• Author / Uploaded
• Cristian Jensen Mártinez

Citation preview

SISTEMAS INYECCION DIESEL

Sistemas de Inyección en Motores Diésel

Cristian Jensen Martínez Álvaro García Grimaldi Juan Aguilera

2

Sistemas de Inyección en Motores Diésel INDICE. 1. Planteamiento 2. El motor diésel 3. Tipos de cámara de combustión 3.1 Motores con cámara abierta (inyección directa) 3.2 Motores con cámara dividida (inyección indirecta) 4. Distribución de la mezcla 4.1 Niveles de lambda en motores Diésel 5. Parámetros de la inyección 5.1 Inicio de la inyección 5.2 Curva de inyección 5.3 Sistemas controlados por leva 5.4 Sistemas common-rail 6. Sistemas de inyección de combustible 6.1 Función 6.2 Suministro de combustible (etapa de baja presión) 6.3 Inyección (etapa de alta presión) 7. Tipos de sistemas de inyección 7.1 Sistemas con bomba de inyección en línea 7.2 Bomba de inyección en línea tipo PE estándar 7.3 Bomba de inyección en línea con válvula de corredera 7.4 Sistemas con bombas de inyección rotativas 7.5 Bomba de inyección rotativa de embolo axial (VE) 7.6 Bomba de inyección rotativa de émbolos radiales 7.7 Bombas de inyección individuales PF 7.8 Unidad bomba-inyector UIS 7.9 Unidad bomba-tubería-inyector UPS 7.10 Sistemas de inyección Common-Rail 8. Toberas de inyectores 8.1 Toberas de inyector de tetón 8.2 Toberas de inyector de orificios 9. Regulación electrónica diésel EDC 9.1 Funcionamiento 9.2 Bloques del sistema 9.3 Procesamiento de datos 9.4 Control de la inyección

1. Planteamiento: En el ámbito de los sistemas de producción de potencia los motores de combustión interna alternativos encuentran su aplicación en:

- la generación de energía eléctrica (motores que accionan generadores eléctricos desde potencias de menos de 1 kW hasta potencias de más de 80 MW),

- los sistemas propulsivos (automoción, vehículos agrícolas y de obras públicas, 3

Sistemas de Inyección en Motores Diésel marítima, ferroviaria, aérea),

- otras aplicaciones (motobombas, motosierras, otras herramientas motorizadas, etc.). A partir de los años cincuenta del pasado siglo comienza en el estado de California la preocupación por las emisiones gaseosas de los motores de combustión interna alternativos de automoción y aparecen las primeras normativas para su regulación en dicho estado. Posteriormente, estas normativas se extienden al resto de EEUU y otros países como Japón y más tarde a Europa. Las sucesivas crisis del petróleo de 1973 y la de 1979 y la preocupación asociada por el posible agotamiento del petróleo, así como por la contaminación atmosférica conduce el desarrollo de los motores, no ya sólo en el campo de la automoción sino también en otros campos, por el camino de la mejora integral de todas sus prestaciones no sólo de la potencia específica (kW/l), como había sido hasta entonces, si no también del consumo específico y de las emisiones gaseosas y sonoras. Así, la normativa que regula estos parámetros ha ido haciéndose cada vez más restrictiva y ha supuesto un gran reto para la industria del motor ya que la reducción conjunta de estos parámetros (consumo y emisiones gaseosas y sonoras) y aumento de la potencia específica es un objetivo difícil de conjugar.

2. El motor diésel El motor diésel es un motor de combustión interna alternativo de encendido por compresión. La combustión de la mezcla se inicia por el autoencendido del combustible que tras ser inyectado en la cámara de combustión al final de la fase de compresión se ha evaporado y mezclado con el aire. Los motores Diésel son los motores de combustión interna alternativos más eficientes, pudiendo sobrepasar un rendimiento del 50% en el caso de los grandes motores lentos. El menor consumo de combustible tiene como resultado un menor nivel de contaminación, esto destaca la importancia del motor diésel. Pueden ser diseñados para trabajar con un ciclo de 2 o de 4 tiempos dependiendo de su aplicación. En la automoción casi siempre se usa el de 4 tiempos; las principales aplicaciones del de 2 tiempos son en el campo naval y el ferroviario, y en los motores estacionarios para la generación de energía eléctrica. El mayor motor de combustión interna alternativo existente es un motor diésel de 2 tiempos sobrealimentado de 14 cilindros con una potencia que supera los 80 MW y un rendimiento superior al 50% (Wärtsilä RT-flex 96C).

3. Tipos de cámara de combustión La forma de la cámara de combustión es uno de los factores determinantes en

4

Sistemas de Inyección en Motores Diésel la calidad de la combustión y, por tanto, del rendimiento del motor y las características de los gases de escape. Con el diseño adecuado de la cámara de combustión y el movimiento del pistón se puede conseguir crear turbulencias en el interior del cilindro y así mejorar la formación de la mezcla aire/combustible. Según el diseño de la cámara de combustión, los motores se dividen en dos tipos:



Motores con cámara de combustión abierta o de inyección directa (el combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión).



Motores con cámara de combustión dividida o de inyección indirecta (la inyección tiene lugar en la pre cámara o cámara de turbulencia).

3.1 Motores con cámara abierta (inyección directa) Una cámara de combustión abierta es aquella en la que el espacio de combustión no contiene restricciones suficientemente pequeñas como para producir diferencias grandes de presión entre partes diferentes de la cámara durante el proceso de combustión. En la cámara abierta la formación de la mezcla aire/combustible depende unicamente de las características del chorro y del movimiento del aire dentro del cilindro. Por este motivo, este tipo de motores son muy sensibles a la pulverización del combustible, que debe ajustarse con precisión para asegurar una mezcla rápida. La formación de la mezcla se ve favorecida por el uso de altas presiones de inyección y la subdivisión del chorro. En el caso de los motores de gran velocidad (cilindros pequeños), se favorece el proceso de mezcla mediante la creación de swirl (movimiento de remolino provocado por la inercia del aire que entra al cilindro (Figura 1, segunda imagen)) y squish (movimiento del aire al entrar en el hueco del cilindro, donde se reduce el diámetro de la cámara). El movimiento del aire favorece la homogeneización de la mezcla y acelera el proceso de combustión. En los motores de mayor tamaño, la cantidad de movimiento y la energía del chorro son suficientes para alcanzar una distribución del combustible y velocidad de mezcla adecuadas.

5

Sistemas de Inyección en Motores Diésel 3.2 Motores con cámara dividida (inyección indirecta) Una cámara de combustión dividida es aquella en la que el espacio de combustión se halla dividido en dos compartimentos distintos, entre los que hay un estrechamiento suficientemente pequeño para que existan diferencias apreciables de presión entre ellos durante el proceso de compresión y combustión. A la parte de la cámara en la que se encuentra el pistón se le conoce por el nombre de cámara principal y a la otra con el nombre de pre cámara o antecámara. En este tipo de cámara de combustión la homogeneización de la mezcla está fundamentalmente encomendada al propio fluido, como consecuencia de la importante turbulencia que aparece durante el tránsito del fluido, a través del estrechamiento. El sistema de inyección juega en este caso un papel secundario, siendo, en general el inyector de orificio único e inyectado el combustible en la pre cámara a una presión comparativamente baja. Durante la compresión el aire se introduce en la pre cámara, generándose turbulencia a su paso a través del orificio de comunicación entre la cámara principal y la pre cámara. Al inyectarse el combustible en la pre cámara la turbulencia favorece la mezcla.

Las cámaras de combustión divididas han sido muy utilizadas en los motores de automóvil y maquinaria agrícola e industrial de pequeña o media cilindrada, ya que con los sistemas de inyección tradicionales era la única forma de reducir las emisiones de ruido y gases contaminantes. Con el desarrollo de los sistemas de inyección (mayor presión de inyección y precisión) se ha podido implantar en estos motores la inyección directa, que ya se usaba desde un principio en los motores de gran cilindrada, consiguiendo un mejor rendimiento.

Sistemas de Inyección en Motores Diésel

4.Distribución de la mezcla 4.1 Niveles de lambda en motores Diésel Las zonas en las que hay una mezcla rica son las responsables de la formación de partículas durante la combustión. Para prevenir esto, en los motores Diésel (al contrario de lo que ocurre en los de gasolina) tienen que funcionar con un exceso de aire. Los niveles de lambda en motores sobrealimentados a plena carga se encuentran entre 1,15 y 2,0. En ralentí y en vacío, lambda se encuentra por encima de 10. El factor de exceso de aire es el principal responsable del autoencendido y de la formación de gases contaminantes. Los motores Diésel operan con formación de mezcla heterogénea y autoencendido. No es posible lograr una mezcla completamente homogénea de combustible y aire antes o durante la combustión. Dentro de esa mezcla heterogénea el factor de exceso de aire puede variar de forma localizada desde λ=0 (solo combustible) en el chorro cerca del inyector, hasta λ=∞ (solo aire) en el otro extremo del chorro. Alrededor una gota de líquido envuelta en vapor, los niveles de λ se encuentran entre 0,2 y 1,5 (Figuras 3 y 4). Por esto, se puede deducir que mejorando la atomización (alto número de gotas muy pequeñas), con alto exceso de aire y el movimiento adecuado del flujo de aire, se consigue reducir las zonas localizadas con bajo lambda. Esto da como resultado menos formación de partículas durante la combustión. La atomización se consigue optimizar con altas presiones de inyección de hasta 2200 bar que se consiguen con los sistemas Common Rail y con inyector-bomba. Por otro lado, se trata de obtener la máxima potencia posible de un motor de un cierto tamaño, o lo que es lo mismo, reducir su tamaño para una determinada potencia, y así reducir su peso y coste. Para esto el motor debe funcionar con el mínimo exceso de aire posible a plena carga. Esto lleva a buscar el óptimo que cumpla con las emisiones máximas permitidas por la legislación vigente obteniendo el máximo rendimiento posible del motor.

Curva relación aire/combustible en una gota estática (Robert Bosch GmbH)

Sistemas de Inyección en Motores Diésel

5. Parámetros de inyección 5.1 Inicio de la inyección El punto en el que se inyecta el combustible dentro de la cámara de combustión tiene un efecto decisivo sobre el instante en el que se inicia la combustión de la mezcla, y por lo tanto, sobre el nivel de emisiones, el consumo de combustible y el ruido de la combustión. Por este motivo, el inicio de la inyección juega el papel más importante en la optimización del rendimiento del motor. El inicio de la inyección especifica la posición del cigüeñal, en grados con respecto a la posición del mismo en el PMS (Punto Muerto Superior), en la que abre la tobera del inyector y se inyecta el combustible dentro de la cámara. La posición del pistón relativa al PMS en ese momento, además de la densidad y temperatura del aire, influye en el flujo de aire dentro de la cámara de combustión. De acuerdo a esto, el grado de mezcla de aire y combustible depende también del inicio de la inyección. Por tanto, el inicio de la inyección afecta a las emisiones de elementos como partículas, óxidos de nitrógeno (NOx), hidrocarburos no quemados (HC) y monóxido de carbono (CO). El punto de inicio de inyección varía de acuerdo a la carga, la velocidad y la temperatura del motor. Para cada motor se determinan unos valores optimizados, teniendo en cuenta su impacto sobre el consumo de combustible, las emisiones contaminantes y el ruido. Estos valores se almacenan en un mapa de inicio de inyección. La variación del inicio de inyección dependiendo de la carga se controla también a través de dicho mapa. Comparado con los sistemas controlados por leva, el common-rail ofrece un mayor grado de libertad para elegir la cantidad, el instante y la presión de inyección. Como la presión del combustible se genera por una bomba de alta presión separada y la inyección se controla por un solenoide o un actuador piezoeléctrico, es posible optimizar la inyección para cada punto de operación con el sistema de control del motor.

Valores estándar para el inicio de la inyección En un mapa de datos de un motor diésel, los puntos óptimos de inicio de la combustión para reducir el consumo de combustible se encuentran en el rango de 0 a 8 grados del cigüeñal antes del PMS. Como resultado, y en base a los límites legales de emisiones de los gases de escape, los puntos de inicio de inyección se sitúan en los siguientes rangos orientativos: Motores de automóvil de inyección directa:  En vacío: entre -2 y 4º (2 grados en el cigüeñal antes del PMS y 4 grados después del PMS)  Carga parcial: entre -6 y 4º

Sistemas de Inyección en Motores Diésel  Plena carga: entre -15 y -6º Motores de vehículos comerciales (sin EGR)  En vacío: entre -12 y -4º  Plena carga: entre -6 y 2º Cuando el motor esta frío, el inicio de la inyección tanto para motores de automóvil como de vehículos comerciales se adelanta ente 3 y 10º. El tiempo de la combustión a plena carga equivale a un ángulo de giro del cigüeñal de entre 40 y 60º.

Sistemas de Inyección en Motores Diésel

Inicio de la inyección avanzado La mayor temperatura alcanzada durante la compresión se da un poco antes del PMS del pistón. Si la combustión se inicia mucho antes del PMS, la presión crece bruscamente y actúa como una fuerza que se opone a la carrera de ascenso del pistón. La pérdida de calor en el proceso disminuye la eficiencia del motor y, por tanto, aumenta el consumo de combustible. La elevación brusca de la presión de compresión hace también que la combustión sea más ruidosa. El mayor incremento de temperatura como consecuencia del inicio de inyección avanzado tiene como consecuencia un aumento de los niveles de NO x en los gases de escape y reducción de los HC.

Inicio de la inyección retardado En condiciones de baja carga, el inicio de la inyección retardado puede dar como resultado una combustión incompleta y, por tanto, un incremento en las emisiones de hidrocarburos no quemados y de monóxido de carbono, ya que la temperatura en la cámara de combustión desciende notablemente. El compromiso para compensar, por un lado, el consumo especifico de combustible y las emisiones de hidrocarburos, y por el otro, las emisiones de partículas y NOx, hacen que la tolerancia sea muy pequeña cuando se modifica el inicio de inyección para ajustarlo a un determinado motor.

5.2 Curva de inyección La curva de inyección representa gráficamente el flujo másico de combustible frente al tiempo en el que es inyectado en la cámara de combustión.

Sistemas de Inyección en Motores Diésel

Curvas de inyección de un sistema de convencional (izquierda) y de un sistema Common Rail (derecha), (Robert Bosch GmbH)

5.3

Sistemas controlados por leva

En los sistemas de inyección de combustible controlados por leva, la presión se genera continuamente a lo largo del proceso por la bomba inyectora. Así, la velocidad de la bomba repercute directamente en la tasa de suministro de combustible y, por tanto, en la presión de inyección. Las bombas inyectoras en línea y las bombas rotativas controladas mecánicamente no permiten realizar una preinyección. Sin embargo, con un montaje de tobera y porta inyector con dos muelles, se puede reducir el caudal al inicio de la inyección para mejorar el ruido de la combustión. Sí es posible la preinyección en las bombas rotativas controladas por electroválvulas. También hay sistemas con unidad bomba-inyector equipadas con control hidráulico y mecánico que permiten la preinyección, pero con un límite de tiempo. En todo caso, en estos sistemas, la generación de presión y el suministro de la cantidad de combustible inyectado están vinculados con la leva y la bomba inyectora. Esto repercute en las características de la inyección en:



Al aumentar la velocidad del motor, se incrementa la presión de inyección y la cantidad de combustible inyectado, hasta alcanzar la presión máxima.



La presión se eleva al inicio de la inyección, pero antes del final de la inyección, en el instante en que termina el suministro, desciende hasta llegar al valor en el que cierra la tobera.

Eso tiene las siguientes consecuencias:

 

Se inyectan pequeñas cantidades de combustible a baja presión. La curva de inyección tiene una forma aproximadamente triangular.

La curva triangular favorece la combustión en régimen de carga parcial y baja velocidad del motor, ya que la elevación de la presión en la cámara de combustión es menos pronunciada y esto hace que la combustión sea más silenciosa; sin embargó esta curva no favorece la combustión a plena carga, donde se consigue un funcionamiento más eficiente con una curva con forma más cuadrada.

Sistemas de Inyección en Motores Diésel En los motores de inyección indirecta (con pre-cámara), se utilizan inyectores de tetón para producir un único chorro y definir la curva de inyección. Este tipo de toberas de inyección controla la sección transversal de salida en función de la elevación de una aguja. Esto provoca un incremento de presión gradual y, por tanto, una combustión algo más silenciosa.

5.4

Sistemas common-rail

En estos sistemas una bomba genera la presión necesaria en el combustible independientemente del ciclo de inyección. Esta presión se mantiene prácticamente constante durante el proceso de inyección. En un sistema con una determinada presión, la cantidad de combustible inyectado es proporcional al tiempo que el inyector permanece abierto, y esto es independiente de la velocidad del motor o de la bomba. Esto tiene como resultado una curva de inyección casi cuadrada con inyecciones de corta duración y casi constantes, con altas velocidades de pulverización a plena carga que permiten incrementar la potencia especifica del motor. Sin embargo, un alto caudal al principio de la inyección (durante el retraso de encendido) no es beneficioso, en el sentido en que hace que la presión en la cámara de combustión crezca bruscamente y el proceso de combustión sea más ruidoso. Por eso, como la inyección se puede controlar de forma precisa, se pueden realizar hasta dos preinyecciones. Con esto se consigue pre acondicionar la cámara de combustión, haciendo que la presión crezca de forma más progresiva, reduciendo el tiempo de retraso de la inyección y, por tanto, consiguiendo reducir al mínimo el ruido de la combustión y la formación de NOx. Esto es posible debido al control electrónico sobre los inyectores que permite variar la curva de inyección en función de las condiciones de operación

Sistemas de Inyección en Motores Diésel

6. Sistemas de inyección de combustible 6.1 Función El sistema de inyección es el responsable de suministrar el combustible al motor. Se compone de una etapa de baja presión y otra de alta, en la que se encuentra la bomba inyectora; ésta genera la presión de inyección requerida y suministra el combustible al circuito de alta presión. A su vez, la bomba inyectora es alimentada a través del circuito de baja presión, encargado de transportar el combustible desde el depósito y filtrarlo para garantizar que entre en el circuito de alta presión libre de impurezas y humedad. 6.2 Suministro de combustible (etapa de baja presión) La función del sistema de suministro de combustible (también denominado sistema de alimentación) es almacenar y filtrar el combustible requerido y abastecer de éste al sistema de inyección a la presión de operación requerida. Además se encarga del retorno del combustible sobrante al depósito de combustible y, en algunos casos, la refrigeración de éste antes de devolverlo al depósito. El sistema de alimentación puede variar dependiendo del tipo de sistema de inyección y las características de la bomba inyectora. A continuación de relacionan los componentes esenciales del sistema, que más adelante serán descritos detalladamente.

-

Depósito de combustible Bomba de pre alimentación (opcional, puede ir en el interior del depósito de combustible) - Filtro preliminar (situado en el interior del depósito de combustible, por donde se aspira el combustible) - Unidad de refrigeración del combustible de retorno (opcional) - Filtro principal de combustible - Bomba de alimentación de combustible (baja presión) - Válvula limitadora de presión (suele ir integrada en la bomba de alimentación) - Conductos de baja presión - Unidad de control En sistemas de inyección con bomba rotativa y en algunos casos en sistemas Common Rail, la bomba de alimentación de combustible está integrada en la bomba de alta presión.

2 6

Sistemas de Inyección en Motores Diésel

Sistema de inyección de combustible con bomba de inyección en línea, (Robert Bosch GmbH)

Depósito de combustible El depósito de combustible debe ser resistente a la corrosión, además de a prueba de fugas para presiones superiores al doble de la de operación y de al menos 0.3 bar de sobrepresión y disponer de válvulas de seguridad para el escape de los gases en caso de que haya sobrepresión. El diseño debe tener en cuenta que no se produzcan fugas cuando el vehículo, en su caso, se incline y en caso de sacudidas y de impactos. Por último, debe ir separado del motor, en un lugar en el que se prevenga la ignición del combustible en caso de accidente. Líneas de transporte Compuestos por tubos de metal, flexibles e ignífugos. Así mismo tienen que estar preparados para no sufrir daños ante movimientos de torsión del bastidor, movimientos del motor o similares. Todos los elementos del sistema de transporte de combustible deben estar previstos para evitar daños en operación provocados por incrementos de temperatura. Filtro de combustible Su función es garantizar un nivel pureza del combustible que evite daños en el sistema de inyección. Su diseño depende del tipo de sistema de inyección y de las condiciones de operación, es más exigente para sistemas que trabajen a presiones más elevadas como el common-rail. El sistema completo de filtrado se compone de:

-

Filtro preliminar: Situado en el interior del depósito, filtra el combustible antes de su entrada en la bomba de alimentación previa. Está formado por una malla capaz de filtrar partículas de hasta 300 µm.

-

Filtro principal: Las pequeñas partículas sólidas presentes en el combustible quedan atrapadas en el filtro, por eso tiene un elemento fácilmente extraíble que debe ser sustituido periódicamente. Este elemento está constituido por una espiral en forma de v capaz de filtrar elementos de distintas formas. Es posible montar más de uno, en paralelo (aumenta la capacidad de almacenamiento) o en serie (filtros multietapa para mejorar la eficiencia de filtración).

-

Separador de humedad: Este dispositivo, normalmente integrado en el filtro principal, evita que el agua, libre o emulsionada con el combustible, entre en el equipo de inyección.

2 6

Sistemas de Inyección en Motores Diésel El agua es el contaminante más común; entra al sistema de suministro de combustible cuando el aire húmedo y caliente entra al depósito del vehículo o equipo, y después condensa en las paredes frías. El agua reduce la lubricidad del combustible, causando desgaste o atascamiento de piezas con poca tolerancia.

2 6

Sistemas de Inyección en Motores Diésel

-

Precalentador de combustible: Este componente, integrado en el filtro principal, calienta el combustible eléctricamente, mediante el agua de refrigeración o mediante el combustible de retorno. En invierno o en climas de bajas temperaturas, las parafinas presentes pueden precipitar formando cristales. Al aumentar la temperatura del combustible antes de su paso por el filtro, se evita la presencia de esos cristales de parafina que obstruirían los poros del filtro.

-

Bomba manual: La bomba manual ayuda a llenar y purgar el aire contenido en el sistema de inyección después de cambiar el filtro o de cualquier otra operación de mantenimiento. Suele ir integrado en la cubierta del filtro.

Bomba de prealimentación Puede ser una bomba eléctrica (Figura 14) o de accionamiento mecánico. Esta bomba aspira el combustible del depósito a través del filtro y lo envía por el circuito de baja presión, pasando por el filtro principal, hasta la bomba de alta presión.

Bomba eléctrica Se compone de un motor eléctrico que acciona un elemento de bombeo (disco de rodillos). Se usa en los siguientes sistemas:

  

Sistemas con bomba rotativa (opcional, sólo como bomba de prealimentación) En sistemas de inyector unitario (UIS) En sistemas Common Rail

Esquema de una bomba eléctrica de combustible, (Robert Bosch GmbH)

2 7

Sistemas de Inyección en Motores Diésel Bomba de engranajes La bomba de engranajes se usa en los siguientes casos: Para todos los sistemas con bombas individuales en vehículos industriales (unidad inyector-bomba, unidad bombatubería- inyector y bombas de inyección individuales PF) Parcialmente en sistemas Common Rail en vehículos industriales y automóviles La bomba de inyección de engranajes está fijada directamente al motor o, en el caso del Common Rail, está integrada en la bomba de alta presión. Se acciona mecánicamente por medio de un acoplamiento, una rueda dentada o una correa de distribución. Sus componentes principales son dos ruedas dentadas que engranan entre sí y que tienen sentido de giro opuesto, que impelen el combustible de los huecos entre dientes y la carcasa impulsándolo del lado de aspiración al lado de presión. En el engranaje entre las dos ruedas se produce un cierre hermético entre ambos lados. Bomba de paletas Estas bombas van integradas dentro del cuerpo de las bombas rotativas.

Bomba de paletas de bloqueo Su principal uso son sistemas con bombainyector para automóviles. En la bomba de paletas de bloqueo, unos muelles presionan dos paletas de bloqueo contra el rotor. Cuando este gira, el volumen aumenta en el lado de aspiración y el combustible se aspira hacia el interior de la cámara. En el lado de compresión, el volumen disminuye e impulsa al combustible a salir de la cámara. Estas bombas pueden aspirar el combustible velocidades de giro bajas.

Sistemas de Inyección en Motores Diésel

Esquema de una bomba de paletas de bloqueo, (RobertBosch GmbH)

6.3 Inyección (etapa de alta presión) El sistema de inyección se encarga de inyectar la cantidad adecuada de combustible a alta presión dentro de la cámara de combustión en el momento adecuado. Los principales componentes son la bomba de inyección, encargada de dar al combustible la presión adecuada, y los inyectores; ambos están unidos por la línea de alta presión (excepto en los sistemas con bombas de inyección individuales). En todos los casos la tobera de cada inyector sobresale dentro de la cámara de combustión de cada cilindro. En la mayoría de los sistemas, la tobera o boquilla del inyector deja pasar el combustible cuando se alcanza una determinada presión de apertura, y cierra cuando la presión cae por debajo de este valor. Sólo se controla de forma externa, mediante un controlador electrónico, en el caso de los sistemas common-rail.

7. Tipos de sistemas de inyección 7.1 Sistemas con bomba de inyección en línea El elemento principal de bombeo de este tipo de bombas se compone de un cilindro y un émbolo. Éste se encarga de comprimir el combustible para que sea inyectado a una determinada presión. La bomba tiene tantos elementos de bombeo como cilindros el motor. El movimiento de sube y baja de cada embolo lo provoca un árbol de levas, accionado por el motor, y un muelle que provoca el descenso. Los elementos de bombeo están dispuestos en línea dentro de la bomba. Su carrera no puede variar, por lo que necesitan un sistema que varíe la cantidad de combustible bombeado. Para ello el émbolo tiene una serie de ranuras inclinadas y mediante un mecanismo que lo hace girar, permite la variación de la carrera útil en función de la carga y el número de revoluciones del motor. El funcionamiento de este sistema es algo complicado de resumir, por lo que se tratará con detalle en el próximo punto. Otro de los elementos principales de estas bombas es la válvula de descarga. Se encuentra situada entre el elemento de bombeo y la tubería de alta presión que conduce el combustible al inyector. Estas válvulas hacen que la inyección se corte bruscamente. 7.2 Bomba de inyección en línea tipo PE estándar Este fue el primer tipo de bomba inyectora. Su invención permitió el uso por primera vez del motor diesel en vehículos. El comienzo de la inyección está determinado por una lumbrera de admisión situada en la parte inferior del cilindro, que es cerrada por el émbolo cuando este empieza a subir. La ranura del émbolo y su ángulo de giro determinan el fin de la carrera útil y, por tanto, el caudal de inyección. El giro de los émbolos lo efectúa una cremallera o varilla de regulación que puede ser controlada por un regulador mecánico de fuerza centrífuga (este fue el primer sistema diseñado) o, en el caso de las bombas más modernas, con un mecanismo actuador eléctrico (EDC). 7.3 Bomba de inyección en línea con válvula de corredera Esta bomba se diferencia de la de inyección en línea estándar PE en que puede variar con facilidad la carrera del émbolo. Tiene un elemento móvil (corredera) que se desliza sobre el émbolo de la bomba mediante un eje actuador convencional, con lo que puede modificarse la carrera, y con ello también el comienzo de la inyección. La posición de la válvula corredera se ajusta en función de diversos parámetros para optimizar el proceso de combustión. En comparación con la bomba de inyección en línea estándar, la bomba de inyección en línea con válvula de corredera tiene un grado de libertad de adaptación adicional. 7.4 Sistemas con bombas de inyección rotativas

30

Estas bombas tienen, al igual que las bombas en línea, un regulador mecánico que ajusta el caudal de inyección, además de un regulador de avance de inyección que puede ser hidráulico o electrónico. También pueden tener un único elemento de control electrónico que realiza ambas funciones. En éstas, los elementos mecánicos se sustituyen por actuadores electrónicos. Las bombas rotativas solo tienen un elemento de bombeo de alta presión que distribuye el combustible a todos los inyectores. 7.5 Bomba de inyección rotativa de embolo axial (VE) Lleva integrada una bomba de alimentación de paletas que aspira combustible del depósito y lo suministra al interior de la cámara de la bomba de inyección. Un único émbolo distribuidor central, que gira mediante un disco de levas, se encarga de la generación de presión y la distribución a los diversos cilindros. Durante una vuelta del eje de accionamiento, el émbolo realiza tantas carreras como cilindros del motor a abastecer. Los resaltes de leva en el lado inferior del disco de leva se deslizan sobre los rodillos del anillo de rodillos y originan así en el émbolo distribuidor un movimiento de elevación adicional al movimiento de giro. Las bombas rotativas de émbolo axial convencionales disponen de un regulador de revoluciones mecánico (por fuerza centrífuga), o con mecanismo actuador regulado electrónicamente. Tienen una corredera de regulación que determina la carrera útil y dosifica el caudal de inyección. El comienzo de suministro de la bomba puede regularse mediante un anillo de rodillos (variador de avance). En la bomba rotativa de émbolo axial controlada por electroválvula, existe una electroválvula de alta presión controlada electrónicamente, que dosifica el caudal de inyección, en lugar de la corredera de inyección. Las señales de control y regulación son procesadas en dos unidades de control electrónicas ECU (unidad de control de bomba y unidad de control de motor). 7.6 Bomba de inyección rotativa de émbolos radiales Esta bomba rotativa utiliza émbolos radiales accionados por un anillo de levas, pueden ser dos o cuatro. Una electroválvula de alta presión dosifica el caudal de inyección. El comienzo de la inyección se regula mediante el giro del anillo de levas, con el variador de avance. Igual que en la bomba de émbolo axial controlada por electroválvula, todas las señales de control y regulación se procesan en las unidades de control electrónicas ECU. Mediante la activación apropiada del elemento actuador se regula el número de revoluciones. 7.7 Sistemas con bombas de inyección individuales Bombas de inyección individuales PF Estas bombas tienen diversas aplicaciones: motores pequeños, locomotoras diésel, motores navales, maquinaria de construcción, etc. El sistema que utilizan para conseguir la presión de inyección es el mismo que el del elemento de bombeo de la bomba de inyección en línea estándar PE. No tienen árbol de levas propio, sino uno común a todas se encuentra sobre el árbol de levas correspondiente al control de válvulas del motor. Por este motivo no es posible la variación del avance mediante un giro del árbol de levas. Aquí puede conseguirse un ángulo de variación de algunos grados mediante la regulación de un elemento intermedio (por ejemplo situando un balancín entre el árbol de levas y el impulsor de rodillo). En motores grandes, el regulador mecánico-hidráulico o electrónico está integrado en el cuerpo del motor.

31

7.8 Unidad bomba-inyector UIS La bomba de inyección y el inyector son una única pieza. Cada cilindro lleva una unidad, montada en la culata del motor. Al igual que las bombas de inyección individuales son accionadas por un árbol de levas montado sobre el bloque del motor; bien directamente mediante un empujador, o indirectamente mediante balancín. Debido a la supresión de las tuberías de alta presión, se puede conseguir una presión de inyección de hasta 2000 bar (mayor que en los sistemas con bomba inyectora común). Con esta elevada presión de inyección y mediante la regulación electrónica del comienzo y fin de inyección es posible mejorar el proceso de combustión, reduciendo notablemente el consumo de combustible y las emisiones contaminantes del motor diésel. 7.9 Unidad bomba-tubería-inyector UPS Este sistema trabaja según el mismo procedimiento que la unidad de bomba-inyector, pero está dividido en módulos (bomba individual, tubería e inyector). También dispone de una unidad de inyección por cada cilindro del motor, accionada por un árbol de levas. En este caso, debido a la regulación electrónica, también se consigue una reducción del consumo y las emisiones. 7.10 Sistemas de inyección Common-Rail Este sistema, como su nombre indica, dispone de un “raíl” o acumulador común para todas las líneas de inyección. En él se acumula el combustible suministrado por la bomba de alta presión. Esta presión es independiente del régimen de giro del motor y del caudal de inyección. El acumulador suministra el combustible a alta presión a todos los inyectores, que abren y cierran por medio de electroválvulas. La unidad de control electrónica ECU, en función de unos parámetros almacenados, del régimen del motor y de la carga gestiona la inyección actuando sobre las electroválvulas. Al igual que en los sistemas de unidad bomba-inyector, el preciso control de la inyección, consigue reducir notablemente el consumo de combustible y las emisiones contaminantes.

8. Toberas de inyectores La tobera es el elemento del inyector a través del cual se inyecta el combustible a alta presión en la cámara de combustión del motor. Es un elemento determinante en la formación de la mezcla y la combustión y, por tanto, su efecto es fundamental en las prestaciones del motor. Están diseñados para ser lo más efectivos posibles, en función del tipo de cámara de combustión en el que se vayan a usar y del sistema de inyección. El conjunto inyector/portainyector va montado en la culata del motor. El portainyector sirve para fijar el inyector en la culata. El portainyector está comunicado con la tubería de alimentación de alta presión y la de retorno. Se distinguen dos tipos principales de inyectores según el diseño de la tobera:



Inyectores de tetón (motores de inyección indirecta)  Inyectores de orificios (motores de inyección directa)

Dentro de estos dos tipos de inyectores existen diversas variantes, previstas para los diferentes tipos de motores.

32

1. Entrada de combustible 2. Tuerca de racor para tubería de alimentación 3. Conexión para combustible de retorno 4. Arandelas de ajuste de presión 5. Canal de alimentación 6. Muelle 7. Perno de presión 8. Aguja del inyector 9. Tuerca de fijación del portainyector a la culata del motor. Estructura de un inyector, (Robert Bosch GmbH)

8.1 Toberas de inyector de tetón Estas toberas se usan sólo en motores de inyección indirecta (con precámara o cámara de turbulencia). En estos motores la preparación de la mezcla de combustible y aire se efectúa principalmente mediante el efecto de la turbulencia del aire en el interior del cilindro, asistida por un chorro de inyección con la forma apropiada. No son aptas para sistemas de inyección directa ya que los picos de presión en el interior de la cámara de combustión la abrirían. El diseño fundamental de las distintas toberas con este sistema es el mismo, la única diferencia entre ellas está en la geometría del tetón. Dentro del cuerpo del inyector se encuentra la aguja. Esta es presionada hacia abajo por el muelle de forma que el tetón, que se encuentra en su punta, es presionado sobre su asiento, sellando el conducto de salida y manteniendo así la tobera cerrada. En el momento en el que se produce el suministro, la presión en la cámara aumenta, actuando sobre la aguja e impulsándola hacia arriba. Cuando se alcanza la presión de apertura (110…170 bar), la aguja sube y el tetón se separa de su asiento abriendo el orificio de salida. Gracias a la forma del tetón, que se va estrechando hacia la punta, se consigue que el caudal de inyección sea variable, de forma que aumenta a medida que sube la aguja. Al abrir el inyector, se inyecta una cantidad muy pequeña de combustible que irá aumentando a medida que se levanta más la aguja (efecto estrangulador), llegando a la máxima inyección de combustible cuando la aguja se levanta a su máxima apertura. El inyector de tetón y el estrangulador asegura una combustión más suave y por consiguiente, una marcha menos dura del motor (menor ruido de combustión), ya que el aumento de la presión de combustión es progresivo. Variando las dimensiones y la geometría del tetón se consiguen modificar las características del chorro de inyección para ajustarlo a los requerimientos de cada motor. 1. 2. 3. 4. 5.

Aguja del inyector Cuerpo del inyector Cono de impulsión Cámara de presión Tetón de inyección.

Sección de una tobera de inyector de tetón, (Robert Bosch GmbH)

33

8.2 Toberas de inyector de orificios En los sistemas de inyección directa, la presión de apertura del inyector puede estar entre 150 y 350 bar y las presiones de inyección son mucho más altas que en los sistemas de inyección indirecta. Por esto es necesario un diseño diferente de los inyectores. La punta de la tobera tiene forma esférica. En su pared hay unos orificios que varían en número y diámetro dependiendo del diseño del inyector, de las características del sistema de inyección y de los requisitos del motor. Suelen tener múltiples orificios, aunque los hay también de un solo orificio. En función del diseño de la cámara de combustión, el orificio de inyección del inyector de orificio único puede estar dispuesto central o lateralmente. En el caso de inyectores de varios orificios de inyección, estos pueden estar dispuestos simétrica o asimétricamente. El extremo de la aguja y su asiento tienen forma de cono. El control de la elevación de la aguja, en los sistemas Common Rail y de inyector unitario, se realiza mediante una electroválvula o un elemento piezoeléctrico. Su funcionamiento se detalla en los respectivos apartados

1. 2. 3. 4. 5.

Cuerpo del inyector Aguja del inyector Asiento del inyector Taladro ciego Agujero de inyección

Figura 75. Sección de una tobera de inyector de orificios, (Robert Bosch GmbH)

9. Regulación electrónica diésel EDC 34

El control electrónico del motor Diésel permite una configuración de los parámetros de inyección precisa y variable, adaptada a las condiciones de funcionamiento. Sólo así pueden satisfacerse los múltiples requisitos planteados a un motor Diésel moderno. El sistema de Regulación Electrónica Diésel EDC (Electronic Diésel Control) se subdivide en tres bloques:

  

Sensores y transmisores Unidad de control ECU (Electronic Control Unit) Elementos de regulación (actuadores)

Bloques del sistema EDC, (Robert Bosch GmbH)

9.1 Funcionamiento La Regulación Electrónica Diésel (EDC) moderna es capaz de satisfacer dichas exigencias, gracias al incremento durante los últimos años de la capacidad de cálculo de los microprocesadores. Contrariamente a los vehículos diésel con bombas convencionales de inyección reguladas mecánicamente, en un sistema EDC, el conductor no tiene ninguna influencia directa sobre el caudal de combustible inyectado a través del pedal del acelerador y un cable de accionamiento. El caudal de inyección se determina, en función de diferentes variables:  Deseo del conductor (posición del pedal del acelerador)  Estado de servicio  Temperatura del motor  Intervención de otros sistemas  Efectos sobre las emisiones de contaminantes El caudal de inyección se calcula en la unidad de control a partir de estas variables. También puede variarse el momento de inyección. Esto requiere un extenso concepto de seguridad que reconoce las desviaciones que se producen y aplica las correspondientes medidas conforme a sus efectos (limitar el par motor, por ejemplo). El sistema EDC contiene por ello varios circuitos reguladores. La regulación electrónica diésel permite también el intercambio de datos con otros sistemas electrónicos como por ejemplo el ABS o el ESP. Con ello se puede integrar el control del motor en el sistema total del vehículo. El sistema EDC está completamente integrado en el sistema de diagnóstico del vehículo.

35

9.2 Bloques del sistema La regulación electrónica diésel EDC se divide en tres bloques de sistema:  Sensores y transmisores de valor teórico: registran las condiciones de servicio (por ejemplo, número de revoluciones del motor) y los valores teóricos (por ejemplo, la posición del pedal del acelerador), transformando las magnitudes físicas en señales eléctricas.  La unidad de control: procesa las informaciones de los sensores y transmisores de los valores teóricos en base a determinados procesos de cálculo matemáticos (algoritmos de control y regulación). Controla los elementos de regulación mediante mediante señales de salida eléctricas. La unidad de control viene a ser además la interfaz hacia los demás sistemas para el diagnóstico del vehículo.  Elementos de regulación (actuadores): transforman las señales eléctricas de salida de la unidad de control en magnitudes mecánicas (por ejemplo, de la electroválvula para la inyección).

9.3 Procesamiento de datos La tarea esencial del sistema EDC es el control del caudal y del momento de inyección. El sistema de inyección Common Rail también regula la presión de inyección. Además, la unidad de control del motor controla los diferentes elementos actuadores en todos los sistemas. La regulación de la inyección debe estar adaptada a cada vehículo y a cada motor. Solo así pueden interactuar todos los componentes de forma óptima (Figura 77). La unidad de control evalúa las señales que recibe de los sensores y las limita a un nivel de tensión admisible. El microprocesador calcula a partir de estos datos de entrada y según los mapas almacenados, el momento y la duración de la inyección, y las transforma en señales características que están adaptadas a la carrera del pistón. Este programa de cálculo se denomina “ECU software”. Debido a la precisión requerida y al alto dinamismo del motor Diésel, es necesaria una gran capacidad de cálculo. Mediante las señales de salida se activan los elementos que suministran la potencia eléctrica correspondiente a los actuadores.

36

Secuencia básica de la regulación electrónica, (Robert Bosch GmbH)

9.4 Control de la inyección En la figura se muestra de un esquema de las funciones de regulación que se pueden llevar a cabo con la unidad de control EDC para cada tipo de sistema de inyección.

1

Funciones de regulación de la unidad de control EDC, (Robert Bosch GmbH)

2