INGENIERÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES, MAYO, 10, PRIMAVERA 2026
1
Práctica 1: Análisis de Sistema Térmico y
Emisiones de un Automóvil
R. A. Santana-Gómez, D. Meléndez-Muñoz, M. Corrales-Martı́nez, A. P. Montoya-Domı́nguez
Resumen—Esta práctica presenta la caracterización experimental del comportamiento térmico y la evaluación de emisiones
contaminantes en un automóvil compacto (Volkswagen Beetle).
A través de un enfoque mixto, se monitoreó la evolución de la
temperatura en siete componentes crı́ticos del sistema térmico
del automóvil –incluyendo el motor de combustión interna,
alternador, radiador y sistema de escape– con uso de una cámara
termográfica en intervalos de 0 a 20 minutos. Simultáneamente,
se cuantificaron las emisiones de gases empleando un analizador
de gases en condiciones de ralentı́. Los resultados estadı́sticos
revelaron una alta correlación lineal (R2 ≥ 0.855) en los componentes del sistema acoplado, destacando al alternador como el
elemento de mayor estabilidad predictiva y a la pared de fuego
como el punto de mayor absorción térmica (99.70 ◦ C). El análisis
de gases arrojó un factor lambda de 0.997 y niveles reducidos de
contaminantes (CO: 0.01 %, HC: 65 ppm), cumpliendo con los
estándares de la NOM-167-SEMARNAT-2017. Se concluye que
la eficiencia del sistema depende de la sinergia térmica entre
componentes, donde los mecanismos de transferencia de calor
y las propiedades termofı́sicas de los materiales aseguran una
gestión térmica óptima del vehı́culo.
Interpretar los resultados obtenidos con base en los
mecanismos de transferencia de calor y los principios
del proceso de combustión en motores de combustión
interna
Identificar y seleccionar los componentes relevantes del
sistema térmico del automóvil susceptibles de medición
experimental.
Medir la temperatura de los componentes seleccionados
utilizando una cámara termográfica, en intervalos de
tiempo definidos (0, 5, 10 y 15 minutos) durante la
operación del motor.
Cuantificar las emisiones de gases de escape mediante un
analizador de gases, en los mismos intervalos de tiempo
de operación.
Analizar la evolución temporal de las temperaturas y
emisiones mediante la representación gráfica de los datos
experimentales.
II. I NTRODUCCI ÓN
A ingenierı́a automotriz enfrenta retos en la mejora de
la eficiencia de combustible, eficiencia térmica en sus
componentes internos y en la reducción de emisiones, lo cual a
su vez representa un esfuerzo para alcanzar metas ambientales
[1], [2]. La gestión térmica (GT) en un automóvil busca
la temperatura óptima del motor en todas sus condiciones
de servicio, la calefacción, climatización y la refrigeración
del sistema visto como una unidad [3]. En consecuencia, la
GT implica la mejora en la seguridad y comodidad de los
pasajeros, reducción del desgaste térmico de los componentes
del motor, diseño de requerimientos eficientes de energı́a y
emisiones [4].
En análisis térmico (AT) de un automóvil involucra el
análisis de sus componentes individuales. De manera general, los componentes considerados en el sistema de manejo
térmico (SMT) del automóvil son los siguientes: circuito de
enfriamiento del motor, circuito de aire acondicionado, circuito
de intercooler turboalimentado, circuito de lubricación del
motor, circuito de admisión y escape, intercambiadores de
calor (radiador, condensador, intercooler y enfriador de aceite)
y las fronteras del motor (pared de fuego) [1]. La interacción
entre los componentes del motor (motor, alternador, y filtro de
aceite) junto con los intercambiadores de calor conforman un
sistema acoplado [1]. Por lo tanto, un AT en un SMT acoplado representa un enfoque holı́stico para un manejo térmico
eficiente del vehı́culo, donde se reconoce la interconexión
entre los diferentes sistemas termodinámicos y su estructura,
ası́ como su impacto individual y conjunto en el rendimiento
general del vehı́culo [1].
Los elementos sometidos al análisis térmico (AT) en la
presente práctica son: motor de combustión interna (MCI),
alternador, radiador, depósito de anticongelante (DA), filtro
de aceite (FA), pared de fuego (PF) y escape (tubo). Con
base en lo anterior, la finalidad de esta práctica es aplicar los
conceptos de los mecanismos de transferencia de calor (MTC)
(conducción, convección y radiación) mediante un AT para un
automóvil y realizar un estimativo de la eficiencia térmica y
de emisiones del mismo.
Los autores pertenecen a la Facultad de Ciencias de la Electrónica,
Colegio de Ingenierı́a en Energı́as Renovables, de la Benemérita Universidad
Autónoma de Puebla, Puebla, México.
Correo electrónico de contacto: sg202356560@alm.buap.mx.
III. M ARCO T E ÓRICO
La transferencia de calor es la herramienta esencial para determinar la velocidad de intercambio de energı́a y la
Palabras clave—Gestión térmica automotriz, transferencia de
calor, termografı́a infrarroja, emisiones contaminantes, factor
lambda, análisis estadı́stico, NOM-167-SEMARNAT-2017.
I.
I-A.
O BJETIVOS
General
Caracterizar el comportamiento térmico de componentes
clave del sistema automotriz y evaluar las emisiones de
gases de un automóvil compacto, mediante mediciones
experimentales en función del tiempo de operación del
motor.
I-B.
Especı́ficos
L
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2
Nomenclatura
AdG
AG
AT
CAMTE
CI
CO2
COVs
DA
FA
GT
HC
IER
Análisis de Gases
Analizador de Gases
Análisis Térmico
Cámara Termográfica
Combustión Interna
Dióxido de Carbono
Compuestos Orgánicos Volátiles
Depósito de Anticongelante
Filtro de Aceite
Gestión Térmica
Hidrocarburos
Ingenierı́a en Energı́as Renovables
MCI
MTC
N2
NO
NO×
OBD-II
PF
PM
SMT
STA
TC
distribución de temperaturas en un sistema [5]. Por esto, en
primer lugar, se explica de manera breve los tres MTCs, que
servirá para la compresión de la operación de los componentes
internos del automóvil.
III-A.
Mecanismos de Transferencia de Calor
III-A1. Conducción: Predominante en sólidos [5] como
el bloque del motor y la pared de fuego. La ecuación que
gobierna este mecanismo está dada por la Ley de Fourier (para
el caso unidimensional):
dT
(1)
dx
donde k es la conductividad térmica del material, A es área
de la TC y dT /dx es el gradiente de temperatura [5].
III-A2. Convección: Crucial en el radiador y el depósito
de anticongelante, donde el refrigerante y el aire disipan la
energı́a térmica [5]. La ecuación que gobierna este mecanismo
está dada por la ley de enfriamiento de Newton:
Q̇cond = −kA
Q̇conv = hAs (Ts − T∞ )
Motor de Combustión Interna
Mecanismos de Transferencia de Calor
Nitrógeno Molecular
Óxido Nı́trico
Óxidos de Nitrógeno
On-Board Diagnostics Segunda Generación
Pared de Fuego
Material Particulado
Sistema de Manejo Térmico
Sistema Térmico del Automóvil
Transferencia de Calor
El ciclo de Otto también es conocido como combustión
isocórica o ciclo de encendido por chispa. En la configuración
de cuatro tiempos, el pistón produce potencia en cada carrera
descendente alterna [7]. El ciclo de Otto de encendido por
chispa de cuatro tiempos se ilustra en la Figura 1, y la
secuencia de operación es la siguiente:
1. Una carrera de admisión que introduce una mezcla combustible de combustible y aire, pasando por la mariposa
y la válvula de admisión, en el cilindro.
2. Una carrera de compresión con las válvulas cerradas
eleva la temperatura de la mezcla. Una chispa enciende
la mezcla hacia el final de la carrera de compresión.
3. Una carrera de expansión o de potencia resultante de la
combustión de la mezcla de combustible y aire.
4. Una carrera de escape que expulsa los gases quemados
a través de la válvula de escape.
(2)
donde h es el coeficiente de TC por convección, As es el área
superficial a la que la TC por convección toma lugar, Ts es
la temperatura superficial y T∞ es la temperatura del fluido
suficientemente lejos de la superficie [5].
III-A3. Radiación: Radiación: Significativa en componentes de alta temperatura como el sistema de escape [5]. La
ecuación que gobierna este mecanismo está dada por la ley de
Stefan-Boltzmann:
4
Q̇rad = εσAs (Ts4 − Tsurr
)
(3)
donde ε es la emisividad, σ es la constante de StefanBoltzmann, As es el área superficial del cuerpo, Ts es la
temperatura absoluta del cuerpo y Tsurr es la temperatura
absoluta de los alrededores (separados del cuerpo por un gas
como el aire) [5].
A continuación se expone el funcionamiento básico de los
elementos sometidos al AT para una mejor comprensión de la
interacción de los MTC en el SMT acoplado.
III-B.
Motor de Combustión Interna
El motor del automóvil de la práctica (Volskwagen, Beetle)
es un motor de cuatro cilindros que trabaja mediante un ciclo
de Otto de cuatro tiempos [6].
Figura 1: Ciclo de encendido por chispa de cuatro tiempos.
Recuperado de [7].
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III-C.
3
Alternador
El alternador tiene la función de recargar la baterı́a y generar
electricidad para los componentes del auto [8]. Este elemento
realiza la conversión de la energı́a mecánica del motor a
energı́a eléctrica. El eje del alternador está conectado al motor
por medio de una banda y una polea que giran, produciendo
corriente alterna (Figura 2) [8]. La corriente generada pasa
por un rectificador, el cual la convierte a corriente directa,
pudiendo ser utilizada para los faros, luces interiores, ventanas,
limpaparabrisas, etc. [8].
Figura 3: Diseño de un radiador. Recuperado de [10].
Figura 2: Esquemático del alternador. Recuperado de [9].
III-D.
Radiador
El radiador se encarga de enfriar el refrigerante en el circuito
del motor [3]. Como principales caracterı́sticas, posee una
alta densidad de potencia, tiene alta resistencia a temperaturas
elevadas y alta resistencia a la corrosión [3]. Está fabricado
de plástico y reforzado con fibra de vidrio, aunque también
se utiliza aluminio [3]. La refrigeración se lleva a cabo a
través de las aletas (rejilla) (Figura 3) mediante el flujo de
aire a través de ellas, efectuando una TC por convección
forzada, disminuyendo la temperatura del refrigerante [3].
El refrigerante puede fluir descendentemente o de manera
transversal (de derecha a izquierda o a la inversa) [3].
III-E.
Depósito de Anticongelante
III-E1. Refrigerante y Anticongelante: El refrigerante en
un automóvil es un fluido que sirve como protección principalmente contra el sobrecalentamiento, y también como
lubricante [3]. Este capta el calor del motor y lo libera a
través del radiador [3]. Es una mezcla de agua y anticongelante
(glicol/etanol; 60:40 o 50:50 idealmente) a la que se incorporan aditivos (que evitan principalmente la sedimentación,
corrosión y espumado) y que está teñido [3]. Posee un elevado
punto de ebullición (108 ◦ C–135 ◦ C), logrando una protección
anticongelante de −25 ◦ C a −40 ◦ C [3]. Los aditivos del
refrigerante sufren desgaste, y nos podemos dar cuenta porque
este se tiñe de marrón, y habrá que cambiarlo. No obstante,
cuando no existen impurezas (aceite, corrosión) su vida útil
se extiende hasta 15 años 0 250 000 km [3].
El depósito de anticongelante (DA) también es conocido
como depósito de expansión o depósito de expansión. Este
previenen el sobrecalentamiento local de los componentes
evitando la formación de burbujas en el circuito refrigerante
[3]. El refrigerante entra a una gran velocidad (por una elevada
presión) y vuelve a salir a baja velocidad del DA (Figura 4).
De acuerdo con [3], su funcionamiento es el siguiente:
El depósito de anticongelante funciona regulando
la presión y el volumen del refrigerante dentro del
sistema de enfriamiento. Cuando la temperatura del
refrigerante aumenta, este se dilata y eleva la presión
del sistema, provocando que parte del refrigerante
pase al depósito. Si la presión en el depósito es
demasiado alta, la válvula de sobrepresión de la
tapa se abre para liberar aire. Posteriormente, cuando
la temperatura disminuye, se genera una presión
negativa en el sistema y el refrigerante es aspirado
nuevamente desde el depósito hacia el circuito de
enfriamiento. Esto también crea presión negativa
en el depósito, por lo que se abre una válvula de
compensación que permite la entrada de aire hasta
equilibrar la presión interna.
III-F.
Filtro de Aceite
La función del filtro de aceite (FA) es mantener el circuito
de lubricación protegido de impurezas, alargando la vida útil
del motor [11]. Se elabora con papel de celulosa, algodón
y materiales sintéticos (Figura 5) [11]. Protege el aceite
lubricante de las impurezas que puedan llegar a él antes de
lubricar el circuito de engrase del motor [11].
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4
su eficiencia [12]. Además, evita que los gases tóxicos pasen
a la cabina de pasajeros. También reducen el sonido del motor
ocasionado por las explosiones de los ciclos de CI. Finalmente,
el acoplamiento de un catalizador permite neutralizar muchos
de los gases tóxicos [12], subproductos generados por la
combustión incompleta en el motor.
III-I.
Propiedades Térmicas de los Materiales
En el Cuadro I se recopilan las propiedades térmicas de los
materiales que componen a los elementos del STA, con base
en [13]–[15].
III-J.
Figura 4: Funcionamiento del DA. Recuperado de [3].
Figura 5: Elementos del filtro de aceite.
III-G.
Pared de Fuego
La pared de fuego (PF) de un carro se localiza entre el
compartimento del motor y la cabina de pasajeros. Esta sirve
como un aislante térmico para la cabina de pasajeros de la
intensa generación de calor (GC) debajo del capó (por el
motor y sus demás elementos), además de proteger contra la
incidencia de fuego o humo [4]. Idealmente, las fuentes de GC
se colocan los más alejadas posibles de la PF. Sin embargo,
en ocasiones el bloqueo de las fuentes de calor resultan en el
impedimento de la circulación de aire a elevadas temperaturas,
el cual en consecuencia incrementa la temperatura de otros
componentes, resultando en un sobrecalentamiento del motor
[4].
III-H.
Escape
El tubo de escape evita que los gases derivados de los
ciclos de combustión se acumulen en el motor y reduzcan
Análisis de Gases
El análisis de gases (AdG) en un automóvil sirve para determinar el comportamiento del ciclo de trabajo del motor [16].
Además, este análisis también funciona como parámetro para
medir las emisiones de contaminantes atmosféricos que impactan en la salud de las poblaciones y de los compartimentos
ambientales. En concreto, los motores de combustión interna
(MCIs) son la fuente principal de emisiones contaminantes.
En una combustión ideal en un ciclo de funcionamiento
del motor se obtiene N2 , H2 O y CO2 . Sin embargo, los
ciclos de funcionamiento de un MCI la combustión no llega
a ser perfecta, especialmente en el arranque del motor cuando
las temperaturas se mantienen bajas [2], dando lugar a la
generación de elementos adicionales como COVs, CO, óxidos
de azufre, humos negros, compuestos de plomo y NO× [16].
El uso de convertidores catalı́ticos ayuda a reducir los niveles
de gases contaminantes mediante procesos de reducción [16].
Para registrar la composición de la mezcla de gases expulsados desde el escape de un automóvil se emplea una
sonda lambda [16]. La mezcla aire-gasolina debe tener una
composición estequiométrica de 1 kg de gasolina por 14.7 kg
de aire [3], [16]. De este modo, la sonda lambda arroja el
factor lambda (λ), el cual mide la gestión de inyección del
motor sobre la cantidad de combustible, dando el parámetro
para determinar el funcionamiento y eficiencia del catalizador
[16].
De acuerdo con [17], [18], el factor λ se calcula mediante
la fórmula de Bretschneider:
NO
3.5
CO
(CO + CO2 )
CO2 + 2 + 2 + 0.45425 3.5+ CO
CO2
λ=
1.45425(CO2 + CO + HC)
(4)
donde cada variable se introduce como porcentaje en volumen
o ppm. Esta fórmula calcula el balance de aire-combustible
normalizado.
IV.
IV-A.
M ATERIALES Y M ÉTODOS
Lista de Instrumentación y Equipo
IV-A1. Instrumentación:
Cámara termográfica (CAMTE).
Analizador de gases (AdG).
Teléfono celular con cámara fotográfica.
Manual del vehı́culo
Cuaderno de notas
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Cuadro I: Propiedades termofı́sicas de los materiales de los componentes del STA
Componente
Material Predominante
Conductividad Térmica
k (W/m · K)
Emisividad
ε
Calor Especı́fico
cp (J/kg · K)
MCI (Bloque Motor)
Radiador
Escape (Tubo)
Alternador
Pared de Fuego
Aceite (FA)
Anticongelante (DA)
Aleación Aluminio (A356)
Aluminio (Serie 3000)
Acero Inoxidable (409)
Cobre / Acero
Acero Galvanizado
Sintético
Etilenglicol/Agua
150 – 230
235
16 – 25
380 – 400 (Cu)
45 – 55
0.13 – 0.15
0.38 – 0.42
0.20 – 0.30
0.04 – 0.10
0.40 – 0.85
0.05 – 0.70
0.23 – 0.28
0.92 – 0.96
0.95
900 – 960
897
480 – 500
385
460 – 490
1800 – 2200
3300 – 3500
Guı́a impresa de la práctica
Bata de laboratorio
Guantes de nitrilo
IV-A2. Equipo:
Vehı́culo compacto.
IV-B. Cámara Termográfica
Para realizar el AT se empleó una cámara termográfica
(CAMTE) (Figura 6). El paso preliminar fue la familiarización
con este instrumento, tomando mediciones de prueba. Su
funcionamiento es sencillo: se enfoca la zona a medir, y con
un gatillo en la parte posterior se realiza la toma, la cual se
guarda con un número de folio, almacenando tanto el gradiente
de temperatura como la imagen del componente medido.
(a)
(b)
Figura 6: Cámara Termográfica.
IV-C. Partes del Automóvil
Posteriormente, se pasó al automóvil para identificar las partes que fueron sometidas a medición. El automóvil empleado
para la práctica fue uno de la marca Volkswagen, modelo
Beetle. En la Figura 7 se identifican las partes que fueron
medidas.
IV-D. Posicionamiento del Analizador de Gases
Finalmente, se colocó la sonda en el escape para el analizador de gases (AG) (Figura 8). Se verificó que el AG
estuviera previamente calibrado (mediante una función interna
del equipo) y se realizó la función de purga previo a comenzar
las mediciones para eliminar impurezas en el instrumento que
afecten los resultados.
(c)
Figura 7: Partes del automóvil sometidas a medición: (a) vista
de elementos del cofre, (b) vista ampliada del alternador y (c)
escape.
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(a)
Figura 8: Sonda en el escape.
IV-E. Condiciones de Operación y Toma de Medidas
El motor operó en ralentı́ constante durante las mediciones.
Las condiciones ambientales se mantuvieron lo más constantes
posibles.
Durante la operación del automóvil, se realizaron mediciones de la temperatura de los elementos del automóvil en los
siguientes tiempos: 0, 5, 10, 15 y 20 minutos. Se almacenaron
las capturas tanto de la toma de temperatura como imagen del
elemento medido en la CAMTE para subirlas posteriormente
a Google Drive. Se registraron los datos en una tabla.
Una vez que se conectó el AG, este midieron las emisiones
durante el transcurso de toda la práctica, y se registraron los
datos al finalizar (CO2 , HC, O2 y factor λ).
(b)
IV-F. Método de Análisis
El enfoque de la presente práctica consistió en un análisis
mixto (cualitativo-cuantitativo). Con ayuda de la CAMTE
se llevó a cabo el análisis cualitativo de la distribución de
temperatura en el automóvil. Posteriormente, con los datos
de temperatura recolectados con la CAMTE se efectuó un
análisis estadı́stico, con el cual se observó la desviación de
los valores recabados del automóvil de su rango óptimo de
operación. Finalmente, se realizó un análisis de emisiones del
automóvil y se compararon los resultados con la NOM-167SEMARNAT-2017.
V. R ESULTADOS
V-A. Mediciones de Temperatura
En la Figura 9 se muestra un ejemplo de una medición
realizada con la CAMTE. Las evidencias completas de las
mediciones efectuadas con la CAMTE se pueden encontrar
en el siguiente enlace.
En el Cuadro II se muestran la recopilación de las mediciones realizadas con la CAMTE a las partes del sistema térmico
del automóvil (STA).
(c)
Figura 9: Medición tomada con la CAMTE: (a) toma de
temperatura del DA, (b) imagen del DA y (c) toma de
temperatura de la PF.
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Cuadro II: Registro de los componentes y las mediciones del
STA, en función del tiempo de encendido del motor
Parte del STA
MCI
Alternador
Radiador
DA
FA
PF
Escape
V-B.
T0 (°C)
(0 min)
T1 (°C)
(5 min)
T2 (°C)
(10 min)
T3 (°C)
(15 min)
T4 (°C)
(20 min)
42.5
40.5
32.3
40.4
45.6
45.4
24.6
57.6
45.2
–
46.0
39.4
63.8
40.7
65.2
50.8
44.9
51.5
65.1
92.4
45.3
75.1
54.5
45.1
59.2
73.9
99.7
44.0
78.3
62.3
51.5
69.3
80.0
98.5
46.6
Analizador de Gases
Al finalizar la práctica, los resultados del analizador de gases
fueron los que se muestran en la Figura 10. Se indica 14.0 %
de CO2 , 0.01 % de CO, 0.00 % de O2 , 65 ppm de HC, 0 ppm
de NO y λ = 0.997.
Figura 10: Resultados del analizador de gases.
VI.
VI-A.
A N ÁLISIS DE R ESULTADOS
Análisis Estadı́stico
Con base en el Cuadro II se realizó una gráfica general
de la variación de temperatura de los componentes del STA
(Figura 11) y gráficas individuales para cada elemento del STA
(Figura 12).
A partir del Cuadro II y de la Figura 12 se realizó un análisis
estadı́stico, el cual se muestra en el Cuadro III.
La desviación estándar es una medida que proporciona el
valor promedio de las desviaciones de los elementos con
relación a la media aritmética. Del Cuadro III vemos que
el menor valor de desviación estándar fue para el radiador,
mientras que el mayor valor fue para la PF. Consecuentemente,
el menor rango fue para el radiador y el mayor para la PF, y
no se detectó la presencia de valores extremos que afectaran
las mediciones.
7
El coeficiente de correlación cuadrático (R2 ) es un parámetro que permite determinar el grado de correlación lineal que
existe entre dos variables. Valores cercanos a 1 denotan una
correlación lineal fuerte entre las variables. Del Cuadro III
vemos que el mayor R2 fue para el alternador, mientras que
el menor para el escape.
VI-B.
Análisis General
La separación entre los componentes internos de GC del
automóvil influye en la distribución de temperatura en el
cofre del automóvil. Consecuentemente, una mala disipación
de calor en el cofre puede incrementar la temperatura de
otros componentes, resultando en un sobrecalentamiento de
toda la unidad [4]. Las zonas moradas en la Figura 9a y
en la Figura 9c denotan regiones de menor temperatura.
Cualitativamente podemos observar una diferencia notable de
coloración, que va de amarillo (región de mayor temperatura)
a morado. Este cambio denota la capacidad aislante de los
materiales circundantes, de manera que la distribución de
temperatura se concentra en los componentes del STA. Por
lo tanto, existe un buen aislamiento térmico que evita un
incremento sinérgico entre los componentes del STA y ası́ la
eficiencia del automóvil se mantiene óptima.
Podemos ver la influencia de los MTCs con ayuda del
análisis estadı́stico. Como se mencionó, el mayor R2 fue
para el alternador, mientras que el menor para el escape.
La razón de esto es que el escape se encuentra expuesto en
mayor medida a las condiciones ambientales, pues no forma
parte del sistema acoplado como sı́ lo forma el alternador.
Podemos entonces inferir que el escape se encuentra en mayor
presencia del mecanismo de convección natural y frente a
estados transitorios constantes, de manera que las variaciones
térmicas ambientales (T∞ ) determinan en gran medida la
distribución aleatoria de su temperatura, razón por la que
no hay un buen ı́ndice de correlación que permita predecir
de manera fiable su comportamiento. Lo anterior se refuerza
por la Figura 11, donde la temperatura en el escape después
de los 10 minutos presenta variaciones menores a los demás
componentes, pues la elevada diferencia de temperatura entre
este elemento y la temperatura ambiental (T∞ ) favorecen una
TC rápida que limita un incremento lineal en la temperatura.
Por su parte, la operación del alternador presenta un buen
ı́ndice de correlación pues su operación puede establecerse
como de estado estacionario, donde la rotación constante del
motor (en ralentı́) y su presencia en el sistema acoplado
mantiene condiciones lineales estables que permiten una mejor
predicción de la temperatura en este elemento.
Sabemos que el DA actúa de manera conjunta con el
radiador para brindar condiciones óptimas de temperatura al
motor. Un valor cercano a 1 de R2 en el DA (R2 = 0.981)
puede ser indicio de una protección anticongelante eficaz,
lo cual se ve reforzado por el valor de R2 elevado en el
radiador. Como se menciona en [19], la estimación precisa
de la temperatura del refrigerante del motor es fundamental
para el funcionamiento seguro de los vehı́culos modernos.
Por lo tanto, el funcionamiento óptimo del DA y del radiador
permiten que la operación térmica del MCI se mantenga en
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8
Figura 11: Gráfico general comparativo de partes STA vs. tiempo.
Cuadro III: Análisis estadı́stico de las temperaturas de los componentes del STA
Estadı́stico
MCI
Alternador
Radiador
DA
FA
PF
Escape
Media
Mediana
Lı́mite Inferior
Lı́mite Superior
Rango
Varianza
Desv. Estándar
R2
63.54
64.20
42.50
78.30
35.80
207.47
14.40
0.957
50.66
50.80
40.50
62.30
21.80
70.82
8.42
0.988
43.45
45.00
32.30
51.50
19.20
64.65
8.04
0.945
53.26
51.40
40.40
69.30
28.90
128.53
11.34
0.981
60.80
65.10
39.40
80.00
40.60
311.94
17.66
0.855
79.96
92.40
45.40
99.70
54.30
585.92
24.21
0.862
40.24
44.00
24.60
46.60
22.00
81.25
9.01
0.688
un estado óptimo, viéndose reflejado en un valor de R2 alto
y una desviación estándar pequeña del MCI.
La PF fue el componente que presentó la mayor tasa de
absorción de calor, alcanzando la mayor temperatura de entre
los demás elementos (99.70 ◦ C). Esto se ve reflejado en el
rango (diferencia de temperatura) que tomó este elemento
(54.30), que fue el mayor de todos, ası́ como su desviación
estándar (24.21). El MTC que determina en mayor medida el
calentamiento de la PF es la convección. Esto es cierto tanto en
el modo ralentı́ como cuando el vehı́culo está en movimiento.
No obstante, el flujo de aire que pasa por debajo de la parte
delantera también pasa a formar parte del mecanismo de
convección bajo el capó [4], incrementando aún más la tasa
de TC por convección natural.
Los valores R2 para los elementos del STA que conforman
el sistema acoplado muestran la naturaleza unitaria del sistema
en el capó. Este factor mantuvo un valor de R2 ≥ 0.855,
indicando de una mediana a buena correlación entre los
componentes y la variación de la temperatura. Por lo tanto,
existe una sinergia evidente entre los elementos que conforman
al motor en el STA acoplado.
Los tres MTC están presentes en mayor o en menor medida
en el STA. Con base en el marco teórico y los hallazgos
experimentales y estadı́sticos, en el Cuadro IV se exponen
los MTCs predominantes en cada componente del STA.
El alcance de este reporte no abarca todos los componentes
sujetos a generación de calor en el STA. El STA actúa como
una unidad, pues es un sistema acoplado. El no abarcar un
AT de todos sus componentes no nos da un panorama térmico
general del automóvil. A parte de la cámara de combustión
(Figura 1), el segundo componente que presenta las mayores
temperaturas en el automóvil es el catalizador (que alcanza
temperaturas de 300 ◦ C a 800 ◦ C) [20], pues las elevadas
temperaturas son las que aseguran un tratamiento óptimo
de la MP que garantiza una combustión completa y reduce
las emisiones contaminantes [2]. No fue posible medir la
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9
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
Figura 12: Gráficos individuales de los componentes y las mediciones del STA.
temperatura del catalizador debido a que se encuentra en la
parte inferior del automóvil, presentando una zona de difı́cil
acceso para tomar medidas.
VI-C.
Preguntas de evaluación
1. ¿Qué normas regulan la emisión de contaminantes y
establecen los lı́mites máximos permisibles para los
vehı́culos automotores en el Estado de Puebla?
a) NOM-167-SEMARNAT-2017: Establece los lı́mi-
INGENIERÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES, MAYO, 10, PRIMAVERA 2026
10
Cuadro IV: Mecanismos de transferencia de calor predominantes por componente del STA
Componente
MTC(s) Predominante(s)
Argumentación
MCI
Conducción y Convección forzada
Su aleación de aluminio posee un alto k (150 − 230 W/m · K), lo que maximiza la tasa
de conducción de calor (Ley de Fourier) desde la cámara de combustión hacia las camisas
de enfriamiento. Allı́, el exceso térmico es retirado masivamente por convección forzada del
anticongelante.
Radiador
Convección forzada y Conducción
El aluminio de la serie 3000 transfiere rápidamente el calor del refrigerante interno hacia las aletas
por conducción (k = 235 W/m · K). No obstante, la disipación final del calor al ambiente está
gobernada por la convección forzada del flujo de aire transversal (Ley de enfriamiento de Newton).
Escape (Tubo)
Convección y Radiación
Al operar a las temperaturas más altas del sistema, la emisión radiante cobra gran relevancia debido a
su dependencia con T 4 (Ley de Stefan-Boltzmann) y su emisividad considerable (ε = 0.40−0.85).
Su bajo k (16 − 25 W/m · K) limita la conducción axial, por lo que el calor restante se transfiere
por convección al aire exterior.
Alternador
Conducción y Convección
La muy alta conductividad del cobre en sus devanados internos (k ≈ 380 − 400 W/m · K) evacúa
eficientemente el calor generado por efecto Joule hacia la carcasa por conducción. Posteriormente,
el diseño ranurado de la carcasa favorece la disipación convectiva con el aire circundante.
Pared de Fuego
Radiación y Convección
Actúa como barrera térmica para la cabina. Recibe una fuerte carga térmica radiante del motor. El
acero galvanizado posee un k moderado (45 − 55 W/m · K) comparado con el aluminio, lo que
ralentiza la conducción pasante, cediendo parte de la energı́a de regreso al cofre por convección
natural y radiación.
Filtro de Aceite
Convección forzada
Al tratarse de un fluido sintético con un k muy bajo (0.13 − 0.15 W/m · K), la conducción es
despreciable. Su función térmica se basa en aprovechar su capacidad calorı́fica (cp = 1800 −
2200 J/kg · K) para absorber y transportar energı́a térmica sensible mediante convección forzada
en el circuito de lubricación.
DA (Fluido)
Convección forzada
Es el medio de transporte térmico por excelencia del SMT. La mezcla etilenglicol/agua posee el cp
más alto de todo el sistema (3300 − 3500 J/kg · K), lo que le permite absorber grandes cantidades
de calor del motor por convección (alto coeficiente h) sin experimentar cambios drásticos en su
propia temperatura.
tes máximos permisibles de emisión de contaminantes para vehı́culos que circulan en la ciudad
[21].
b) NOM-041-SEMARNAT-2015: Regula los lı́mites
máximos de gases contaminantes para vehı́culos
que usan gasolina [17].
c) Programa de Verificación Vehicular Obligatoria de Puebla: Normativa local que establece
los lineamientos operativos para los centros de
verificación en la entidad [18].
2. ¿Qué tipos de gases se consideran en el método estático?
a) El método de prueba estática consiste en medir
las concentraciones de gases por el escape con
el vehı́culo en marcha mı́nima y en crucero. De
acuerdo con [17], [21], los gases evaluados son:
1) Hidrocarburos (HC): Combustible no quemado.
2) Monóxido de Carbono (CO): Resultante de
una combustión incompleta.
3) Dióxido de Carbono (CO2 ): Medida de la
eficiencia de la combustión.
4) Oxı́geno molecular (O2 ): Utilizado para diagnosticar entradas de aire no deseadas en el
sistema.
3. Suponiendo que se aplica el método estático (por no
poder realizar la prueba del SDB) para la evaluación
de la emisión de gases del vehı́culo VW Beatle y
de acuerdo con la norma NOM-167-SEMARNAT-2017
sobre los lı́mites máximos establecidos para la emisión
de gases, ¿qué tipo de holograma se le podrı́a asignar al
vehı́culo?
a) Restricción de Holograma: Los vehı́culos evaluados por método estático no son elegibles para
obtener los hologramas “00” o “0”, los cuales
requieren obligatoriamente la prueba SDB [21].
b) En el método de prueba estática para modelos de
1994 a 2005 los lı́mites máximos permisibles establecidos en [17] son: 100 ppm para HC, 0.5 % de
CO, 2.0 % de O2 , 13–16.5 % de dilución CO+CO2
y λ ≤ 1.03.
c) Con base en los resultados obtenidos mediante el
AdG (Figura 10), los HC (65 ppm) se encuentran muy por debajo del lı́mite, el CO (0.01 %)
también cumple, el O2 también cumple (0.00 %),
el CO2 cae dentro del rango permitido (14 %) y
el factor λ = 0.997, casi logrando una mezcla
estequiométrica ideal, indicando una combustión
casi completa. Estos resultados sugieren una buena
eficiencia de combustión, una correcta relación
aire-combustible y bajas emisiones contaminantes.
d) Debido a que un Volkswagen Beetle clásico normalmente es un vehı́culo anterior a OBD-II y sin
convertidor catalı́tico moderno, en la práctica no es
elegible para holograma “0” o “00”. Por lo tanto,
dependiendo del año-modelo y el cumplimiento de
los lı́mites, el vehı́culo podrı́a aspirar al Holograma
1 (vehı́culos con sistema de inyección y convertidor
catalı́tico de 3 vı́as) [17], [21].
4. ¿Qué es el Sistema de Diagnóstico a Bordo (SDB)?
a) El Sistema de Diagnóstico a Bordo (conocido inter-
INGENIERÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES, MAYO, 10, PRIMAVERA 2026
nacionalmente como OBD, por sus siglas en inglés)
es un conjunto de algoritmos y sensores integrados
en la computadora central del vehı́culo (ECU). Su
función principal es monitorear el desempeño de
los componentes que inciden en las emisiones contaminantes [21]. El SDB detecta fallas eléctricas o
mecánicas que puedan aumentar la contaminación,
alertando al conductor mediante la lámpara MIL
(Check Engine) [22].
5. ¿Cuál es la finalidad de la norma NOM-167SEMARNAT-2017?
a) Ya se respondió en el inciso (a).
6. ¿Qué es el factor lambda (λ)? (Describa su definición y
ecuación).
a) Esta pregunta ya ha sido respondida en el marco
teórico. Su ecuación está dada por la ecuación 4.
7. De acuerdo con la verificación vehicular obligatoria,
¿qué es un holograma?
a) El holograma es un distintivo oficial (calcomanı́a)
adherible que se otorga a un vehı́culo tras aprobar
satisfactoriamente la inspección técnica y la medición de emisiones [18].
1) Función: Clasifica al vehı́culo según su desempeño ambiental y tecnologı́a [21].
2) Utilidad: Determina las restricciones o exenciones de circulación en programas como el
“Hoy No Circula”. Los tipos más comunes son:
Exento (eléctricos/hı́bridos), 00 (autos nuevos
eficientes), 0 (cumplen con SDB/lı́mites estrictos), 1 y 2 (vehı́culos con mayores emisiones o
tecnologı́a más antigua) [21].
VII.
VII-A.
C ONCLUSIONES
Generales
El comportamiento térmico del automóvil debe entenderse
como una unidad holı́stica. La alta correlación entre los
componentes internos (R2 elevado) demuestra que la eficiencia
individual de elementos como el radiador y el depósito de
anticongelante es determinante para mantener la estabilidad
térmica del motor de combustión interna (MCI).
La distribución de temperaturas observada cualitativamente
mediante la CAMTE confirma un aislamiento adecuado. La
transición de gradientes hacia zonas de menor temperatura en
las fronteras del cofre indica que el sistema minimiza el incremento térmico sinérgico no deseado, protegiendo componentes
sensibles.
El factor lambda obtenido (λ = 0.997) indica una mezcla
aire-combustible cercana a la estequiometrı́a ideal (14.7 : 1).
Esto, sumado a las bajas concentraciones de CO y HC,
evidencia una combustión casi completa y un estado de mantenimiento óptimo del sistema de inyección y post-tratamiento
de gases.
Las propiedades termofı́sicas, especialmente la alta conductividad térmica de las aleaciones de aluminio en el bloque del
motor y el radiador (150-235 W/m · K), son fundamentales
para la evacuación rápida del calor excedente, validando
11
el cumplimiento de las leyes de Fourier y enfriamiento de
Newton en el diseño del STA.
La pared de fuego se identifica como el componente de
mayor estrés térmico debido a su función de barrera y su alta
tasa de absorción por convección y radiación. Este hallazgo
subraya la importancia de este elemento en la seguridad pasiva
y el confort térmico de la cabina de pasajeros.
VII-B. Especı́ficas
VII-B1. Santana-Gómez: En la presente práctica se reforzaron los conceptos de TC y sus mecanismos de transferencia
aplicados. Se observó cómo cada compontente del STA realiza
una aportación térmica que afecta a la eficiencia térmica global
del automóvil. También se determinó cómo el garantizar la
eficiencia de los mecanismos de enfriamiento (disipadores y
refrigerante) eficientiza la operación del motor, alargando su
vida útil. Finalmente, se vinculó el concepto de emisiones y
factor λ con la eficiencia térmica del catalizador.
VII-B2. Meléndez-Muñoz: La práctica permitió analizar
cómo cada componente del vehı́culo gestiona el calor de
forma distinta según su función y materiales. Lo que más
destaca de los resultados es la marcada inercia térmica del
sistema; mientras el escape calienta y enfrı́a rápido debido
a su baja masa térmica, la pared de fuego acumuló energı́a
constantemente. Esto deja claro que la gestión térmica no es
solo “enfriar el motor”, sino controlar cómo esa energı́a se
distribuye para proteger la integridad de los componentes.
VII-B3. Corrales-Martı́nez: A través del analizador de
gases pude constatar la relación directa entre la temperatura de
operación y la eficiencia de la combustión. Al alcanzar el estado estacionario, el sistema de control de emisiones optimiza
la mezcla aire-combustible, lo que subraya la importancia de
una gestión térmica rápida para reducir el impacto ambiental
desde el arranque en frı́o.
VII-B4. Montoya-Domı́nguez: Durante la realización de
esta práctica logré comprender cómo los mecanismos de transferencia de calor se presentan en los diferentes componentes
del sistema térmico automotriz. A través de las mediciones
obtenidas con la cámara termográfica, pude observar cómo
la temperatura aumenta progresivamente conforme el motor
permanece en funcionamiento, identificando los componentes
que presentan mayor acumulación de calor.
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