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Introducción
El ser humano se ha diferenciado siempre
del resto de los seres vivos por su capacidad
de raciocinio, su inteligencia y su capacidad
por aprender y mejorarse así mismo. Sólo
dentro de este afán de superación tiene sen-
tido hablar de “competición “.
La competición está presente en cada as-
pecto de la vida humana, y por supuesto, la
competición en el mundo del automóvil no
iba a ser menos.
En términos generales definiremos el
motor de carreras como un motor de
combustión interna, basado en los mismos
principios en que se fundan los motores
empleados como equipos de serie de los
automóviles clásicos; diferenciándolos de
éstos únicamente el hecho de que, para
una misma cilindrada, el motor de competi-
ción desarrolla una potencia muy superior
debido a que éste trabaja sometido a índi-
ces de compresión y regímenes de giro
más elevados que los motores de tipo co-
mercial.
Para obtener estos elevados incrementos
en los factores de potencia y régimen, los
motores empleados en carreras deben po-
seer la totalidad de sus órganos móviles
construidos de forma más sólida y ligera, así
como elementos auxiliares más perfectos
que los empleados en la fabricación de mo-
tores en serie. Lo mismo ocurre con el resto
de mecanismos y accesorios complementa-
rios, lo cual encarece notablemente el costo
de estos motores deportivos.
También gran par te de los elementos fi-
jos deben ser mejorados en los motores de
competición al objeto de poder sopor tar
los excesos de fatiga a que se hallan some-
tidos.
Objetivos
El objetivo del siguiente trabajo es estudiar
las distintas modificaciones a las que se pue-
de someter un motor de combustión inter-
na alternativo (MCIA), alimentado con com-
bustible Diesel, de inyección directa,
sobrealimentado y de 2,2 litros, para su apli-
cación en la competición.
Los distintos cambios y mejoras suponen
una modificación en el comportamiento del
motor. La dinámica del motor se ve afectada,
así como la fluidodinámica del mismo, y co-
mo resultado, la termodinámica del motor se
ve también alterada.
Es objetivo de este trabajo justificar y
predecir las mejoras que introducen las dis-
tintas modificaciones que se efectúen en la
eficiencia del MCIA como consecuencia de
un nuevo punto de funcionamiento del mo-
tor.
El proceso que se lleva a cabo es el si-
guiente:
• Recopilación de información y toma de
datos de las prestaciones del motor de
partida.
• Recopilación de información de las posi-
bles modificaciones: análisis cualitativo.
• Toma de decisiones de las modificaciones
que se llevarán a cabo.
• Análisis cuantitativo de las distintas modifi-
caciones.
• Simulación y análisis final del motor modi-
ficado.
30 anales de mecánica y electricidad. Enero-Febrero 2002
Estudio de las
modificaciones de 
un motor DI para 
su utilización 
en competición
Juan Norverto Moríñigo
Ingeniero de I.C.A.I., especialidad me-
cánica, promoción del 89.
He trabajado en Nissan Motor Ibérica
de 1989 al 2000 en departamentos de
diseño y de producción.
He cursado la primera edición del
Máster de Automoción de la UPM.
Profesor y director de proyectos fin
de curso en el I.C.A.I. y en la Univer-
sidad Carlos III.
Director de desarrollo de filtros de
combustible en Robert Bosch, divi-
sión de gasolina.
http://www.mecanicoautomotriz.org/
Una restricción a las que se ve sometido
este estudio es que las modificaciones efec-
tuadas no deberán ser excesivamente costo-
sas. El presupuesto final del proyecto no de-
berá ser superior a 5 000 000 pts (30 050,60
euros). (Coste de Prototipo, no serie).
Muchas de las modificaciones que se lle-
varán a cabo en este proyecto no son sus-
ceptibles de ser analizadas cuantitativamente
con elevada precisión. Estas modificaciones
son simuladas mediante un sopor te infor-
mático, el programa AVL Boost. Aunque las
estimaciones de las mejoras conseguidas
son bastante fiables, gracias al modelo pre-
vio del motor de serie elaborado, éstas de-
berían ser comprobadas con medidas reales
en bancos de potencia. Si los resultados si-
mulados de algunas de las modificaciones
realizadas se desviasen en exceso de la me-
dida real, éstas deberían ser corregidas y
vueltas a medir hasta encontrar un valor óp-
timo. Sin embargo, todas estas operaciones
quedan fuera del alcance de este proyecto y
se proponen para un estudio posterior.
Trabajo realizado
Primeramente era necesario crear un mo-
delo mediante el programa de apoyo en es-
te trabajo, AVL BOOST, que reflejase fiel-
mente el compor tamiento del motor de
serie para posteriormente poder analizar los
resultados de las diferentes mejoras que se
pudiesen introducir en el motor.
Para ello es necesario tener un conoci-
miento casi perfecto de todos y cada uno de
los parámetros del motor que se quiere mo-
dificar.
Aquí se exponen los más relevantes:
• Potencia máx………84Kw a 4000rpm.
• Par máx……………247Nm a 2000rpm.
• Cilindrada…………2184cc.
• Sobrealimentación…Turbocompresor.
• Intercooler…………Sí.
• Combustión………Inyección Directa.
• Alimentación………Bomba rotativa VP44.
• Inyector……………Centrado en cámara.
• Presión de inyección…1500 bares (2 etapas).
• Distribución………Cadena.
• Árbol de levas……2 en culata.
• EGR………………Step motor.
• Nivel emisiones……CED III.
• Catalizador…………Sí.
• Reglaje válvulas………Pastillas calibradas.
• Culata………………Aluminio 16v.
Así pues, partiendo de estos datos y otros
muchos más y de pruebas realizadas en ban-
co de potencia del motor de serie se puede
llegar a desarrollar un modelo bastante apro-
ximado y fiable del comportamiento del mo-
tor mediante el software utilizado. Aquí se
muestra un esquema gráfico del modelo cre-
ado para el motor de serie:
Si se sigue el recorrido de una molécula
de aire, ésta entraría al motor por la parte
superior izquierda. Se encontraría con el fil-
tro y acto seguido atravesaría el compresor
del turbo. Seguidamente la molécula de aire
se vería enfriada a su paso por el intercooler
para dirigirse a los colectores de admisión y
de allí a los cilindros atravesando las pipas de
admisión.Tras mezclarse con el combustible
y sufrir la combustión, la mezcla cederá parte
de su alta energía a la cabeza del pistón para
impulsarle hacia abajo y poder así mover el
cigüeñal. La energía que aún le queda a la
mezcla, tras salir del cilindro por los conduc-
tos de escape, la entrega a la turbina, que
mueve el compresor. Si el compresor estu-
viese ya suministrando la presión suficiente a
la admisión, esta mezcla quemada cortocir-
cuitaría su paso por la turbina debido a la
apertura de la válvula Waste Gate y saldría al
exterior no sin antes atravesar el catalizador
y dos equipos de silenciosos.
Par tiendo de este modelo analizaremos
ahora las diferentes modificaciones llevadas a
cabo para lograr el aumento de prestaciones
deseado.
Ajuste del turbocompresor
Se han barajado varias líneas de modifica-
ción. Primeramente se ha realizado un estu-
dio del comportamiento del grupo turbo-
compresor-motor que posee el motor de
Estudio de las modificaciones de un motor DI para su utilización en competición 31
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serie. Lo que se busca es diferentes puntos
de funcionamiento del motor a distintos regí-
menes en el mapa del turbocompresor. De
esta forma se es capaz de obtener la eficacia
con la que trabaja el equipo de sobrealimen-
tación en cada punto de funcionamiento real.
En el presente caso esta adaptación entre
equipo de sobrealimentación y motor está
muy conseguida. Por ello se pasa a otra línea
de mejora que es la de variar la geometría
del turbocompresor. Se han estudiado las
posibilidades de otros turbocompresores
acoplados al motor de serie analizando sus
resultados. Se varían parámetros tales como
el TRIM (relación de diámetros de los rode-
tes al cuadrado) y el A/R que hace referencia
a la geometría del órgano difusor (relación
de diámetros de la espiral del mismo). Sin
embargo, las diferentes geometrías probadas
no alcanzan los niveles de efectividad que se
conseguían con el modelo previo.
Así pues, una modificación que siempredará resultado, siempre que no sea crítica
la presión alcanzada en la cámara de com-
bustión es la de tarar la válvula de apertura
de la WASTE GATE a una mayor presión
consiguiendo así un aumento del soplado
del compresor ; lo que se traduce directa-
mente en un aumento de la masa de aire
que puede entrar al cilindro, y así mismo
aumenta la potencia entregada por el mo-
tor. Se pasó, por tanto, de una constante
elástica del muelle que hace actuar la válvu-
la de 130.000 N/m a 280.000 N/m, con lo
que fue conseguido un aumento de poten-
cia de unos 10 Kw.
Optimización de la distribución
En este tipo de modificación lo que se
busca es ajustar al máximo los movimientos
de las válvulas con la idea de que se consiga
el mejor llenado del cilindro posible pero
sin que se produzca un alcance pistón-vál-
vula.También un aumento del cruce de vál-
vulas del admisión y escape proporcionará
un mejor rendimiento del motor a alto ré-
gimen. A cambio de estas modificaciones va
a disminuir notablemente la vida útil del
motor.
Disminución de restricciones al flujo
Tanto los conductos de admisión como de
escape presentan una serie de resistencias al
flujo que crean una pérdida de carga consi-
derable que puede mermar las prestaciones
del motor. Debido a la aplicación para la que
este motor ha sido proyectado se puede
muy bien disminuir esta pérdida de carga
aunque ello implique tanto un mayor coste
del motor, como un menor tiempo de vida
del mismo. Aquí se muestran las diferentes
actuaciones sobre las diferentes restricciones
al flujo que ofrece el motor de serie.
El filtro de aire convencional es cambiado
por otro filtro de alto caudal que presenta
una menor pérdida de carga al aire que en-
tra en los conductos de admisión.
Los conductos de admisión y escape son
pulidos con el fin de buscar un flujo más la-
minar que suponga una menor restricción.
También se opta por codos menos bruscos.
Se eliminan dispositivos innecesarios para
la futura aplicación en competición del mo-
tor como puede ser el EGR (Exhaust Gas
Recirculation), el catalizador, la válvula de
control de torbellino y los silenciosos.
Las mejoras obtenidas por este tipo de
modificaciones se calculan por medio del
programa de simulación AVL BOOST.
Mejora del efecto resonante 
(efecto RAM)
Se pueden aprovechar los efectos de las
ondas de sobrepresión y depresión en el
conducto de admisión para mejorar el llena-
do del cilindro.
Cuando se abre la válvula de admisión el ai-
re que hay en la pipa de admisión entra en el
cilindro, produciéndose un vacío en la pipa
que avanza como onda de rarefacción hasta
llegar al colector de admisión, un ensancha-
miento, por lo que se refleja una onda de so-
brepresión que vuelve aguas abajo hacia el ci-
lindro. Si esta onda llega antes de que la válvula
se cierre, se tendrá una cantidad adicional de
aire llenando el cilindro. Esta resonancia, por la
escasa longitud del sistema, se producirá a re-
gímenes altos, por lo que se hace coincidir
con el régimen de potencia máxima para ob-
tener un mayor valor de ésta.
Con ayuda del programa de simulación
AVL se es capaz de calcular la longitud que
han de tener las pipas de admisión para con-
seguir este deseado efecto.
Modificaciones en la Unidad
Electrónica de Control (ECU)
La función más impor tante que en este
caso nos ocupa es el control que posee la
ECU sobre el sistema de inyección de com-
bustible. En función de la posición del cigüe-
ñal, la unidad electrónica de control sabe
cuándo tiene que dar la orden a la bomba
de inyección para que inyecte el combustible
32 anales de mecánica y electricidad. Enero-Febrero 2002
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necesario.También gobierna la presión de in-
yección del inyector y la cantidad de com-
bustible a inyectar.
Básicamente son tres los parámetros que
más interesan a la hora de obtener la máxi-
ma potencia posible del motor: lugar y dura-
ción de la inyección, presión de inyección y
cantidad de combustible inyectado. En un
primer análisis cualitativo se puede afirmar
que para obtener una ganancia en la poten-
cia del motor, sobre todo a alto régimen, ha-
brá que:
• Adelantar el punto de inyección.
• Aumentar la duración de la inyección.
• Aumentar la presión de la inyección.
• Aumentar la cantidad de combustible in-
yectado.
Todos estos parámetros pueden ser modi-
ficados en el modelo creado del motor de
serie en el software empleado para la simu-
lación. De esta manera se es capaz de cuan-
tificar la mejora y comprobar que se trabaja
dentro de los límites de seguridad de resis-
tencia del motor antes de llevar a la práctica
dichas modificaciones.
Disminución de las pérdidas mecánicas
Una forma de reducir las pérdidas mecáni-
cas y con ello poder transmitir mayor poten-
cia del motor a las ruedas del vehículo, es
emplear un aceite de baja viscosidad para la
lubricación de los diferentes componentes
del motor. La baja viscosidad hace que exista
una menor fricción entre los distintos com-
ponentes que trata de lubricar el aceite.
El aceite aconsejado por el fabricante para
este motor es un aceite multigrado 5W30.
Sin embargo, debido a una aplicación más
severa a la que se va a ver sometido este
motor se ha optado por un lubricante de
muy baja viscosidad destinado al mundo de
la competición como es el aceite multigrado
0W30 SAE CF / SH.
Mejora de la refrigeración
Un motor adaptado para la competición
va a encontrarse, sin duda, más solicitado. En
la cámara de combustión, por ejemplo, se al-
canzarán presiones y temperaturas mucho
mayores. Es probable que sea necesario un
aumento en el caudal del fluido en el sistema
de refrigeración. La válvula de “by-pass “ que
recircula el agua de refrigeración bien hacia
el motor, o bien hacia el radiador, en función
de la temperatura de la misma, será innece-
saria. El agua de refrigeración siempre se ca-
lentará en exceso debido a la carga que está
soportando el motor siempre a alto régimen
y a plena carga y, por tanto, siempre habrá de
pasar por el radiador.
Analizando la bomba de refrigeración que
posee este motor de serie vemos que está
sobredimensionada. Esta bomba de alimen-
tación del sistema de refrigeración presenta
las siguientes características:
• Tipo: Bomba centrífuga.
• Caudal: 182 l/min.
• Régimen de la bomba: 4200 rpm.
La energía por segundo que debe evacuar
el agua debe ser del orden del 80% de la po-
tencia máxima entregada por el motor.Tam-
bién el salto de temperatura no debe ser su-
perior a 10K, debido al material de la culata
(Aluminio) que no soporta mayores saltos
térmicos. Conociendo la máxima potencia
que entrega este motor, 138Kw (como se
puede apreciar en el apartado de conclusio-
nes), se puede determinar el caudal de agua
necesario que ha de suministrar la bomba.
m.C.∆T m=2,64 Kg/s
Así pues, m=158,47 l/min<182 l/min. Por
tanto el caudal que actualmente suministra
la bomba de agua del sistema de refrigera-
ción es suficiente para soportar las nuevas
solicitaciones a las que se hallará sometido
el motor.
Optimización del intercooler
La misión del intercooler como ya se ha
comentado en apartados anteriores es bajar
la temperatura de los gases de entrada ya
que así aumenta la densidad del aire y es ca-
paz de mejorar el llenado de los cilindros
provocando la correspondiente mejora en el
rendimiento volumétrico y, por tanto, el au-
mento de la potencia del motor.
Una mejora a efectuar en el motor de se-
rie que ya dispone de intercooler es aumen-
tar la superficie del mismo mejorando el in-
tercambio o transferencia de calor o bien
situarlo en una zona en la que el aire exte-
rior incida sobre la superficie del mismo con
la mayor eficacia posible consiguiendo un
mayor enfriamiento del mismo.
Las modificaciones son introducidas en el
programa AVL BOOST que con una simula-
ción nos muestra la mejora conseguida.
Aligerado de masas
El motor de explosión tal y como lo cono-
cemos recibe su potencia a impulsos. El tra-
bajo que de él extraemos no se produce de
Estudio de las modificaciones de un motor DI para su utilización encompetición 33
http://www.mecanicoautomotriz.org/
forma continua. El motor de explosión está
diseñado para que trabaje a impulsos. Esta
característica tan significativa (que diferencia
a los motores de explosión de los motores
eléctricos) hace que el motor Diesel necesi-
te tener varios cilindros. La suavidad con la
que el motor entrega su potencia está de
acuerdo con el número de cilindros, con el
número de explosiones por ciclo. Con todo,
el motor no recibe tampoco la fuerza sobre
el émbolo de una manera progresiva, sino
que en el momento exacto de la explosión
–máxima compresión– la presión es nueve
veces mayor que cuando el émbolo está a
mitad de su carrera, por lo que en estos mo-
tores no cabe hablar de suavidad si no utili-
zamos masas de inercia que contrarresten
estas fuerzas tan irregulares como despro-
porcionadas.Y todos los motores llevan este
suplemento de peso en el cigüeñal y en el
volante de inercia.
Si se obra en el sentido de aumentar la
potencia por un aumento del giro del motor,
a base de alimentarlo bien, mejores y más di-
rectos escapes y retoques sustanciales en las
válvulas y en el perfil de las levas, entonces sí
que se necesita reducir los contrapesos para
permitirle al motor una mayor agilidad.
Por el sistema de aumentar las rpm, sí se
puede –y hasta se debe– rebajar la inercia
de las masas, porque un mayor número de
explosiones por minuto determina una ma-
yor regularidad de la marcha; porque el mo-
tor debe tener agilidad para subir de vueltas,
y porque no subirá de vueltas si no se rebaja
el peso de las masas rodantes en el interior
del motor, las cuales frenan su escalada.
El aligerado de masas no es despreciable
en cuanto a resultados. Lo que sucede es
que es muy difícil establecer por medio de
cálculos a priori los gramos que hay que re-
bajar de cada una de las piezas que forman
parte del tren alternativo. El método a se-
guir sería ir tanteando los posibles rebajes
en las diferentes piezas del tren alternativo
(pistones, bielas y volante de inercia) e ir
comprobando los resultados en un banco
de potencia.
Conclusiones obtenidas
A lo largo y ancho del proyecto se han es-
tudiado multitud de posibles modificaciones
a nivel teórico para tratar de incrementar el
par, la potencia, el rendimiento volumétrico,
el régimen de giro… de un motor de com-
bustión interna alternativo alimentado por
combustible Diesel.
Gracias al programa AVL BOOST, muchas
de las modificaciones han podido estimarse
con relativa precisión. Previamente se trabajó
en la creación de un modelo para este soft-
ware que reflejase lo más realmente posible
el funcionamiento del motor de partida del
presente proyecto. Una vez conseguido un
error inferior al 5% entre las prestaciones
ofrecidas por el motor real (medido en ban-
co de pruebas) y las prestaciones ofrecidas
por el modelo en la simulación del progra-
ma, se puede llegar a la conclusión de que las
modificaciones realizadas en el modelo no
provocarán un error mayor del 5% con res-
pecto a las mismas modificaciones efectua-
das sobre el motor real.
Sin embargo, cabe proponer para un es-
tudio posterior, llevar a la práctica dichas
modificaciones en el motor de serie, medir
en un banco de pruebas y contrastar los re-
sultados.
Existe un tipo de modificaciones que a
pesar de ser propuestas en este estudio no
se tiene una medida cuantitativa del resulta-
do de la mejora. Es un tipo de mejora tales
como: el aligerado de masas o la disminu-
ción de las pérdidas mecánicas gracias al
empleo de lubricantes de baja viscosidad. A
priori no se puede conocer el grado de
mejora que se alcanzará con este tipo de
modificaciones, si bien sí se sabe por razo-
nes expuestas en sus respectivos apartados
que existe dicha mejora. Para conocer por
tanto estos datos no habría otra opción
que no sea la de llevar a cabo las modifica-
ciones pertinentes en el motor de partida y
posteriormente tomar los datos suficientes
con el prototipo en un banco de pruebas.
Sería difícil también conseguir la mejora de
cada una de las modificaciones individual-
mente, pero sí se conocería la mejora de las
prestaciones debidas al conjunto de las mo-
dificaciones.
Existe otro tipo de modificaciones que se
han estudiado en este proyecto y de las que
se ha estimado cuantitativamente su mejora.
Sin embargo, éstas no han podido introducir-
se en el programa AVL BOOST para el estu-
dio de su mejora unidas al resto de las modi-
ficaciones, debido a que, o bien el software
nombrado no disponía de la posibilidad de
introducir dicha modificación, o bien no se
conocían los datos suficientes para poder in-
troducir la modificación con un mínimo gra-
do de éxito. Este tipo de modificaciones son:
la mejora de la refrigeración y la optimiza-
ción del intercooler del motor.
34 anales de mecánica y electricidad. Enero-Febrero 2002
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El resto de las modificaciones llevadas a
cabo en el motor de partida han sido simula-
das y evaluadas convenientemente. Ahora se
trata de observar las prestaciones finales que
puede ofrecer el prototipo una vez han sido
simuladas todas las distintas modificaciones
en conjunto sobre el motor de serie.
Las modificaciones que presenta finalmen-
te el prototipo en la última simulación son:
• Pulido de conductos tanto de admisión
como de escape consiguiendo un factor de
fricción de 0,009.
• Eliminación de elementos restrictivos in-
necesarios como el EGR, el catalizador y los
silenciosos.
• Longitud de las pipas de admisión optimi-
zadas para la mejora del efecto resonante
(efecto RAM).
• Tarado del muelle de la válvula Waste Ga-
te a una constante elástica de 280 000 N/m.
• Utilización de un filtro de alto caudal re-
presentado en el programa AVL BOOST
con una longitud del elemento de filtro de
150 mm.
• Nuevos árboles de levas que desarrollan
un diagrama de distribución optimizado para
el mejor llenado del cilindro.
• Relación de compresión cercana a los
19:1 en vez de la anterior relación de com-
presión de 18:1.
• Punto de inicio de la combustión de -8º
con respecto al PMS (8º antes del PMS). An-
teriormente este avance estaba fijado en -5º.
La relación aire-combustible pasa de ser
18,2 a 15,5 lo que indica un serio aumento
de la masa de combustible inyectado. Cabe
destacar que el aumento de humo negro
producido por el exceso de combustible
no preocupa demasiado a la hora de reali-
zar el estudio que se lleva a cabo en este
proyecto.
Resultados obtenidos
A continuación se muestra una compara-
ción entre las prestaciones del motor de
par tida del presente proyecto medidas en
un banco de pruebas y las mejoras obteni-
das mediante la simulación a un régimen de
4000 rpm.
Prestaciones
Par [Nm] Potencia [Kw]
Motor 
de serie 192 80,4
Prototipo 330,07 138,26
En las siguientes gráficas se muestra una
comparativa entre ambos motores:
Quiero agradecer a Nissan Motor
Ibérica por su ayuda para la realiza-
ción del trabajo que ha dado lugar a
este artículo.
Estudio de las modificaciones de un motor DI para su utilización en competición 35
Motor de serie vs Prototipo
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Motor de serie
Prototipo 
Régimen de giro [rpm]
Pa
r 
[N
um
]
“Trucaje de motores de 4 tiempos ”. Miguel de Castro Vicente ed CEAC 1989.
“Preparación de motores de competición”. Luis Ruigi ed. CEAC 1988.
“Técnicas de conducción.Trucaje de motores”. Miguel de Castro ed. CEAC 1994.
Apuntes de motores de combustión interna alternativos. Félix Jiménez Zorrilla.
“Motores Diesel para automóviles”. Carlos Arroyo Sanjuán. Ed. CEAC 1990.
“Predicción de las actuaciones de los grupos de sobrealimentación para motores diesel de auto-
moción”. Tesis Doctoral de Francisco Payri Gonzálbez. 1973.
“Internal Combustion Engines”. Benson and Whitehouse.
Bibliografia
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Motor de serie vs Prototipo
160
140
120
100
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60
40
20
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Motor de serie
Prototipo 
Régimen de giro [rpm]Pa
r 
[N
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http://www.mecanicoautomotriz.org/