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Práctica 7. Balance térmico de los Motores de combustión interna
Method · March 2022
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Jose Ramón Soca Cabrera
Universidad Autónoma Chapingo
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2. UNIVERSIDAD AUTÓNOMA CHAPINGO
DEPARTAMENTE DE INGENIERÍA MECÁNICA AGRÍCOLA
Asignaturas: Motores de combustión interna y Motores y tractores agrícolas
GUÍA METODOLÓGICA
BALANCE TÉRMICO DE MOTORES
Autor:
José Ramón Soca Cabrera
Chapingo, México 2022

3. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
2
BALANCE TÉRMICO DE LOS MOTORES
Índice
Introducción 3
Objetivos de la práctica 4
Orientaciones metodológicas 4
1. Ecuación general del balance térmico 4
2. Calor relativo de cada componente. 5
a) La cantidad de calor liberada por la combustión del combustible 𝑄𝑜 5
b) Calor equivalente a la potencia efectiva, 𝑄𝑒 6
c) Calor cedido al medio refrigerante, 𝑄𝑟𝑒𝑓 6
d) Calor cedido en los gases de escape, 𝑄𝑔 8
e) Calor cedido al sistema de lubricación, 𝑄𝑙 11
f) Cantidad de calor por combustión incompleta, 𝑄𝑐𝑖 12
g) Cantidad de calor residual, 𝑄𝑟 12
3. Rendimiento efectivo del motor, 𝜂𝑒 13
4. Ejemplo de cálculo de un motor 14
Bibliografía 16

4. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
3
Introducción
El estudio del ciclo de funcionamiento de los motores de combustión interna indica
que para realizar el trabajo efectivo (de salida) solamente se utiliza una pequeña
parte del calor introducido durante la quema del combustible en la cámara de
combustión.
Para determinar la tendencia hacia el mejor aprovechamiento del calor y las vías
para aumentar el rendimiento térmico (ciclo ideal) y el indicado (ciclo real), así como
los datos necesarios para el cálculo del sistema de enfriamiento, se debe establecer
hacia dónde se cede el calor introducido al motor. Con este fin se investigan los
diferentes componentes del balance térmico en función de los parámetros que
caracterizan las condiciones de trabajo (carga, frecuencia de rotación, composición
de la mezcla, entre otros).
Se conoce que durante el trabajo del motor una parte del calor se cede al medio
refrigerante que utiliza el propio motor para su funcionamiento, compuesto por los
líquidos o sustancias de trabajo de los sistemas de enfriamiento (agua + etilenglicol
o propilenglicol o una mezcla de estos dos últimos sin agua (para evitar la corrosión)
y del aceite lubricante del motor que también actúa como refrigerante.
Otra gran parte de calor se van en los gases de escape, puesto que, durante el
proceso de expansión, continúa la combustión del combustible y la válvula de
escape se abre cuando aún existe una cierta presión dentro del cilindro para
evacuar la mayor cantidad posible de los gases producidos durante la combustión.
Por otro lado, una porción de la energía introducida con el combustible se utiliza en
la formación de algunos productos de la combustión, como el vapor de agua
(reacciones endotérmicas); además, cuando la combustión es incompleta producto
de una mezcla rica (𝛼 < 1), no se quema todo el combustible introducido.
Existe una parte de la energía que pasa al medio circundante del motor por los
fenómenos de radiación y convección.
Para el buen aprovechamiento del calor es esencial la calidad del proceso de
combustión. Factores como el tiempo de encendido de la mezcla; la composición
fraccionada del combustible, o sea, las temperaturas de evaporación del 10, 50 y
90%, la volatilidad (Presión de vapores Reid) y el octanaje o índice de octano
(MECh) y cetanaje o índice de cetano (MEC); la composición de la mezcla (rica,
pobre o estequiométrica); el régimen de velocidad y de carga del motor; el tipo de
sistema de encendido para motores MECh; la forma y dimensiones de la cámara de
combustión; la relación de compresión y la calidad con que se forme la mezcla aire
– combustible, influyen decisivamente en el balance térmico del motor y la eficiencia
de aprovechamiento del calor liberado.

5. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
4
La presente guía tiene el propósito de contribuir a la comprensión de la asignatura
Motores de Combustión Interna, especialmente en el tema relacionado con el
cálculo térmico. El estudiante deberá utilizar para su desarrollo catálogos, manuales
y otras fuentes bibliográficas citadas en la parte de bibliografía de esta guía u otros
recursos que complementen datos específicos para su variante de motor prototipo,
de esta manera el conocimiento de contextualiza y sitúa en casos reales. Para
elaborar el informe final se recomienda utilizar la rúbrica para trabajos escritos que
se encuentra en la plataforma tecnológica de la asignatura.
Objetivos de la práctica
• Determinar el balance térmico del motor de combustión interna prototipo.
• Analizar las causas que influyen en la transferencia de calor en los diferentes
sistemas y mecanismos del MCI.
Orientaciones metodológicas
La presente metodología se aplicará al motor del vehículo prototipo elegido por cada
estudiante, y sea de un automóvil, un camión o un tractor agrícola.
Este trabajo es individual, pero se recomienda utilizar los equipos de trabajo
colaborativo para profundizar en el conocimiento, las asesorías de pares y favorecer
el aprendizaje colectivo.
Recuerde realizar valoraciones sobre los valores obtenidos de cada parámetro
calculado (conclusiones parciales).
Las conclusiones deben corresponder con los objetivos de la presente práctica.
Ecuación general del balance térmico
La ecuación de balance térmico del motor (la cantidad de calor está referida a la
unidad de tiempo (J/s) es la siguiente:
𝑄𝑜 = 𝑄𝑒 + 𝑄𝑟𝑒𝑓 + 𝑄𝑔 + 𝑄𝑙 + 𝑄𝑐𝑖 + 𝑄𝑟; [
𝐽
𝑠
], (1)
Dónde:
𝑄𝑜 − Cantidad total de calor introducida con la combustión del combustible en el
régimen de cálculo dado, [
𝐽
𝑠
]
𝑄𝑒 − Cantidad de calor equivalente al trabajo efectivo del motor,
𝑄𝑟𝑒𝑓 − Cantidad de calor cedido al medio refrigerante,
𝑄𝑔 − Cantidad de calor que se llevan los gases de escape,
𝑄𝑙 − Cantidad de calor cedido al sistema de lubricación,
𝑄𝑐𝑖 − Cantidad de calor que no se libera producto de una combustión incompleta
del combustible,
𝑄𝑟 − Cantidad de calor restante que no se ha incluido en las pérdidas anteriores.

6. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
5
1. Calor relativo de cada componente.
El balance térmico puede determinarse en porcentaje de la cantidad total de calor
introducido por las relaciones siguientes:
𝑞𝑒 =
𝑄𝑒
𝑄𝑜
100; (2)
𝑞𝑟𝑒𝑓 =
𝑄𝑟𝑒𝑓
𝑄𝑜
100; (3)
𝑞𝑔 =
𝑄𝑔
𝑄𝑜
100; (4)
𝑞𝑙 =
𝑄𝑙
𝑄𝑜
100; (5)
𝑞𝑐𝑖 =
𝑄𝑐𝑖
𝑄𝑜
100; (6)
𝑞𝑟 =
𝑄𝑟
𝑄𝑜
100; (7)
La suma de los calores específicos de cada componente debe ser el 100%.
𝑞𝑒 + 𝑞𝑟𝑒𝑓 + 𝑞𝑔 + 𝑞𝑙 + 𝑞𝑐𝑖 + 𝑞𝑟 = 100 %; (8)
a) La cantidad de calor liberada por la combustión del combustible 𝑸𝒐
La cantidad de calor que libera de la combustión del combustible en la unidad de
tiempo (s) se determina:
𝑄𝑜 =
𝐻𝑢 ∙ 𝐺ℎ
3600
; [
𝐽
𝑠
⁄ ] (9)
Donde:
𝐻𝑢 − Calor de combustión (poder calorífico) inferior del combustible, [
𝐽
𝑘𝑔
]
𝐺ℎ − Consumo horario de combustible del motor en una hora, [
𝑘𝑔
ℎ
]
El calor de combustión se toma de las propiedades del combustible que se utilice
en el motor. Aproximadamente el valor del calor de combustión inferior se encuentra
entre los siguientes valores:
• Para las gasolinas: 𝐻𝑢 = 44 ∙ 103 𝑘𝐽
𝑘𝑔
= 44 ∙ 106 𝐽
𝑘𝑔
;
• Para el combustible gas oil (diésel): 𝐻𝑢 = 42.5 ∙ 103 𝑘𝐽
𝑘𝑔
= 42.5 ∙ 106 𝐽
𝑘𝑔
El consumo horario de combustible (𝐺ℎ) se toma del cálculo térmico del respectivo
motor. También se puede calcular por la expresión:

7. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
6
𝐺ℎ = 𝑔𝑒 ∙ 𝑁𝑒 ∙ 10−3
; (10)
Donde:
𝑔𝑒 − Consumo específico efectivo de combustible, [
𝑔
𝑘𝑊 ℎ
]
𝑁𝑒 − Potencia efectiva del motor al régimen de cálculo, [𝑘𝑊]
El consumo específico efectivo del motor si no se tiene un dato concreto para el
motor que se está calculando, se puede seleccionar de datos estadísticos que
aparecen en la tabla 1. La potencia efectiva nominal (máxima) se toma de los datos
del motor prototipo o de las especificaciones técnicas del fabricante.
Tabla 1. Valores del consumo específico de combustible 𝑔𝑒 para motores.
Tipo de motor 𝑔𝑒, [
𝑔
𝑘𝑊 ℎ
]
Motor de encendido por chispa (MECh) 229 - 353
Motor de encendido por compresión
(MEC)
217 - 272
Fuente: González et al (2010) y Soca (1994).
b) Calor equivalente a la potencia efectiva, 𝑸𝒆
El calor equivalente a la potencia efectiva (de salida) del motor (en W) se determina:
𝑄𝑒 ≈ 𝑁𝑒; (11)
c) Calor cedido al medio refrigerante, 𝑸𝒓𝒆𝒇
El calor cedido al medio refrigerante a través de las paredes del cilindro, la cabeza,
el pistón con sus anillos, entre otras piezas, puede determinarse por la expresión:
𝑄𝑟𝑒𝑓 = 𝐺𝑟𝑒𝑓 ∙ 𝑐𝑟𝑒𝑓 ∙ (𝑡𝑠𝑎𝑙 − 𝑡𝑒𝑛𝑡); (12)
Donde:
𝐺𝑟𝑒𝑓 − Cantidad de sustancia refrigerante (gasto o flujo) que pasa por el motor, [
𝑘𝑔
𝑠
]
𝑐𝑟𝑒𝑓 − Calor específico de la sustancia refrigerante, [
𝐽
𝑘𝑔∙°𝐶
]; para el agua: 𝑐𝑎 =
4186
𝐽
𝑘𝑔 °𝐶
,
𝑡𝑠𝑎𝑙, 𝑡𝑒𝑛𝑡 − Tempretatura de la sustancia de enfriamiento a la salida y la entrada del
motor, respectivamente 𝑒𝑛 𝐶.
El gasto o flujo másico de la bomba de agua depende del tipo de bomba y sus
características. Según estadísticas las bombas de agua de los motores poseen un
gasto másico entre 0.5 𝑦 2.5
𝑘𝑔
𝑠
. Para datos más precisos consultar catálogos del
fabricante o de un fabricante de equipo original (OEM).

8. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
7
La diferencia entre la temperatura de entrada y salida del líquido refrigerante del
radiador se encuentra entre 8 y 10 °C.
En el anexo A se presenta el esquema general de un sistema de enfriamiento por
líquido de un motor. En el anexo B la estructura general de una bomba de agua y
sus parámetros principales (caso de un motor MEC).
En la figura 1 se muestra la relación existente entre la presión del líquido y el flujo
volumétrico en L/min para diferentes tipos de bombas de agua.
Figura 1. Relación entre presión de trabajo y flujo volumétrico para diferentes tipos
de bomba centrifuga de agua.
En la figura 2 se muestra un esquema de un radiador (intercambiador de calor) que
utilizan los motores que poseen enfriamiento por líquido.
Figura 2 Estructura del Intercambiador de calor (radiador) de un motor con
enfriamiento por líquido.

9. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
8
En la figura 3 se muestra un esquema de enfriamiento por aire de un motor.
En la tabla 2 se muestran algunos parámetros de los sistemas de enfriamiento por
líquido y por aire.
d) Calor cedido en los gases de escape, 𝑸𝒈
La cantidad de calor que arrastran los gases de escape se determina por la
expresión:
𝑄𝑔 = 𝑄𝑔𝑒 − 𝑄𝑚𝑓 = 𝐺𝑠 ∙ (𝑀2 ∙ 𝜇𝐶𝑝
´´
∙ 𝑡𝑟 − 𝑀1 ∙ 𝜇𝐶𝑝 ∙ 𝑡𝑚𝑓); (13)
Donde:
𝑄𝑔𝑒 − Cantidad de calor evacuado de los cilindros del motor con los gases de
escape, [
𝐽
𝑠
]
𝑄𝑚𝑓 − Cantidad de calor introducida a los cilindros del motor con la carga fresca,
[
𝐽
𝑠
]
𝐺𝑠 − Consumo de combustible,
𝑘𝑔
𝑠
; 𝐺𝑠 =
𝐺ℎ
3600
;
𝑀2 − Cantidad de productos de la combustión,
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑘𝑔
𝑀1 − Cantidad de mezcla fresca para 1 kg de combustible,
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑘𝑔
Figura 3. Esquema de un motor enfriado por aire.

10. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
9
Tabla 2. Valores característicos de los sistemas de enfriamiento
Tipo de
enfriamiento
Parámetros
Fluido Caudal,
𝑳
𝒌𝑾 ∙ 𝒎𝒊𝒏
⁄
Salto
térmico
del fluido,
°C
Salto
térmico
del aire,
°C
Presión
de la
bomba,
bar
Por líquido
Agua +
etilenglicol
1.5 – 2.5 7 - 10 20 - 30 0.5 – 1.5
Por aire
Aletas +
soplador
800 - 1200 -- 35 – 45 --
𝜇𝐶𝑝
´´
− Calor específico molar a presión constante de los gases de escape,
𝐽
𝑘𝑚𝑜𝑙 °𝐶
.
Este valor se determina por la ecuación (20), tomando como referencia la
temperatura de los gases de escape a régimen nominal de trabajo y que los gases
de escape poseen una presión constante.
𝑡𝑟 − Temperatura de los gases de escape,°𝐶. A régimen nominal se encuentra entre:
• 700 - 900 K (427 - 627 °𝐶) − para motores MEC,
• 900 – 1100 K (627 – 827 °𝐶) − para motores MECh.
𝜇𝐶𝑝 − Calor específico molar a presión constante de la mezcla fresca,
𝐽
𝑘𝑚𝑜𝑙 °𝐶
;
𝑡𝑚𝑓 − Temperatura de la mezcla fresca. Se puede tomar como la temperatura
atmosférica 𝑡0
A continuación, se detallan las ecuaciones para determinar los elementos que
aparecen en la ecuación (13).
1) La cantidad de mezcla fresca y de productos de la combustión se calculan por
las siguientes ecuaciones del cálculo térmico:
• Para motores MECh:
𝑀1 = 𝛼 ∙ 𝐿0 +
1
𝜇𝑐
; [𝑘𝑚𝑜𝑙] (14)
Donde:
𝛼 − Coeficiente de exceso de aire o índice lambda. Para efectos de este cálculo se
asume 𝛼 = 1 (mezcla estequiométrica de aire y combustible)
𝐿0 − Cantidad de aire teórica para quemar 1 kg de combustible, [(𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒) ⁄
(𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑖𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒)]
𝜇𝑐 − Masa molecular de las gasolinas. 𝜇𝑐 = 110 − 120 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙 (ver especificación
técnica del combustible utilizado)
• Para motores MEC:
𝑀1 = 𝛼 ∙ 𝐿0; [𝑘𝑚𝑜𝑙], (15)
La ecuación general para calcular la cantidad de productos de la combustión es:

11. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
10
𝑀2 =
𝐶
12
+
𝐻
2
+ 0.21(𝛼 − 1) + 0.79 ∙ 𝛼 ∙ 𝐿0; [𝑘𝑚𝑜𝑙], (16)
Donde:
𝐶 − Cantidad de carbono en 1 kg de combustible, [𝑘𝑔]
𝐻 − Cantidad de hidrógeno en 1 kg de combustible, [𝑘𝑔]
𝑂𝑐 − Cantidad de oxígeno en 1 kg de combustible, [𝑘𝑔]
2) La cantidad teórica de aire (en volumen) 𝐿0 se determina por la ecuación:
𝐿0 =
1
0.21
(
𝐶
12
+
𝐻
4
+
𝑂𝑐
32
) ; [𝑘𝑚𝑜𝑙], (17)
La cantidad de aire teórico 𝐿0 depende de la composición elemental del combustible
que, a su vez, depende de cada tipo de combustible y para ello se debe consultar
las propiedades de cada combustible en las especificaciones técnicas.
En caso de no contar con datos concretos sobre la composición elemental del
combustible que utiliza el motor se puede aceptar que:
• Para gasolinas: 𝐶 = 0.85; 𝐻 = 0.14; 𝑂𝑐 = 0.01
• Para combustible gas oil (diésel): = 0.87; 𝐻 = 0.126; 𝑂𝑐 = 0.004
La suma de las fracciones de carbono, hidrógeno y oxígeno del combustible debe
dar 1 kg.
La mayoría de las gasolinas actuales poseen un pequeño porciento de oxígeno para
mejorar la calidad de la combustión (gasolinas oxigenadas) que puede estar entre
1.0 y 2.7 % vol. máx.
El calor específico a presión constante se selecciona de las tablas termodinámicas
de los gases. En caso de no tener dichas tablas, seleccionar los valores de la tabla
3. Cuando los valores no se encuentren exactos, se debe interpolar y determinar el
valor exacto para la temperatura asumida.
Se conoce de termodinámica que la relación entre los calores específicos a presión
constante y a volumen constante se conoce como coeficiente adiabático 𝑘. Lo
anterior se expresa:
𝜇𝐶𝑝
𝜇𝐶𝑣
= 𝑘 = 𝛾; (18)

12. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
11
Tabla 3. Calor específico a volumen constante de diferentes gases,
𝐽
𝑘𝑚𝑜𝑙 °𝐶
Temperatura,
°𝑪 (𝑲)
Aire (mezcla
fresca)
Productos de la combustión,
𝜶 = 𝟏
MECh
(gasolina)
MEC (Diésel)
0 (273) 20758
100 (373) 20838
700 (973) 22408 17513 17585
800 (1073) 22713 20309 20390
900 (1173) 23006 23260 23237
1000 (1273) 23283 26226 26293
1100 (1373) 23547 29249 29308
1200 (1473) 23794 32325 32406
Fuente: Jovaj (1982)
Además, la masa molecular de un gas o mezcla es la relación que existe entre su
masa (𝐺) en 𝑘𝑔 y su volumen (𝑀) en 𝑘𝑚𝑜𝑙, por tanto:
𝜇𝑚 =
𝐺
𝑀
; (19)
La masa molecular del aire se asume 𝜇𝑚 = 28.96
𝑘𝑔
𝑘𝑚𝑜𝑙
⁄ . De la misma manera,
se conoce de termodinámica que la relación entre el calor específico a presión
constante y a volumen constante de un gas se expresa:
𝜇𝐶𝑝 = 𝜇𝐶𝑣 + 8314; [
𝐽
𝑘𝑚𝑜𝑙 °𝐶
],; (20)
e) Calor cedido al sistema de lubricación, 𝑸𝒍
La cantidad de calor do al sistema de lubricación del motor se determina por la
ecuación:
𝑄𝑙 = 𝐺𝑎𝑐 ∙ 𝑐𝑎𝑐 ∙ (𝑡𝑠𝑎𝑙 − 𝑡𝑒𝑛𝑡); [
𝐽
𝑠
], (21)
Donde:
𝐺𝑎𝑐 − Gasto másico de aceite por segundo,
𝑘𝑔
𝑠
; El gasto de las bombas de aceite de
motores se seleccionan de los prototipos. En general se encuentra entre: 𝐺𝑎𝑐 =
0.15 − 0.25 𝑘𝑔/𝑠 (ver catálogo de bombas de aceite del motor prototipo).
𝑐𝑎𝑐 − Capacidad calorífica del aceite,
𝐽
𝑘𝑔 °𝐶
;
𝑡𝑠𝑎𝑙, 𝑡𝑒𝑛𝑡 − Temperatura de entrada y salida del aceite al circular por el motor. °C; la
diferencia entre temperaturas generalmente se encuentra entre: ∆𝑡𝑎 = 10 − 20 °𝐶

13. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
12
La capacidad calorífica o calor específico del aceite para motor y otras propiedades
se encuentran en la tabla 4. Se debe tomar la temperatura de trabajo de su motor
prototipo. En caso necesario interpolar para encontrar valor exacto.
Tabla 4. Valores de algunas propiedades del aceite motor
Fuente: http://materias.fi.uba.ar/6731/Tablas/Tabla7.pdf
f) Cantidad de calor por combustión incompleta, 𝑸𝒄𝒊
La cantidad de calor por la combustión incompleta 𝑄𝑐𝑖 (que no se desprende
producto de la combustión incompleta se determina por la ecuación:
𝑄𝑐𝑖 =
(∆𝐻𝑢)𝑞𝑢𝑖𝑚∙ 𝐺ℎ
3600
; (22)
Donde:
(∆𝐻𝑢)𝑞𝑢𝑖𝑚 − Cantidad de calor que no se libera por la combustión incompleta.
La cantidad (∆𝐻𝑢)𝑞𝑢𝑖𝑚 se calcula por la ecuación siguiente:
(∆𝐻𝑢)𝑞𝑢𝑖𝑚 = 𝐴 ∙ (1 − 𝛼) ∙ 𝐿0 ; [
𝐽
𝑘𝑔
] (23)
Donde:
𝐴 − Factor de corrección; 𝐴 ≈ 114 ∙ 106
para motores a gasolina (MECh).
𝛼 − Coeficiente de exceso de aire o índice lambda. Evalúa la calidad de la mezcla
aire – combustible y depende del régimen de cálculo del motor. Hay que recordar
que este componente del balance térmico solo se aplica a mezclas ricas (𝛼 < 1).
g) Cantidad de calor residual, 𝑸𝒓
La cantidad de calor que se “pierde” por convección y radiación al ambiente se
puede calcular por la siguiente ecuación:
𝑄𝑟 = 𝑄𝑜−(𝑄𝑒 + 𝑄𝑟𝑒𝑓 + 𝑄𝑔 + 𝑄𝑙 + 𝑄𝑐𝑖); (24)

14. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
13
En la tabla 5 se presentan los valores estadísticos comunes del calor específico de
cada componente del balance térmico de los motores de combustión interna.
Tabla 5. Calor equivalente de los componentes del balance térmico (en %).
Motor 𝒒𝒆 = 𝜼𝒆 𝒒𝒓𝒆𝒇 𝒒𝒈 𝒒𝒍 𝒒𝒄𝒊 𝒒𝒓
MECh 21 - 28 12 - 27 30 -55 1.5 – 2.0 0 - 45 3.0 - 10
MEC:
Aspiración natural 29 – 42 15 – 35 25 – 45 2.0 – 2.5 0 – 5.0 2.0 – 5.0
Sobrealimentado 35 – 45 10 – 25 25 – 40 2.0 – 2.5 0 – 5.0 2.0 – 5.0
En el anexo C se presenta un diagrama de distribución del calor (balance térmico),
así como el balance de potencia en función del térmico.
En los anexos D, E, F, G y H se presentan diferentes gráficos de la distribución del
calor en las diferentes zonas y procesos de los motores de combustión interna.
En la figura 3 se presenta un esquema de la distribución del calor en el motor.
Figura 3. Esquema genérico de la distribución de la energía del combustible en un
vehículo con motor de combustión interna. (Fuente: Romero Piedrahita).
2. Rendimiento efectivo del motor, 𝜼𝒆
El rendimiento efectivo evalúa el aprovechamiento del calor del motor convertido en
trabajo efectivo (de salida) que se obtiene en el volante. Ese trabajo realizado en la
unidad de tiempo es la potencia efectiva que se establece en las especificaciones
técnicas por los fabricantes o las pruebas en el dinamómetro. El rendimiento efectivo
es el valor 𝜂𝑒 calculado por la ecuación (2)

15. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
14
Después de haber calculado todos los componentes del balance térmico y
comprobado que todo el calor desprendido por la combustión del combustible se ha
repartido o cedido a diferentes partes y sistemas del motor debe elaborar un
esquema parecido al que aparece en el anexo C.
Realizar una breve conclusión sobre el aprovechamiento del calor en su motor
prototipo, comparar los resultados con los valores promedios estadísticos (tabla 5),
posibles recomendaciones para mejorar el rendimiento indicado, la importancia de
este trabajo en su formación, entre otros aspectos de interés. Además de relacionar
las fuentes de información utilizadas según la norma APA, en el apartado
correspondiente
3. Ejemplo de cálculo de un motor
El motor de este ejemplo tiene una potencia efectiva nominal de 100 kW a 6 000
rev/min, consume gasolina magna (regular) con octanaje IO = 87 (método
combinado (0.5 (NOM + ROM)).
La ecuación general del balance térmico es:
𝑄𝑜 = 𝑄𝑒 + 𝑄𝑟𝑒𝑓 + 𝑄𝑔 + 𝑄𝑙 + 𝑄𝑐𝑖 + 𝑄𝑟
Se determinan cada componente de la ecuación, siguiendo la metodología
expuesta.
• Cantidad de calor introducida con el combustible:
El consumo horario de combustible se calcula por la ecuación (10).
𝐺ℎ = 𝑔𝑒 ∙ 𝑁𝑒 ∙ 10−3
= 300 ∙ 100 ∙ 10−3
= 30
𝑘𝑔
ℎ
Sustituyendo en la ecuación (9):
𝑄𝑜 =
𝐻𝑢 ∙ 𝐺ℎ
3600
=
44 000 ∙ 30
3600
= 366. 666
𝑘𝐽
𝑠
= 366 666
𝐽
𝑠
• Cantidad de calor transformado en trabajo efectivo (primera ley de la
termodinámica). Se utiliza la ecuación (11):
𝑄𝑒 ≈ 𝑁𝑒 = 100 𝑘𝑊 = 100 000 𝑊 = 100 ∙ 103
𝐽
𝑠
• Cantidad de calor cedido al medio refrigerante. Se utiliza la ecuación (12):
𝑄𝑟𝑒𝑓 = 𝐺𝑟𝑒𝑓 ∙ 𝑐𝑟𝑒𝑓 ∙ (𝑡𝑠𝑎𝑙 − 𝑡𝑒𝑛𝑡) = 2
𝑘𝑔
𝑠
∙ 4186
𝐽
𝑘𝑔 ∙ °𝐶
∙ 8 °𝐶 = 66 976
𝐽
𝑠

16. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
15
• Cantidad de calor que se van en los gases de escape. Se utiliza la ecuación (13):
𝑄𝑔 = 𝑄𝑔𝑒 − 𝑄𝑚𝑓 = 𝐺𝑠 ∙ (𝑀2 ∙ 𝜇𝐶𝑝
´´
∙ 𝑡𝑟 − 𝑀1 ∙ 𝜇𝐶𝑝 ∙ 𝑡𝑚𝑓)
Por las ecuaciones (14), (16) y (17) se determinan 𝐿0, 𝑀1 𝑦 𝑀2
𝐿0 =
1
0.21
(
𝐶
12
+
𝐻
4
+
𝑂𝑐
32
) =
1
0.21
(
0.85
12
+
0.14
4
+
0.01
32
) == 0.505 𝑘𝑚𝑜𝑙
Se toma 𝛼 = 1 porque el motor posee inyección electrónica de combustible y
trabaja a régimen nominal; la masa molecular del combustible (gasolina) se
toma: 𝜇𝑐 = 110 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑀1 = 𝛼 ∙ 𝐿0 +
1
𝜇𝑐
= 1 ∙ 0.505 +
1
110
= 0.514 𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑀2 =
𝐶
12
+
𝐻
2
+ 0.21(𝛼 − 1) + 0.79 ∙ 𝛼 ∙ 𝐿0
=
0.85
12
+
0.14
2
+ 0.21(1 − 1) + 0.79 ∙ 1 ∙ 0.505 =
𝑀2 = 0.5398 𝑘𝑚𝑜𝑙
Por la ecuación (20) se determinan las capacidades caloríficas:
El Calor específico para la mezcla fresca 𝜇𝐶𝑝 se calcula para 25 °C y presión
atmosférica normal de 1 atm =101.325 Pa. Tomando los datos de la tabla 3 e
interpolando (pues en dicha tabla solo aparecen valores para 0 °C y 100 °C.
Entonces:
𝜇𝐶𝑝 = (
20838 − 20758
100
) ∙ 25 = 2000
𝐽
𝑘𝑚𝑜𝑙 °𝐶
Para la temperatura de los gases de escape se toma 𝑡𝑟 = 1000 °𝐶, entonces con
ayuda de la ecuación (20) y las tablas termodinámicas para productos de la
combustión con 𝛼 = 1, o utilizando la tabla 3 de esta guía, se tiene:
𝜇𝐶𝑝
´´
= 𝜇𝐶𝑣
´´
+ 8.314 = 26 226 + 8 314 = 34 540
𝐽
𝑘𝑚𝑜𝑙 °𝐶
El consumo de combustible por segundo se calcula por la ecuación:
𝐺𝑠 =
𝐺ℎ
3600
=
30
3600
= 0.00833
𝑘𝑔
𝑠
Sustituyendo todos los parámetros en la ecuación (13) se tiene:

17. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
16
𝑄𝑔 = 0.00833
𝑘𝑔
𝑠
∙ [(0.5398
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑘𝑔
∙ 34 540
𝐽
𝑘𝑚𝑜𝑙 °𝐶
∙ 1000 °𝐶) − (0.514
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑘𝑔
∙
2000
𝐽
𝑘𝑚𝑜𝑙 °𝐶
∙ 25 °𝐶)] =
𝑄𝑔 = 0.00833 (18 644 692 − 25 700) ≈ 155 096
𝐽
𝑠
• Cantidad de calor que se cede al sistema de lubricación se calcula por la
ecuación (21):
𝑄𝑙 = 𝐺𝑎𝑐 ∙ 𝑐𝑎𝑐 ∙ (𝑡𝑠𝑎𝑙 − 𝑡𝑒𝑛𝑡) = 0.2 ∙ 2094 ∙ 20 = 8 376
𝐽
𝑠
• Cantidad de calor residual que por convección y radiación se cede al medio
ambiente se determina por la ecuación (24).
𝑄𝑟 = 𝑄𝑜−(𝑄𝑒 + 𝑄𝑟𝑒𝑓 + 𝑄𝑔 + 𝑄𝑙 + 𝑄𝑐𝑖) =
𝑄𝑟 =366 666 – (100 ∙ 103
+ 66 976 + 155 096 + 8 376) = 36 218
𝐽
𝑠
Se verifica si lo cálculos efectuados corresponden con los valores estadísticos
recomendados. En la tabla 5 se presentan los resultados de los calores específicos
obtenidos.
Tabla 5. Valores obtenidos de los calores específicos (en %).
Motor 𝒒𝒆 = 𝜼𝒆 𝒒𝒓𝒆𝒇 𝒒𝒈 𝒒𝒍 𝒒𝒄𝒊 𝒒𝒓
Valores
recomendados
21 - 28 12 - 27 30 -55 1.5 – 2.0 0 - 45 3.0 - 10
Valores
obtenidos
27 18.3 42.3 0.22 0 12.2
Se observa que el cálculo de los calores específicos de los componentes del
balance térmico efectuados se encuentra entre los límites estadísticos existentes.
Bibliografía
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en: http://www.cartek.com.mx/files/catalogo-
principal/bomba_agua_fan_2014_2015_1416964580.pdf
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17
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Jovaj, M. S. (1982). Motores de automóvil. Moscú: Mir.
Jovaj, M.S., Maslov, G. S. (1976). Motores de automóvil. La Habana, Cuba:
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doctoral. Recuperado en:
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Vsorov, B. A. (1986). Manual de motores diesel para tractores. Moscú: Mir.

19. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
18
Anexo A. Esquema de un sistema de enfriamiento por líquido de un motor
Anexo B. Bomba de agua y parámetros característicos para motores.

20. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
19
Anexo C. Esquema de balance de potencia y térmico en motores
Anexo D. Distribución de temperatura en: a) cabeza, b) pistón y c) cilindros.

21. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
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Anexo E. Distribución del calor instantáneo en diferentes piezas en el proceso de
combustión.
Anexo F. Distribución del intercambio de calor por zonas y procesos

22. Balance térmico de los motores de combustión interna José Ramón Soca Cabrera
21
Anexo G. Distribución de calor por procesos en el ciclo real (motor Diesel)
Anexo H. Gráficas que muestran el % de componentes del balance térmico y su
variación respecto al régimen de velocidad para motores MECh y MEC
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