M.C.

Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

UNIVERSIDAD AUTNOMA CHAPINGO

DEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNUCA AGRCOLA

ASIGNATURA: MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA

GUA PARA EL CLCULO DEL SISTEMAS DE

ENFRIAMIENTO DE LOS MOTORES DE
COMBUSTIN INTERNA

Autor:
Jos Ramn Soca Cabrera
Mxico, 2015

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

NDICE
INTRODUCCIN
1. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LQUIDO

Pg.
3
4

1.1 Esquema principal del sistema.

1.2 Clculo trmico del radiador

1.3 Clculo de la bomba de agua

11

1.4 Clculo del ventilador

14

2. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR AIRE

17

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

INTRODUCCIN
La tendencia mundial en el incremento de la potencia de los motores de
combustin interna da lugar al crecimiento en la cantidad de calor que se
transfiere al sistema de enfriamiento de los motores.
La eficiencia del sistema de refrigeracin por lquido se eleva con el aumento
de la circulacin del lquido, su temperatura mxima y por la cantidad de calor
disipado en el radiador por la unidad de rea del mismo. La eficiencia se mide
por la potencia que se utiliza para accionar la bomba y el ventilador,
principalmente, as como por ndices dimensionales y msicos.
La eficiencia del sistema de refrigeracin por aire se evala por la uniformidad
de la temperatura de trabajo en las paredes de los cilindros y la cabeza, tanto
en direccin radial como longitudinal, as como por el consumo de potencia
para accionar los ventiladores y sus dimensiones exteriores.
Los principales parmetros de diseo del sistema se establecen para el
rgimen ms peligroso, cuando el vehculo se mueve entre 12 y 15 m/s y a
elevadas temperaturas del medio ambiente (de 40 a 50 0C.
Se plantea en la literatura especializada que alrededor del 95% de los
vehculos trabajan sobreenfriados ms del 90% del tiempo, por ello es
fundamental que los motores utilicen el termostato y otros dispositivos
automticos que permiten la adecuada temperatura de trabajo, segn indique
cada fabricante.
La presente gua establece la metodologa de clculo de los parmetros
principales del sistema de enfriamiento de los motores y tiene como objetivo
fundamental interrelacionar los elementos del diseo con los indicadores
tcnicoexplotativos de esta fuente de energa.

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

1. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LQUIDO.

1.1 Esquema principal del sistema.
El trabajo extraclase sobre el sistema de enfriamiento comienza con el dibujo
del sistema o su esquema fundamental a partir del motor prototipo.
En la figura 1 se muestra un esquema del sistema de enfriamiento por lquido
bajo el principio de conveccin o termosifn.

Fig. 1 Sistema de enfriamiento por conveccin o termosifn.

1-Radiador, 2- Ventilador; 4- Tanque o depsito superior; 5- Tapa del radiador; 6- tubo de
desahogo de vapores (sistema no presurizado); 7- Conducto de entrada de lquido al radiador;
9- Sentido de circulacin del lquido refrigerante; 10- Conducto de salida del lquido del
radiador; 11- Depsito o tanque inferior; 12- Vlvula de drenaje.

En la figura 2 se presenta la estructura de un sistema de enfriamiento por

lquido forzado no presurizado.
En la figura 3 se presenta el sistema de refrigeracin por lquido forzado en una
vista del corte transversal.
En la figura 4 se presenta un sistema presurizado con depsito compensador
de los vapores del lquido con radiador de circulacin horizontal (transversal).
En el esquema que se dibuje se debe sealar todas las partes que lo
componen, incluyendo mangueras, conductos y otros elementos componentes,
explicndose la finalidad o funcin de cada uno. Se debe sealar su tipo
(presurizado o atmosfrico), de circulacin forzada o por termosifn y
distribucin de los flujos del lquido, describiendo las zonas con circulacin
forzada y por termosifn. Adems se debe realizar una breve descripcin de
sus elementos del sistema (ejemplo: en el radiador se debe describir tipo de
aletas y tubos; tipo de bomba de agua, entre otros).

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

Fig. 2 Sistema de enfriamiento forzado por lquido no presurizado

1-Radiador; 2- Ventilador; 13- Tubo de desahogo de vapores; 14- Termostato; 15- Indicador de
temperatura del lquido refrigerante (sensor de temperatura); 16- Sentido de circulacin del
lquido; 17- Bomba de agua; 18- Conducto para el circuito corto (cuando el termostato est
cerrado).

Fig. 4 Sistema de enfriamiento presurizado con radiador de circulacin transversal

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

Mediante el empleo de colores se debe mostrar los circuitos cortos y largos del
lquido.
Despus de la elaboracin del esquema principal correspondiente al motor
prototipo se procede al clculo de los elementos principales: radiador y bomba
de agua.

1.2 Clculo trmico del radiador.

a) Cantidad de calor transferida al lquido de enfriamiento por unidad de
tiempo, Qa.
La cantidad de calor Qa se determina por la siguiente ecuacin:

Donde
Prdidas especficas de calor a travs del lquido de enfriamiento;
2 a 0.25 para motores de encendido por chispa con vlvulas en
cabeza;
25 a 0.3 para motores de encendido por chispa con vlvulas en L;
18 a 0.35 para motores a Disel (valores menores para motores con
cmaras de combustin no separadas y los valores mayores a motores con
cmaras de turbulencia).
Qt Cantidad de calor que se introduce al motor producto de la combustin del
combustible, en la unidad de tiempo, en kJ/s.
La cantidad de calor Qt se calcula por la siguiente ecuacin:

Donde
- Calor de combustin inferior del combustible,
para quema de gasolina y GLP;

.
para

quema combustible Disel.

- Consumo de combustible horario,

Este valor se escoge del prototipo.

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

En caso de no disponerse de los valores del consumo horario

utilizar la siguiente ecuacin para determinarlo:

, se puede

Donde
- Potencia efectiva para el rgimen de clculo, kW;
- Consumo especfico efectivo de combustible del motor para el rgimen de
clculo,

El consumo especfico efectivo de combustible se escoge del clculo trmico y

se determina por la ecuacin siguiente:

Donde
- Densidad de la carga fresca, kg/m3;
- Coeficiente de llenado de carga fresca o rendimiento volumtrico;
- Cantidad de aire terica para la combustin completa de 1 kg de
combustible, kg;
- Coeficiente de exceso de aire o coeficiente lambda;
Presin media efectiva, MPa.
Todos los datos anteriores se toman del clculo trmico de su motor.
Con carcter orientador, segn datos estadsticos, algunos parmetros se
encuentran en los rangos que aparecen en el cuadro 1.
Cuadro 1. Rangos de algunos parmetros efectivos.

Motores

Pe,

MPa
Encendido por
chispa de 4
tiempos
Disel de 4
tiempos
GLP (a gas)
Disel de 4
tiempos
sobrealimentados
Disel de 2
tiempos

g/(kW h)

0.6 0.95

0.7 0.85

0.25 0.33

300 325

0.55 0.85

0.7 0.82

0.35 0.40

190 238

0.5 0.75
0.7 2.0

0.75 0.85
0.8 0.9

0.23 0.28

0.4 0.75

0.7 0.85

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

b) Incremento medio de temperatura en el radiador,

El incremento se determina por medio de:

Donde
Temperatura media del lquido en el radiador,
;
- para sistemas presurizados;
- para sistemas atmosfricos.
Diferencia de temperatura entre el lquido que sale y entra al motor;
Temperatura media del aire en el radiador;

Donde
= 50

- Temperatura de clculo del aire ambiente alrededor del motor;

Caldeo del aire en el radiador de aceite. Si este se encuentra

delante del radiador del lquido refrigerante:

Diferencia entre la temperatura del aire a la entrada y salida del
radiador.
La diferencia

se determina por la ecuacin siguiente:

Donde
rea frontal del radiador,

; se escoge entre los valores siguientes:

- para motores de encendido por chispa;

- para motores de encendido por Compresin.
8

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

Gasto (de masa) de aire a travs de la superficie frontal del

radiador,

Donde
Wa Velocidad tangencial del aire en el radiador, m/s;
Densidad del aire (ver tabla No. 2).
- Capacidad calorfica del aire (calor especfico);

Si el clculo es correcto se comprueba por la siguiente condicin:

En caso que

salga fuera del rango establecido se debe recalcular el

radiador con nuevos valores.

c) Superficie de enfriamiento del radiador, F enf

En la figura 5 se muestra dos de las dimensiones principales de un radiador, la
superficie o rea frontal (Ffr) y el ancho o profundidad (l).

Fig. 5 rea frontal Ffr y ancho l de un radiador.

La superficie de enfriamiento F enf se determina por la ecuacin:

9

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

Donde
=1.1 a 1.15 Coeficiente de seguridad que tiene en cuenta el posible
empeoramiento de la transferencia de calor, debido a depsitos de sales y
suciedad en las superficies exteriores de transferencia de calor durante la
explotacin del motor,
- Coeficiente de transferencia del calor del radiador. Su valor depende de la
construccin de las aletas del radiador y la velocidad de desplazamiento del
aire, Wa y del lquido, Wl.
0.093 - 0.100

para radiadores de tubos y aletas planas;

0.100 - 0.110

para radiadores de tubos y cintas plegadas;

0.119 - 0.130

para radiadores de cintas plegadas.

Para comprobar el clculo realizado de Fenf se usa el mtodo de comparacin

con datos estadsticos de radiadores de construccin anlogos:

- para motores de encendido por chispa de autos.

- para motores de encendido por chispa de
camiones.
- para motores Disel.
La potencia Ne es la nominal del motor (del clculo trmico) y se expresa en
kW.

d) Ancho o profundidad del radiador, l

El ancho de un radiador se determina por la ecuacin siguiente:

Donde:
10

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

Coeficiente de cubrimiento del radiador.

= 600 a 930 m2/m3 para motores de encendido por chispa;
= 370 a 630 m2/m3 para motores a Diesel.

1.3

Clculo de la bomba de agua

Este clculo se limita a la seleccin de las dimensiones de la bomba, mediante

la determinacin de su velocidad de rotacin; y al clculo de la potencia
necesaria para su accionamiento.
a) Gasto volumtrico de la bomba, Gab
El gasto volumtrico de la bomba se determina por la ecuacin siguiente:

Donde
= 0.7 a 0.85 Coeficiente que tiene en cuenta las prdidas de gasto debido a
fugas en la lnea de descarga y de succin (rendimiento volumtrico de la
bomba).
- Gasto volumtrico terico de lquido en el sistema;
El gasto volumtrico de lquido se determina por la ecuacin:

Donde
= Calor especfico del lquido refrigerante;
- Densidad del lquido refrigerante;
= 8 a 10

- Diferencia de temperatura del lquido en el circuito del radiador.

Algunas caractersticas termofsicas de las sustancias refrigerantes ms

usadas se muestran en el cuadro 2.

De datos estadsticos se selecciona el dimetro del orificio de succin del

rotor (d1) y la velocidad del lquido a la entrada de la bomba (C 1).
D1 = 34 a 67 mm

C1 = 2.0 a 3.5 m/s;

11

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

Cuadro 2. Caractersticas de sustancias refrigerantes.

Sustancias

Temperatura
normal de
ebullicin,

Temperatura
de
solidificacin,

Propiedades termofsicas para t = 100 C

,
kg/m3

m /s

W/(m

Agua

100

958.4

kJ/(kg
4.224

Aire

193

213

0.946

1.009

23.13

3.21

Anticongelante

102 a 197.2

-65 a -40

901.54

2.093

0.8

26.75

0.295

68.4

En la figura 6 se muestran algunos parmetros de las bombas centrfugas de

paletas.

Fig. 6 Esquema de la rueda motriz (rotor) (a) y de la derivacin espiral (b) de una bomba
centrfuga para lquido.

Dimetro del cubo del rotor (tubo de admisin) de la bomba (D o)

Dimetro de la carcasa o casquillo de la bomba (d cas)

Velocidad tangencial de salida del lquido de enfriamiento del motor (V2)

12

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

Donde
- ngulos que dependen del perfil de las aletas; se pueden asumir los
siguientes valores:
= 8 a 120
y
35 a 500;
-2

MN/m2 Presin de descarga de la bomba;

- Eficiencia o rendimiento hidrulico de la bomba.

Al seleccionar estos parmetros se debe recordar que al aumentar el ngulo
, aumenta la carga de la bomba, sin embargo disminuye su eficiencia
hidrulica.
De datos estadsticos se selecciona el dimetro del rotor (D2)
D2 = 62 a 105 mm;

Velocidad de rotacin necesaria del eje de la bomba en el rgimen de

clculo nominal (nb. nom)

Donde D2 est dado en m.

Relacin de transmisin de la bomba (i)

Donde
n Frecuencia de rotacin nominal del motor.

Cantidad de aletas de la bomba (Z)

;

Ancho de las aletas en la entrada (b1)

13

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

Donde

- Espesor de la aleta a la entrada.

Ancho de la aleta a la salida (b2)

Donde
2=

0.004 a 0.025 m - Espesor de la aleta a la salida.

Potencia utilizada para el accionamiento de la bomba (Nb)

Donde:
=0.7 a 0.9 Rendimiento mecnico de la bomba.
Para comprobar el clculo se utiliza el siguiente criterio:
Nb = (0.5 a 1 %) Ne nom.
En caso de no encontrarse entre estos lmites se deben elegir nuevos
parmetros y recalcular.

1.4 Clculo del ventilador

En los vehculos automotores es frecuente utilizar ventiladores axiales para
asegurar el paso del aire a travs del radiador, ventilando de esta forma al
motor y sus accesorios sin variar la direccin del flujo de aire.
La potencia que se utiliza en accionar el ventilador es proporcional a su
frecuencia de rotacin al cubo. Por lo anterior y adems para que no se
sobrenfre el motor cuando trabaja con bajas cargas, entre otros factores,
muchos diseos consideran la posibilidad de desconectarse de manera
mecnica, hidrulica o electromagntica automticamente.
En el cuadro 3 y la figura 7 se presentan algunos parmetros caractersticos
de los ventiladores axiales para vehculos automotrices.

14

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

Fig. 7 Parmetros caractersticos de los ventiladores

Cuadro 3. Parmetros caractersticos de los ventiladores axiales para autos.

Parmetro
Cantidad de paletas
Dimetro de las paletas, Dp; m
Ancho de las paletas, a lo largo de la cuerda; mm
Dimetro del cubo Dc; mm
Velocidad circunferencial mxima; m/s
ngulo de ataque ptimo para las paetas, grados:
Planas:
Convexas:
Espesor de las hojas del ventilador; mm

Valores
47
0.25 0.65
40 70
(0.3 0.6) Dp
Hasta 100
40 45
38
1.2 1.6

a) Caudal de los ventiladores, Gvent.

El caudal de los ventiladores es proporcional a la frecuencia de rotacin y se
determina por la ecuacin:

Donde
- rea frontal del ventilador, m2;
- Velocidad del flujo de aire en la seccin delantera del ventilador, m/s.
15

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

Las resistencias aerodinmicas que se oponen al paso del aire dependen de:
Las que surgen en la entrada del aire en la caja del ventilador;
Las que oponen el radiador y las persianas (si tienen);
Las que surgen durante la circulacin del aire a travs del motor y sus
accesorios y su salida del motor.

b) Dimetro del ventilador, Dp

El dimetro del ventilador se elige de manera que el coeficiente de soplado sea
igual a la unidad. Para que se cumpla lo anterior el rea frontal del radiador
debe ser igual al rea barrida por las paletas, entonces el dimetro del
ventilador se determina por la ecuacin siguiente:

c) Frecuencia de rotacin del ventilador, nvent

La frecuencia de rotacin del ventilador se puede determinar utilizando la
ecuacin siguiente:

Donde
- Velocidad circunferencial, m/s.
d) Velocidad circunferencial, u
Esta velocidad depende depende de la presin y otros parmetros
constructivos y se puede calcular por la ecuacin:

Donde
- Coeficiente de forma de las paletas; para paletas planas:
para curvadas:

2.8 3.5;

2.2 2.9;

Resistencia de paso al recorrido del aire, la cual es proporcional al

cuadrado de la frecuencia de rotacin, N/m2; Para los motores de encendido
16

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

por chispa:

, para tractores y camiones Disel:

En el caso de los sistemas de refrigeracin por aire, la resistencia de paso al

recorrido del aire depende de la cantidad, estructura y disposicin de las aletas,
de la distancia entre ejes de los cilindros y del diseo de los deflectores. Sus
valores son los siguientes, en kN/m2:
Para motores de encendido por chispa: hasta 1.5;
Para motores Disel con cmara de inyeccin directa: 1.0 1.8;
Para motores Disel con cmara de combustin separada: 1.5 2.4

e) Potencia consumida por el accionamiento del ventilador, Nvent.

La potencia se determina por la siguiente ecuacin:

Donde
- Rendimiento del ventilador; para ventiladores axiales:

0.32

0.40 (valores ms bajos para los plsticos); para ventiladores fundidos:

0.55 0.65.
Para comprobar los clculos efectuados se utiliza la siguiente condicin:

Donde
- Potencia nominal efectiva del motor, W.
2. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR AIRE
El esquema principal del sistema de enfriamiento por aire es ms simple que el
por lquido. En la figura 7 se muestran varios de ellos.

17

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

Fig. 7 Sistema de enfriamiento por aire.

Al describir el esquema fundamental del sistema de enfriamiento por aire, en la

memoria de clculo se debe:
a) Sealar todos los elementos del sistema y explicar brevemente sus
caractersticas.
b) Destacar si el ventilador trabaja a tiro forzado o inducido, refiriendo las
ventajas y desventajas del sistema seleccionado.
c) Describir el sistema de regulacin de temperatura.
d) Sealar la presencia de aletas de enfriamiento en los diferentes
elementos del motor.
Habitualmente las aletas de enfriamiento de la cabeza y el monobloque o
bloque de cilindros se disean orientndose por datos estadsticos. En la figura
8 y el cuadro 4 se muestran algunos parmetros con sus valores.

Fig. 8 Parmetros principales de las aletas para sistemas de enfriamiento por aire

18

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

Cuadro 4. Valores de los parmetros principales de las aletas.

Dimensiones
de las aletas,
HIERRO FUNDIDO
ALEACIN DE ALUMINIO
mm
ALETAS DE
ALETAS DE
ALETAS DE
ALETAS DE
LOS
LAS CABEZAS
LOS
LAS CABEZAS
CILINDROS
CILINDROS
h
14 a 30
15 a 50
15 a 35
15 a 75
S

6 a 12

6 a 12

3.5 a 8

3.5 a 8

4a8

4a8

2a6

2a6

2a4

2a4

1.5 a 2.5

1.5 a 2.5

La superficie total de enfriamiento se debe encontrar entre los siguientes

lmites:
Fenf = (600 a 750) Ne; cm2 para motores de encendido por chispa;
Fenf = (600 a 750) Ne; cm2 para motores Disel.

Bibliografa
1. Carcajosa, S. M. (2005). Ingeniera de Vehculos. Sistemas y Clculos. 4 ed.
D.F. Mxico: Ed. Alfaomega. En: http://www.tebarflores.com/ingenieria-devehiculos-sistemas-y-calculos-4-ordf-ed-/36/15
2. Cartek Autopartes. (2015). Catlogo de Bombas de agua y fan clutch.
http://www.cartek.com.mx/files/catalogoprincipal/bomba_agua_fan_2014_2015_1416964580.pdf
3. Cartek
Autopartes.
(2015).
Catlogo
rpido
de
ventiladores.
http://www.cartek.com.mx/files/catalogoprincipal/Catalogo%20Aspas%20ventilador%20CARTEK_1399142199.pdf
4. Giacosa, D. (1980). Motores Endotrmicos. Tercera Edicin, Madrid, Espaa:
Ed. Dossat, S. A. http://librosdelpobre.blogspot.mx/2014/09/motoresendotermicos-dante-giacosa.html
5. Gurvich, A. M. y Sorokin, E. M. (1978). Tractores y Automviles. Tomos 1 y
2, Ed: Mir, Mosc.
https://books.google.com.mx/books/about/Tractores_y_autom%C3%B3viles.ht
ml?id=hb0KcgAACAAJ&redir_esc=y
6. Jovaj, M. S. (1982). Motores de Automvil. Mosc: Ed. Mir.
http://mx.casadellibro.com/libro-motores-deautomovil/9789999040570/359981
7. Lukanin, V. N. (1988). Motores de Combustin Interna. Mosc: Ed. Mir.
http://www.casadellibro.com/libro-motores-de-combustioninterna/9785035150005/426625
8. Radiadores Automotrices S.A. de C.V. (RASA). (2014). Catlogo 2014. En:
http://www.mayasa.com.mx/descargas/catalogos/rasa/catalogo_rasa_201
4.pdf
9. Radiadores Olimpia. Catlogo (2015). http://www.radiadoresolimpica.com/
10. Soca, C. J. R. (1994). Motores del automvil. Mxico: Ed. UACh, Mxico.

19

M.C. Jos Ramn Soca Cabrera

11.

Gua Clculo del Sistema de Enfriamiento de Motores de Combustin Interna

Vsorov, B. A. M. (1986). Manual de Motores Disel para Tractores. Mosc:

Ed. Mir. En: http://mx.casadellibro.com/libro-manual-de-motores-diesel-paratractores/9789999021753/229288

20