Revista Conectividad
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Volumen 5, Número 1
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Incidencia de los efectos ambientales en el comportamiento del motor de
combustión interna en compresión y caudal de aire
Incidence of environmental effects on the behavior of the internal combustion engine in
compression and air flow
Manuel Rodrigo Passo Guamangate1, Lorena Maribel Camacho Játiva2, Joan Alfredo Arguello
Tarira3, María Belén Villamar Rodríguez4, Hernán Darío Herrera Contreras5
1 Instituto Superior Tecnológico Ciudad de Valencia, manuelpasso@itscv.edu.ec, Quevedo, Ecuador
2 Instituto Superior Tecnológico Ciudad de Valencia, lorenacamacho@itscv.edu.ec, Quevedo, Ecuador
3 Instituto Superior Tecnológico Ciudad de Valencia, joanarguellotarira@istcv.edu.ec, Quevedo, Ecuador
4 Instituto Superior Tecnológico Ciudad de Valencia, mariavillamarrodriguez@itscv.edu.ec, Quevedo,
Ecuador
5 Instituto Superior Tecnológico Ciudad de Valencia, hernanherrera@itscv.edu.ec, Quevedo, Ecuador
Autor para correspondencia: manuelpasso@itscv.edu.ec
Fecha de recepción: 2023.09.28 Fecha de aceptación: 2023.11.24
Fecha de publicación: 2024.01.15
RESUMEN
A medida que la gente utiliza cada vez más vehículos de motor en diferentes condiciones
ambientales, es necesario estudiar el rendimiento del motor en estas condiciones, lo que se realiza
utilizando un osciloscopio para determinar el comportamiento de cada punto en el diagrama de
forma de onda para pruebas reales. en el exterior a menos de 2500 metros sobre el nivel del mar.
El vehículo fue probado en condiciones ambientales estándar, desde el nivel del mar hasta 300 m
hasta 2500 m sobre el nivel del mar. Con base en estas pruebas se determinó que la altitud tiene un
efecto directo en su desempeño, ya que el valor de compresión disminuye gradualmente a medida
que aumenta la altitud, concluyendo que la presión del cilindro cae un 5%. La temperatura también
juega un papel importante en sus efectos. en la entrada de agua. La correlación porcentual entre
caudal y caudal es de 1°C por cada 154 metros de elevación. De manera similar, se midió el flujo
de aire en cada punto de prueba utilizando un escáner incorporado en el automóvil para determinar
el efecto de los cambios combinados de presión y temperatura en el rendimiento del motor. Se
encontró que la presión de admisión tuvo un efecto significativo y el rendimiento del motor se vio
afectado. No funcionar correctamente en condiciones saturadas o pobres debido a fluctuaciones de
presión en el colector de admisión.
Palabras clave: Diagnóstico, Investigación, Motores, Presión, Temperatura.
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ABSTRACT
As more and more people use motor vehicles in different environmental conditions, it is necessary
to study the performance of the engine under these conditions, which is done by using an
oscilloscope to determine the behavior of each point on the waveform diagram to real tests.
outdoors at less than 2500 meters above sea level. The vehicle was tested under standard
environmental conditions, from sea level up to 300 m to 2500 m above sea level. Based on these
tests, it was determined that altitude has a direct effect on its performance, since the compression
value gradually decreases as the altitude increases, concluding that the cylinder pressure drops by
5%. Temperature also plays an important role in its effects. at the water inlet. The percentage
correlation between flow and flow is 1°C for every 154 meters of elevation. Similarly, airflow at
each test point was measured using a scanner built into the car to determine the effect of combined
pressure and temperature changes on engine performance. It was found that intake pressure had a
significant effect and engine performance was affected. Not operating properly in saturated or lean
conditions due to pressure fluctuations in the intake manifold.
Key words: Diagnosis, Research, Engines, Pressure, Temperature.
INTRODUCCIÓN
El trabajo de investigación mostrará el efecto de la altitud en el desempeño de motores de
combustión interna sin sistemas correctivos, en función de la presión en el ambiente. Ya que de
acuerdo a las pruebas realizadas se determinó que a medida que la altura aumenta la presión,
temperatura e ingreso del caudal de aire disminuye por ende afectando la eficiencia mecánica del
motor de combustión interna. La altitud sobre el nivel del mar tiene un efecto notable sobre la
densidad del aire y su composición (Lapuerta, Armas, Agudelo, & Sánchez, 2006). Dado que los
motores de combustión interna tienen sistemas de combustible de base volumétrica, la altitud puede
modificar su ciclo termodinámico de operación y, en consecuencia, su rendimiento, las condiciones
locales de combustión y la formación de contaminantes. Se planteó y presentó una expresión
matemática que permite calcular el incremento o decremento de la presión, temperatura y caudal
de aire necesario para evitar pérdidas de potencia con el aumento de altitud (Lapuerta et al., 2006;
Leach, Kalghatgi, Stone, & Miles, 2020).
El comportamiento de la compresión es necesario estudiar para el control de producir emisiones
más bajas conservando una eficiencia térmica alta en los motores. Por esta razón se realizó estudios
sobre estos parámetro mencionados para los motores de combustión interna encendidos por chispa
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que representan una gran proporción y ligeras mejoras en su eficiencia que dan a lugar a grandes
impactos en términos ambientales y económicos (Ağbulut & Bakir, 2019; Andara, 2019). Para
lograr este objetivo, buscamos comprender la física ambiental involucrada en la combustión a
través de diversos experimentos y seteos numéricos. Siendo esta herramienta la que nos llevará a
la investigación de datos en actual momento aprovechando la ventaja de softwares para el análisis
de datos. No obstante, el acople de las ecuaciones para la modelación estadístico que son requeridos
para realizar las simulaciones numéricas correspondientes a los parámetros de presión,
temperatura, caudal de aire y altura (Erazo Félix, 2021).
Es incuestionablemente cierto que, al igual que todos los demás tipos de MCI, el MCI se ve
afectado hasta cierto punto por los cambios en las condiciones atmosféricas. En el caso del motor
de gasolina, donde el suministro de combustible está gobernado por el flujo másico de aire,
cualquier cambio en el flujo de aire, sin importar cómo se produzca, resultará automáticamente en
un cambio en el flujo de combustible y, en estas condiciones, en un cambio en la densidad
atmosférica. tendrá una influencia más o menos directa sobre la fuerza desarrollado (Boloy,
Silveira, Tuna, Coronado, & Antunes, 2011).
La presente investigación está alineada al estudio parcial del motor en sistemas de inyección y
carburación para la observancia del comportamiento del motor en sus partes mecánicas, donde el
pistón recorre hacia el PMS y PMI en un cilindro y transmite potencia a través de una biela y un
mecanismo de manivela al eje impulsor, como se muestra en la figura 1. El giro constante de la
manivela produce un movimiento de pistón cíclico. El pistón se detiene en la posición del cigüeñal
al PMS y posición del cigüeñal al PMI cuando el volumen del cilindro es mínimo o máximo,
respectivamente. El volumen mínimo del cilindro se denomina volumen de cámara “Vc”. El
volumen barrido por el pistón, la diferencia entre el volumen máximo o total “Vt”, y el volumen
libre, se denomina volumen desplazado “Vd”. La relación entre el volumen del cilindro y el
volumen de la cámara de combustión es la relación de compresión “ℇ”. Los valores típicos de “ℇ”
es de 10:1 para este motore de encendido por chispa del presente vehículo (Pulkrabek, 2004; Stone,
1999).
La mezcla de aire y combustible antes de la combustión y los productos de combustión después de
la combustión son los caudales operativos reales. La transferencia de trabajo para proporcionar la
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potencia requerida se produce directamente entre estos flujos de trabajo y los componentes
mecánicos del motor. El funcionamiento u operación de los motores de combustión interna es
objeto de investigación sobre motores de encendido por chispa y altas relaciones potencia-peso,
dos tipos de motores que encuentran un uso generalizado en el transporte y la generación de
energía. De hecho, la combustión se produce dentro del grupo 3/4, centrándose en el efecto de los
cambios de altitud en la presión del aire sobre su comportamiento. (Elgamel, 1999).
Figura 1: Geometría básica del motor de combustión interna alternativo. Vc, Vd y Vt, indican los volúmenes de
cámara de combustión, desplazados y totales de los cilindros.
Nomenclaturas:
• PMS: Punto muerto superior
• PMI: Punto muerto inferior
• Vc: Volumen de la cámara
• Vd: Volumen desplazado
• Vt: Volumen total del cilindro
• MCI: Motor de combustión interna
La caída de la presión y la temperatura atmosférica tiene un efecto directo a la densidad del aire y
su composición química, y, en efecto, al comportamiento de toda máquina de combustión. Este
problema es más acentuado en máquinas térmicas de desplazamiento volumétrico como los
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motores de combustión interna, y dentro de ellos, aún más en los de aspiración natural (Lapuerta
et al., 2006).
La investigación de los efectos ambientales como la presión y temperatura, que complementa los
esfuerzos anteriores en inyección de combustible y presión reducida en la cámara, producirá
resultados más consistentes con operaciones en altitud que los que puede proporcionar el control
de presión por sí solo. Además, una capacidad de control de temperatura permitiría estudiar los
efectos del enfriamiento y el arranque de motores en altitud, que son problemas particularmente
relevantes para los motores de combustible pesado.
MATERIALES Y MÉTODOS
Método experimental
Las pruebas se realizaron con el vehículo a 60 m hasta los 2500 m sobre el nivel del mar con
intervalos de pruebas cada 300 msnm. En la ciudad de Quevedo “60 msnm” se realizará tres
pruebas, las pruebas se realizaron a temperatura normal de funcionamiento. A lo largo de la ruta
programada, se realizó varias pruebas, todas estas pruebas están predeterminadas realizar en
temperatura normal de funcionamiento, todas a lo largo de un mismo día. En cada prueba los
parámetros medidos comenzaron a ser registrados cuando el vehículo alcance una escala de 300
msnm hasta los 2500 msnm hasta la parroquia de Apagua, para disminuir la influencia de la acción
del viento. Cada serie de diez pruebas tardará unas tres horas en concluirse (Biernat, Samson-Bręk,
Chłopek, Owczuk, & Matuszewska, 2021).
En la investigación se utilizará un diseño experimental para enfocar el comportamiento del motor
de combustión y ejecutar una orden para luego connotar los resultados. También se menciona que
se realizarán pruebas mecánicas de eficiencia a diferentes alturas y presiones barométricas para ver
la reacción resultante en los vehículos. La esencia de esta concepción de experimento es la
manipulación intencional de una acción para analizar sus posibles resultados (Doorman, 1991;
Fernández & García, 2017; Hernández-Sampieri, Fernández Collado, & Baptista Lucio, 2018).
Para esta investigación se usó herramientas de diagnóstico electrónico, mecánicos y vehículos
como:
• Vehículo a carburador
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• Vehículo a inyección electrónica
• Compresómetros
• Transductor de presión
• Acoples
• Scanner
• Osciloscopio
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En esta sección se aprecia los resultados obtenidos en la cual se observará el detalle de cambios en
los valores de compresión.
Para dar continuación al criterio de incidencia de alturas y temperaturas se arma el siguiente cuadro
de comparación entre lo mencionado:
Tabla 1: Datos comparativos relacionados a la presión barométrica vs la temperatura ambiente
Altitud snm
m
Presión
PSI
Temperatura
°C
0
14,69
30,00
300
13,84
28,05
600
13,02
26,10
900
12,26
24,16
1200
11,53
22,21
1500
10,82
20,26
1800
10,17
18,31
2100
9,53
16,36
2400
8,93
14,42
2700
8,37
12,47
3000
7,83
10,52
De acuerdo con la investigación la condición climática, se ha determinado usar la temperatura
ambiental inicial de 30°C, el cual irá disminuyendo un valor de 1°C por cada 154 m de altura, por
lo que para el inicio de pruebas seteadas para la ciudad de Quevedo que se encuentra a 60 msnm
es de 29,61 °C mostrada en la tabla 1, mostrando la temperatura a 0 msnm con el valor de 30 °C,
ya que este valor será determinante para verificar el proceso de cambio de presiones en el cilindro
del vehículo.
Una vez comentado los valores iniciales investigados se da paso al siguiente proceso de medición
de pulsos de compresión y lecturas por manómetros.
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En la siguiente gráfica se observa el valor medido por medio de un compresómetro:
Figura 2: Lectura en el compresómetro de 132 psi a 300 msnm
La lectura dada por el compresómetro es de 132 psi aproximadamente a una altura de 300 msnm y
que de igual manera se corrobora por medio del uso del transductor con un valor de 140 psi
promedio mostrado en la figura 3.
Figura 3: Lectura de una presión en función de la conversión voltaica promedio en 140 psi a 300 msnm
Análisis estadístico de compresión en el motor según variación de altura y temperatura
Tabla 2: Datos experimentales obtenidos para el análisis estadístico
Altura
msnm
m
Compresión
PSI
132
120
115
110
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Modelo de regresión simple - Compresión vs. Altura
Selección de variable dependiente: Compresión
Selección de variable independiente: Altura
Ecuación propuesta: Y = exp(a + b*sqrt(X))
Tabla 3: Cuadro de coeficientes de variables experimentales
Mínimos Cuadrados
Estándar
Estadístico
Parámetro
Estimado
Error
T
Valor-P
Intercepto
5,15916
0,166147
31,0518
0,0000
Pendiente
-0,0136154
0,0049694
-2,73986
0,0519
NOTA: intercepto = ln(a)
Tabla 4: Análisis de varianza
Fuente
Suma de Cuadrados
Gl
Cuadrado Medio
Razón-F
Valor-P
Modelo
0,0714745
1
0,0714745
7,51
0,0519
Residuo
0,0380851
4
0,00952127
Total (Corr.)
0,10956
5
• Coeficiente de correlación = -0,807701
• R estadístico cuadrado = 65,238%
• R estadístico cuadrado (ajustado para grados de libertad) = 56,5475%
• Error estándar del análisis de datos = 0,097577
• Estadístico del error absoluto medio = 0,0621606
• Estadístico Durbin-Watson = 2,09766 (P=0,3143)
A continuación, presenta los resultados de un modelo logarítmico-Y de raíz cuadrada-X que se
utilizó para analizar la relación entre la compresión y la altura. Se propuso una ecuación para ajustar
el modelo que se muestra:
 
El análisis estadístico indica que no hay una relación significativa entre la compresión y la altura
en las pruebas de ingreso de aire en un vehículo de inyección, ya que el valor de P en la tabla
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ANOVA es mayor o igual a 0,05. Además, el modelo ajustado explica el 65,238% de la variabilidad
del tiempo de compresión y hay un grado moderado de correlación entre las variables, como se
indica por el coeficiente de correlación de -0,807701. El error estándar de la estimación muestra
que la desviación estándar de los residuos es 0,097577.
Figura 4: Gráfica del modelo ajustado
El estadístico del error absoluto medio (MAE) de 0,0621606 es la media de los residuos de los
análisis de datos. La estadística de Durbin-Watson (DW) se utiliza para examinar los residuos y
determinar si existe una correlación significativa según el orden en que aparecen en el archivo de
datos del análisis de datos.
Figura 5: Gráfica de residuos de los datos experimentales
Pruebas de ingreso de aire en un vehículo de inyección electrónica con el uso de scanner
automotriz
El objetivo de esta prueba es demostrar la variación de ingreso de aire por el múltiple de admisión
a la garganta del cuerpo de aceleración, el cual se realizó haciendo uso de un scanner automotriz
Gráfico del Modelo Ajustado
Compresión = exp(5,15916 - 0,0136154*sqrt(Altura))
0300 600 900 1200 1500 1800
Altura
85
95
105
115
125
135
Compresión
Gráfico de Residuos
Compresión = exp(5,15916 - 0,0136154*sqrt(Altura))
0300 600 900 1200 1500 1800
Altura
-7,5
-4,5
-1,5
1,5
4,5
7,5
Rediduo Estudentizado
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thinkdiag, las pruebas de igual forma se hicieron en una escala de alturas de 200 metros por lo que
se muestran los siguientes resultados.
Pruebas de ingreso de aire a diferentes alturas contrastadas según variación de presiones
atmosféricas en el vehículo Chevrolet Suzuki Gran Vitara 5P.
Tabla 5: Resumen de parámetros encontrados según datos arrojados por el scanner automotriz thinkdiag
Altura snm
m
RPM
Caudal
de aire
g/s
Temperatura
del aire
°C
60
894,75
3,13
39
200
842,79
3,13
33
400
858,35
4,3
29
600
770,51
2,71
33
800
790,09
2,74
27
1000
750,18
2,57
32
1500
760,72
2,53
34
1700
734,37
2,32
31
1900
760,72
2,38
39
2100
776,28
2,43
38
2300
736,38
2,35
37
2500
745,36
2,28
35
De acuerdo a resultados encontrados se aprecia como el ingreso de aire a la garganta del cuerpo de
aceleración se ve disminuida pronunciadamente razón la cual analizaremos por medio del uso del
software statgraphics la varianza estadística y a la vez proponer una función de regresión al que se
haga el uso de todas estas variables para hallar el caudal de aire.
Regresión Múltiple - Caudal de aire
Variable dependiente: Caudal de aire (g/s)
Variables independientes:
• Altura (msnm)
• Revoluciones (RPM)
• Temperatura del aire (°C)
Tabla 6: Constantes de varianzas para los parámetros de control seleccionadas
Error
Estadístico
Parámetro
Estimación
Estándar
T
Valor-P
CONSTANTE
-3,45358
2,55159
-1,3535
0,2129
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Altura
0,000143482
0,000225069
0,637502
0,5416
Revoluciones
0,010545
0,00342072
3,08269
0,0151
Temperatura del aire
-0,0667993
0,0299292
-2,23191
0,0561
Tabla 7: Análisis de Varianza para ingreso de caudal de aire
Datos
Suma de
Cuadrados
G.l.
Cuadrado
medio
Razón-F
Valor-P
Modelo
2,81953
3
0,939842
9,92
0,0045
Residuo
0,757965
8
0,0947456
Total
(Corr.)
3,57749
11
• R-cuadrada = 78,8129 porciento
• R-cuadrado (ajustado para g.l.) = 70,8678%
• Error estándar del est. = 0,307808
• Error absoluto medio = 0,197984
• Estadístico Durbin-Watson = 2,24997 (P=0,5022)
• Autocorrelación de residuos en retraso 1 = -0,182138
La salida de resultados del análisis estadístico presenta los resultados de un modelo de regresión
lineal múltiple que se utilizó para describir la relación entre el caudal de aire y tres variables
independientes. Se propuso una ecuación para ajustar el modelo que se muestra a continuación.
   
   
El valor-P de uno de los parámetros estadísticos más notables en la tabla ANOVA es menor que
0,05, lo que indica que hay una relación estadísticamente muy significativa entre las variables
independientes y dependientes con un nivel de confianza del 95,0% de los análisis de datos. El
estadístico R cuadrado muestra que el modelo ajustado explica el 78,8129% de la variación del
flujo de aire. El estadístico R cuadrado ajustado es 70,8678%, que es mejor para comparar modelos
con diferentes números de variables independientes. El error estándar de la estimación muestra que
la desviación estándar de los residuos es 0,307808, lo que se puede utilizar para construir límites
para nuevas observaciones.
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Figura 6: Correlación de concentración de aire según revolución del motor y altura de la zona encontrada en el cual
la temperatura por el análisis del modelo estadístico se ajustó en 33.91 °C
CONCLUSIONES
En el funcionamiento normal de los motores de combustión interna se generan ondas de pulso de
presión en varios sistemas. Todos los motores producen tales ondas y su forma es predecible. Todos
los motores producen un patrón predecible de estos pulsos, por lo que cualquier cambio en la forma
o apariencia de asimetría de estos pulsos indica un problema con el motor.
Para visualizar la forma de la señal de salida del sensor de pulso de presión, su parte eléctrica está
conectada a un osciloscopio en la cual la pantalla mostrará en tiempo real el trabajo de válvulas,
cilindros e inyectores, y mediante la sincronización con el primer cilindro se puede determinar qué
cilindros tienen un problema por su rendimiento. Por lo que el técnico de automóviles puede hacer
un diagnóstico rápido y preciso del estado real del motor.
El sensor de pulso de presión no necesita fuente de alimentación externa adicional y se puede
utilizar con la mayoría de los osciloscopios de almacenamiento digital modernos ya que ayudará a
detectar fallas como válvulas quemadas, inyectores defectuosos y otros problemas de rendimiento
sin un desmontaje importante del motor.
Los cambios de parámetros ambientales provocaron cambios tales como el ingreso del caudal de
aire y la compresión en el cilindro del vehículo mostrando de esta manera la efectividad de la
investigación al relacionar tanto teórico como práctico.
TRABAJOS FUTUROS
Esta investigación se recomienda para futuros trabajos de investigación y para que la comunidad
educativa y/o profesional establezca nuevos recursos, tanto teóricos como prácticos.
Gráfica de Clasificación
Temperatura del aire=33,9167
0 500 1000 1500 2000 2500
Altura
730
760
790
820
850
880
910
Revoluciones
Caudal de aire
2,28
2,32
2,35
2,38
2,43
2,53
2,57
2,71
2,74
3,13
4,3
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REFERENCIAS
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