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ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 7 Vol. 1 / 2018 (14) ISSN 1390 - 7395 (10/14)
Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, VII Edición 2018, No. 10 (14)
Artículo Cientíco / Scientic Paper
ESPE
ANÁLISIS DE LAS MODIFICACIONES DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
A GASOLINA Y DETERMINACIÓN DE LAS CURVAS DE TORQUE Y POTENCIA
APLICANDO UN MODELO MATEMÁTICO.
ANALYSIS OF MODIFICATIONS OF AN INTERNAL GASOLINE COMBUSTION
ENGINE AND DETERMINATION OF TORQUE AND POWER CURVES APPLYING A
MATHEMATICAL MODEL.
Vicente Rojas Reinoso
1
, Jorge Martinez Coral
2
, Johnny Pancha Ramos
3
, Vicente Romero Hidalgo
4
Escuela Superior Politécnica del Chimborazo
1
, Riobamba; MC. Diagnóstico Automotriz – Escuela Politécnica Nacional
2
, Quito
e – mail: evrr_1989@hotmail.com
1
, mcjorge7@hotmail.com
2
, johnnypancha_ing@outlook.com
3
vromero@hotmail.es
4
RESUMEN
El presente artículo investigativo está orientado a
determinar de una manera alternativa el torque y
potencia de un motor de encendido provocado (MEP).
En primera instancia, mediante el protocolo basado
en un modelo matemático de torque y potencia, el
uso de la tarjeta electrónica DAQ USB 6008 y la
programación en el Software Labview, se realiza la
adquisición y procesamiento de señales efectuando
diversas pruebas.
El estudio detalla la transformación de los motores de
serie para adecuarlos a la competición, un tema que
interesa no solo a los acionados al mundo del motor,
sino también a los mecánicos, técnicos e ingenieros
que deseen conocer las modicaciones que se realizan
en un motor de serie o bien aanzar sus conocimientos
basándonos en los principios ingenieriles de diseño de
un motor.
Durante la realización del mismo, se utilizarán los
parámetros y datos reales de un motor Nissan A12, el
cual se ha logrado modicar en un 25%, obteniendo
mejoras en eciencia y aumentando sus valores en
las curvas de torque y potencia. Para dicho cálculo se
utilizó de referencia un artículo de cálculo alternativo
de torque y potencia de un motor de combustión
interna a gasolina.
Palabras clave:
Motor Encendido Provocado; Torque; Potencia.
ABSTRACT
The present article is oriented to determine in an
alternative way the torque and power of a engine with
spark ignition (MEP)
In the rst instance, through the protocol based on a
mathematical model of torque and power,
the use of the DAQ USB 6008 electronic board and
programming in the Labview Software,
the acquisition and processing of signals are carried
out by performing various tests.
This study details the transformation of the comercial
engines to suit the competition,
an aspect that concerns not only fans of the world of
the engine, but also the automotive mechanics,
technicians and engineers who want to know the
modications that are made in an original engine
or to consolidate their knowledge based on the
engineering principles of design of an engine.
in the development of this article , the parameters and
actual data of a Nissan A12 engine will be used,
which has been modied by 25%, obtaining
improvements in efciency and increasing its values
in torque and power curves.
For this calculation, reference was made to an article
of calculation of torque and power of an internal
gasoline internal combustion engine.
Keywords:
Engine ignition.
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1. INTRODUCCIÓN
Aspectos como, realizar mejoras de torque y potencia
de un motor de combustión interna; analizar el
comportamiento de las curvas de trabajo mediante la
generación de una estructura de análisis matemático y
estadístico en las modicaciones de las partes jas y
móviles del motor, son detallados a continuación.
Tabla 1: Datos Técnicos del Motor Nissan A12
DATOS TÉCNICOS DEL MOTOR
Año 1997
Modelo A 12
Cilindrada 1171
Luz u holgura de bujía (cm3 ) 0,8-0,9
Ralentí (RPM) 700
Luz u holgura del platino (mm) 0,45-0,55
Grados anticipo (APMS) 7°gr
Válvulas Admisión (en caliente)
(mm)
0,35
Válvulas Escape (en caliente) (mm) 0,35
Relación de compresión 9,0:1
Volumen total cm3 1171
Cilindrada total cm3 1315
Presión Media (Bares ) 6,178
Potencia Indicada ( KW ) 56
Potencia Efectiva( KW ) 51,45
Torque (N.m) 109,17
2. MÉTODOS Y MATERIALES
2.1 Par motor
Para realizar la combustión de la mezcla aire-
combustible dentro de un motor MEP, es por acción
de chispa eléctrica, la cual genera un aumento de la
presión y temperatura en el interior de los cilindros.
Esta presión interna produce a su vez una fuerza de
empuje F sobre el pistón que lo desplaza generando
el clásico mecanismo de biela-manivela de los
motores de combustión interna alternativo, donde
el movimiento lineal del pistón se transforma en un
movimiento rotatorio del cigüeñal. La fuerza de dicha
combustión actúa sobre el émbolo y es proporcional
a la presión media efectiva que se efectúa durante la
carrera de expansión [1], la misma que depende del
grado de llenado de los cilindros, de la relación de
compresión, de la cilindrada y de la ecacia con que
se desarrolla la combustión. En el esquema de la Fig.
1, la fuerza F ejercida sobre el pistón se descompone
en la fuerza F_b que actúa sobre la cabeza de biela
y en la F_n que produce un empuje lateral sobre las
paredes del cilindro.
Figura 1. Esquema para la obtención del par motor.
Por lo tanto, el producto de la fuerza F_b por el radio
r de la manivela determina el par motor, reejado
aritméticamente en la Ec. (1).
rFT
b
∗=
(1)
T : Torque o par motor (N.m)
F_b: Fuerza sobre la biela (N)
r : Radio de la manivela del cigüeñal (m)
La fuerza F que produce el torque es variable, que en
un motor de 4 tiempos es máxima en el momento que
se lleva a cabo la fase de combustión y su posterior
expansión en el cilindro, siendo negativo el torque
en las demás fases. Dentro de la etapa donde se
genera trabajo el rendimiento del motor no es igual
en todos los puntos, depende del régimen de giro y
consecuentemente de la fuerza de empuje que se
genera. Es así que el número de revoluciones limita
el llenado correcto de los cilindros y, por tanto, el
par motor. A bajas revoluciones la combustión de la
mezcla no resulta óptima debido a la escasa inercia
que poseen los gases que provoca que el llenado del
cilindro no sea el ideal, al igual que su vaciado. Por
otro lado, si el motor funciona a un elevado régimen,
tampoco el llenado de los cilindros es completo debido
al escaso tiempo que dispone el gas para ocupar todo
el espacio disponible [3]. Además, a partir del punto
óptimo de revoluciones del motor, aunque se queme
más combustible acelerando el mismo y consiguiendo
que la potencia todavía se incremente más, el par
desciende. De ahí que los consumos especícos
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óptimos estén en valores próximos a la zona de par
máximo, aumentando el consumo del motor conforme
se aleja de este rango [1].
2.2 Potencia
El concepto de potencia expresa cuantas veces está
disponible el par motor en el tiempo, es decir, con
qué velocidad se puede disponer del par. La potencia
desarrollada por un motor depende de la relación
de compresión y de la cilindrada, ya que a mayores
valores de estas le corresponde mayor explosión
y más fuerza aplicada al pistón; también depende
íntimamente de las revoluciones por minuto a las que
gira el motor. En consecuencia, la potencia puede ser
determinada mediante la Ec. (2).
π
2
60
*
*
nT
wTP ==
(2)
P : Potencia del motor (kW)
T : Torque o par motor (N.m)
w : Velocidad angular del eje del cigüeñal (rad/s)
n : Revoluciones por minuto (rpm)
Luego de alcanzar la potencia máxima, el exceso de
revoluciones ocasiona que ésta disminuya debido a
que el sistema de inyección de combustible tiene un
límite operativo, superado el mismo, no tiene precisión
suciente para inyectar el combustible ecazmente;
además, el sistema de distribución no es capaz de
abrir y cerrar las válvulas con la suciente velocidad
para que los gases de escape y de admisión uyan
adecuadamente. El límite máximo de revoluciones a
la que puede girar el motor está establecido por las
propias limitaciones de los elementos mecánicos que
lo constituyen.
2.2.2 Relación entre la potencia y
condiciones atmosféricas.
Algunos factores que dependen de la cota de
funcionamiento y de las condiciones atmosféricas
estas son presión, temperatura y grado de humedad en
el aire; todas esta inuyen notablemente en el trabajo
y desempeño del motor.
Estudios y experiencia efectuados en diferentes
motores de aviación dentro de cámaras en la
cuales es posible variar la presión y temperatura
del aire, han demostrado que la potencia y torque
son proporcionales a la presión barométrica e
inversamente proporcionales a la raíz cuadrada de
la temperatura absoluta. Para obtener los mismos
resultados también se puede realizar el cálculo para
lo cual deben ser comparables los datos de potencia
obtenidos en los diferentes motores de prueba cuyas
condiciones de temperatura y presión se han referido
a una presión base atmosférica (760 mm hg) y una
temperatura ambiente (15° C) [8].
(3)
La expresión se llama factor de corrección
altura; por lo que respecta a la humedad, la corrección
puede efectuarse restando a la presión atmosférica la
presión del vapor de agua vericada y usando el valor
que resulta en lugar del valor p, en la fórmula de la
corrección [2]. Reemplazando los datos en base a la
tabla se obtienen los siguientes datos:
Tabla 1: Datos Técnicos del Motor Nissan A12
Altitud (m) 0 2800
Temperatura (°K) 288 269,8
Presión (bar) 1,013 0,710
Densidad del Aire
(kg/m3)
1,225 0,928
Además la fórmula de corrección de valores en altura
para pasarlos a nivel del mar utiliza la siguiente
formula basada en el mismo principio de densidad del
aire.
Reemplazando los resultados obtenidos tenemos:
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2.2.3. Cálculos:
Cilindrada Unitaria
(4)
Donde:
D=Diámetro
S=carrera
Vh=volumen cilindrada unitaria
(5)
Cilindrada Total
VH=Vh*i
(6)
Donde:
VH= volumen cilindrada unitaria
i=número de cilindros
VH=292,97*4
VH=1171,88 cm
3
(7)
Para desarrollar el análisis propuesto por nosotros
necesitamos la presión de compresión del motor (P),
el diámetro del pistón, el régimen de giro del motor
(W) en RPM y la relación entre el radio de la manivela
y la longitud de la biela (λ).
Donde tenemos los siguientes términos:
Porcentaje perdida mecánica
Una vez que se tienen estos datos se reemplazan en las
fórmulas que se utilizan para calcular las siguientes
fuerzas en el mecanismo biela manivela con el motor
standard.
Fuerza del Pistón (Fp)
Fuerza Lateral del Pistón (Flp)
Flp= Fp * tg β
Flp= 500 kgf * tg 4.3255
Flp= 37,771 kgf
Fuerza de la Biela (Fb)
Fuerza Tangencial (TE)
Desplazamiento del Émbolo (SE)
Velocidad del Émbolo (VE)
Torque
Donde:
Md=torque
n=número de revoluciones
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Presión media
Pm=11,95 = 11,72
Pm=15,116 Kg. / cm2 = 14823,73 bar
Potencia Indicada
Potencia Efectiva
Donde:
Md=torque
n=número de revoluciones
Pe=Potencia efectiva
Motor repotenciado
Para el caso del motor repotenciado tenemos
los siguientes valores para realizar el cálculo
correspondiente de las fuerzas, acotando que tanto L
y R son iguales.
Fuerzas Resultantes Biela-Manivela
Fuerza del Pistón (Fp)
Fuerza Lateral del Pistón (Flp)
Fuerza de la Biela (Fb)
Fuerza Tangencial (Ft)
Desplazamiento del Embolo (SE)
Velocidad del Embolo (VE)
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Relación de Compresión
Donde:
Rc=Relación de compresión
Vh=volumen de la cilindrada unitaria
Vcc=Volumen de la cámara de combustión
Potencia indicada
Potencia efectiva calculada (Pe)
Torque corregido
Donde:
Md=torque
n=número de revoluciones
3. MÉTODOS Y MATERIALES
Presión Media Efectiva (P.M.E)
Es aquella presión promedio por encima de la
atmosférica que ejercen los gases sobre el émbolo
durante la carrera de expansión del motor al ser
quemados por acción de la chispa eléctrica. La P.M.E
es proporcional al par motor y para un régimen
de rotación determinado, también a la potencia
suministrada. El cálculo de la P.M.E se traduce
en determinar la presión en el interior del cilindro
durante el ciclo de trabajo del motor, lo que es similar
a determinar la potencia de la señal; para esto se utiliza
un sensor piezoeléctrico que se adapta a la bujía de
encendido para brindar mediciones en tiempo real de
dicha presión interna. En términos de procesamiento
de señales, la energía de la señal es una medida que
denota la intensidad o tamaño de la misma. La función
de energía de una señal representa la energía disipada
por una resistencia de 1 ohm cuando se aplica un
voltaje equivalente a la señal de presión del cilindro.
En dominio discreto, la energía de la señal viene dada
por la Ec. (3) [4].
El sensor piezoeléctrico a utilizar es de la marca
BOSCH y abarca un rango de presiones de 0 a 140
bares. Proporciona una señal analógica, cuyo voltaje
es proporcional a la presión que detecta. Además,
trabaja en un rango de temperatura de -40°C hasta
130°C.
Dispositivos de diseño esenciales
Tarjeta de adquisición de datos DAQ USB-
6008
Es utilizada para el diseño y comando de prototipos,
entornos y sistemas reales de una manera versátil y
rápida mediante el empleo de software y hardware
exibles. Está en la capacidad de tomar información
del entorno por medio de sus pines de entrada
de toda una gama de sensores y puede controlar
actuadores mediante sus pines de salida. Es posible
la transferencia de datos de ésta al ordenador ya que
tiene la capacidad de ser programable por medio de
diferentes softwares como el Labview, utilizado en
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la presente investigación, permitiendo desarrollar
códigos en tiempo real mediante USB referencia
artículo propio.
Bujía de encendido
Para efectos de monitoreo de la presión en el interior
del cilindro es necesario realizar una adaptación a la
bujía de encendido. Ésta consiste en acoplar un tubo
metálico a la bujía para que los gases sean guiados
desde el interior del cilindro hasta el sensor de presión
que es ajustado en el extremo de la misma. Para
esto se hace uso de un súplex y un tubo delgado. La
adaptación realizada no perjudica el funcionamiento
correcto del cilindro analizado y del motor en general.
El acople terminado se observa en la Fig. 2.[2]
Figura 2. Bujía con sensor de presión adaptado.
Toma de datos del motor.
CILINDRAJE
ECUACIÓN
INDIVIDUAL
TORQUE
ECUACIÓN
GENERAL
POTENCIA
RESULTADO
FUERZA
TRACTORA
VELOCIDAD
(KM)
1.2 74.275508 18.46782 900.34965 50
1.2 73.127435 18.5517 922.98631 50
1.2 74.349945 18.25583 903.58488 50
1.2 74.853425 18.57971 909.24561 50
1.2 73.982291 18.7123 941.36332 50
1.2 74.035862 18.4748 919.90189 60
1.2 74.223721 18.94906 952.50118 60
1.2 72.965217 18.31945 945.2834 60
1.2 73.745086 22.43086 674.36698 60
1.2 74.067067 22.40888 664.35655 75
1.2 73.28421 22.47596 676.97709 75
1.2 72.576819 22.18571 648.94072 75
1.2 73.894249 22.46754 668.43187 75
1.2 72.650892 21.95765 862.5053 75
1.2 73.288783 22.20535 831.8971 80
1.2 73.575003 22.24647 854.93031 80
1.2 72.063888 22.16494 911.05268 80
1.2 73.364768 22.21683 844.4916 80
1.2 74.196357 28.35193 995.80581 80
1.2 74.880469 27.79384 1059.372 85
1.2 73.603386 27.82639 1054.3824 85
1.2 74.584959 27.76709 1054.9006 85
1.2 73.692252 27.78837 1021.3744 85
1.2 73.07714 27.77196 999.22999 85
1.2 73.088515 28.4298 943.68741 90
1.2 73.838451 28.41007 959.65696 90
1.2 72.946433 28.4323 929.58883 90
1.2 74.120201 28.45838 999.07599 90
1.2 75.0789 30.58971 775.59379 90
1.2 75.752714 30.00083 867.61886 100
1.2 76.089394 29.96034 886.53205 100
1.2 76.288166 30.0048 891.794 100
1.2 75.775253 29.82131 817.27511 100
1.2 75.917195 32.38858 780.49643 100
1.2 76.817454 33.12953 668.95183 110
1.2 76.720756 33.11154 655.52123 110
1.2 76.68596 33.14929 675.55227 110
1.2 76.538565 33.14351 670.09885 110
1.2 78.309256 33.43129 901.80493 110
1.2 79.318416 33.63413 935.1629 120
1.2 79.545467 33.62755 966.79085 120
1.2 79.488899 33.61224 943.18975 120
1.2 79.33441 33.62017 934.02124 120
1.2 81.352246 36.32227 939.07629 120
1.2 76.524041 35.45523 860.77779 75
1.2 77.700762 35.83558 887.01867 75
1.2 77.055758 35.44664 876.09328 75
1.2 77.772963 35.90924 921.62808 75
1.2 81.696134 41.0934 833.83756 75
1.2 85.261297 41.21926 821.41914 50
1.2 83.501362 40.90265 773.25599 50
1.2 84.480492 41.51972 790.36495 50
1.2 85.211629 41.61542 831.31386 50
1.2 85.697619 47.5146 626.79127 60
1.2 85.698796 47.06101 641.99207 60
1.2 85.398025 47.50016 616.51537 60
1.2 84.840925 47.15507 633.81813 60
1.2 84.989327 47.77601 634.73204 60
1.2 82.815024 46.54803 505.01435 85
1.2 82.83442 46.39561 497.3299 85
1.2 82.973544 46.52181 516.97717 85
1.2 82.982746 46.68663 500.81599 85
1.2 83.041254 46.95122 515.30608 85
1.2 84.52633 51.30583 865.8458 110
1.2 84.571068 51.28761 884.21137 110
1.2 84.644502 51.3144 876.66959 110
1.2 84.834224 51.12597 869.89867 110
1.2 84.853282 51.38932 860.93092 110
Al analizar datos, valores curvas obtenidas en el
proceso de desarrollo del articulo o investigación.
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Figura 3. Gráca de comportamiento de curva de fuerza tractora.
Figura 4. Gráca de comportamiento de curva de torque.
Figura 5. Gráca comportamiento de curva potencia.
Con estos resultados se obtiene una mejora del 36,7%
en todas las grácas.
4. CONCLUSIONES
Es posible determinar el par motor y potencia de una
manera alternativa, aplicada a un motor de combustión
interna de encendido provocado. El cálculo del par
motor y potencia propuesto se rige por variables
relación de transmisión, volumen del cilindro, estando
implícita dentro de ésta última la presión interna del
cilindro medida por el sensor.
Los resultados experimentales del modelo matemático
planteado para el torque y potencia no exhiben una
diferencia estadística altamente signicativa respecto
a los medidos por un banco dinamométrico; ya que
basándose en una investigación previa, se obtiene un
margen de error medio inferior de 8,5 %.
Al estar el motor sometido a carga, por ejemplo al
someterlo a un esfuerzo notable, se obtiene un mayor
torque y potencia con el incremento de la velocidad,
siempre que esté trabajando a un régimen útil de
revoluciones.
5. REFERENCIAS.
[1] V. Rojas; J. Castillo; Determinación del Torque
y Potencia de un Motor de Combustión Interna
a Gasolina Mediante el Uso de Bujía con Sensor
de Presión Adaptado y Aplicación de un Modelo
Matemático, Julio 2016.
[2] G. Genta, L. Morello, et. Al, “Engine,” in The
Motor Car: Past, Present and Future, 1st ed., Ed.
Springer Netherlands, 2014, pp. 322-341.
[3] Campo, L. El motor: características de
funcionamiento. Master. D. [En línea]: http://
es.slideshare.net/grupomasterd/caracteristicas-
del-motor-la-potencia-por-masterd [Último
acceso: Marzo, 2015]
[4] Payri, F. Desantes, J.M. Motores de combustión
interna alternativos, Universidad Politécnica de
Valencia, 2011
[5] Giacosa, D. Motores endotérmicos, Universidad
Politécnica de Turín, 2012.
[6] K. Reif, “Basic of the gasolina (SI) engine,”
in Fundamentals of Automotive and Engine
Technology, Bosch, 1st ed., Ed. Springer
Fachmedien Wiesbaden, 2014, pp. 60-61.
[7] Engineer’s handbook. Reference Tables-
Coefcient of Friction. Disponible: http://
www.engineershandbook.com/Tables/
frictioncoefcients.htm [Último acceso: Agosto,
2015].
[8] Engineer’s handbook. Reference Tables-
ROJAS V., MARTINEZ J., PANCHA J., ROMERO V., ANÁLISIS DE LAS MODIFICACIONES DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA A
GASOLINA Y DETERMINACIÓN DE LAS CURVAS DE TORQUE Y POTENCIA APLICANDO UN MODELO MATEMÁTICO.
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ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 7 Vol. 1 / 2018 (14) ISSN 1390 - 7395 (10/14)
Artículo Cientíco / Scientic Paper
ESPE
Coefcient of Friction. Disponible: http://
www.engineershandbook.com/Tables/
frictioncoefcients.htm [Último acceso: Agosto,
2015].
[9] Nissan. (s.f.). Manual de servivio series A10
y A12 . Tokio,Japon : Nissan Motor Co.
Obtenido de MDM network: http://www.
manualesdemecanica.com/manuales/Manuales-
de taller/nissan/Motores-Nissan-A10-y-A12-
series.
6. BIOGRAFÍA
1
Edgar Vicente Rojas Reinoso Máster en Sistemas
Automotrices en la Escuela
Politécnica Nacional (2016);
Ingeniero Mecánico Automotriz
en la Universidad Politécnica
Salesiana (2012), es docente e
investigador en Escuela Superior
Politécnica del Chimborazo.
2
Jorge Enrique Martínez Coral Máster en Sistemas
Automotrices en la Escuela Politécnica Nacional
(2011); Ingeniero Mecánico en la
Universidad Politécnica Nacional
(2001). Profesor y director de
tesis de posgrado de la Maestría
en Sistemas Automotrices de la
Escuela Politécnica Nacional.
Cursos de especialización de
diagnóstico automotriz con
equipos electrónicos en Corea,
España, Francia, Argentina, Colombia, Venezuela,
Chile y Estados unidos. Miembro del colegio de
Ingenieros Mecánicos de Pichincha (CIMEPI).
Presidente de la Asociación de Técnicos Automotrices
Especializados (ATAE). Expositor nacional e
internacional.
3
Johnny Marcelo Pancha Ramos
Máster en Sistemas Automotrices
en la Escuela Politécnica Nacional
(2016); Ingeniero en Mecánica
Automotriz en la Escuela
Politécnica Javeriana del Ecuador
(2012).
Tiene experiencia en el área de
mantenimiento y reparación en vehículos a gasolina.
Se desempeñó como profesor y capacitador en el área
de Electricidad Automotriz e Inyección Electrónica.
Actualmente, labora como docente universitario e
investigador en la Escuela Superior Politécnica de
Chimborazo.
4
Vicente Javier Romero Hidalgo
Máster en Ingeniería Mecánica
en la Universidad Politécnica de
Madrid (2015); Ingeniero
Automotriz en la Escuela
Superior Politécnica de
Chimborazo (2012).
Especializado en Estados Unidos
y Argentina en vehículos híbridos y eléctricos, además
cuenta con una certicación ASE A6 para diagnóstico
eléctrico y electrónico de vehículos.
Se desempeñó como técnico y jefe de taller para la
empresa AUTOSIERRA S.A. distribuidor de la marca
Volkswagen para la zona centro del País.
En la actualidad labora como docente ocasional e
investigador en la Escuela Superior Politécnica de
Chimborazo.
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 25 junio 2018
Fecha aceptación 20 agosto 2018
ROJAS V., MARTINEZ J., PANCHA J., ROMERO V., ANÁLISIS DE LAS MODIFICACIONES DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA A
GASOLINA Y DETERMINACIÓN DE LAS CURVAS DE TORQUE Y POTENCIA APLICANDO UN MODELO MATEMÁTICO.
