CURSO SISTEMAS DE INYECCIÓN DIESEL CON INYECTOR BOMBA ELECTRÓNICO CON ACCIONAMIENTO MECÁNICO E HIDRÁULICO EUI, HEUI
GENERALIDADES Las mayores exigencias que imponen cada día las normativas sobre emi siones sonoras y contaminantes de gases de escape en los motores Diesel, hacen n ecesario el desarrollo de nuevas soluciones técnicas. Por lo que se refiere a los sistemas de inyección directa, una de estas soluciones la constituye el sistema de inyección a alta presión por medio de un inyector bomba como los descritos (Sistema Detroit), al que se añade ahora un mando electrónico. En esta disposición, la bomba, el inyector y una válvula electromagnética constituyen una unidad compacta ubicada e n la culata del motor, que puede ser accionada mecánicamente por una leva adiciona l del eje de levas o accionado hidráulicamente por una bomba de alta presión que es alimentada con aceite, por la bomba del sistema de lubricación del motor. Ambos ti pos de inyectores la cantidad de combustible suministrada al motor es controlada electrónicamente por una unidad de control, que es un microprocesador. CLASIFICAC IÓN Los inyectores bomba controlados electrónicamente se pueden clasifica en dos tip os, ya mencionados y que se muestran en el siguiente cuadro. SISTEMA DE INYECCIÖN DIESEL CON INYECTOR ELECTRONICO CON ACCIONAMIENTO MECÁNICO EUI, UIS. BOMBA Los sistemas de inyección EUI o UIS (Unit Inyector System), como el que se muestra en la figura #1 muestra la instalación de este tipo de inyector sobre la culata d el motor, posicionado en el centro de la cámara de combustión que se forma en el pis tón (inyección directa) de forma similar a la adoptada por los inyectores bomba de a ccionamiento mecánico. 2
Fig.# 1 Sistema con Inyector Bomba Electrónico EUI , UPS Este inyector bomba con m ando electrónico está accionado por un balancín con rodillo que recibe movimiento dire cto del eje de levas, que en el caso de la figura esta en la culata, también se pu ede encontrar en el block. En el cuerpo del inyector esta rodeado por una galería, a la cual llega el combustible por unos conductos labrados o insertados en la c ulata, desde los que pasa a la zona de alojamiento del inyector saliendo por el conducto de retorno hacia el depósito. La estructura de todos los componentes del sistema de mando es especialmente robusta para soportar los esfuerzos a que esta rán sometidos en el funcionamiento, debido a las altas presiones de trabajo. La le va de accionamiento del inyector bomba está integrada en el árbol de levas del motor (Figura # 2) y dispone un perfil específico para la función que ha de desempeñar, con un flanco de ataque muy pronunciado. Esta característica permite que el émbolo se o prima a alta velocidad, generándose rápidamente una alta presión de inyección. El flanco de salida es muy suave, desvaneciéndose poco a poco hasta el comienzo del flanco de ataque. Fig. # 2 Leva y balancín de accionamiento de un inyector bomba EUI, UPS 3
El sistema bomba-inyector UIS de Bosch, se incorporo en el vehículo Volkswagen Pas sat a finales de 1998 con una nueva generación de motores diesel de inyección direct a, que esta teniendo una gran aceptación debido a las altas prestaciones que dan l os motores alimentados con este sistema de inyección (ejemplo los 150 CV de potenc ia que alcanzan motores con una cilindrada menor de 2000 cc), así como alcanzar un os consumos bajos y una reducción en las emisiones contaminantes. Este sistema de inyección se utiliza tanto en motores de vehículos livianos como en industriales. La utilización de un sistema donde se une la generación de alta presión con la inyección e n una unidad independiente para cada cilindro, no es nueva, ya que los americano s lo utilizaban sobre todo en vehículos industriales desde hace mucho tiempo. El a ccionamiento de las unidades bomba-inyector viene dado por un árbol de levas que s e encarga además de dar el movimiento necesario para que la bomba genere presión, si rve también para determinar el momento exacto de la inyección en cada cilindro. El f uncionamiento del sistema bomba-inyector mecánico es similar a la forma de trabaja r de las bombas de inyección en línea, muy utilizada en vehículos industriales. Los si stemas UIS, EUI son sistemas con una unidad de inyección por cada cilindro del mot or. Esto le permite una mayor flexibilidad a la hora de adaptarse al funcionamie nto cambiante del motor, mucho mejor que los motores que están alimentados por "bo mbas rotativas" o "bombas en línea". El sistema UIS, EUI, presenta frente a las in yecciones convencionales una serie de ventajas, de entre las cuales se destacan: · · · · · · · Diseño compacto Mayor campo de aplicación (Para turismos y vehículos industriales lige ros con potencia de hasta 30 KW/cilindro, para vehículos industriales pesados de h asta 80 KW/cilindro. Para locomotoras y barcos se emplean bombas de inyección indi viduales para motores con potencias de hasta 500 KW/cilindro) (Ver figuras 3 y 4 ) Alta presión de inyección hasta 2050 bar. Preinyección separada de la inyección princi pal. Reducida sonoridad de combustión. Comienzo de la inyección variable Bajas emisi ones de gases contaminantes. 4
Fig.# 3 Aplicación del sistema UIS, en un Motor Detroit. ESTRUCTURA DEL SISTEMA UI S Fig. # 4 Aplicación del sistema UIS, en un Motor Cummins El sistema de alimentación de alimentación de combustible UIS, EUI, esta formado por los siguientes sistemas: · Sistema de combustible o baja presión · Sistema de inyección o alta presión · Sistema de control electrónico (sensores,UCE,actuadores) · En la figur a # 6 , se pueden observar los componente de un sistema de inyección electrónico UIS , aplicado a un vehículo industrial. SISTEMA DE COMBUSTIBLE En los sistemas de iny ección UIS, EUI , es preciso hacer llegar el combustible hasta las cámaras labradas en la culata, en la que se ubican los inyectores bomba. Para ello se utiliza un circuito de alimentación de combustible de tipo convencional en el que una bomba d e paletas o engranaje accionada por la distribución del motor impulsa el combustib le hacia los inyectores, circulando de manera continua por las galerías de la cula ta y retornando al depósito. Su misión es almacenar el combustible necesario, filtra rlo y poner a disposición del sistema de inyección una cierta presión de alimentación en todas las condiciones de servicio. En algunas aplicaciones se refrigera adicion almente el combustible de retorno. 5
Fig.#6 Esquema general del Sistema Inyector Bomba UIS para vehículos industriales A. Alimentación de combustible (Baja Presión) 1. Deposito de combustible con filtro previo. 2. Bomba de combustible con válvula de retención y bomba manual de alimentac ión. 3. Filtro de combustible. 4. Válvula limitadora de presión 5. Enfriador de combus tible. B Sistema de inyección 6. Inyector Bomba electrónico UIS, EUI, con mecanismo de leva y balancín. 6
C Sistema de control electrónico 10. Sensor de temperatura de combustible. 11. Uni dad de control electrónico. 12. Sensor del pedal del acelerador 13. Sensor de velo cidad de marcha 14. Contacto de freno. 15 Sensor de temperatura del aire 16 Sens or r.p.m. del eje de levas 17 Sensor de temperatura del aire de admisión 18 Sensor de presión de alimentación 19 Sensor de temperatura del motor (refrigerante) 20 Sen sor de r.p.m. del cigüeñal D Periferia 21Instrumento combinado con salida de señales p ara consumo de combustible, r.p.m., etc. 22 Unidad de control de tiempo de incan descencia 23 Bujía de espiga incandescente 24 Interruptor de embrague 25 Unidad de operación para el regulador de la velocidad de marcha 26 Compresor aire acondicio nado 27 Unidad de operación para compresor de aire acondicionado 28 Chapa de conta cto 29 Interfaz de diagnóstico 30 Batería 31 Turbosobrealimentador 32 Atuador de pre sión de sobre alimentación 33 Bomba de depresión 34 Motor Diesel CAN Controller Area N etwork (Bus de datos en serie en el automóvil) COMPONENTES DEL SISTEMA DE COMBUSTI BLE La alimentación de combustible (Ver figura # 7) abarca los siguientes componen tes esenciales: 1. Depósito de combustible 2. Filtro Primario 3. Enfriador de la u nidad de control 4. Bomba previa con válvula de retención 5. Filtro secundario 6. Bo mba de combustible 7. Válvula reguladora de presión 8. Galería de combustible 9. Enfri ador de combustible Fig. 7 Sistema de combustible 7
La figura # 8 muestra el esquema del circuito de combustible para un vehículo livi ano, en el que puede verse la ubicación de la válvula limitadora de presión inmediatam ente después del filtro y la de retención en el retorno, así como un conducto de by-pa ss que facilita la purga de aire en caso de vaciado del circuito. También en el ci rcuito de retorno se ubican el sensor de temperatura del combustible y un radiad or para enfriar el combustible caliente que regresa de los inyectores, en los cu ales alcanza temperaturas de hasta 150ºC, que deben reducirse hasta menos de 80ºC an tes de retornar el combustible nuevamente al depósito. Fig. 8 Circuito de combustible para vehiculo liviano FITROS DE COMBUSTIBLE Tiene la misión de reducir las impurezas del combustible atribuibles a partículas. Asegur a, por lo tanto, una pureza mínima del combustible delante de los componentes sens ibles al desgaste. A parte de ello es necesario que el filtro de combustible cue nte con una capacidad suficiente de acumulación de partículas para garantizar unos i ntervalos de mantenimiento suficientemente amplios. Si un filtro queda obstruido , se reduce el caudal suministrado de combustible, disminuyendo la potencia del motor. Los sistemas de inyección electrónicos Diesel son de gran precisión y reacciona n de forma muy sensible frente a la mínima cantidad de impurezas. Por esta razón rig en unas exigencias muy elevadas en cuanto a la protección contra el desgaste para garantizar la fiabilidad, el consumo de combustible y los valores límite para las emisiones durante toda la vida útil del vehículo (1000000 de KM en el caso de los ve hículos industriales) Para satisfacer unas exigencias especialmente altas de prote cción contra el desgaste y asegurar un intervalo de mantenimiento adecuado, se emp lea un 8
sistema de filtrado con un filtro fino y un filtro fino, como muestran las figur as # 7 y 8., la figura #9 muestra los filtros empleados en los sistemas EUI, UIS Fig. 9 filtros de combustible UIS, EUI BOMBA DE COMBUSTIBLE Esta bomba permite trasferir el combustible desde el depósito en la cantidad suficiente para los requerimientos del sistema de inyección. El si stema EUI, UIS, dependiendo del tipo de vehículo pueden emplear bombas de combusti ble de engranajes, paleta o eléctrica. La figura #10 muestra una bomba de engranaj e, que es muy utilizada en los vehículos pesados e industriales. Fig.# 10 Bomba de engranajes 9
GALERIA DE COMBUSTIBLE Es una cavidad (Figura # 11) que se encuentra en la culat a que distribuye uniformente el combustible y al misma temperatura entre los iny ectores de forma que este asegurada la marcha suave del motor. Fig. # 11 Galería de Combustible VÁLVULA REGULADORA DE PRESIÓN La válvula reguladora de presión (figura # 12) también llamada válvula de descarga esta montada en el retorno d e combustible. Su misión es asegurar que en cualquier estado de servicio haya una presión suficiente en la parte de baja presión de la unidad bomba-inyector (UIS) y c on ello el uniforme llenado de las unidades inyectoras. El embolo acumulador (3) abre a una presión de rotura de aprox. 3...3,5 bar. El asiento cónico (1) libera el volumen acumulado (2). A través de la junta del intersticio (4) puede fluir muy p oco combustible de fuga. Según la presión del combustible, el muelle de compresión (5) será comprimido en grado mayor o menor. De este modo se modifica el volumen acumu lador, pudiéndose compensar las variaciones menores de la presión. Con una presión de apertura 4...4,5 bar, se abrirá también la junta de intersticio. La válvula se cerrara al disminuir la presión del combustible. Para el ajuste previo de la presión de ape rtura hay dos tornillo (6) con variaciones del escalonamiento del tope elástico. 10
Fig. # 12 Válvula Reguladora de Baja Presión REFRIGERARADOR DE LA UNIDAD DE CONTROL Las unidades UIS, EUI para vehículos industriales necesitan un refrigerador de la unidad de control si dicha unidad está montada junto al motor. El combustible sirv e de medio refrigerante. Éste fluye a lo largo de la unidad de control como muestr a la figura #13, a través de canales de refrigeración y absorbe el calor del sistema electrónico. Fig. # 13 Refrigeración de la UCE 11
REFRIGERADOR DE COMBUSTIBLE Debido a la presión elevada en el inyector UIS, EUI , especialmente en los vehículos livianos, el combustible se calienta tan intensamen te que requiere ser enfriado, antes del retorno, para proteger el depósito de comb ustible y el sensor de nivel de llenado. El combustible fluye a través del refrige rador o intercambiador de calor 3 (Ver figura #14) y cediendo el calor al refrig erante del motor. El circuito de refrigeración de combustible está separado del circ uito de refrigeración del motor 6 debido a que con el motor caliente la temperatur a del líquido refrigerante es demasiado elevada como para poder enfriar el combust ible. Cerca del depósito de compensación 5 el circuito de refrigeración del combustibl e comunica con el circuito de refrigeración del motor para que se pueda llenar el circuito de refrigeración del combustible, compensándose así las variaciones de volume n a causa de oscilaciones de la temperatura. Fig. # 14 Sistema de Refrigeración de Combustible 12
SISTEMA DE INYECCIÓN CON INYECTOR BOMBA UIS, EUI La unidad Inyector Bomba UIS, EUI tiene la misión de inyectar el combustible, en todas las áreas de servicio y durant e toda la vida útil, en el cilindro del motor en el momento determinado por la uni dad de control en una cantidad exacta y a la presión necesaria. A su vez sustituye a la combinación de porta inyector de los sistemas convencionales de inyección. Deb ido a ello no requiere de tuberías de alta presión, lo que tiene un efecto positivo en el comportamiento del sistema de inyección. MOTAJE Y ACCIONAMIENTO Por cada cil indro del motor hay una unidad Inyector Bomba (Ver figura # 15) montada directam ente en la culata. El inyector integrado en la unidad Inyector Bomba penetra en la cámara de combustión. El eje de levas del motor tiene para cada unidad UIS, EUI u na leva de accionamiento. La carrera de leva es trasmitida por un mecanismo de b alancín al émbolo de la bomba. En consecuencia, éste sube y baja. Fig. # 15 Montaje y Accionamiento de Unidad EUI, UPS Además de la activación eléctrica, el comienzo de la inyección y el caudal de inyección de penden de la velocidad actual del émbolo de la bomba, la cual es determinada por l a forma de la leva. Por ello el árbol de levas debe estar fabricado con precisión. L as fuerzas que atacan durante el servicio lo incitan a oscilaciones giratorias, lo que puede ejercer una influencia negativa en la característica de inyección y la tolerancia de caudal. Se requiere un dimensionado rígido del accionamiento de las bombas individuales 13
(accionamiento del eje de levas, eje de levas, mecanismo de balancín) para la redu cción de las oscilaciones. COMPONENTES El inyector bomba está dividido en tres secci ones fundamentales (Figura # 16) la válvula solenoide o electroválvula, el elemento de bombeo y la tobera. El émbolo de bombeo se acciona en cada ciclo por la leva y mecanismo de balancín contra la fuerza de un resorte antagonista que tiende a mant enerlo en su posición de reposo. En la acción de bombeo se impulsa el combustible co ntenido en la cámara. La tobera es de diseño análogo al de los inyectores convencional es y se abre por presión inyectando el combustible finamente pulverizado en el cil indro. Generalmente dispone de cuatro o cinco orificios de salida. La electroválvu la está controlada directamente por la central electrónica, que determina las modali dades de inyección en base a la señal de mando. Fig.# 16 Inyector Bomba electrónico EUI , UIS Caterpillar GENERACIÓN DE ALTA PRESIÓN Los componentes principales de la generación de alta presión son el cilindro que forma parte del cuerpo de del inyector, el émbolo y el resorte de reposición, elementos que se muestran en la figura # 17. 14
Fig. # 17 Elemento de Bombeo de Unidad EUI, UIS ELECTROVÁLVULA O SOLENOIDE DE ALTA PRESIÓN La válvula solenoide de alta presión tiene la misión de determinar el momento de inyección y la duración de inyección. Consta (Ver fi gura # 18) de los siguientes componentes, Solenoide o Bobina, armadura o núcleo, c uerpo de la válvula, válvula y resorte de la válvula. Fig. # 18 Solenoide o elecroválvula INYECTOR El inyector (Ver figura # 19) pulveriza y distribuye el combustible exa ctamente dosificado en la cámara de combustión y conforma así el desarrollo de la inye cción. El inyector está adosado al cuerpo de la unidad inyector bomba EUI, UIS media nte una tuerca de fijación. 15
Fig. # 19 Componentes de inyector de una Unidad EUI, UIS FUNCIONAMIENTO DE UN INYECTOR ELECTRONICO EUI, UIS El funcionamiento de un inyec tor bomba electrónico se dividir en cuatro fases, como muestra la figura # 20. Fig. # 20 Fases de Funcionamiento de un Inyector Bomba Electrónico UIS 16
Las cuatro fases de funcionamiento que se describen en la figura # 20, son las s iguientes: a) b) c) d) Fase de llenado o carrera de llenado Fase de derrame o ca rrera previa Fase o carrera de inyección Fase de reducción de la presión o carrera res idual FASE DE LLENADO O CARRERA DE LLENADO El émbolo de la bomba (2) es movido hacia arr iba mediante el muelle de reposición (3). el combustible, que se encuentra permane ntemente bajo sobre presión, fluye desde la parte de baja presión de la alimentación d e combustible, a través de los taladros de entrada integrados en el bloque del mot or y el canal de entrada de combustible, a la cámara de baja presión (6) también llama da cámara de electroválvula. La electroválvula está abierta. El combustible llega a través de un taladro de comunicación a la cámara de alta presión (4, llamada también recinto d el elemento). FASE DE DERRAME O CARRERA PREVIA El émbolo de bomba baja debido al g iro de la leva de accionamiento (1). La electroválvula está abierta y el combustible es presionado por el émbolo de bomba, a través del canal de retorno de combustible, a la parte de baja presión de la alimentación de combustible. FASE O CARRERA DE INY ECCIÓN La unidad de control suministra corriente a la bobina del electroimán (7) en un momento determinado, de modo que la aguja de la electroválvula es atraída al asie nto (8), cortándose la comunicación entre la cámara de alta presión y la parte de baja p resión. Este momento se denomina "comienzo de inyección eléctrico". El cierre de la ag uja de la electroválvula se traduce en un cambio de la corriente de la bobina. Est o lo detecta la unidad de control (detección bip). De este modo se puede averiguar el comienzo de suministro real, teniéndolo en cuenta para calcular el siguiente p roceso de inyección. La presión del combustible en la cámara de alta presión aumenta deb ido al movimiento del émbolo de la bomba. Debido a ello aumenta también la presión en el inyector. Al alcanzarse la presión de apertura de inyector de aprox. 300 bar se levantará la aguja del inyector (9) y el combustible se inyecta en la cámara de com bustión ("comienzo de inyección real") o comienzo de alimentación. A causa del elevado caudal de alimentación del émbolo de bomba sigue aumentando la presión durante todo e l proceso de inyección. 17
FASE DE REDUCCIÓN DE LA PRESIÓN O CARRERA RESIDUAL Si se desconecta la bobina del el ectroimán (7), la electroválvula se abre después de un breve tiempo de retardo y habil ita nuevamente el paso a través de la comunicación entre la cámara de alta presión y la parte de baja presión. En la fase de transición entre la carrera de alimentación y la carrera residual se alcanza la presión punta. Esta varía, según el tipo de bomba, entr e 1800 y 2050 bar como máximo. Después de estar abierta la electroválvula, la presión ca e rápidamente. Al haberse quedado debajo del valor de la presión de cierre de inyect or, el inyector se cerrará y finalizará el proceso de inyección. El combustible restan te, suministrado por el elemento de bomba hasta la cúspide de la leva de accionami ento, es presionado hacia la parte de baja presión a través del canal de retorno. Lo s sistemas de bomba-inyector son seguros intrínsecamente, o sea que en caso de un fallo, sumamente improbable, no se podrá producir más que una sola inyección descontro lada: si la electroválvula permanece abierta no se podrá inyectar, puesto que el com bustible fluirá de vuelta a la parte de baja presión, no siendo posible formar presión alguna. Ya que el llenado de la cámara de alta presión se efectúa exclusivamente a tr avés de la electroválvula, el combustible no puede llegar a la cámara de alta presión si la electroválvula está permanentemente cerrada. En este caso a lo sumo se podrá inyec tar una sola vez. Puesto que la unidad de bomba-inyector está montada en la culata , está expuesta a temperaturas elevadas. Para mantener en el nivel más bajo posible las temperaturas en la unidad de Inyector Bomba, se refrigera mediante el combus tible que retorna a la parte de baja presión. Mediante unas medidas idóneas en la en trada en la unidad bomba-inyector se asegura que las diferencias de temperatura del combustible de cilindro a cilindro sean mínimas. INYECCIÖN PREVIA (VEHÍCULOS LIVIA NOS) En la unidad de Inyector Bomba UIS, para turismos se ha integrado una inyec ción previa con activación mecánico-hidráulica para la disminución de los ruidos y contami nantes. La inyección previa se divide en cuatro estados de servicio, como muestra la figura # 21. y son las siguientes: a) b) c) d) Posición de reposo Comienzo de l a inyección previa Fin de la inyección previa Comienzo de la inyección principal 18
Fig. # 21 Fases de la inyección Previa POSICIÓN DE REPOSO La aguja del inyector 7 y el émbolo acumulador 3 (llamado también émbolo alternativo) se encuentran en su asient o. La válvula solenoide del inyector bomba esta abierta, siendo imposible el aumen to de presión. 19
COMIENZO DE LA INYECCIÓN Si se cierra la válvula solenoide, comienza el aumento de p resión. Al alcanzarse la presión de apertura del inyector, se levanta la aguja del i nyector y la inyección previa comienza. Durante esta fase se limita hidráulicamente la carrera de las aguja del inyector mediante una unidad de amortiguación. FIN DE LA INYECCIÓN PREVIA Si la presión sigue aumentando, el émbolo acumulador (3) se levant ará de su asiento. Se establece una comunicación entre la cámara de alta presión (2) y l a cámara acumuladora (4). La disminución de presión así originada y el aumento simultáneo de la tensión previa del resorte de compensación (5) hacen que la aguja del inyector se cierre y la inyección previa termina. El caudal de inyección previa que asciende a unos 1,5 mm es determinado esencialmente por la presión de apertura del émbolo ac umulador. COMIENZO DE LA INYECCIÓN PRINCIPAL Debido al movimiento continuo del émbol o de bomba sigue aumentando la presión en la cámara de alta presión. Al alcanzarse la presión de apertura, ahora mas alta, en el inyector empieza la inyección principal. A su vez aumenta la presión durante la presión hasta llegar hasta 2050 bar. La inyec cion principal termina al abrirse la válvula solenoide. La aguja del inyector y el émbolo acumulador regresan a su posición inicial. SISTEMA DE INYECCIÓN CON INYECTOR B OMBA HEUI El sistema HEUI (Hidraulic Electrinic Unit Inyector) (ver figura #22) se utiliza en varias marcas de motor de camión de tamaño medio y en la maquinaria Ca terpillar. El sistema emplea inyectores bomba accionados hidráulicamente y control ados electrónicamente. Se emplea el aceite lubricante del motor como fluido hidráuli co. La bomba de aceite del motor alimenta aceite a un tanque que se encuentra ju nto a una bomba de alta presión. Esta bomba alimenta aceite de alta presión a los ri eles o galerías de aceite maquinados en las culatas de lo cilindros del motor. El aceite a presión permite el accionamiento del elemento de bombeo del inyector y un a válvula de control de presión de aceite, un sensor de presión y la unidad de control permiten controlar la presión de la bomba de alta presión entre 500 a 3000 psi. (34 47 a 20684 kPa). Fig. 21 Inyector HEUI 20
Un Sistema con Inyector bomba electrónico HEUI, esta compuesto por los siguientes circuitos: · · · Circuito de baja presión o combustible Circuito de accionamiento del In yector. Circuito electrónico. Los cuales se pueden observar en la figura # 22, que se muestra a continuación y l a figura # 23 muestra una aplicación del sistema de Inyección HEUI en un Motor Cater pillar C7 Fig. # 22 Sistema de Inyección con Inyector Bomba Electrónico HEUI Fig. # 23 Motor Caterpillar C7 de 190 a 330 HP 21
CIRCUITO DE COMBUSTIBLE Este circuito proporciona el combustible en la cantidad adecuada y purificada a los inyectores Bomba HEUI, su estructura y funcionamient o es similar a la de los sistemas EUI o UIS, ya descritos al inicio del apunte. La figura #23 muestra los componentes del sistema de combustible o baja presión pa ra un sistema HEUI. Fig. # 23 Circuito de combustible o baja presión para Sistema HEUI CIRCUITO DE ACCIONAMIENTO DEL INYECTOR El circuito de accionamiento del inyector proporciona la presión hidráulica necesaria para accionar los elementos de bombeo d e los inyectores HEUI y controla la presión su inyección, por medio del control de l a presión del aceite. El sistema esta formado como muestra la figura # 24, por la bomba de aceite, el filtro de aceite, bomba de alta presión y la galería de presión de aceite de los inyectores. También el sistema posee unos componentes electrónicos pa ra el control de la presión de aceite, una válvula de control de presión (IAP) y un se nsor de presión. El control de la presión de aceite permite controlar la presión de In yección con que el combustible es suministrado a los cilindros del motor. SENSOR D E PRESIÖN DE ACEITE Este sensor mide la presión en la galería de presión de aceite de lo s inyectores y envía esta información a la unidad de control, para que la válvula de c ontrol de presión ajuste la presión del aceite de accionamiento de los inyectores y de esta manera también controlar su presión de inyección, de acuerdo con los requerimi entos del motor. 22
Fig. # 24 Circuito de accionamiento de los inyectores bomba HEUI El sistema HEUI emplea presión hidráulica para el accionar los inyectores bomba. En este sistema el aceite del motor es bombeado a un tanque por la bomba de aceite del motor. El t anque está montado junto a la bomba de alta presión, que toma el aceite del tanque y lo entrega a la galería de aceite de accionamiento de los inyectores que se encue ntra en la culata del motor. La bomba como puede observarse en la figura # 25, e s de nueve pistones axiales los que al girar el eje de la bomba, se desplazan so bre un plato inclinado, que permite el bombeo de aceite hacia la galería y soporta r una presión muy alta. La presión es controlada por una electroválvula (Válvula de cont rol de presión IAP) (figura # 26) , que recibe una señal desde la unidad de control electrónico, de acuerdo con la información suministrada por el sensor de presión IAP , instalado en la galería de aceite de accionamiento de los inyectores. La presión de control de la inyección de inyección varía de 500 a 3000 psi (3447 a 20685 kPa). La vál vula reguladora de presión descarga el exceso de aceite al carter del motor. El se nsor IAP es un sensor de presión de disco de cerámica que convierte una señal de presión en una señal eléctrica de 0 a 5V, señal que emplea la unidad de control para ajustar la presión en la galería. Una válvula de alivio de presión adicional descarga el aceite al cárter en caso de el valor sobrepase los 4400 psi (27580 kPa) OPERACIÖN DE LA VÁLVU LA IAP Los componentes de la válvula IAP mostrada en la figura # 26 regula la pres ión de salida de la bomba entre 450 a 3000 psi (3103 a 20685 kPa). Con el motor ap agado, el resorte de retorno sostiene el carrete de la válvula a la derecha, y los puertos de están cerrados. Se requieren cerca de de 1500 psi (10342 kPa) para arr ancar un motor caliente. Un motor frío requiere 3000 psi (20685 kPa) de presión para arrancar. Una señal electrónica de la UCE hace que el solenoide genere un campo mag nético, que empuja la armadura a la derecha 23
contra el pasador y la válvula ªpoppetº o de disco, manteniéndola cerrada mientras se fo rma presión en la cámara del carrete y la fuerza del resorte sostiene el carrete a l a derecha, cerrando los puerto de drenado. Todo el aceite se envía al riel de pres ión hasta que se alcanza la presión que se requiere. Tan pronto como arranca el moto r, la UCE manda una señal a la válvula IAP para que proporcione la presión que necesit a la galería. La UCE compara la presión efectiva de la galería con la presión que se req uiere y ajusta las señales de la UCE con las de la válvula IAP para obtener la presión adecuada en la galería. La posición del carrete determina qué tanto se abren los puer tos de drenado y cuanto aceite se purga de la salida de la bomba, controlando de esta manera la presión de la galería. La posición de la válvula ªpoppetº o de disco control a la fuerza del campo magnético del solenoide en la señal de la UCE. La posición del c arrete determina el equilibrio entre las fuerzas del lado izquierdo y derecho de l carrete. La presión de salida de la bomba es infinitamente variable entre 450 y 3000 psi (3103 y 20685 kPa). Fig. # 25 Bomba de alta presión 24
Fig. # 26 Válvula de control de presión de aceite IAP MOTAJE DEL INYECTOR BOMBA HEUI Al igual que en el sistema EUI o UIS, por cada cilindro del motor hay una unida d Inyector Bomba, pero en este caso su accionamiento es hidráulico. El inyector va instalado como puede verse en la figura # 27 en un alojamiento en la culata del motor y la tobera descarga el combustible en el centro de la cámara de combustión q ue se encuentra en la cabeza del pistón. El inyector HEUI, esta rodeado por dos ga lerías una de combustible y la otra de aceite de accionamiento y esta fijo por med io de una brida móvil que va apernada a la culata. Fig. # 27 Montaje del inyector en la culata 25
COMPONENTES El inyector bomba HEUI ( ver figura #28) consta de los siguientes co mponentes principales: Solenoide Válvula de disco o accionamiento. Pistón o émbolo in ensificador Conjunto de boquilla o montaje del inyector Fig.# 28 Componente de un Inyector Bomba HEUI SOLENOIDE Es un electroimán de acción rápida que cuando se activa levanta la válvula de disco o accionamiento de su asient o contra la acción de un resorte. VÁLVULA DE DISCO O ACCIONAMIENTO La válvula de disco o accionamiento (Figura # 29) se levanta de su asiento cuando se activa el sole noide del inyector por la unidad de control (UCE). Esto cierra el drenado y abre la entrada para que entre la alta presión hidráulica al área que esta arriba del pistón intensificador. 26
Fig. # 29 Solenoide y válvula de accionamiento PISTÓN Y ÉMBOLO INTENSIFICADOR Cuando se activa el solenoide del inyector, la alta p resión hidráulica acciona la parte superior del pistón intensificador (Ver figura #·30), empujándolo hacia abajo junto con él émbolo. Debido a que el área de la superficie de l a parte superior del émbolo es siete veces mayor que la del émbolo, se produce una f uerza siete veces mayor y se transmite al combustible que esta debajo del émbolo. Este combustible altamente presurizado levanta la válvula del inyector de su asien to y deja que salga a presión por los orificios de la tobera. Fig. # 30 Émbolo y pistón intensificador 27
CONJUNTO BOQUILLA O MONTAJE DEL INYECTOR Consta de una válvula de aguja y asiento convencional (Figura # 31) que abre hacia adentro. La presión del resorte mantiene la válvula en su asiento hasta que la presión del combustible la levanta de su asie nto durante la inyección. La válvula controla la abertura de los orificios de la tob era o boquilla. Un balín retén que cierra durante la inyección (debido a la presión) evi ta que escape el combustible atrapado. Después de la inyección, se abre la válvula retén para que la cavidad del émbolo se llene de combustible. Fig. # 31 Conjunto boquilla o Inyector FUNCIONAMIENTO DE UN INYECTOR ELECTRONICO HEUI El funcionamiento de un inyector HEUI se puede describir en tres etapas (ver figura # 32), que son: 1. Ciclo de l lenado 2. Ciclo de inyección 3. Fin de la Inyección CICLO DE LLENADO Durante el cicl o de llenado, la válvula de disco o accionamiento está cerrada, bloqueando la presión hidráulica al inyector. El émbolo y el pistón intensificador se conservan en la parte superior de su límite de carrera por medio de la presión del resorte, y la cavidad d el émbolo está llena de combustible a la presión del sistema de suministro de 40 psi ( 270 kPa). 28
Fig. # 32 Fases de funcionamiento de un Inyector Bomba HEUI CICLO DE INYECCIÖN DE COMBUSTIBLE Cuando la UCE determina que la inyección debe llevarse a cabo, ocurren los eventos siguientes: 1. La UCE manda señales al IDM (Módulo impulsor de los Inye ctores) para que active para que active al solenoide del inyector (115 V) 2. Al activarse el solenoide saca a la válvula de disco o accionamiento de su asiento. 3 . Una sección de la parte superior de la válvula de disco cierra el paso al drenaje. 4. Una sección de la parte inferior de la válvula de disco abre la cámara de disco a la alta presión hidráulica. 5. Fluye la alta presión hidráulica al área en la parte superi or del pistón intensificador. 6. La presión en la parte superior del pistón intensific icador lo obliga a descender junto con el émbolo. 7. La alta presión de combustible resultante levanta de su asiento la válvula de la tobera y deja que el combustible sea obligado a salir por los orificios de la tobera (figura # 32) 29
FIN DE LA INYECCIÓN El final de la Inyección ocurre cuando el ECM y el IDM terminan la señal eléctrica al solenoide del inyector, disparando los eventos siguientes: 1. La tensión de resorte asienta la válvula de disco o accionamiento. Esto abre el paso al drenaje y cierra la cámara de disco a la presión hidráulica. 2. El aceite de las cám aras del intensificador y de la válvula de fluye por los respiraderos del manguito de la válvula poppet y el agujero de drenado del adaptador. 3. Cuando la presión de aceite del área que está arriba del intensificador, desciende a menos de la presión q ue esta debajo del émbolo, éste regresa a su posición superior, la válvula de la tobera se asienta y cierra los orificios y se detiene la inyección. GESTION ELECTRÓNICA EN SISTEMAS DE INYECCIÓN DIESEL EUI Y HEUI En los sistemas de in yección EUI y HEUI, cada uno de los solenoides de los inyectores bomba está conectad o a la unidad de control o microprocesador, que dosifica el combustible en función de la posición del pedal del acelerador, del régimen del motor y de la masa de de a ire aspirado. La duración de los impulsos para los solenoides determina el caudal de inyección, que puede corregirse en función de la temperatura del motor y otros pa rámetros, para lo cual, la unidad de control recibe información de diversos sensores , cuya constitución y funcionamiento son similares a los de las inyecciones con ge stión electrónica. La figura # 33 muestra esquemáticamente los componentes electrónicos de un sistema UIS o EUI empleado en vehículos de turismo o livianos. La regulación d el comienzo de la inyección está ligada al caudal de combustible que se debe inyecta r. La UCE realiza en primer lugar un cálculo básico de inicio de la inyección de acuer do con el régimen de r.p.m. del motor y del caudal que deba inyectar. Seguidamente , efectúa las correcciones necesarias en función de la temperatura del combustible, de la del motor y de la del aire de admisión. A continuación, procesa la señal de posi ción del cigüeñal y determina el cilindro que se encuentra en fase de compresión parta a ctivar el correspondiente solenoide del inyector bomba en el momento apropiado. La intensidad de la corriente de mando del solenoide está controlada por la unidad de control electrónica, que reconoce mediante esta señal el comienzo efectivo de la inyección y corrige automáticamente las posibles desviaciones entre los valores teóri cos y efectivos. 30
Fig. # 33 Componentes electrónicos de un sistema UIS para vehículo liviano 31
El caudal de inyección se calcula básicamente en función del régimen del motor (rpm) y d e la posición del acelerador. Una vez efectuado este cálculo por la UCE, se establec en correcciones en función de la masa de aire aspirado, de las temperaturas del mo tor, del aire de admisión y combustible, y de otras señales complementarias. La señal de temperatura del líquido refrigerante determina la elevación del régimen de ralentí e incrementa el caudal inyectado para el funcionamiento en frío del motor. La subida de la temperatura del combustible incrementa el avance el avance de la inyección. Una mayor temperatura del aire de admisión reduce el caudal de inyección. Las señales recibidas en la unidad de control procedentes del interruptor del pedal de embr ague y del freno permiten establecer una ligera reducción del caudal de inyección pa ra evitar tirones del motor en marcha. La unidad electrónica de control, una vez r ealizado el cálculo del caudal que debe inyectarse envía una corriente de control al solenoide para activarla durante un tiempo determinado. Una importante caracterís tica de los sistemas de inyección Diesel electrónico con inyector Bomba, es que perm iten una corrección selectiva del caudal por cilindro con la que se logra un funci onamiento más suave del motor en ralentí. La UCE reconoce el rendimiento de cada uno de los cilindros a través de la señal de régimen del motor. Tras cada combustión en cad a uno de los cilindros, la UCE registra la aceleración sufrida por el cigüeñal y, si d etecta diferencias entre ellas, corrige el caudal de inyección convenientemente pa ra igualar el rendimiento de todos los cilindros. Esta corrección de caudal se efe ctúa controlando la señal de mando de los solenoides, para lo cual, la unidad de con trol detecta la evolución de la intensidad de la corriente de mando que le permite reconocer el comienzo efectivo de la inyección. La figura # 34 muestra la forma q ue adquiere la señal de mando del solenoide del inyector bomba. Aquí puede verse que la intensidad de la corriente va creciendo progresivamente al tiempo que se gen era el campo magnético en la bobina que constituye el electroimán de la válvula del in yector. En un determinado instante, la fuerza del campo magnético creado por la co rriente eléctrica de mando es suficiente para que la aguja del solenoide de despla ce para aplicarse contra su asiento, cerrándose la electroválvula. La intensidad de la corriente eléctrica de mando sufre inflexión en ese instante, que es reconocida p or la unidad de control. El instante de cierre de la electroválvula y la inflexión d e la corriente de mando indican el comienzo real de la inyección. Después se mantien e la corriente de mando en un valor de mantenimiento durante un tiempo determina do, al final del cual se corta la corriente y la electroválvula o solenoide se abr e finalizando la inyección. 32
Fig. # 34 Corriente de mando del solenoide del inyector Además de las funciones básicas de control del inicio de la inyección y el caudal inye ctado, la unidad de control electrónica gobierna la recirculación de los gases de es cape y limita la presión de sobre alimentación del turbocompresor, activando las cor respondientes electroválvulas de acuerdo con un mapa característico grabado en sus m emorias, corregido en función de las condiciones de funcionamiento del motor. Del mismo modo se controla el tiempo de precalentamiento y poscalentamiento. Al igua l que ocurre con otros sistemas de inyección electrónico, la UCE vigila el correcto funcionamiento de los diferentes sensores y memoriza las averías que pueden produc irse, que posteriormente pueden ser leídas mediante la correspondiente herramienta de diagnóstico, que permite, además, efectuar una evaluación del funcionamiento de lo s diferentes actuadotes poniendolos en funcionamiento. El avance de la inyección s e establece en función del régimen del motor principalmente, aunque puede ser correg ido en función de la temperatura y condiciones de marcha del motor (carga, funcion amiento en retención, fase de arranque, etc.). La regulación de la velocidad máxima de l motor y el régimen de ralentí también se comandan desde la unidad de control. En la fase de arranque en frío, cuando uno de los tres sensores de temperatura (agua, ai re o gasoleo) registra una temperatura inferior a 10 C , se activa la central de precalentamiento, que alimenta a las bujías de calefacción en la fase de arranque y posterior calentamiento del motor durante un tiempo que depende de las condicion es de funcionamiento del motor, como en otros sistemas de inyección. 33
MANDO ELECTRONICO DE LOS INYECTORES BOMBA HEUI Los inyectores bomba HEUI requier en de de 115 voltios para activar su solenoides, para este fin el sistema de con trol electrónico, además de la UCE, emplea un segundo microprocesador, llamado módulo impulsor de los inyectores (IDM) y es un dispositivo que realiza cuatro funcione s básicas: a) b) c) d) Distribuidor electrónico de los inyectores Fuente de energía de los inyectores Controlador de salidas de los inyectores Diagnostico para si mis mo y para los inyectores DISTRIBUIDOR ELECTRÓNICO DE LOS INYECTORES La unidad de control electrónico UCM dete cta la posición del pistón del cilindro # 1 mediante la señal de salida de un sensor d e posición (CMP) instalado en la tapa delantera del motor. Este sensor de efecto H all que busca una ventanilla angosta en el disco de sincronización del sensor (Fig ura # 35). El disco está instalado sobre el engranaje de mando del eje de levas en una relación que identifica la posición del pistón #1. La UCE usa esta señal para deter minar el orden correcto de inyección de los inyectores. La línea de identificación del cilindro (N 1) traslada al IDM la información del orden de disparo. El IDM recibe d e la UCE una señal con instrucciones de demanda de combustible para controlar la s incronización del inyector y la cantidad de combustible que es entregada por cada inyector Fig.# 35 Módulo impulsor y UCE de los inyectores HEUI 34
FUENTE DE ENERGÏA DE LOS INYECTORES El IDM suministra más de 115 voltios de CC const antes a los inyectores. El suministro de 115 voltios de CC es creado en el IDM c onectando y desconectando un suministro de 12 voltios a través de una bobina inter na, el mismo principio empleado en las bobinas automotrices (Fig.#36). El voltaj e resultante de más de 115 voltios creado por el campo colapsado es almacenado en los capacitares hasta ser usado por los inyectores. Fig. 36 Módulo Impulsor de los inyectores (Fuente de energía) CONTROLADOR DE SALIDA DE LOS INYECTORES El IDM controla cuando se activan los in yectores y por cuanto tiempo permanecen activados, cerrando el circuito a tierra mediante el uso de los transistores del controlador de salidas. Cada inyector t iene un controlador de salidas en el IDM. El microprocesador IDM selecciona la s ecuencia correcta de 35
disparo, y el ECM controla la sincronización de cuando comienza la inyección y el ti empo que permanece abierto el inyector. DIAGNOSTICO PARA SI MISMO Y PARA LOS INY ECTORES El IDM es capaz de identificar si un inyector está tomando demasiada o muy poca corriente, y de enviar un código de falla la UCE, al cual puede tener acceso el técnico. Este código puede ser usado para identificar problemas potenciales en e l mazo de cables o en el inyector. El IDM también realiza pruebas de autodiagnóstico que pueden establecer un código para indicar que ha fallado y que hay que sustitu irlo. 36
