IntroducciónEl ser humano se ha diferenciado siempre

del resto de los seres vivos por su capacidadde raciocinio, su inteligencia y su capacidadpor aprender y mejorarse así mismo. Sólodentro 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, lacompetición en el mundo del automóvil noiba a ser menos.

En términos generales definiremos elmotor de carreras como un motor decombustión interna, basado en los mismosprincipios en que se fundan los motoresempleados como equipos de serie de losautomóviles clásicos; diferenciándolos deéstos únicamente el hecho de que, parauna misma cilindrada, el motor de competi-ción desarrolla una potencia muy superiordebido a que éste trabaja sometido a índi-ces de compresión y regímenes de giromás elevados que los motores de tipo co-mercial.

Para obtener estos elevados incrementosen los factores de potencia y régimen, losmotores empleados en carreras deben po-seer la totalidad de sus órganos móvilesconstruidos de forma más sólida y ligera, asícomo elementos auxiliares más perfectosque los empleados en la fabricación de mo-tores en serie. Lo mismo ocurre con el restode mecanismos y accesorios complementa-rios, lo cual encarece notablemente el costode 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 tarlos excesos de fatiga a que se hallan some-tidos.

ObjetivosEl 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 suponenuna modificación en el comportamiento delmotor. La dinámica del motor se ve afectada,así como la fluidodinámica del mismo, y co-mo resultado, la termodinámica del motor seve también alterada.

Es objetivo de este trabajo justificar ypredecir las mejoras que introducen las dis-tintas modificaciones que se efectúen en laeficiencia del MCIA como consecuencia deun 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 departida.

• Recopilación de información de las posi-bles modificaciones: análisis cualitativo.

• Toma de decisiones de las modificacionesque 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 lasmodificaciones 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.

Una restricción a las que se ve sometidoeste 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 (30 050,60euros). (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 cuantitativamentecon elevada precisión. Estas modificacionesson simuladas mediante un sopor te infor-mático, el programa AVL Boost. Aunque lasestimaciones de las mejoras conseguidasson bastante fiables, gracias al modelo pre-vio del motor de serie elaborado, éstas de-berían ser comprobadas con medidas realesen bancos de potencia. Si los resultados si-mulados de algunas de las modificacionesrealizadas se desviasen en exceso de la me-dida real, éstas deberían ser corregidas yvueltas a medir hasta encontrar un valor óp-timo. Sin embargo, todas estas operacionesquedan fuera del alcance de este proyecto yse proponen para un estudio posterior.

Trabajo realizadoPrimeramente 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 deserie para posteriormente poder analizar losresultados de las diferentes mejoras que sepudiesen introducir en el motor.

Para ello es necesario tener un conoci-miento casi perfecto de todos y cada uno delos 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 otrosmuchos 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 semuestra un esquema gráfico del modelo cre-ado para el motor de serie:

Si se sigue el recorrido de una moléculade aire, ésta entraría al motor por la partesuperior izquierda. Se encontraría con el fil-tro y acto seguido atravesaría el compresordel turbo. Seguidamente la molécula de airese vería enfriada a su paso por el intercoolerpara dirigirse a los colectores de admisión yde allí a los cilindros atravesando las pipas deadmisión.Tras mezclarse con el combustibley sufrir la combustión, la mezcla cederá partede su alta energía a la cabeza del pistón paraimpulsarle hacia abajo y poder así mover elcigüeñal. La energía que aún le queda a lamezcla, tras salir del cilindro por los conduc-tos de escape, la entrega a la turbina, quemueve el compresor. Si el compresor estu-viese ya suministrando la presión suficiente ala admisión, esta mezcla quemada cortocir-cuitaría su paso por la turbina debido a laapertura de la válvula Waste Gate y saldría alexterior no sin antes atravesar el catalizadory dos equipos de silenciosos.

Par tiendo de este modelo analizaremosahora las diferentes modificaciones llevadas acabo para lograr el aumento de prestacionesdeseado.

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

serie. Lo que se busca es diferentes puntosde funcionamiento del motor a distintos regí-menes en el mapa del turbocompresor. Deesta forma se es capaz de obtener la eficaciacon la que trabaja el equipo de sobrealimen-tación en cada punto de funcionamiento real.

En el presente caso esta adaptación entreequipo de sobrealimentación y motor estámuy conseguida. Por ello se pasa a otra líneade mejora que es la de variar la geometríadel turbocompresor. Se han estudiado lasposibilidades de otros turbocompresoresacoplados al motor de serie analizando susresultados. Se varían parámetros tales comoel TRIM (relación de diámetros de los rode-tes al cuadrado) y el A/R que hace referenciaa la geometría del órgano difusor (relaciónde diámetros de la espiral del mismo). Sinembargo, las diferentes geometrías probadasno alcanzan los niveles de efectividad que seconseguían con el modelo previo.

Así pues, una modificación que siempredará resultado, siempre que no sea críticala presión alcanzada en la cámara de com-bustión es la de tarar la válvula de aperturade la WASTE GATE a una mayor presiónconsiguiendo así un aumento del sopladodel compresor ; lo que se traduce directa-mente en un aumento de la masa de aireque puede entrar al cilindro, y así mismoaumenta la potencia entregada por el mo-tor. Se pasó, por tanto, de una constanteelástica del muelle que hace actuar la válvu-la de 130.000 N/m a 280.000 N/m, con loque fue conseguido un aumento de poten-cia de unos 10 Kw.

Optimización de la distribución

En este tipo de modificación lo que sebusca es ajustar al máximo los movimientosde las válvulas con la idea de que se consigael mejor llenado del cilindro posible perosin que se produzca un alcance pistón-vál-vula.También un aumento del cruce de vál-vulas del admisión y escape proporcionaráun mejor rendimiento del motor a alto ré-gimen. A cambio de estas modificaciones vaa disminuir notablemente la vida útil delmotor.

Disminución de restricciones al flujo

Tanto los conductos de admisión como deescape presentan una serie de resistencias alflujo que crean una pérdida de carga consi-derable que puede mermar las prestacionesdel motor. Debido a la aplicación para la queeste motor ha sido proyectado se puede

muy bien disminuir esta pérdida de cargaaunque ello implique tanto un mayor costedel motor, como un menor tiempo de vidadel mismo. Aquí se muestran las diferentesactuaciones sobre las diferentes restriccionesal flujo que ofrece el motor de serie.

El filtro de aire convencional es cambiadopor otro filtro de alto caudal que presentauna menor pérdida de carga al aire que en-tra en los conductos de admisión.

Los conductos de admisión y escape sonpulidos 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 parala futura aplicación en competición del mo-tor como puede ser el EGR (Exhaust GasRecirculation), el catalizador, la válvula decontrol de torbellino y los silenciosos.

Las mejoras obtenidas por este tipo demodificaciones se calculan por medio delprograma de simulación AVL BOOST.

Mejora del efecto resonante (efecto RAM)

Se pueden aprovechar los efectos de lasondas de sobrepresión y depresión en elconducto 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 elcilindro, produciéndose un vacío en la pipaque avanza como onda de rarefacción hastallegar 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 válvulase cierre, se tendrá una cantidad adicional deaire llenando el cilindro. Esta resonancia, por laescasa longitud del sistema, se producirá a re-gímenes altos, por lo que se hace coincidircon el régimen de potencia máxima para ob-tener un mayor valor de ésta.

Con ayuda del programa de simulaciónAVL se es capaz de calcular la longitud quehan de tener las pipas de admisión para con-seguir este deseado efecto.

Modificaciones en la UnidadElectrónica de Control (ECU)

La función más impor tante que en estecaso nos ocupa es el control que posee laECU sobre el sistema de inyección de com-bustible. En función de la posición del cigüe-ñal, la unidad electrónica de control sabecuándo tiene que dar la orden a la bombade inyección para que inyecte el combustible

32 anales de mecánica y electricidad. Enero-Febrero 2002

necesario.También gobierna la presión de in-yección del inyector y la cantidad de com-bustible a inyectar.

Básicamente son tres los parámetros quemás interesan a la hora de obtener la máxi-ma potencia posible del motor: lugar y dura-ción de la inyección, presión de inyección ycantidad de combustible inyectado. En unprimer análisis cualitativo se puede afirmarque 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 deserie en el software empleado para la simu-lación. De esta manera se es capaz de cuan-tificar la mejora y comprobar que se trabajadentro de los límites de seguridad de resis-tencia del motor antes de llevar a la prácticadichas 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, esemplear un aceite de baja viscosidad para lalubricación de los diferentes componentesdel motor. La baja viscosidad hace que existauna menor fricción entre los distintos com-ponentes que trata de lubricar el aceite.

El aceite aconsejado por el fabricante paraeste motor es un aceite multigrado 5W30.Sin embargo, debido a una aplicación mássevera a la que se va a ver sometido estemotor se ha optado por un lubricante demuy baja viscosidad destinado al mundo dela competición como es el aceite multigrado0W30 SAE CF / SH.

Mejora de la refrigeración

Un motor adaptado para la competiciónva a encontrarse, sin duda, más solicitado. Enla cámara de combustión, por ejemplo, se al-canzarán presiones y temperaturas muchomayores. Es probable que sea necesario unaumento en el caudal del fluido en el sistemade refrigeración. La válvula de “by-pass “ querecircula el agua de refrigeración bien haciael motor, o bien hacia el radiador, en funciónde 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 régimeny a plena carga y, por tanto, siempre habrá depasar por el radiador.

Analizando la bomba de refrigeración queposee este motor de serie vemos que estásobredimensionada. Esta bomba de alimen-tación del sistema de refrigeración presentalas siguientes características:• Tipo: Bomba centrífuga.• Caudal: 182 l/min.• Régimen de la bomba: 4200 rpm.

La energía por segundo que debe evacuarel 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 saltostérmicos. Conociendo la máxima potenciaque entrega este motor, 138Kw (como sepuede apreciar en el apartado de conclusio-nes), se puede determinar el caudal de aguanecesario que ha de suministrar la bomba.

m.C.∆T m=2,64 Kg/s

Así pues, m=158,47 l/min<182 l/min. Portanto el caudal que actualmente suministrala bomba de agua del sistema de refrigera-ción es suficiente para soportar las nuevassolicitaciones a las que se hallará sometidoel motor.

Optimización del intercooler

La misión del intercooler como ya se hacomentado en apartados anteriores es bajarla temperatura de los gases de entrada yaque así aumenta la densidad del aire y es ca-paz de mejorar el llenado de los cilindrosprovocando la correspondiente mejora en elrendimiento 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 biensituarlo en una zona en la que el aire exte-rior incida sobre la superficie del mismo conla mayor eficacia posible consiguiendo unmayor enfriamiento del mismo.

Las modificaciones son introducidas en elprograma 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 en competición 33

forma continua. El motor de explosión estádiseñado para que trabaje a impulsos. Estacaracterística tan significativa (que diferenciaa los motores de explosión de los motoreseléctricos) hace que el motor Diesel necesi-te tener varios cilindros. La suavidad con laque el motor entrega su potencia está deacuerdo con el número de cilindros, con elnúmero de explosiones por ciclo. Con todo,el motor no recibe tampoco la fuerza sobreel émbolo de una manera progresiva, sinoque en el momento exacto de la explosión–máxima compresión– la presión es nueveveces mayor que cuando el émbolo está amitad de su carrera, por lo que en estos mo-tores no cabe hablar de suavidad si no utili-zamos masas de inercia que contrarrestenestas fuerzas tan irregulares como despro-porcionadas.Y todos los motores llevan estesuplemento de peso en el cigüeñal y en elvolante de inercia.

Si se obra en el sentido de aumentar lapotencia por un aumento del giro del motor,a base de alimentarlo bien, mejores y más di-rectos escapes y retoques sustanciales en lasválvulas y en el perfil de las levas, entonces síque se necesita reducir los contrapesos parapermitirle al motor una mayor agilidad.

Por el sistema de aumentar las rpm, sí sepuede –y hasta se debe– rebajar la inerciade las masas, porque un mayor número deexplosiones 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 rebajael peso de las masas rodantes en el interiordel motor, las cuales frenan su escalada.

El aligerado de masas no es despreciableen cuanto a resultados. Lo que sucede esque es muy difícil establecer por medio decálculos a priori los gramos que hay que re-bajar de cada una de las piezas que formanparte del tren alternativo. El método a se-guir sería ir tanteando los posibles rebajesen las diferentes piezas del tren alternativo(pistones, bielas y volante de inercia) e ircomprobando los resultados en un bancode potencia.

Conclusiones obtenidasA lo largo y ancho del proyecto se han es-

tudiado multitud de posibles modificacionesa nivel teórico para tratar de incrementar elpar, la potencia, el rendimiento volumétrico,el régimen de giro… de un motor de com-bustión interna alternativo alimentado porcombustible Diesel.

Gracias al programa AVL BOOST, muchasde las modificaciones han podido estimarsecon relativa precisión. Previamente se trabajóen la creación de un modelo para este soft-ware que reflejase lo más realmente posibleel funcionamiento del motor de partida delpresente proyecto. Una vez conseguido unerror inferior al 5% entre las prestacionesofrecidas por el motor real (medido en ban-co de pruebas) y las prestaciones ofrecidaspor el modelo en la simulación del progra-ma, se puede llegar a la conclusión de que lasmodificaciones realizadas en el modelo noprovocarán 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 dichasmodificaciones en el motor de serie, mediren un banco de pruebas y contrastar los re-sultados.

Existe un tipo de modificaciones que apesar de ser propuestas en este estudio nose tiene una medida cuantitativa del resulta-do de la mejora. Es un tipo de mejora talescomo: el aligerado de masas o la disminu-ción de las pérdidas mecánicas gracias alempleo de lubricantes de baja viscosidad. Apriori no se puede conocer el grado demejora que se alcanzará con este tipo demodificaciones, si bien sí se sabe por razo-nes expuestas en sus respectivos apartadosque existe dicha mejora. Para conocer portanto estos datos no habría otra opciónque no sea la de llevar a cabo las modifica-ciones pertinentes en el motor de partida yposteriormente tomar los datos suficientescon el prototipo en un banco de pruebas.Sería difícil también conseguir la mejora decada una de las modificaciones individual-mente, pero sí se conocería la mejora de lasprestaciones debidas al conjunto de las mo-dificaciones.

Existe otro tipo de modificaciones que sehan estudiado en este proyecto y de las quese 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 softwarenombrado no disponía de la posibilidad deintroducir dicha modificación, o bien no seconocían 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

El resto de las modificaciones llevadas acabo en el motor de partida han sido simula-das y evaluadas convenientemente. Ahora setrata de observar las prestaciones finales quepuede ofrecer el prototipo una vez han sidosimuladas todas las distintas modificacionesen conjunto sobre el motor de serie.

Las modificaciones que presenta finalmen-te el prototipo en la última simulación son:• Pulido de conductos tanto de admisióncomo de escape consiguiendo un factor defricción de 0,009.• Eliminación de elementos restrictivos in-necesarios como el EGR, el catalizador y lossilenciosos.• 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 BOOSTcon una longitud del elemento de filtro de150 mm.• Nuevos árboles de levas que desarrollanun diagrama de distribución optimizado parael mejor llenado del cilindro.• Relación de compresión cercana a los19:1 en vez de la anterior relación de com-presión de 18:1.• Punto de inicio de la combustión de -8ºcon respecto al PMS (8º antes del PMS). An-teriormente este avance estaba fijado en -5º.

La relación aire-combustible pasa de ser18,2 a 15,5 lo que indica un serio aumentode la masa de combustible inyectado. Cabedestacar que el aumento de humo negroproducido por el exceso de combustibleno preocupa demasiado a la hora de reali-zar el estudio que se lleva a cabo en esteproyecto.

Resultados obtenidosA continuación se muestra una compara-

ción entre las prestaciones del motor depar tida del presente proyecto medidas enun banco de pruebas y las mejoras obteni-das mediante la simulación a un régimen de4000 rpm.

Prestaciones

Par [Nm] Potencia [Kw]

Motor de serie 192 80,4

Prototipo 330,07 138,26

En las siguientes gráficas se muestra unacomparativa entre ambos motores:

Quiero agradecer a Nissan MotorIbérica por su ayuda para la realiza-ción del trabajo que ha dado lugar aeste 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

00 500 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.

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“Internal Combustion Engines”. Benson and Whitehouse.

Bibliografia

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Motor de serie

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