para lo cual es 
necesario una intervención ingenieril en los sistemas periféricos que se requieran. Con base 
a lo anterior, este trabajo busca diseñar un sistema de refrigeración para dicho motor, el cual 
estará sometido a condiciones de potencia y torque máximos y al estar ubicado en un banco 
de pruebas estacionario no contará con el mecanismo de transferencia de calor por 
convección del aire producido por el movimiento del vehículo en el cual se utiliza. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 13 
2. Objetivos 
 
2.1. Objetivo general 
 
• Diseñar un sistema de refrigeración para un motor de combustión interna 1,6 L 
turbocargado inyección directa (GTDI) con tecnología downsizing, modelo 2018, 
operando con mezclas gasolina/gas natural en un banco de ensayos. 
 
2.2.Objetivos específicos 
 
• Estudiar las estrategias de refrigeración utilizadas en motores de encendido provocado que 
usan gas natural mediante la revisión sistemática de literatura. 
• Determinar la configuración del sistema de refrigeración y su sistema de control para un 
motor de combustión interna 1,6 L turbocargado inyección directa (GTDI) con tecnología 
downsizing, modelo 2018 operando en banco de ensayos. 
• Realizar los respectivos balances de masa y energía, así como el diseño y 
dimensionamiento del sistema de refrigeración propuesto. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 14 
3. Marco Teórico 
 
3.1. Transferencia de calor 
 
Durante el proceso de combustión, se generan gases dentro del cilindro los cuales pueden 
alcanzar temperaturas alrededor de los 2000ºC produciéndose así un flujo de calor transferido 
a las paredes del cilindro de hasta 10 𝑀𝑊/𝑚2. Este flujo varía según el lugar, y los 
elementos que entran en contacto directo con los gases de combustión experimentan flujos 
más altos, involucrando así: el pistón, la culata, las válvulas y las bujías. En estas regiones, 
las tensiones térmicas deben mantenerse por debajo de las temperaturas que causarían 
agrietamiento por fatiga, razón por la cual las temperaturas deben ser inferiores a los 400ºC 
para el hierro fundido y 300ºC para las aleaciones de Aluminio. La superficie de la pared del 
cilindro debe mantenerse en una temperatura inferior a los 180ºC de lo contrario se 
presentaría descomposición térmica del aceite y las bujías y las válvulas deben mantenerse 
frías con el fin de evitar fenómenos de autoignición y “Super Knocking” que resultan del 
sobrecalentamiento de los electrodos de las bujías o de las válvulas de escape. Resolver estos 
problemas de transferencia de calor es de suma importancia, pues un buen diseño del sistema 
de refrigeración garantizara un estado seguro para el motor. [4,5] 
La Figura 1, ilustra una distribución de temperaturas típicas que se encontraría en un motor 
de encendido provocado operando en estado estable. 
 
Figura 1. distribución de temperatura típica que se encontraría en un motor MEP operando en estado estable. [5] 
 15 
Y en la Gráfica 4, se ilustra la variación de la temperatura de diferentes elementos del motor 
con el tiempo después del arranque en frío. 
 
 
Grafica 4. Variación de la temperatura de diferentes elementos del motor con el tiempo. [5] 
Para resolver los problemas de transferencia de calor antes mencionados y realizar un buen 
diseño del sistema de refrigeración, es necesario tener diferentes herramientas académicas en 
las áreas de la termodinámica y la transferencia de calor que permitirán el cálculo adecuado 
de la carga térmica que se debe retirar del motor para poder seleccionar el intercambiador de 
calor compacto (radiador) y demás dispositivos (ventilador, bomba, termostato, entre otros) 
quienes proporcionaran una correcta refrigeración del motor manteniéndolo en un estado 
seguro. 
Para conocer la carga térmica a retirar del motor, inicialmente se debe hacer un análisis de 
los mecanismos de transferencia de calor que están ocurriendo dentro del cilindro tal como 
lo muestra la Figura 2. 
 
Figura 2. Ilustración de los fenómenos de transferencia de calor dentro del cilindro. [4] 
 
 16 
A continuación, se describen las ecuaciones que describen los mecanismos de transferencia 
de calor que se presentan en el cilindro: 
�̇�𝑐𝑜𝑛𝑣 = ℎ𝑔𝐴(𝑇𝑔 − 𝑇𝑝𝑔) Eq. 1 
 
�̇�𝑟𝑎𝑑 = 𝜎𝜀𝐴( 𝑇𝑟𝑎𝑑
4 − 𝑇𝑝𝑔
4 ) Eq. 2 
 
 �̇�𝑐𝑜𝑛𝑑 =
𝐾𝐴
𝑒
( 𝑇𝑝𝑔 − 𝑇𝑃𝑟) Eq. 3 
 
�̇�𝑐𝑜𝑛𝑑 = ℎ𝑟 𝐴𝑟( 𝑇𝑃𝑟 − 𝑇𝑟) Eq. 4 
 
El calor que fluye hacia las paredes del cilindro y el cual es transferido al líquido refrigerante 
puede ser determinado asumiendo lo siguiente: 
 
➢ El calor cedido por radiación, conducción y convección durante la combustión. 
➢ El calor cedido en el proceso de expansión. 
➢ El calor cedido en el proceso de escape. 
➢ El calor generado y cedido por la fricción del cilindro y los anillos. 
 
Taylor y Toons, han desarrollado una ecuación generalizada para el cálculo de la 
transferencia de calor del cilindro hacia el refrigerante [6]. Esta ecuación es: 
�̇� = ℎ𝐴(𝑇𝑔 − 𝑇𝑟) Eq. 5 
�̇�𝑟𝑒𝑓 = ℎ𝑔
𝜋𝐷𝑝
2
4
(�̅�𝑔 − �̅�𝑟𝑒𝑓) Eq. 6 
 
𝑁𝑢 = 10,4𝑅𝑒0,75 Eq. 7 
ℎ𝑔 = 10,4
𝐾𝑔
𝐷𝑔
(
𝜌𝑐𝐷𝑝
𝜇
)
0,75
= 10,4
𝐾𝑔
𝜇0,75
(
𝜌𝑐𝐴
𝐴
)
0,75
∗ 𝐷𝑝
−0,25 
ℎ𝑔 = 10,4
𝐾𝑔
𝜇0,75
(
4�̇�𝑔
𝜋𝐷𝑝
2 )
0,75
∗ 𝐷𝑝
−0,25 Eq. 8 
Donde: 
 
ℎ𝑟: 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 (𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒) 
𝐾: 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 
𝜎: 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑡𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑆𝑡𝑒𝑓𝑎𝑛 − 𝐵𝑜𝑙𝑡𝑧𝑚𝑎𝑛𝑛 = 5,67 𝐸 − 8 𝑊/𝑚2 
𝜀: 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒 
 
𝑇𝑔: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 
𝑇𝑝𝑔: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 
𝑇𝑃𝑟: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 
𝑇𝑟: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑢𝑡𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑔𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 
𝑇𝑟𝑎𝑑: 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛(𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑦 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠) 
 17 
 
𝐴: 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 
𝐴𝑟: 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 
𝑒: 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 
 
𝐷𝑝: 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 [𝑚] 
𝐾𝑔: 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 
𝜇: 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 
𝜌: 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 
𝑐: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡á𝑛𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 
�̇�𝑔: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚𝑎𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 
 
3.2. Sistema de refrigeración 
 
El sistema de refrigeración del motor de combustión interna es un sistema cerrado que 
además de controlar la temperatura del motor manteniéndolo en un estado seguro, también 
permite la expansión y la contracción del refrigerante, así como los cambios de presión a 
medida que el refrigerante aumenta o disminuye su temperatura con el funcionamiento del 
motor. Asimismo, tiene otras exigencias u objetivos tales como: 
 
➢ Reducir el tiempo de calentamiento del motor. 
➢ Reducir las emisiones de contaminantes 
➢ Reducir el consumo de combustible. 
➢ Aumentar la vida útil de los componentes del motor. 
 
Y está compuesto por elementos como: juntas, sellos, mangueras y abrazaderas que contienen 
el refrigerante dentro del sistema de refrigeración y evitan que otros fluidos y contaminantes 
entren en dicho sistema. 
 
La implementación de un sistema de refrigeración en un motor de combustión interna es un 
aspecto tan importante, que incluso se puede ver el uso de estrategias de refrigeración a través 
de la historia, pues, Karl Benz, quien fue el encargado de adaptar por primera vez el motor 
de combustión interna en un vehículo, también patentó un sistema de refrigeración con el 
cual buscaba solucionar la constante evaporación del agua que se usaba para enfriar dicho 
motor y de esta manera mantener el líquido por debajo de la temperatura de ebullición. Esto 
era posible haciendo circular agua a través de los cilindros y posteriormente a través de una 
estructura de tubos paralelos conocida como radiador, quien además debía estar en constante 
contacto con el aire, pues de esta manera se obtendría una temperatura más baja del agua al 
momento de circular por el motor, permitiendo así temperaturas óptimas de operación. 
Los motores de combustión interna aprovechan la energía química de los combustible para 
hacer mover los vehículos, pero como es sabido gracias a las leyes de la termodinámica, no 
es posible convertir el 100% de esta energía en trabajo, solo aproximadamente un 40% del 
total de esta energía va directamente a las ruedas (trabajo) [1], mientras que el restante se 
pierden en gases de escape, accesorios y calor, el cual es generado en su gran mayoría debido 
a la combustión de la mezcla dentro del cilindro y a la fricción de los elementos móviles. 
 18 
Este porcentaje es tan considerable, que incluso, alrededor de un 30% de la energía potencial 
del combustible se pierde en transferencia de calor al refrigerante [1]. 
No obstante, si en el motor no se disipa parte del calor liberado en la combustión, entonces 
se provocaría rigidez de las piezas por una excesiva dilatación, además de que el lubricante 
perdería sus propiedades, pues a temperaturas superiores a los 125ºC se presenta su 
descomposición térmica de este y se podría presentar deformación de las piezas móviles. 
Pero se debe tener especial cuidado en la extracción de dicho calor, ya que el rendimiento de 
un motor de combustión interna aumenta con la temperatura, razón por la cual una 
refrigeración excesiva provocaría una disminución de la eficiencia. Con base en lo anterior, 
se puede deducir que el objetivo de la refrigeración será mantener una temperatura de 
funcionamiento en diferentes partes del motor, de tal forma que no sufran un excesivo 
calentamiento, ni tampoco provoque una disminución del rendimiento del motor. 
3.3. Tipos de refrigeración para motores de combustión interna 
 
Los sistemas de refrigeración se clasifican según el fluido utilizado para bajar la 
temperatura del motor y estos pueden ser de dos tipos: 
 
3.3.1. Refrigeración por aire 
 
La refrigeración por aire es común encontrarla en motores pequeños como en el caso de las 
motocicletas o en condiciones muy específicas. Esta refrigeración se produce cuando el aire 
generado por el movimiento del vehículo entra en contacto con las partes exteriores del 
motor, razón por la cual, los cilindros y la culata cuentan con aletas para así aumentar la 
superficie de contacto y por ende la transferencia de calor por convección, además se debe 
tener en cuenta que la capacidad de refrigeración del vehículo disminuye cuando este se 
encuentra estático, por lo que, este sistema de refrigeración es más ineficiente y a su vez mas 
difícil de controlar que la refrigeración por líquido. [7] 
3.3.2. Refrigeración por líquido 
 
La refrigeración por liquido se basa en los principios de transferencia de calor por conducción 
y convección. Pues inicialmente, el líquido refrigerante es forzado por el movimiento de una 
bomba, haciéndolo circular a través de los cilindros y la cámara de combustión, esto con el 
fin de aumentar la velocidad del fluido y con ella la transferencia de calor. Una vez el líquido 
refrigerante absorbe el calor a retirar, pasa por el radiador, donde finalmente es enfriado por 
el aire, produciéndose así la transferencia de calor al depósito o sumidero [7] 
La refrigeración por líquido utiliza un radiador, el cual es un intercambiador de calor que 
según el diseño del vehículo tendrá una configuración especial (flujo vertical, flujo 
transversal, tubular, de panal), que se ubica normalmente en la parte frontal del vehículo para 
que reciba directamente el aire de la marcha y se fija a la carrocería mediante uniones 
elásticas con el fin de no transmitirle vibraciones [7]. En la Figura 3, es posible observar un 
esquema del sistema de refrigeración por líquido. 
 19 
 
Figura 3. Refrigeración por bomba y presurización. [7] 
3.4. Sistemas de refrigeración para motores de combustión interna ubicados en bancos 
de pruebas 
 
A medida que se van incorporando nuevas tecnologías en el sector automotriz, se crea la 
necesidad de la implementación de bancos de pruebas de motores de combustión interna con 
el fin de medir las prestaciones y características de funcionamiento de dichos motores: 
potencia, torque, consumo de combustible, comportamientos de fenómenos en cámara de 
combustión, etc. Durante el proceso del montaje del banco de pruebas, es necesario realizar 
ciertas intervenciones ingenieriles en los sistemas periféricos del motor, un ejemplo de ello 
es el sistema de refrigeración, pues este sistema permitirá que el motor funcione en una 
temperatura óptima y en un modo seguro cuando se están realizando las respectivas 
investigaciones, aun cuando el motor es exigido y es llevado al estado de plena carga. 
 
Cuando se habla de refrigerar motores de combustión interna ubicados en bancos de pruebas, 
se debe tener en cuenta que las condiciones no son las mismas que se presentan cuando el 
motor está ubicado en el vehículo y llevar el motor al banco de pruebas representa un rediseño 
del sistema de refrigeración. Como se mencionó anteriormente, en la actualidad existen dos 
tipos de refrigeración para motores de combustión interna: refrigeración por agua y 
refrigeración por líquido, sin embargo, en este caso solo se estudiará la refrigeración por 
liquido debido al tipo de motor estudiado. 
 
Los sistemas de refrigeración para motores de combustión interna ubicados en bancos de 
pruebas se clasifican de la siguiente manera: 
 
➢ Sistemas abiertos: En estos sistemas, el fluido refrigerante se encuentra en contacto 
directo con el ambiente. 
➢ Sistemas cerrados: En los sistemas cerrados, el fluido refrigerante fluye a través de tubos 
o serpentines y no está en contacto directo con el ambiente. 
➢ Sistemas directos: Se caracterizan por que solo hay un intercambiadorde calor donde el 
fluido refrigerante enfría el fluido del proceso. 
➢ Sistemas indirectos: Se caracterizan porque existen al menos 2 intercambiadores de 
calor y un circuito secundario de refrigeración entre el proceso y el primer refrigerante.[8] 
 
 20 
A continuación, se presentan los sistemas de refrigeración que actualmente se encuentran 
disponibles para motores de combustión interna ubicados en bancos de pruebas. 
3.4.1. Sistemas de suministro directo de agua de refrigeración: Control de 
temperatura del refrigerante del motor 
 
Su característica principal se encuentra en que el agua está directamente relacionada con la 
extracción del calor del motor sin necesidad de utilizar un intercambiador de calor intermedio 
y además si el motor no utiliza refrigerantes especiales, es posible utilizarlos con dichos 
fluidos. Estos sistemas, generalmente son utilizados cuando se implementan “Cooling 
Colum”, que, traducido al español, quiere decir columna de refrigeración y es común que el 
agua sea desechada, sin embargo, es posible recuperarla a través de un depósito sumidero y 
llevarla de vuelta por gravedad [8]. Los sistemas de suministro de agua por refrigeración se 
presentan a continuación: 
 
a) Columna de refrigeración 
 
Como se mencionó anteriormente, si no se requieren refrigerantes especiales, esta es una 
solución sencilla para la refrigeración del motor y es utilizada comúnmente en los bancos de 
pruebas. Su principal ventaja se encuentra en que la columna de refrigeración puede ser 
portátil o también puede montarse en el soporte del motor, además, es posible parametrizarla 
para asegurar la temperatura de diseño del motor. En cuanto a su funcionamiento, una vez 
aumenta la temperatura del motor, una válvula termostática se apertura permitiendo que el 
agua a baja temperatura circule desde la parte inferior de la columna de refrigeración hacia 
el motor y que el agua caliente sea llevada al depósito sumidero desde la parte superior de la 
columna de refrigeración. En la parte superior de este dispositivo se encuentra ubicado un 
tapón de radiador de automoción estándar que permite la correcta presurización del motor y 
a su vez permite la recarga de agua [8]. En la Figura 4, se puede observar la ilustración de 
este dispositivo. 
 
Figura 4. "Cooling Colum": Columna de refrigeración del motor. [8] 
 21 
Con la implementación de la columna de refrigeración, es posible eliminar el radiador y el 
ventilador del motor, pues este dispositivo actúa como intercambiador refrigerante/agua del 
tipo coraza y tubos y está compuesto por bombas encargadas de hacer circular el fluido 
primario (agua suministrada por el banco de pruebas) a través de la columna de enfriamiento 
mientras que el fluido secundario (refrigerante: fluido que fluye a través del motor) circula a 
través del motor robando el calor de exceso. A medida que el fluido secundario aumenta, el 
sensor de temperatura ajusta la válvula de control para aumentar el flujo del fluido primario 
lo que a su vez provoca un aumento de la presión la cual es controlada con la válvula 
reguladora de presión que normalmente se encuentra en la parte inferior de la columna de 
refrigeración [8]. 
 
Dentro de las ventajas de este dispositivo se pueden encontrar: 
 
➢ Conserva la temperatura óptima del motor durante la prueba. 
➢ Es un sistema ajustable que permite regular la presión. 
➢ Cuenta con ayudas visuales para detectar fugas. 
➢ Cuenta con medidores analógicos de temperatura y presión. 
➢ En un dispositivo portátil el cual permite instalarlo fácilmente en cualquier otro banco de 
pruebas. 
 
b) Sistema de refrigeración convencional del motor 
 
Utilizar el sistema de refrigeración convencional el motor en un banco de pruebas puede ser 
ventajoso pues el sistema ya viene de fábrica diseñado a la medida del motor, sin embargo, 
hay que ser muy cuidadosos, pues estos sistemas están diseñados para otras condiciones y 
por esta razón se deben hacer algunas intervenciones basadas en decisiones ingenieriles. 
 
Estos sistemas conservan los elementos básicos que componen un sistema de refrigeración 
convencional como: la bomba de refrigerante, el termostato, radiador, electro ventiladores, 
sensores de temperatura y válvulas de derivación de refrigerante, pero se deben realizar 
cálculos previos para saber si es necesario incluir otro elemento como un radiador más o un 
ventilador que proporcione un flujo de aire mayor con el fin de retirar adecuadamente el calor 
de exceso del motor. 
 
Esta decisión se debe tomar con base en los cálculos termodinámicos y de transferencia de 
calor que proporcione un valor de la energía transferida al refrigerante. 
 
• “Thermal Management” 
 
Es interesante ver que desde la invención del motor de combustión interna y la 
implementación de este en los vehículos, los sistemas de refrigeración para dichos motores 
no han tenido cambios significativos, pues hoy en día se puede decir que su principio de 
funcionamiento es el mismo. Sin embargo, en la actualidad con la regulación de los países 
por disminuir los contaminantes en los gases de combustión y la necesidad del aumento de 
la eficiencia térmica de los motores, se ha venido desarrollando en los últimos años, más 
específicamente en los últimos 5 años, un concepto muy interesante denominado el “Thermal 
Management” que al español traduce: Gestión térmica. 
 22 
 
El concepto “gestión térmica” describe el control del flujo de energía térmica en los motores 
de combustión interna de acuerdo a los requerimientos específicos y las condiciones de 
funcionamiento. Como resultado de los sistemas de gestión térmica se pueden encontrar los 
siguientes beneficios [9]: 
 
➢ Reducción de las pérdidas de potencia. 
➢ Mejora el control del sistema de refrigeración permitiendo condiciones del motor en 
estado estable por más tiempo. 
➢ Permite un calentamiento más rápido del motor durante el arranque en frío. 
➢ Reduce la fricción y el desgaste de los elementos móviles del motor. 
➢ Aumenta la vida útil del lubricante. 
➢ Reduce el consumo de combustible. 
➢ Disminuye las emisiones contaminantes en los gases de escape. 
➢ Permite que el motor tenga una buena refrigeración cuando el motor se encuentra 
apagado. 
➢ Aumenta la vida del motor reduciendo el desgaste en las piezas móviles. 
 
Para obtener estos beneficios, los fabricantes han reemplazado las bombas convencionales 
por bombas eléctricas, permitiendo así que la bomba esté en función de la temperatura del 
motor como debe ser y no en función de las RPM como normalmente sucede. Esta acción 
evita el sobre enfriamiento cuando el motor se encuentra operando a carga parcial, 
permitiendo que el motor esté durante mucho más tiempo en su temperatura óptima. Otro 
elemento mejorado es el termostato, el cual ha sido reemplazado por válvulas de control de 
refrigerante, permitiendo que el refrigerante alcance una temperatura más alta antes de 
circular por el radiador. También se están desarrollando calentadores de bloque, con el 
objetivo de alcanzar un calentamiento más rápido del aceite cuando el motor se encuentra en 
condiciones de temperaturas extremas y otras muchas tecnologías en sistemas de gestión 
térmica que se están desarrollando en la actualidad y que a continuación se presentan [10]: 
 
➢ Bombas de refrigeración inteligentes (eléctricas) 
➢ Válvula de control del refrigerante eléctrico 
➢ Estado calentado + sensor de posición 
➢ Válvula de desviación del aceite de la transmisión 
➢ Sistema de recuperación de calor de escape 
➢ Generador termoeléctrico 
➢ Ciclo orgánico Rankine 
➢ Almacenamiento térmico 
➢ Calentador de bloque 
➢ El tradicional arranque remoto 
➢ Recubrimiento de pulverización térmica 
 
Los beneficios que se han alcanzado con los sistemas antes mencionados han sido tan 
considerables, que incluso, en la actualidad los grandes fabricantes de vehículos están 
incorporando en sus modelos de automóvilesdiferentes sistemas de gestión térmica. En la 
Tabla 1, se muestran los porcentajes del uso de estas tecnologías por marca, por ejemplo, 
para el 2014, BMW había implementado en el 85,5% de sus vehículos sistemas de ventilación 
 23 
de cabina activa y en el 78,5% calentamiento activo del motor, siendo esta última una de las 
tecnologías más implementada por los fabricantes para el año 2014 [10]. 
 
Tabla 1. Tecnologías de sistemas de gestión térmica incorporadas por grandes marcas de automóviles. [10] 
 
 
En definitiva, se posible concluir que uno de los aspectos a desarrollar en los motores de 
combustión interna a futuro está enfocado en los sistemas de gestión térmica, pues, Osborne 
et al, demostraron que las tecnologías de gestión térmica que incluían un termostato avanzado 
y un sistema de recuperación de calor del refrigerante, contribuyeron a una reducción 60% 
de las emisiones de CO2 en pruebas reales en un vehículo, un valor mucho más alto de lo 
esperado pues las simulaciones predijeron una reducción del 4,7% de CO2. Además, los 
efectos térmicos relacionados con el aceite de motor debido a lubricantes de baja fricción y 
a una bomba de aceite variable contribuyeron a una mejora relacionada con la temperatura. 
Asimismo, como conclusión de sus experimentos, encontraron que los sistemas de gestión 
térmica pueden contribuir a una disminución del consumo combustible entre el 2% y el 7,5% 
[10]. 
 
 
Morawitz et al, encontraron en sus investigaciones, que casi todas las combinaciones de 
revestimientos de pulverización térmica en los anillos ofrecen una fricción reducida frente a 
la combinación estándar de revestimiento de hierro fundido y anillos tratados con nitruro 
(barra azul) [11]. Los resultados se pueden encontrar en la Gráfica 5. 
 
 
Grafica 5. Reducción de la fricción como consecuencia de la aplicación de diferentes revestimientos de pulverización 
térmica. [11] 
 
 
 
 
 24 
Además de reducir las pérdidas asociadas a la fricción del conjunto del pistón, se demostró 
que el revestimiento de aluminio de un cilindro tiene una influencia positiva en la 
transferencia de calor, ya que el revestimiento de aluminio (137 W/mK) tiene una 
conductividad térmica 3 veces mayor en comparación con el hierro fundido (40 W/mK) [11]. 
 
3.4.2. Sistemas abiertos de enfriamiento por agua 
 
Se caracterizan porque el agua regresa al depósito sumidero ubicado bajo el nivel del suelo 
a través de tuberías por acción de la gravedad y presión atmosférica. 
El depósito sumidero se encuentra divido en dos zonas por un muro de separación, una zona 
de agua caliente y otra de agua fría. Cuando el sistema alcanza su temperatura máxima, las 
bombas del depósito sumidero caliente se encienden y llevan el fluido hasta la torre de 
enfriamiento donde se le baja la temperatura al agua y es retornada de nuevo al depósito de 
agua fría [8]. 
 
La característica esencial de estos sistemas se encuentra en que almacenan el agua en un 
sumidero situado bajo el nivel del suelo, desde el cual se bombea el agua a través de los 
intercambiadores de calor y hacia la torre de enfriamiento. El sumidero normalmente cuenta 
con una zona de agua caliente y otra zona de agua fría y se divide por un muro de separación. 
El agua circula desde el lado frío a través de los sistemas que necesitan ser refrigerados en el 
banco de pruebas y vuelve de nuevo al lado del depósito sumidero caliente y cuando el 
sistema alcanza su temperatura máxima, la bomba del depósito sumidero caliente se activa, 
llevando el agua a través de la torre de enfriamiento antes de volver de nuevo al sumidero 
frío [8]. 
 
La capacidad máxima del depósito sumidero, se mide con una regla que indica que el agua 
no debe ser retornada más de una vez por minuto, siendo el mayor volumen de agua 
disponible la opción que entrega los mejores resultados y, además, debe proporcionarse 
suficiente capacidad de sumidero excedente, por encima del nivel de trabajo normal, para 
acomodar el drenaje de las tuberías, los motores y los dinamómetros cuando el sistema se 
apaga. Por otra parte, debido a las pérdidas de agua por evaporación y por drenaje de los 
pequeños residuos, se debe tener una idea del nivel del agua del sistema y esta reposición de 
suministro agua debe ser controlada por una válvula de flotador [8]. 
 
Finalmente, estos sistemas son propensos a ser contaminados con desechos como hojas y 
aguas de inundaciones por lo que debe hacerse un riguroso mantenimiento para evitar que 
esto suceda [8]. El esquema de la Figura 5, es un ejemplo de un sistema abierto de 
enfriamiento por agua. 
 25 
 
 
Figura 5. Sistema abierto de agua de refrigeración que incorpora un sumidero dividido. [8] 
3.4.3. Sistemas cerrados de enfriamiento por agua 
 
Actualmente, estos sistemas se han convertido en los más comunes debido a que la mayoría 
de los dispositivos de control de temperatura y dinamómetros eléctricos a diferencia de los 
frenos de agua, no necesitan descarga gravitacional. Una de las ventajas de este sistema se 
encuentra en que no presenta pérdidas por evaporación como los sistemas abiertos y son 
menos propensos a las contaminaciones por desechos. Estos sistemas pueden requerir la 
inclusión de un gran número de válvulas de prueba y de regulación de flujo junto con puntos 
de purga de aire, bombas de reserva y filtros, además, utilizan una o más bombas con el fin 
de hacer circular el agua a través del sistema en prueba para extraer el calor de exceso que 
después será dispersado mediante las torres de enfriamiento cerradas [8]. 
 
A medida que el fluido aumenta su temperatura, se generan unos cambios de volumen en el 
sistema y para lograr una circulación adecuada, el sistema debe incluir un tanque de 
expansión que a su vez permiten la presurización y la reposición de agua, estos requisitos 
también pueden cumplirse utilizando una forma de acumulador de aire comprimido/agua 
conectado a un suministro de reposición presurizado de agua tratada [8]. 
 
Finamente, en lugares donde las condiciones ambientales son agresivas, se debe considerar 
la congelación del agua, por lo que los sistemas cerrados de agua a presión pueden ser 
llenados con una mezcla de etilenglicol/agua para evitar que el agua se congele cuando las 
temperaturas bajen hasta tal punto, o también es posible calentar el sistema con una cinta 
calefactora especial que se enrolla alrededor de las tuberías en una larga espiral inclinada 
bajo el material aislante. El control suele estar totalmente automatizado de manera que la 
corriente de calentamiento se regula en función de la temperatura ambiente [8]. La Figura 6 
ilustra un sistema cerrado de enfriamiento por agua. 
 26 
 
Figura 6. Sistema cerrado de enfriamiento por agua. [12] 
 
3.4.4. Circuitos de agua helada. 
 
Estos sistemas suministran el agua por debajo de la temperatura ambiente, más 
específicamente entre los 4ºC y 8ºC. El agua helada suministrada por el banco de pruebas se 
utiliza para refrigerar los siguientes sistemas [8]: 
 
➢ Aire acondicionado de la sala de control. 
➢ Control de la temperatura del combustible. 
➢ Control de la temperatura del aire de combustión. 
➢ Control de la temperatura del motor de combustión interna. 
 
Si un sistema común de agua helada suministra agua a varios procesos que tienen cargas 
térmicas diferentes, cada subsistema debe tener su propio control y se debe incorporar al 
sistema un tanque de reserva de tamaño adecuado. Finalmente, en un sistema cerrado puede 
utilizarse un tanque de amortiguación térmicamente estratificado en el que el agua de retorno 
del sistema entra en la parte superior del tanque y desde allí es extraída al enfriador, que 
devuelve el flujo tratado al fondo del tanque de donde es extraído y distribuido [8]. En la 
Figura 7 se puede observar el funcionamiento del sistema de refrigeración de agua helada. 
 
 
 27 
 
Figura 7. Circuito de agua helada. 
 
3.5. Estadodel arte 
 
Con la revisión sistemática de la literatura y a través de la metodología de indexación y 
resumen en Scopus, se encontró información de gran importancia acerca de las 
investigaciones de los sistemas de gestión térmica avanzada durante los últimos 5 años, los 
cuales se presentan a continuación: 
Pizzonia, et al, propusieron la implementación de un modelo robusto de control predictivo 
del caudal de refrigerante de un motor de combustión interna (MEP). La estrategia de control 
propuesta consiste en el ajuste del flujo del refrigerante mediante una bomba eléctrica con el 
fin de que el sistema de enfriamiento trabaje alrededor del inicio de la ebullición nucleada: a 
través de él durante el calentamiento y por encima (ebullición nucleada o saturada) bajo 
condiciones totalmente calientes. Esta estrategia de control fue validada a través de pruebas 
experimentales bajo varias condiciones de operación en un motor de encendido provocado y 
quien además se le adaptó una bomba eléctrica accionada por el algoritmo de control. 
Finalmente, pudieron concluir que el control propuesto fue eficaz puesto que se logró reducir 
el calentamiento del motor y a su vez reducir la tasa del flujo de refrigerante en condiciones 
de calentamiento total con respecto a la bomba convencional [13]. 
 
Castiglione, et al, desarrollaron una estrategia de control basado en la metodología Robust 
Model Predictive Control (MPC), para un motor de combustión interna de encendido 
provocado (1,2 dm3) el cual tenía una bomba de refrigeración eléctrica. Esta estrategia fue 
desarrollada con el fin de optimizar la gestión térmica del motor y de evaluar las ventajas del 
enfoque de enfriamiento propuesto en el ciclo de homologación NEDC, el cual fue simulado 
y validado por pruebas de laboratorio y donde se tomaron mediciones de: temperatura de 
pared, temperatura de lubricante, temperatura de refrigerante y se prestó especial atención al 
período de calentamiento. La estrategia propuesta, hace uso de un modelo dinámico del 
sistema de enfriamiento de un MEP que es capaz de predecir la transferencia de calor tanto 
 28 
bajo convección forzada monofásica como en presencia de ebullición nucleada o saturada. 
Además, define una métrica para establecer el mecanismo de transferencia de calor dentro 
del motor y para estimar la distancia del estado térmico del motor desde el inicio de la 
ebullición nucleada. Los resultados muestran, que el algoritmo MPC desarrollado es robusto 
y eficaz puesto que se logró reducir el calentamiento del motor y a su vez reducir la tasa del 
flujo de refrigerante en condiciones de calentamiento total con respecto a la bomba 
convencional [14]. 
 
El objetivo de Chen, et al, fue investigar diferentes configuraciones o estructuras de 
enfriamiento para el bloque y la culata del motor con el objetivo de evaluar el estado térmico 
del motor, la disipación de potencia por fricción y la disipación de potencia en forma de calor. 
Lo anterior se realizó ya que, en una configuración convencional del sistema de refrigeración, 
el fluido refrigerante pasa por el bloque hasta llegar a la culata, razón por la cual la culata 
siempre se encontrará a una temperatura mayor a la del bloque, generando así un sobre 
enfriamiento en el bloque, pues los sistemas de refrigeración son diseñados en la condición 
más crítica, es decir, en función de la temperatura de la culata sin considerar la carga de 
enfriamiento del bloque. Esta investigación se realizó modelando un cilindro en 3D, que 
permitió el análisis de la influencia de la dirección del flujo de refrigerante y el enfriamiento 
de la estructura dividida para la culata y el bloque. Los resultados arrojados, indican que la 
estructura de enfriamiento dividida de flujo superior – inferior puede reducir la carga térmica 
de la culata y aumentar en una pequeña proporción la temperatura de la camisa del cilindro, 
siendo esta la estructura que brinda la solución óptima con las ventajas de una menor 
disipación de potencia térmica y por fricción en comparación con la estructura de 
enfriamiento convencional [15]. 
 
Chalet, et al, utilizaron un modelo avanzado de gestión térmica en un motor de encendido 
por compresión (MEC) para analizar la evolución de la temperatura del refrigerante en la 
etapa de calentamiento durante un ciclo NEDC. El objetivo se centra en calcular el 
intercambio de calor entre las masas térmicas de los submodelos: culata, bloque, pistón, 
carter y los fluidos en cuestión. El enfoque consiste en modelar los componentes principales 
del motor con el fin de definir el motor completo con el máximo nivel de precisión. La 
investigación fue validada con un motor MEC en un banco de pruebas y se logró definir las 
transferencias de calor de la pared (con el uso de un modelo de motor de alta frecuencia 1D), 
brindando la posibilidad de analizar la descomposición energética de la entalpía del 
combustible después del proceso de combustión y el flujo de energía a través de los 
componentes. Los resultados de esta investigación dan ideas para proponer una reducción de 
masa de un componente especifico del motor con respecto a otros o para revisar el diseño de 
los sistemas de lubricante y refrigeración del motor [16]. 
Zhang, et al, este estudio desarrolla un esquema de modelado del acoplamiento del proceso 
de enfriamiento y la combustión del motor mediante la combinación de un modelo de cilindro 
1D y un modelo de ebullición nucleada 3D. Para la modelación de la combustión, se utilizó 
el mecanismo de reacción global y para simular el flujo de refrigerante considerado en la 
ebullición de la pared y las fuerzas de interface, se utilizó el método de flujo multifásico. En 
definitiva, los resultados arrojados indican que un aumento considerable del flujo de 
refrigerante puede lograr una alta temperatura en las paredes de los cilindros y al mismo 
tiempo bajar las pérdidas de calor [17]. 
 29 
Castiglione, et al, presentaron un modelo robusto de control predictivo con el fin de satisfacer 
los requerimientos del sistema de refrigeración de un motor de combustión interna (MEP) 
mediante el ajuste del flujo del refrigerante de una bomba eléctrica. La estrategia de control 
propuesta adopta un modelo de parámetros agrupados del sistema de refrigeración del motor, 
que predice la temperatura del refrigerante, la temperatura media de las paredes y el régimen 
de transferencia de calor, incluida la ebullición del nucleada. Aunque dicho modelo es posible 
implementarlo en cualquier condición, para esta investigación solo se tuvo en cuenta el 
funcionamiento del motor en condiciones de calentamiento total, con el fin de mantener la 
pared de los cilindros dentro de las temperaturas óptimas y con la menor tasa de flujo de 
refrigerante posible. El modelo se desarrolló proponiendo diferentes estrategias de control de 
las cuales se evaluaron su eficiencia en función de la temperatura de las paredes del motor, 
la temperatura del refrigerante, la tasa de flujo del refrigerante y el régimen de transferencia 
de calor en respuesta a las variaciones graduales de la tasa de flujo del combustible. Se puede 
concluir que, para una determinada condición de funcionamiento del motor, si se permite la 
ebullición nucleada, el algoritmo del controlador garantiza un enfriamiento efectivo con tasas 
de flujo de refrigerante mucho más bajas en comparación con las tasas de flujo que 
proporciona una bomba convencional [18]. 
Śliwiński K. y Szramowiat M, presentan una discusión critica acerca de los desafíos que 
enfrentan los sistemas de refrigeración de motores de combustión interna modernos dentro 
de las cuales se encuentran la reducción de emisiones contaminantes en los gases de escape 
y el aumento de la eficiencia de los motores de combustión interna, pues en la actualidad 
dichos sistemas ya no cumplen con los requisitos establecidos por los sistemas de propulsión 
devehículos modernos. Por lo anterior se concluyó, que es necesario desarrollar nuevas 
soluciones universales que tendrán una aplicación más amplia tanto para la refrigeración de 
elementos estructurales cargados térmicamente como para la implementación de toda la 
gestión térmica en el vehículo [19]. 
4. Metodología 
 
Debido a la necesidad que el grupo GASURE tenía con la puesta a punto de un motor de 
combustión interna para dar inicio al proyecto de investigación, se propuso este trabajo de 
grado el cual consistió en el diseño de un sistema de refrigeración para el motor que se 
muestra en la Figura 8 el cual está ubicado en un banco de pruebas. El trabajo de grado se 
desarrolló principalmente en 3 etapas, las cuales son mencionadas a continuación. 
 
 30 
 
 
Figura 8. Motor 1,6 L Turbocargado inyección directa (GTDI) con tecnología downsizing, modelo 2018. 
4.1. Revisión sistemática de la literatura 
 
Se realizó una exhaustiva investigación de la información que permitió comprender 
principalmente la descripción fenomenológica de cómo se da la refrigeración en un motor de 
combustión interna, y las tendencias de los sistemas de refrigeración utilizados en bancos de 
pruebas. 
Ya que la marca del motor tiene su sede principal en los Estados Unidos, se realizó una 
búsqueda de información en el banco de patentes de Estados Unidos (United States Patent 
and Trademark Office - USPTO), con la cual fue posible hallar información acerca del 
funcionamiento de algunos elementos del sistema de refrigeración convencional del motor 
estudiado que no fueron posibles encontrar en la literatura común ayudando a una mejor 
compresión del funcionamiento de estos dispositivos 
Además, se usó el sistema de indexación y resumen Scopus para identificar las tendencias de 
las diferentes estrategias y sistemas de refrigeración que ayudan a controlar la temperatura 
en motores de combustión interna. Utilizar esta metodología garantizó que la información 
encontrada y utilizada para la construcción de este trabajo de grado fuera confiable y 
entregara datos de investigaciones reales que actualmente se están llevando a cabo en el 
contexto mundial. 
Inicialmente se definieron los términos clave de búsqueda y sus sinónimos con la herramienta 
“palabras clave” (keywords) de Scopus como los términos comunes usados en el mayor 
número de investigaciones. En la Tabla 2, se muestran los sinónimos y palabras claves 
utilizadas. 
Tabla 2. Palabras claves y sus sinónimos. 
Palabras claves Keyword Sinónimos 
Motor de combustión interna Internal combustión engine Heat exchanger 
Refrigeración Cooling radiators 
Sistema de refrigeración Cooling system Thermal Management 
Gestión térmica Thermal Management 
 31 
Con la definición de las palabras claves, se llevó a cabo la construcción de los algoritmos de 
búsqueda, y a través de la aplicación de diferentes filtros a dichos algoritmos se logró orientar 
la búsqueda de información, encontrando publicaciones sobre el tema investigado y las áreas 
que se encuentran involucradas, en este caso: los sistemas de refrigeración del motor de 
combustión interna. 
El primer algoritmo de búsqueda construido se presenta a continuación. 
TITLE-ABS-KEY ( "internal combustion engine" AND ( cooling OR cooling OR "cooling 
system" OR "Thermal Management" ) ) AND ( LIMIT-TO ( DOCTYPE , "ar" ) OR LIMIT-
TO ( DOCTYPE , "cp" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "re" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , 
"cr" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "ch" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "bk" ) ) AND ( 
LIMIT-TO ( SUBJAREA , "ENGI" ) OR LIMIT-TO ( SUBJAREA , "ENER" ) OR LIMIT-
TO ( SUBJAREA , "ENVI" ) ) 
 
Con este primer algoritmo de búsqueda, se encontraron publicaciones que permiten analizar 
las tendencias generales en el tema de estudio. Con el objetivo de encontrar información más 
específica, se realizó un filtro por título y por el mayor número de citas al algoritmo inicial. 
El segundo algoritmo de búsqueda se presenta a continuación: 
 
TITLE ( "internal combustion engine" AND ( cooling OR cooling OR "cooling system" OR 
"Thermal Management" ) ) AND ( LIMIT-TO ( DOCTYPE , "ar" ) OR LIMIT-TO ( 
DOCTYPE , "cp" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "re" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "cr" 
) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "ch" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "bk" ) ) AND ( LIMIT-
TO ( SUBJAREA , "ENGI" ) OR LIMIT-TO ( SUBJAREA , "ENER" ) OR LIMIT-TO ( 
SUBJAREA , "ENVI" ) ) 
 
Aunque este nuevo algoritmo de búsqueda redujo en gran cantidad las publicaciones 
encontradas, fue de vital importancia implementar un estudio de calidad de cada publicación 
(Top), esto con el fin de identificar los documentos que aportaban información valiosa. Este 
análisis de calidad se hizo con un chequeo exploratorio del título y resumen de cada Top. 
 
Al chequear la información suministrada en las publicaciones del segundo algoritmo de 
búsqueda, se pudo identificar que hay estudios que hablan del tema en una escala muy baja 
y por esta razón se consideró que no eran relevantes. Sin embargo, también se identificaron 
estudios con alto contenido de información que sí aportaba al desarrollo de este trabajo de 
grado, de los cuales en la Tabla 3 se pueden ver los más relevantes que fueron utilizados y 
citados en el marco teórico y en el estado del arte. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 32 
Tabla 3. Estudios más relevantes para el desarrollo del trabajo de grado. 
 
 
 
 
 
 
Autor-es Titulo Año Fuente Citaciones 
Pizzonia F., Castiglione 
T., Bova S., 
A Robust Model Predictive Control for 
efficient thermal management of internal 
combustion engines 
2016 Applied Energy 30 
Morawitz U., Mehring J., 
Schramm L., 
Benefits of thermal spray coatings in 
internal combustion engines, with specific 
view on friction reduction and thermal 
management 
2013 SAE Technical Papers 16 
Castiglione T., Pizzonia 
F., Bova S., 
A novel cooling system control strategy for 
internal combustion engines 
2016 
SAE International Journal 
of Materials and 
Manufacturing 
15 
Chen X., Yu X., Lu Y., 
Huang R., Liu Z., Huang 
Y., Roskilly A.P., 
Study of different cooling structures on the 
thermal status of an Internal Combustion 
Engine 
2017 
Applied Thermal 
Engineering 
12 
Chalet D., Lesage M., 
Cormerais M., 
Marimbordes T., 
Nodal modelling for advanced thermal-
management of internal combustion engine 
2017 Applied Energy 11 
Zhang J., Xu Z., Lin J., 
Lin Z., Wang J., Xu T., 
Thermal characteristics investigation of the 
internal combustion engine cooling-
combustion system using thermal boundary 
dynamic coupling method and experimental 
verification 
2018 Energies 6 
Chastain J.H., Wagner 
J.R., 
Advanced thermal management for internal 
combustion engines - Valve design, 
component testing and block redesign 
2006 SAE Technical Papers 6 
Castiglione T., Bova S., 
Belli M., 
A Novel Approach to the Thermal 
Management of Internal Combustion 
Engines 
2017 Energy Procedia 3 
Mahlia T.M.I., Husnawan 
M., Masjuki H.H., Chow 
K.V., Low T.S., Liaw 
A.W.J., 
Energy analysis of cooling pump in internal 
combustion engine 
2009 
ASME International 
Mechanical Engineering 
Congress and Exposition, 
Proceedings 
1 
Śliwiński K., Szramowiat 
M., 
Development of cooling systems for internal 
combustion engines in the light of the 
requirements of modern drive systems 
2018 
IOP Conference Series: 
Materials Science and 
Engineering 
0 
 33 
Finalmente, con el objetivo de encontrar y utilizar información actualizada acerca del tema 
en estudio, se realizó un último y más exigente filtro por los últimos cinco años de los trabajos 
publicados por los investigadores en el mundo, que responde P3: ¿Cuáles son las 
publicaciones sobre sistemas de refrigeración para motores de combustión interna, más 
posicionadas en la comunidad académica en los últimos 5 años? 
El algoritmo de búsqueda experimental construido para la obtención de informaciónque 
describe el panorama de las investigaciones que se están llevando a cabo en la actualidad se 
presenta a continuación. 
 
TITLE ( "internal combustion engine" AND ( cooling OR cooling OR "cooling system" OR 
"Thermal Management" ) ) AND ( LIMIT-TO ( DOCTYPE , "ar" ) OR LIMIT-TO ( 
DOCTYPE , "cp" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "re" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "cr" 
) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "ch" ) OR LIMIT-TO ( DOCTYPE , "bk" ) ) AND ( LIMIT-
TO ( SUBJAREA , "ENGI" ) OR LIMIT-TO ( SUBJAREA , "ENER" ) OR LIMIT-TO ( 
SUBJAREA , "ENVI" ) ) AND ( LIMIT-TO ( PUBYEAR , 2020 ) OR LIMIT-TO ( 
PUBYEAR , 2019 ) OR LIMIT-TO ( PUBYEAR , 2018 ) OR LIMIT-TO ( PUBYEAR , 
2017 ) OR LIMIT-TO ( PUBYEAR , 2016 ) ) 
 
4.2. Descripción detallada del Sistema de refrigeración 
 
Para comenzar, es importante mencionar que el banco de pruebas estará compuesto de un 
motor de encendido provocado (MEP) 1,6 l GTDI, modelo 2018, acoplado a su respectiva 
transmisión a través del embrague. Este motor estará equipado con un captador de presión 
piezo-eléctrico dentro de la cámara de combustión con el fin de hallar parámetros como el 
trabajo indicado y la intensidad de golpeteo (Knocking). Además, estará equipado con un 
medidor de flujo sónico, pues este permite medir el flujo volumétrico del gas natural 
vehicular. Por otra parte, se utilizará una balanza y un diferencial de consumo con respecto 
al tiempo para de esta manera hallar el consumo de combustible. 
Este banco de pruebas también tendrá un freno retardador de tipo electromagnético el cual 
será acoplado al sistema de potencia con el objetivo de medir y proporcionar un torque 
variable y opuesto al cigüeñal del motor que permitirá frenarlo. Y finalmente, el banco de 
pruebas estará dotado con un sistema de adquisición de datos, con un medidor de emisiones 
contaminantes en el sistema de escape y con termocuplas para medir: la temperatura del 
motor, la temperatura de los gases de combustión a la salida del cilindro y la temperatura del 
refrigerante. 
 
Las especificaciones del motor antes mencionado se muestran en la Tabla 4. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 34 
Tabla 4. Características del motor de combustión interna seleccionado. 
ITEM ESPECIFICACIÓN 
Motor 1.6L Turbocargado inyección directa (GTDI) 
Combustible Gasolina 
Inyección Inyección directa 
Número de cilindros 4 
Disposición de los cilindros Línea 
Potencia máxima 
Potencia máxima corregida 
197 HP/132 KW 
110,745 KW 
Revoluciones potencia máxima 6000 rpm 
Par máximo 274 Nm 
Revoluciones par máximo 4200 rpm 
Diámetro/carrera 79 mm / 81,4 mm 
Cilindrada 1,6 L 
Relación de compresión 
Modelo 
10:1 
2018 
 
 
Y las curvas de potencia y torque del motor se pueden observar en la Gráfica 6. 
 
 
 
Grafica 6. Curvas de potencia y torque del motor en estudio. 
 
 
 
 
 35 
Una vez conocidas las especificaciones del motor en estudio y con el objetivo de realizar un 
buen diseño del sistema de refrigeración que garantizara el estado seguro para el motor en 
estudio durante las pruebas en el laboratorio, entonces fue necesario la caracterización de 
cada uno de los elementos que componen el sistema de refrigeración y así se logró 
comprender su funcionamiento. 
 
Debido a que esta información es sensible, en este caso no fue de utilidad la metodología de 
indexación en Scopus, y para obtener esta información se recurrió a las patentes de los 
Estados Unidos que como se mencionó anteriormente sirvió para comprender el 
funcionamiento de algunos elementos que componen el sistema de refrigeración de este 
motor. Otra de las herramientas utilizadas para la caracterización del sistema fue el uso de 
información libre encontrada en internet y foros que hablaban sobre el sistema de 
refrigeración de este motor en específico y finalmente la fuente más importante que despejó 
todas las dudas y confirmo la veracidad de la información que ya se tenía fue la información 
suministrada por los funcionarios de la marca del motor quienes a través de una entrevista 
describieron con gran detalle el funcionamiento de cada uno de los elementos que componen 
el sistema de refrigeración y su funcionamiento en conjunto. 
 
Una vez caracterizado el sistema de refrigeración en general, se prosiguió con el diseño del 
sistema a emplear. Este motor se encuentra en una condición crítica debido a que estará 
sometido a ciertos parámetros de operación a condiciones de diseño (potencia y torque 
máximos) y al estar ubicado en un banco de pruebas no se contará con el mecanismo de 
transferencia de calor por convección para regular la temperatura como lo es usual cuando el 
motor se encuentra en un estado dinámico. Por lo anterior, se decidió utilizar 2 radiadores en 
serie para de esta manera aumentar el área de transferencias de calor con el fin de simular las 
condiciones del motor montado en un vehículo, se adicionó un ventilador que garantizara el 
caudal de aire necesario para extraer el calor de los radiadores. Finalmente, es importante 
mencionar que se decidió ubicar el motor y los radiadores tal como venía ubicado en el 
vehículo, pues de esta manera es posible que el ventilador además de retirar el calor el calor 
de exceso de los radiadores también ayude a la refrigeración de los cilindros. En la Figura 9, 
se ilustra el diseño del sistema de refrigeración donde se puede observar la disposición del 
motor, de los radiadores y del ventilador adicional en el banco de pruebas. 
 
 36 
 
 
Figura 9. Diseño del sistema de refrigeración. 
Para finalizar este literal, es preciso señalar que se identificaron las variables más importantes 
que fueron utilizadas para así determinar a través del balance de masa y energía el caudal de 
aire que debía proporcionar el ventilador adicional ubicado en frente de los radiadores y la 
cantidad de energía que debían extraen los dos radiadores dispuestos en serie. A 
continuación, se presentan dichas variables en la Tabla 5. 
 
 
Tabla 5. Variables para determinar los balances de masa y energía. 
Variable Aire Refrigerante 
Calor especifico a presión constante 𝐶𝑝,𝑎𝑖𝑟 𝐶𝑝,𝑟𝑒𝑓 
Temperatura de entrada 𝑇𝑐,𝑖𝑛 𝑇ℎ,𝑖𝑛 
Temperatura de salida 𝑇𝑐,𝑜𝑢𝑡 𝑇ℎ,𝑜𝑢𝑡 
Flujo másico �̇�𝑎𝑖𝑟 �̇�𝑟𝑒𝑓 
Caudal �̇�𝑎𝑖𝑟 �̇�𝑟𝑒𝑓 
Viscosidad 𝜇𝑎𝑖𝑟 𝜇𝑟𝑒𝑓 
Densidad 𝜌𝑎𝑖𝑟 𝜌𝑟𝑒𝑓 
Conductividad térmica 𝜆𝑎𝑖𝑟 𝜆𝑟𝑒𝑓 
Coeficiente de convección ℎ𝑎𝑖𝑟 ℎ𝑟𝑒𝑓 
 
 37 
4.3. Balance de masa y energía 
 
Para realizar un completo estudio ingenieril del sistema fue necesario realizar un balance de 
masa y energía, pues un balance energético general de primera ley para un motor proporciona 
la información acerca de cómo se distribuye la energía del combustible. 
 
Según Heywood, el balance energético dentro de un motor es complicado y la distribución 
de la energía se ilustra en el diagrama Sankey de la Figura 10. La potencia indicada es la 
suma de la potencia de frenado y la potencia de fricción. Una parte sustancial de la potencia 
de fricción (aproximadamente la mitad) se disipa entre el pistón, los anillos del pistón y la 
pared del cilindro y se transfiere como energía térmica al medio de refrigeración. El resto de 
la potencia de fricción se disipa en los cojinetes, el mecanismo de las válvulas o los 
dispositivos auxiliares de accionamiento, y se transfiere como energía térmica al aceite o al 
entorno (en �̇�𝑚𝑖𝑠𝑐), La entalpía inicial de los gases de escape puede subdividirse en los 
siguientes componentes: una entalpía sensible (60%), una energía cinética de escape (7%), 
un término de combustión incompleto (20%), y una transferencia de calor al sistema de 
escape (12%) (parte de la cual es irradiada al medio ambiente y el resto termina en el medio 
de enfriamiento) Así, el calor que se lleva el medio refrigerante se deba a: el calor transferido 
a las paredes de la cámara de combustión de los gases del cilindro, el calor transferido a la