Mayo 2011
MANUAL DEL ESTUDIANTE
Sistema de inyección de combustible Komatsu - HPCR
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Agenda Día 1: Mañana:
Tarde
Día 2: Mañana:
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Día 3: Mañana:
Tarde
08:00 am 10:15 am 10:45 am 11:30 am 01:00 pm 02:00 pm 03:45 pm 04:00 pm 05:45 pm
Presentación Presentación y módulo 1 Módulo 1 Break Módulo 1 Almuerzo Módulo 1 Break Módulo 1 Fin
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Feedback y módulo 2 Módulo 2 Break Módulo 2 Almuerzo Módulo 2 Break Módulo 2 Fin
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Feedback y módulo 3 Módulo 3 Break Módulo 3 Almuerzo Módulo 3 Break Módulo 3 Exámen Final
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Temario Este curso presenta al estudiante el sistema de combustible usado en los motores Komatsu. El estudiante aprenderá a identificar la bomba de inyección de combustible HPCR, así como conocer el principio de funcionamiento de sus componentes. El programa del curso se desarrolló para usarse con los materiales de referencia y herramientas indicados en las páginas siguientes. El instructor puede, según lo crea conveniente, incluir otro tipo de material o de herramientas. Módulo 1: Introducción y evolución del motor. 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5.
Presentación. Evolución del motor diésel hasta la llegada del Common Rail. La problemática de las emisiones Reducción del ruido Contaminantes
Módulo 2: Composición y funcionamiento del sistema 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10. 2.11.
Sistema Common Rail Composición del Sistema Common Rail Líneas de baja y alta presión Bomba de transferencia. Bomba de alta presión Actuador de la bomba Inyector Riel común Filtro Sensores Unidad de Control
Módulo 3: Sistema de combustible en los motores 107-114 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10.
Arquitectura General Flujo de Combustible Diagrama de Flujo Filtro de Combustible Bomba de Cebado Bomba de Cebado Eléctrico Válvula de Retención de Placa de Enfriamiento Actuador de Combustible Bomba de Alta Presión Inyector
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3 .11. 3 .14. 3 .15. 3 .16.
Línea de Retorno Válvula de Alivio de Alta Presión Falla: Inyector Atascado Abierto Procedimientos de pruebas y ajustes
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Objetivos Al terminar el curso, el estudiante tendrá un amplio conocimiento de los Sistemas de Combustible Komatsu, que le ayudará en su trabajo diario. Usando las publicaciones de servicio y las herramientas adecuadas, el estudiante podrá identificar los componentes específicos del sistema de combustible, explicar su operación y realizar los procedimientos de pruebas y ajustes, como se indican en este curso. Después de terminar los módulos de este curso, el técnico participante estará apto para desarrollar las siguientes competencias. Objetivo 1 Conocer la evolución del motor con sistema de combustible HPCR. Objetivo 2 Identificar , describir el funcionamiento y características técnicas de los componentes que conforman la bomba de combustible HPCR. Objetivo 3 Desarmar, identificar y armar los componentes de la bomba de Combustible HPCR. Objetivo 4 Disponiendo un motor SAA6D114E-3 y la información técnica necesaria, identificar y explicar la función de los siguientes componentes: a. Turbo b. Inyector c. Filtro primario d. Filtro secundario e. ECM Objetivo 5 Contando con la hoja de trabajo, explicar la función de los siguientes componentes de la bomba HPCR. a. Válvula PCV b. Válvula TWV c. Actuador de la bomba d. Sensor de efecto Hall Objetivo 6 Disponiendo un motor SAA6D114E-3 y la información técnica necesaria, desarrollar correctamente las competencias que se efectuaron durante los practicas de clase: a. Identificación de sensores del motor b. Identificación del flujo de combustible en el motor. c. Identificación de la línea de baja y alta presión. d. Desmontaje y montaje de la bomba de combustible HPCR. e. Desmontaje y montaje de inyectores.
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Literatura de servicio
https://quickserve.cummins.com/qs2/portal/service/index.html. Brouchure de la Excavadora PC220LC-8. Manual del sistema de inyección diesel por acumulador Common Rail – BOSCH EDICIÓN 2005. Manual Common Rail DELPHI – Principios de funcionamiento – 09/2007. http://www.mecanicavirtual.org/imagesdiesel/commonrail.gif&imgrefu rl- 2010 MECANICA Virtual, la web de los estudiantes de automoción http://www.micoche.com/articulos/2001/2001_53_2.jpg http://www.google.com.pe/imgres?imgurl=http://rbkwin.bosch.com/e s/pool/de/Diesel. http://www.komatsuklc.com/revistapdf/Views_2005_No.1(S).pdf
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Módulo 1: Introducción y evolución del motor 1. Objetivos del Modulo Al finalizar el presente modulo el participante estará apto para lo siguiente: 1. Identificar los componentes y explicar el principio de funcionamiento del sistema de inyección de combustible Common Rail. 2. Conocer la evolución del motor diésel hasta la llegada del Common Rail. 3. Detallar la normativa tier3 del motor y diferenciar con anteriores clasificaciones. 4. Identificar la problemática de las emisiones 1.1.Presentación Desde sus inicios, el motor diesel tenía en comparación con el motor Otto las ventajas de bajo consumo, alta potencia y la posibilidad de utilizar combustibles más económicos. Como contrapartida, los primitivos motores diesel eran ruidosos, tenían un régimen de giro excesivamente bajo, producían vibraciones y su funcionamiento era poco flexible, por lo que este tipo de motores eran poco aptos para ser utilizados en automoción. Con el paso de los años el motor diésel ha evolucionado notablemente, eliminando inconvenientes que limitaban su aplicación. En lo relativo a emisiones contaminantes, la evolución del motor diésel ha sido igualmente notable, cumpliendo las estrictas normativas sobre el particular. Las mejoras introducidas en la inyección de combustible han sido la clave del auge de la tecnología diésel en la automoción en los últimos años. Para lograr estas mejoras, ha sido necesario el desarrollo de sistemas de control electrónico integrados en el grupo de inyección, de tal forma que el funcionamiento del motor es regulado en todo momento por un pequeño ordenador denominado unidad de control. La unidad de control tiene grabados en la memoria un conjunto de mapas y curvas característicos del motor expresado como un conjunto de matrices numéricas con las que se define el comportamiento de cada variable presente en un sistema Common Rail . La unidad de control registra con la ayuda de sensores ubicados por todo el vehículo el deseo del conductor (posición del pedal del acelerador), el comportamiento de servicio del motor y las condiciones externas. La unidad de control procesa las señales generadas por los sensores operando mediante la lógica correspondiente los datos de entrada, definiéndose para cada punto de funcionamiento del motor el comportamiento de cada variable
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(momento preciso de inyección con el caudal y presión adecuados al funcionamiento del motor). Así, en base a los datos provenientes del sensor de temperatura del motor o de las condiciones atmosféricas, la unidad de control puede adaptar a las condiciones en las que se encuentre los valores teóricos sobre el control de la inyección del combustible. Una vez realizados los cálculos pertinentes, la unidad de control enviará a los actuadores la señal correspondiente con la orden de funcionamiento, de manera que el motor funcione en cualquier estado de servicio con una combustión óptima, obteniéndose para cada caso las mejores prestaciones ajustándose a las emisiones permitidas. 1.2.Evolución del motor diésel hasta la llegada del Common Rail El motor diésel nace en 1897, cuando el ingeniero alemán Rudolf Diesel (1858-1913) presenta su invento al mundo científico en la Asamblea General de Ingenieros Alemanes celebrada en la ciudad de Kassel. Se trataba de un motor térmico de combustión interna en el cual el encendido se lograba por la temperatura elevada producto de la compresión del aire, es decir, se trataba de un motor de encendido por compresión. En comparación con el ya acreditado motor de explosión Otto, este motor tenía las ventajas de consumir mucho menos y de poder funcionar con un combustible relativamente barato, siendo posible además alcanzar potencias muy superiores. Los motores de gasoil no eran en sus inicios aptos para montarse en vehículos, por el ruido, vibraciones, y lo más primordial, su bajo régimen de giro, ya que el gasoil tenía que hacer muchas cosas antes que arder. En 1986, avances tecnológicos en los equipos de inyección, avances en cuanto a sistemas turboalimentados, el estudio de geometrías de cilindro y pistones y demás líneas de desarrollo posibilitan la entrada en el mercado del primer motor diésel de inyección directa, el FIAT Croma Tdi . El estudio de los parámetros que rigen la inyección de combustible ha sido la gran clave del auge de la tecnología diésel en la automoción. Algunas de las mejoras en la inyección diésel que han favorecido la optimización de la mezcla son:
Desarrollo de equipos de inyectores y bombas de inyección, obteniendo como resultado una pulverización más fina y presiones mayores, mejorando de esta manera la difusión del combustible. Controlando el momento y la cantidad de inyección de combustible de manera muy precisa para que facilite el mejor quemado posible de la mezcla. Realizando diferentes inyecciones (sistemas multi-inyección) que permitirán una combustión más gradual, asegurando un mayor aprovechamiento del aire teniendo un control más preciso de las temperaturas desarrolladas en la cámara de combustión, obteniendo como resultados la disminución de los contaminantes, el ruido y el consumo y mejorando el comportamiento en general del vehículo.
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Desarrollo de sistemas de captación de datos de funcionamiento, de manera que se obtengan medidas sobre el estado del motor en cuanto a temperaturas, régimen de marcha, demanda del usuario (posición del acelerador) así como las propiedades que el aire tenga en cada momento para poder integrar los datos obtenidos en los cálculos de las acciones que el sistema debe llevar a cabo para optimizar prestaciones y consumo en cada situación.
Para lograr estos hitos, ha sido necesario el desarrollo de sistemas de control electrónico integrados en el grupo de inyección, de tal forma que el funcionamiento del motor es regulado en todo momento por una unidad de control, que compara las distintas señales que recibe del exterior (sensores) con un programa interno grabado en memoria y como resultado genera unas señales de control para el motor. Así, el trabajo de los ingenieros de investigación del Grupo Fiat lleva a la aparición del sistema de inyección Unijet , basado en la tecnología Common Rail . La conclusión del desarrollo e industrialización de este sistema fue llevada a cabo sin embargo por el fabricante de inyección Robert Bosch. En 1997 se comercializa el primer automóvil con esta tecnología, el Alfa 156 JTD, obteniendo excelentes resultados. Se trataba de un motor increíblemente silencioso, con una respuesta tan brillante como la de los propulsores de gasolina y mostraba, respecto a un motor de pre cámara análogo, una mejora media de las prestaciones del 12%, además de una reducción de los consumos del 15%. Estos resultados supusieron una gran revolución en el mercado de los motores diésel, de manera que el resto de fabricantes de automóviles han ido accediendo a la tecnología del Common Rail .
Fig. 1.2.1 Bomba-Inyector –Common Rail
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1.3 La problemática de las emisiones El 11 de diciembre de 1997 se aprueba el Protocolo de Kioto, que tenía como objetivo la lucha contra el cambio climático mediante una acción internacional de reducción de las emisiones de determinados gases de efecto invernadero responsables del calentamiento del planeta. Representa un importante paso hacia adelante en la lucha contra el calentamiento del planeta, ya que contiene objetivos obligatorios y cuantificados de limitación y reducción de gases de efecto invernadero. Los automóviles contribuyen de manera importante a la contaminación atmosférica y al agotamiento de las reservas de combustibles fósiles del planeta, de ahí que el futuro de la tecnología automotriz esté supeditada a su capacidad para reducir sus emisiones. Los principales compuestos contaminantes en los gases de escape son: dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (HC), partículas (PM) y óxidos de nitrógeno (NOx). De los mencionados anteriormente, son los NOx y las emisiones de partículas el mayor problema de los motores diesel. El reto al que se enfrentan los diseñadores y calibradores de motores diesel reside en la dificultad de reducir las partículas sin aumentar los NOx, ya que al reducir los NOx se crean más partículas. Con una tradición en la construcción de motores que se extiende 70 años a partir de 1935, los motores Komatsu han ganado una reputación destacada en el mercado. Komatsu comenzó a introducir sus motores que cumplen con Tier III a medida que transcurría el año 2006, momento en que las normativas se introducirán gradualmente.
Fig. 1.3.1 Normativa de emisiones para equipo de construcción y minería
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1.4
REDUCCIÓN DEL RUIDO
El ruido de combustión resulta del aumento rápido de la presión en el cilindro. Este aumento de presión se debe a una inflamación brutal de la mezcla aire/combustible. El ruido de combustión es especialmente audible al ralentí y en las zonas de poca carga. En un motor diesel, la combustión no empieza inmediatamente después de la inyección del combustible en el cilindro. Este retraso se llama el retraso de inflamación. El aumento de la presión del cilindro durante la inflamación del combustible provoca un ruido de combustión más o menos elevado en función de la cantidad inyectada previamente. Para disminuir el ruido de combustión, hay que reducir pues el plazo de inflamación. Para ello son posibles varios métodos: a. b. c. d.
Disminución de las cantidades inyectadas Precalentamiento Recalentamiento del aire de sobrealimentación Multiinyección (Añadido de una inyección antes de la inyección principal)
Las normas de anticontaminación regulan los contaminantes siguientes:
Fig. 1.4.1 Norma de partículas contaminantes
Nota: Estas normas se expresan en gramos por kilómetro (g/km)
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1.5
CONTAMINANTES
1.5.1 Los óxidos de nitrógenos NOx. Los NOx se producen por la oxidación del nitrógeno del aire. Esta reacción sólo se produce a muy alta temperatura cuando el exceso de aire es importante. Para limitar las emisiones de óxidos de nitrógeno, se utiliza un dispositivo que permite enviar hacia la admisión una parte de los gases de escape para limitar la cantidad de aire fresco admitido en el motor. Este dispositivo llamado EGR del inglés "Exhaust Gas Recirculation" permite controlar la cantidad de gas de escape enviado hacia la admisión. Si esta cantidad es demasiado baja, la eficacia del sistema no es optimizada. En caso contrario, se constata un aumento de los humos, de los hollines y de las inestabilidades del motor debidas a la falta de aire fresco. 1.5.2 Las partículas PM Los humos y los hollines pueden ser el resultado: a. De una mezcla demasiado rica. La falta de aire no permite una combustión completa y favorece la formación de partículas. b. De una mala pulverización del combustible en la cámara de combustión. Cuanto más grande es el tamaño de las gotitas, mayor es el tiempo necesario para su vaporización. Si este plazo se vuelve demasiado importante, la parte central de la gotita no tendrá tiempo de vaporizarse. Bajo el efecto de la altísima temperatura que reina en la cámara de combustión, las moléculas de combustible no vaporizadas sufren un cracking. Este fenómeno físico produce compuestos carbonosos muy duros que constituyen los hollines y otras partículas características de los motores diesel. 1.5.3 Los hidrocarburos no quemados HC. Los HC resultan de una falta de oxígeno local (mal reparto del combustible) o de una inyección del combustible en zonas frías de la cámara de combustión (típicamente cuando el combustible empapa las paredes). La cámara de combustión toroideal y los nuevos sistemas de admisión (swirl) combinadas con la inyección directa permiten obtener: a. Un tipo de turbulencias muy elevado que garantiza un muy buen reparto del combustible en la cámara de combustión. Se evita así la formación de las zonas ricas donde nacen los residuos no quemados. b. Una cámara de combustión compacta cuyas paredes son suficientemente cálida para evitar la formación de residuos no quemados.
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1.5.4 El monóxido de carbono CO Su presencia en los gases de escape resulta de la oxidación incompleta del carbono contenido en el gasóleo. Esta oxidación incompleta es la consecuencia de una combustión que se desarrolla global o localmente en mezcla rica. El motor diesel funciona con un exceso de aire importante, las emisiones de CO quedan pues reducidas. Es posible reducirlas más eliminando las zonas ricas de la cámara de combustión. Para ello, es necesario optimizar la aerodinámica interna de la cámara de combustión para generar un tipo de turbulencias muy elevado. Módulo 2: Composición y funcionamiento del sistema 2. Objetivos del Modulo Al finalizar el presente modulo el participante estará apto para lo siguiente: 1. Identificar los componentes y explicar el principio de funcionamiento del sistema de inyección de combustible Common Rail. 2. Explicar el sentido del flujo de combustible. 3. Conocer las características de los componentes del sistema de inyección de combustible Common Rail. 2.1 Sistema Common Rail El sistema Common Rail se basa en la introducción de combustible en el interior de un depósito, generándose presión dentro del mismo depósito, que se convierte en acumulador hidráulico (rail), es decir, una reserva de combustible a presión disponible rápidamente. Al estar la generación de presión separada de la dosificación y de la inyección de combustible, se obtiene una presión de inyección constante que no dependa del número de revoluciones. A partir del control electrónico se puede dividir la cantidad a inyectar total en varias inyecciones muy próximas entre sí, de manera que aunque la cantidad quemada sea la misma, se obtiene una combustión más gradual. El sistema Common Rail ofrece a los motores diesel una gran flexibilidad, siendo capaces de desarrollar todo su potencial en todo el mapa delimitado por revoluciones y posición del acelerador, ajustándose a los requerimientos de reducción de contaminantes. La unidad de control procesa las señales generadas por los sensores y transmitidas a través de líneas de datos. Con las informaciones obtenidas, es capaz de influir sobre el vehículo y especialmente sobre el motor, controlándolo y regulándolo. En base a los valores del sensor de temperatura del líquido refrigerante y de temperatura de aire, a temperaturas bajas y motor frío, la UCM puede adaptar a las condiciones de
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servicio los valores teóricos sobre el control de la inyección del combustible (momento preciso con el caudal y presión adecuados al funcionamiento del motor).
Fig. 2.1.1 Sistema Common Rail 2.2 Composición del sistema El sistema de inyección Common Rail se compone de los siguientes elementos (Fig. 2.1-1): 2.2.1 Una Bomba de Transferencia integrada en el cuerpo de la bomba de Alta Presión 2.2.2 Una Bomba Alta Presión alimentada por combustible desde la presión de transferencia. Suministra a muy alta presión en el raíl. 2.2.3 Un Actuador Baja Presión llamado IMV (Inlet Metering Valve) Permite controlar la cantidad de combustible enviado hacia la bomba de alta presión en función de las necesidades del motor. 2.2.4 Un Raíl que constituye una reserva de combustible a presión. 2.2.5 Unos Inyectores que pulverizan la cantidad deseada de combustible en la cámara de combustión en el instante deseado. 2.2.6 El ECM (Módulo de control electrónico) que controla la inyección (caudal, avance, inyección múltiple...) y la presión del raíl en función de las condiciones de funcionamiento del motor. 2.2.7 Una válvula de alivio de Alta Presión Está colocado en el raíl y permite controlar la sobrepresión existente en el raíl.
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2.2.8 Sensores permiten conocer en cada instante las informaciones necesarias para asegurar el control de la inyección: 2.2.8.1 2.2.8.2 2.2.8.3 2.2.8.4 2.2.8.5 2.2.8.6 2.2.8.7 2.2.8.8
Sensor de presión del raíl. Sensor de temperatura de combustible. Sensor de temperatura del refrigerante. Sensor de temperatura del aire de admisión. Sensor barométrico. Sensor de presión de refuerzo del turbo. Un sensor de velocidad del motor. Sensor de posición del cilindro.
Fig. 2.2-1 Composición del Sistema de Combustible 3.1 Líneas de baja y alta presión La instalación de un sistema Common Rail se estructura en dos partes fundamentales, la parte que suministra el combustible a baja presión y la que suministra el combustible a alta presión. La parte de baja presión consta de: 1. 2. 3. 4.
Depósito de combustible con filtro previo. Bomba previa. Filtro de combustible. Tuberías de combustible de baja presión.
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La parte de alta presión consta de: 5. Bomba de alta presión con válvula reguladora de presión. 6. Tuberías de combustible de alta presión 7. Rail con sensor de presión del Rail. 8. Válvula limitadora de presión y limitador de flujo. 9. Inyectores. 10.Tuberías de retorno de combustible.
Fig. 3.1-1 Líneas de baja y alta presión de Combustible 3.1.1 Parte de baja presión La parte de baja presión pone a disposición el combustible para la parte de alta presión. La misión de la bomba previa es abastecer suficiente combustible a la bomba de alta presión, recogiendo el combustible del depósito. Se trata de una bomba de combustible de engranajes accionada mecánicamente integrada en la bomba de alta presión. Al ser el caudal de suministro aproximadamente proporcional al número de revoluciones del motor, su regulación se realiza bien por regulación de estrangulación en el lado de aspiración, o bien por una válvula de descarga en el lado de impulsión.
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Fig. 3.1.1.1 Bomba de Engranajes Bosch – Alimentador de baja presion 3.1.2 Parte de alta presión La parte más crítica e importante del sistema Common Rail se encuentra casi toda en la zona de alta presión y en algunos elementos de control ajenos a las dos partes enunciadas anteriormente.
Fig. 3.1.2.1 Inyector – Rail – Componentes de alta presión
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3.2 La bomba de transferencia Un primer nivel de bombeo, llamado bomba de transferencia, aspira el combustible a partir del depósito de combustible, a través del filtro y lo envía hacia la bomba principal a una presión, llamada presión de transferencia (aproximadamente 6 bar).
Fig. 3.2.1 Bomba de transferencia 3.2 Bomba de alta presión Se encuentra en la intersección entre la parte de baja presión y la de alta presión. La bomba tiene la misión de poner siempre a disposición de los inyectores suficiente combustible comprimido, en todos los márgenes de servicio y durante toda la vida útil del vehículo. Esto incluye el mantenimiento de una reserva de combustible necesaria para un proceso de arranque rápido y un aumento rápido de la presión en el rail. La bomba genera permanentemente la presión del sistema para el acumulador alta presión (Rail). Por este motivo, en comparación con sistemas de inyección convencionales, ya no es necesario que el combustible tenga que ponerse a disposición “altamente comprimido” para cada proceso de inyección en particular. El combustible se comprime dentro de la bomba con tres émbolos de bomba dispuestos radialmente, desfasados entre sí 120º. Con tres carreras de suministro por cada vuelta resultan pares máximos de accionamiento reducidos y una solicitud uniforme del accionamiento de la bomba, obteniéndose un par mucho menor que para una bomba de inyección rotativa comparable. Por lo tanto, el Common Rail plantea exigencias menores al arrastre de bomba que los sistemas de inyección convencionales. La potencia necesaria para el accionamiento de
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bomba aumenta proporcionalmente a la presión ajustada en el Rail y a la velocidad de rotación de la bomba (caudal de suministro). Figura 2.12: Bomba de alta presión Rail común El Rail tiene la misión de almacenar combustible a alta presión. Al hacerlo, deben amortiguarse mediante el volumen acumulado oscilaciones de presión producidas por el suministro de la bomba y la inyección. La presión en el distribuidor de combustible común para todos los cilindros se mantiene a un valor casi constante incluso al extraer grandes cantidades de MEMORIA 33
combustible. Con esto se asegura que permanezca constante la presión de inyección al abrir el inyector. Figura 2.13: Rail En el Rail se encuentra la válvula de sobrepresión. La válvula limitadora de presión limita la presión en el Rail dejando libre una abertura de salida en caso de un aumento demasiado grande de la presión. Solamente cuando se sobrepasa la presión máxima del sistema se abre la válvula y el combustible es conducido entonces por canales al depósito de combustible a través de una tubería colectora. Al salir combustible del Rail disminuye la presión de éste. Otro elemento de seguridad es el limitador de flujo que tiene la misión de evitar el caso poco probable de inyecciones permanentes en un inyector. Para cumplir esta misión, el limitador de flujo cierra la afluencia al inyector afectado, en caso de sobrepasarse el caudal de extracción máximo.
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