CURSO
SISTEMAS DE INYECCIÓN CON BOMBA ROTATIVA ELECTRÓNICA
Profesor: Lautaro De la Fuente Rodríguez
ABRIL 2009
GENERALIDADES Los motores Diesel con control electrónico aparecieron en el mercado, por dos razones importantes, el costo del combustible y las emisiones contaminantes. Su desarrollo mas importante se produjo aproximadamente el año 1990, cuando las normas de emisión (EPA , TIAR) establecieron unos niveles de emisión que era muy difícil de lograr con los medios mecánicos existentes. También en aquella época en Estados Unidos se dispuso por ley que los vehículos de carretera equipados con motores Diesel , solo emplearan Sistemas de Inyección con control electrónico, con el fin de disminuir el efecto de sus emisiones con el medio ambiente y obtener un mejor rendimiento. Lo anterior obligo a las empresas automotrices y fabricante de motores Diesel a incorporar sistemas de inyección con control electrónicos, desarrollo que ya existía en los motores Diesel desde finales de los años setenta. La incorporación de la electrónica a permitido que las funciones de regulación de caudal y avance de la inyección puedan ser gobernadas por medios electrónicos, mediante los cuales se optimiza la cantidad de combustible inyectada, adaptándola correcta exactamente a las necesidades de la marcha del motor. La incorporación de estos dispositivos electrónicos a las bombas de inyección para motores Diesel conllevan una serie de ventajas fundamentales como muestra la figura # 1, que permiten reducir notablemente los consumos de combustible y los niveles de emisión de gases contaminantes, por cuyas razones fue uno de los primeros sistemas en que se aplico masivamente los sistemas de control electrónico.
Fig#1 Ventajas de la Inyección Electrónica
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El desarrollo de la inyección Diesel electrónica, también trajo avance en el diseño de los motores Diesel, como por ejemplo el diseño de las cámaras de combustión, donde se ha adoptado la inyección Directa, por sobre la Indirecta, ya que el diseño aerodinámico asistido por computador a permitido, una mezcla del aire – combustible mas rápida y proceso de combustión que permite que los motores puedan desarrollar r.p.m, tan altas como los motores de gasolina. El avance en las cámaras de combustión obligo también a desarrollar inyectores que inyectan el combustible más pulverizado y en menor tiempo en el interior de la cámara de combustión, permitiendo que la combustión sea más rápida y completa, aumentando el rendimiento del motor. Por lo tanto los motores Diesel con control electrónico, como muestra la figura # 2 reúnen las siguientes características; • • • •
Inyección Directa Diseño aerodinámico de la cámara de combustión. Sobre alimentación de aire. Control electrónico de la inyección de combustible.
Fig.2 Motor Diesel Electrónico En cuanto al desarrollo de los inyectores para mejorar la mezcla airecombustible y reducir el tiempo del proceso de combustión, han incorporado las siguientes modificaciones como puede observarse en la figura # 3.
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Disminución del diámetro de los orificios. Aumento de la presión de inyección. Aumento del número de orificios. Tamaño más compacto
Fig. # 3 Inyector Hidráulico para bomba electrónica
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INFLUENCIA DE LA GESTIÓN ELECTRÓNICA Un sistema de control electrónico, es un sistema que permite controlar la dosificación de combustible y el tiempo exacto de la inyección, a partir de tres componentes importantes; • • •
Sensores Unidad de control electrónico Actuador
Y que pasaremos a definir a continuación.
SENSOR: Es un dispositivo que permite transformar una señal física (Temperatura, Presión, Posición, etc.) en una señal eléctrica que es recibida por la unidad de control.
UNIDAD DE CONTROL: Es un microprocesador que controla el proceso de inyección y funcionamiento del motor, a través de las señales de los parámetros de funcionamiento del motor, que recibe de los sensores.
ACTUADOR: Es un dispositivo que permite transformar una señal eléctrica enviada desde el microprocesador, en una señal física de movimiento, para controlar la dosificación de combustible, modificar el avance de la inyección o conectar o desconectar el electro ventilador del sistema de refrigeración. El caudal de combustible inyectado influye notablemente sobre el arranque del motor y el comportamiento de marcha, así como en la emisión de humos. En la unidad de control se determina el valor del caudal que debe inyectarse, de acuerdo con los datos memorizados en campos característicos y los valores reales medidos por los diferentes sensores. De igual manera se determina el punto de inicio de la inyección. La presión del comienzo de la inyección está garantizada por un detector de movimiento de la aguja del inyector, que capta el comienzo exacto de la inyección directamente en el inyector, enviando la señal a la unidad de control, que la compara con el inicio de la inyección programando en su memoria y genera unos impulsos de control que se envían al sistema variador de avance, que corrige el punto de inyección en función de las condiciones de marcha del motor. En la figura # 4 se muestra un diagrama de bloques que corresponde a un sistema de inyección con control electrónico, donde puede verse que la unidad de control recibe las informaciones de los distintos sensores y las convierte en impulsos de control para los sistemas de regulación de avance y de caudal ubicados en la bomba de inyección, a los que las señales a través de sendos computadores, que a su vez reciben señales reales del comienzo de la inyección y el caudal suministrado, las cuales permiten modificar estos parámetros adaptándolos a las necesidades del motor.
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Fig. # 4 Diagrama en bloques de un sistema de Inyección Diesel con Control Electrónico
BOMBA DE INYECCIÓN ROTATIVA CON GESTIÓN ELECTRÓNICA Actualmente en Chile existen varios tipos de bombas de inyección con control electrónico, siendo una de la más utilizada, el modelo Bosch VE electrónica Covec, la cual será la que se explicará en este apunte. La figura # 5 muestra una bomba rotativa Bosch VE con control electrónico, donde puede verse que su estructura y componentes es similar al modelo convencional, pero aquí se ha sustituido el conjunto regulador mecánico de velocidad por un sistema electromecánico, llamado actuador GE que realiza la misma función, como puede observarse en la figura # 6, la corredera o dado de regulación 5 es similar al de las bombas con regulador mecánico y funciona de la misma manera (Consulte apunte de bomba rotativa convencional), pero ahora esta comandado por el actuador GE 2 capaz de posicionar la corredera o dado de regulación adecuadamente en función de la cantidad de combustible que se haya de inyectar. Para la variación del punto de inicio de la inyección se dispone de una electroválvula llamada válvula de control de sincronización, que es comandada desde el calculador electrónico regula la presión de transferencia del combustible que se aplica al vareador de avance, mediante la cual se modifica la posición de la placa porta rodillo y con ello el avance de la inyección.
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Actuador GE
Fig.# 5 Aspecto exterior de una Bomba Rotativa electrónica VE Covec
Fig. # 6 Componentes internos bomba rotativa electrónica Bosch VE 1. Placa de soporte del actuador GE 2. Imán permanente rotativo 3. Eje de mando 4. Rotula excéntrica del eje de mando 5. Dado o corredera de regulación 6. Bobina del electro imán 7. Bobina del sensor de posición del eje de mando 8. Placa móvil 9. Válvula de control de sincronización.
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El sistema alimentación de combustible (Figura # 7), con bomba rotativa electrónica Bosch VE Covec, al igual que el modelo convencional, también esta dividido en dos subsistema, el sistema de baja o combustible, que transfiere y purifica el combustible del deposito a la bomba de inyección y el sistema de alta o Inyección formado por la bomba de inyección, cañerías de alta presión e inyectores.
Fig. # 7 Componentes mecánicos y electrónicos de una bomba rotativa Bosch VE Covec. 1. Tanque de combustible 2. Bomba alimentadora 3. Filtro 4. Válvula limitadora de presión 5. Regulador 6. Estator 7. Eje del regulador 8. Sensor de temperatura 9. Sensor de posición 10. Válvula de retorno 11. ELAB12. Injetor con sensor de movimiento 13. Bomba transferencia 14. Rodillo15. Anillo de levas 16. Pistón del avance 17. Válvula magnética 18. Dado de regulación 19. Pistón distribuidor 20. Válvula de presión 21. Racor de salida 22. Unidad de control 23. Sensor de curso del pedal 24. Sensor de velocidad 25. Sensor de temperatura de agua 26. Sensor de temperatura de aire. 27. Sensor de presión de aire 28. Sensor de r.p.m. del motor 29. Sensor de masa de aire 30. Relé de bujía incandescente 31. Compresor de A/C 32. Válvula EGR 33. Diagnóstico. 7
EXTRUCTURA DE LA BOMBA ROTATIVA COMPONENTE
FUNCIÓN
Unidad de control electrónico (Microprocesador) Sensor Np Sensor CPS Sensor de la temperatura del combustible Resistor de compensación TCV TPS
La comparación y procesamiento de las condiciones de funcionamiento Detecta la velocidad del eje de la bomba Detecta la posición del dado de regulación Detecta la temperatura del combustible Compensación Ajusta el tiempo de inyección Detecta la posición del pistón de regulador de avance
ACTUADOR GE (REGULADOR ELECTRÓNICO) Como puede verse en la figura #5, el actuador GE está sujeto en la cámara del regulador, en la parte superior de la bomba de inyección. La cámara del regulador y la cámara de la bomba están conectadas a través de un filtro de magnético y el combustible que fluye en la cámara del regulador enfría la bomba. El filtro magnético también evita que partículas de hierro entren al interior del actuador GE. La punta del eje ajustada a presión al rotor, está equipada con un pasador de bolas, que es excéntrico con el eje (Ver figura #8). Este pasador de bolas se inserta en un orificio en la corredera o dado de regulación.
Fig. # 8 Fotografías de un Actuador Ge de una Bomba rotativa Bosch VE Covec. OPERACIÓN DEL ACTUADOR GE A diferencia de la bomba de inyección convencional, la bomba rotativa electrónica ajusta la cantidad de inyección de combustible de manera electromagnética (Ver figura # 9). La posición del dado o corredera de regulación se detecta mediante un sensor de posición del dado y retroalimenta a la unidad de control. Cuando la bobina se energiza, el núcleo genera un flujo magnético para rotar el rotor dentro un rango específico. (Ver figura # 10)
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La intensidad del flujo magnético generado por la bobina se determina mediante la corriente de entrada. El rotor rota hasta que la intensidad del flujo magnético del núcleo se iguala a la fuerza del resorte de retorno del rotor.
Bobina
Resorte de Retorno
Rotor
Núcleo Eje Rotula excéntrica
Dado o Corredera de regulación Fig. # 9 Componentes del regulador GE El sensor de posición del dado de regulación detecta el ángulo rotacional. Como puede verse en la figura # 11, está instalado en la parte superior del actuador GE para detectar si la posición del dado de regulación (es decir, el ángulo de rotación del rotor) especificado por la corriente, es efectivamente la posición correcta.
Fig. 10 Bobina y rotor del regulado GE El sensor de posición (Figura # 11) del dado de regulación consiste de un yunque sensor, una bobina sensora, una palanca móvil y una placa fija. La placa móvil está conectada directamente al eje, y rota junto con él. La placa fija compensa por las variaciones de inductancia inducidas por temperatura.
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El sensor de posición del dado de regulación convierte las diferencias en las inductancias de las bobinas superior e inferior en ángulos, y las alimenta de vuelta a la unidad de control. La unidad de control compara el ángulo almacenado en su memoria con el ángulo medido por el sensor, y compensa la corriente de manera que el ángulo corresponda con el valor almacenado en la memoria del computador, para las r.p.m. y carga que esta desarrollando el motor. Cuando el microprocesador energiza la bobina del regulador GE (Figura # 10) , el rotor gira en proporción a la señal de corriente suministrada, ajustando la posición del dado de regulación y con ello la cantidad de combustible requerida para las condiciones de funcionamiento del motor. La posición del dado de regulación, como ya se ha dicho, es verificada por el sensor de posición.
Fig. 11 Componentes del sensor de posición GE VÁLVULA DE CONTROL DE SINCRONIZACIÓN (TCV) La válvula TCV (figura #12) es de tipo electromagnético y se ubica en un canal de en derivación con la cámara del pistón de avance, a la cual llega el combustible desde el cuerpo de la bomba a la presión de transferencia, que es función del régimen de r.p.m. del motor. La válvula TCV como se observa en la figura # 12 se compone de un émbolo, un resorte y una bobina. El émbolo en reposo no permite el paso de combustible hacia el retorno debido a la acción del muelle. La unidad de control regula la posición de la electro válvula en función del cálculo que realiza según las diferentes señales recibidas. Los impulsos eléctricos desde la unidad de control a la bobina de la válvula TCV producen el desplazamiento de la misma contra la acción del resorte. La acción cíclica de la válvula TCV provoca una fuga de combustible, a través de la cual se modula la presión de transferencia adecuándose al valor más conveniente para cada una de las condiciones de funcionamiento del motor. La señal de mando de la válvula TCV la genera la unidad de control en función de las informaciones que recibe de los distintos sensores, principalmente de las
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r.p.m. del motor, posición del acelerador, recorrido del dado de regulación y el sensor de la aguja del inyector. Estas informaciones pueden ser corregidas en función de las señales de temperatura del motor, aire de admisión y combustible, entre otras. La válvula TCV se alimenta con un positivo directo y cierra a masa en la unidad de control. La presión de transferencia regulada por la válvula TCV es aplicada al pistón del avance, al que desplaza comunicando este movimiento al anillo de levas, que se mueve convenientemente para fijar el punto de comienzo de la inyección. La unidad de control recibe información desde el inyector del comienzo real de la inyección y en estas condiciones, si el avance real es diferente del teórico, la válvula TCV es activada para adecuar el avance teórico al real.
Fig. # 12 Diagrama y fotografía de la válvula TCV para Bomba Bosch VE SENSOR DE POSICIÓN DEL PISTÓN DE AVANCE DE LA INYECCIÓN (TPS) El TPS esta instalado junto al cilindro del pistón del vareador de avance de la inyección aun costado de la bomba (Fig. # 5). Esta formado por una barra magnética y una bobina (Ver figura # 13), que detecta la posición del pistón del avance y la informa a la unidad de control. Para lo cual el TPS detecta la variación de inductancia en el núcleo magnético de la barra para medir la posición del pistón de avance.
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Fig. # 13 Sensor de posición del pistón de variador de avance SENSOR DE VELOCIDAD DE LA BOMBA DE INYECCIÓN NP El sensor Np detecta la velocidad de giro del eje de la bomba necesaria para los variados controles, y emite señales a la unidad de control. Este se encuentra ubicado a un costado de la bomba como muestra la figura # 5. El sensor Np como se ve en la figuras # 14 y 15, está constituido de un imán permanente, una barra de hierro y una bobina. El campo magnético del imán cambia mediante el movimiento de una rueda con cuatro puntas que esta ubicada en el eje de la bomba (placa de engranaje sensor), y el voltaje generado se detecta como señal de r.p.m.
Fig.# 14 Sensor de Velocidad NP
Fig. # 15 Componentes de sensor NP
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Cuando el eje de la bomba rota, las puntas de la rueda pasan a través del campo magnético del sensor de velocidad de la bomba para generar voltaje de C.A. en la bobina. Este voltaje se ingresa a la unidad de control, se convierte a señal de pulso y se usa como señal de r.p.m., para controlar el proceso de inyección.
DETECTOR DE MOVIMIENTO DE LA AGUJA DEL INYECTOR El detector de movimiento de la aguja del inyector es un sensor que se encuentra dentro del cuerpo de uno de los inyectores del motor (Inyector 1 o 3) y detecta el instante en que se abre la válvula del inyector y suministra el combustible. Como se observa en la figura # 16 este sensor esta formado por un perno de ajuste, una bobina de impulsos, perno de presión, cable y enchufe. Cuando la aguja del inyector se abre y vence la tensión del resorte, sube el perno de presión y se genera una señal eléctrica que es detectada por el computador, para el control y avance de la inyección.
Fig.# 16 Sensor de movimiento de la aguja del inyector GESTIÓN ELECTRÓNICA La gestión electrónica es controlada por una unidad de control (Figura # 17) que se encuentra en el vehículo. Está recibe las señales de información detectadas por cada sensor (Figura # 18). Basándose en esta información, la unidad de control entonces efectúa cálculos comparativos utilizando los valores de ajuste programados, y Lugo emite instantáneamente las señales de control óptimo para cada sección de control. Esta UCE también incluye un sistema de diagnóstico de fallas.
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Como puede verse en las figuras # 18 y 19 , las señales detectadas por cada sensor y conmutador se ingresan para controlar el microprocesador de la unidad. Basándose en estas señales de información, los datos característicos, así como los datos de compensación grabados en la ROM (memoria de solo lectura) se leen en la CPU (unidad de Fig.#17 Unidad de Control procesamiento central). Los cálculos comparativos se efectúan entonces utilizando estos datos y se emiten las señales de información.
Fig.# 18 Señales de entrada y salida de sensores y actuadotes Las señales de de control emitidas por el microprocesador entonces se convierten en señales de impulso. Luego, estas se ingresan al actuador GE y a la válvula TCV para controlar la cantidad de inyección de combustible y la sincronización de inyección. Además de esto, el sistema electrónico de la bombas rotativas Bosch VE Covec, también tiene la función de compensar continuamente los valores reales a los con los almacenados en la memoria del computador (control de retroalimentación) para efectuar un control óptimo del motor Diesel y asegurar su precisión y resistencia.
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Fig.# 19 Operación del sistema de control electrónico de la inyección
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