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 emisiones sonoras y contaminantes de gases de escape en los motores Diesel, hacen necesario 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 en la culata del motor, que puede ser accionada mecánicamente por una leva adicional 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 tipos de inyectores la cantidad de combustible suministrada al motor es controlada electrónicamente por una unidad de control, que es un microprocesador. CLASIFICACIÓN Los inyectores bomba controlados electrónicamente se pueden clasifica en dos tipos, 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 del motor, posicionado en el centro de la cámara de combustión que se forma en el pistón (inyección directa) de forma similar a la adoptada por los inyectores bomba de accionamiento mecánico.
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Fig.# 1 Sistema con Inyector Bomba Electrónico EUI , UPS Este inyector bomba con mando electrónico está accionado por un balancín con rodillo que recibe movimiento directo del eje de levas, que en el caso de la figura esta en la culata, también se puede 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 culata, 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 estarán sometidos en el funcionamiento, debido a las altas presiones de trabajo. La leva 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 oprima 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
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El sistema bomba-inyector UIS de Bosch, se incorporo en el vehículo Volkswagen Passat a finales de 1998 con una nueva generación de motores diesel de inyección directa, que esta teniendo una gran aceptación debido a las altas prestaciones que dan los motores alimentados con este sistema de inyección (ejemplo los 150 CV de potencia que alcanzan motores con una cilindrada menor de 2000 cc), así como alcanzar unos 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 en una unidad independiente para cada cilindro, no es nueva, ya que los americanos lo utilizaban sobre todo en vehículos industriales desde hace mucho tiempo. El accionamiento de las unidades bomba-inyector viene dado por un árbol de levas que se encarga además de dar el movimiento necesario para que la bomba genere presión, sirve también para determinar el momento exacto de la inyección en cada cilindro. El funcionamiento del sistema bomba-inyector mecánico es similar a la forma de trabajar de las bombas de inyección en línea, muy utilizada en vehículos industriales. Los sistemas UIS, EUI son sistemas con una unidad de inyección por cada cilindro del motor. Esto le permite una mayor flexibilidad a la hora de adaptarse al funcionamiento cambiante del motor, mucho mejor que los motores que están alimentados por "bombas rotativas" o "bombas en línea". El sistema UIS, EUI, presenta frente a las inyecciones convencionales una serie de ventajas, de entre las cuales se destacan:
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Diseño compacto Mayor campo de aplicación (Para turismos y vehículos industriales ligeros con potencia de hasta 30 KW/cilindro, para vehículos industriales pesados de hasta 80 KW/cilindro. Para locomotoras y barcos se emplean bombas de inyección individuales 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 principal. Reducida sonoridad de combustión. Comienzo de la inyección variable Bajas emisiones de gases contaminantes.
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Fig.# 3 Aplicación del sistema UIS, en un Motor Detroit.
Fig. # 4 Aplicación del sistema UIS, en un Motor Cummins
ESTRUCTURA DEL SISTEMA UIS 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 figura # 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 inyección 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 de paletas o engranaje accionada por la distribución del motor impulsa el combustible hacia los inyectores, circulando de manera continua por las galerías de la culata y retornando al depósito. Su misión es almacenar el combustible necesario, filtrarlo y poner a disposición del sistema de inyección una cierta presión de alimentación en todas las condiciones de servicio. En algunas aplicaciones se refrigera adicionalmente el combustible de retorno.
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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 alimentación. 3. Filtro de combustible. 4. Válvula limitadora de presión 5. Enfriador de combustible.
B Sistema de inyección 6. Inyector Bomba electrónico UIS, EUI, con mecanismo de leva y balancín.
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C Sistema de control electrónico 10. Sensor de temperatura de combustible. 11. Unidad de control electrónico. 12. Sensor del pedal del acelerador 13. Sensor de velocidad de marcha 14. Contacto de freno. 15 Sensor de temperatura del aire 16 Sensor 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 Sensor de r.p.m. del cigüeñal D Periferia 21Instrumento combinado con salida de señales para consumo de combustible, r.p.m., etc. 22 Unidad de control de tiempo de incandescencia 23 Bujía de espiga incandescente 24 Interruptor de embrague 25 Unidad de operación para el regulador de la velocidad de marcha 26 Compresor aire acondicionado 27 Unidad de operación para compresor de aire acondicionado 28 Chapa de contacto 29 Interfaz de diagnóstico 30 Batería 31 Turbosobrealimentador 32 Atuador de presión de sobre alimentación 33 Bomba de depresión 34 Motor Diesel CAN Controller Area Network (Bus de datos en serie en el automóvil) COMPONENTES DEL SISTEMA DE COMBUSTIBLE La alimentación de combustible (Ver figura # 7) abarca los siguientes componentes esenciales: 1. Depósito de combustible 2. Filtro Primario 3. Enfriador de la unidad de control 4. Bomba previa con válvula de retención 5. Filtro secundario 6. Bomba de combustible 7. Válvula reguladora de presión 8. Galería de combustible 9. Enfriador de combustible Fig. 7 Sistema de combustible
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La figura # 8 muestra el esquema del circuito de combustible para un vehículo liviano, en el que puede verse la ubicación de la válvula limitadora de presión inmediatamente después del filtro y la de retención en el retorno, así como un conducto de by-pass que facilita la purga de aire en caso de vaciado del circuito. También en el circuito de retorno se ubican el sensor de temperatura del combustible y un radiador para enfriar el combustible caliente que regresa de los inyectores, en los cuales alcanza temperaturas de hasta 150ºC, que deben reducirse hasta menos de 80ºC antes 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. Asegura, por lo tanto, una pureza mínima del combustible delante de los componentes sensibles al desgaste. A parte de ello es necesario que el filtro de combustible cuente con una capacidad suficiente de acumulación de partículas para garantizar unos intervalos 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 reaccionan de forma muy sensible frente a la mínima cantidad de impurezas. Por esta razón rigen 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 vehículos industriales) Para satisfacer unas exigencias especialmente altas de protección contra el desgaste y asegurar un intervalo de mantenimiento adecuado, se emplea un
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sistema de filtrado con un filtro fino y un filtro fino, como muestran las figuras # 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 sistema EUI, UIS, dependiendo del tipo de vehículo pueden emplear bombas de combustible de engranajes, paleta o eléctrica. La figura #10 muestra una bomba de engranaje, que es muy utilizada en los vehículos pesados e industriales.
Fig.# 10 Bomba de engranajes
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GALERIA DE COMBUSTIBLE Es una cavidad (Figura # 11) que se encuentra en la culata que distribuye uniformente el combustible y al misma temperatura entre los inyectores 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 de 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 con 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 poco 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 acumulador, 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 apertura hay dos tornillo (6) con variaciones del escalonamiento del tope elástico.
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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 sirve de medio refrigerante. Éste fluye a lo largo de la unidad de control como muestra la figura #13, a través de canales de refrigeración y absorbe el calor del sistema electrónico.
Fig. # 13 Refrigeración de la UCE
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REFRIGERADOR DE COMBUSTIBLE Debido a la presión elevada en el inyector UIS, EUI , especialmente en los vehículos livianos, el combustible se calienta tan intensamente que requiere ser enfriado, antes del retorno, para proteger el depósito de combustible y el sensor de nivel de llenado. El combustible fluye a través del refrigerador o intercambiador de calor 3 (Ver figura #14) y cediendo el calor al refrigerante del motor. El circuito de refrigeración de combustible está separado del circuito de refrigeración del motor 6 debido a que con el motor caliente la temperatura del líquido refrigerante es demasiado elevada como para poder enfriar el combustible. Cerca del depósito de compensación 5 el circuito de refrigeración del combustible comunica con el circuito de refrigeración del motor para que se pueda llenar el circuito de refrigeración del combustible, compensándose así las variaciones de volumen a causa de oscilaciones de la temperatura.
Fig. # 14 Sistema de Refrigeración de Combustible
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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 durante toda la vida útil, en el cilindro del motor en el momento determinado por la unidad 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. Debido 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 cilindro del motor hay una unidad Inyector Bomba (Ver figura # 15) montada directamente 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 una leva de accionamiento. La carrera de leva es trasmitida por un mecanismo de balancín 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 dependen de la velocidad actual del émbolo de la bomba, la cual es determinada por la forma de la leva. Por ello el árbol de levas debe estar fabricado con precisión. Las 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
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(accionamiento del eje de levas, eje de levas, mecanismo de balancín) para la reducción de las oscilaciones. COMPONENTES El inyector bomba está dividido en tres secciones 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 mantenerlo en su posición de reposo. En la acción de bombeo se impulsa el combustible contenido en la cámara. La tobera es de diseño análogo al de los inyectores convencionales y se abre por presión inyectando el combustible finamente pulverizado en el cilindro. Generalmente dispone de cuatro o cinco orificios de salida. La electroválvula está controlada directamente por la central electrónica, que determina las modalidades 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.
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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 figura # 18) de los siguientes componentes, Solenoide o Bobina, armadura o núcleo, cuerpo 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 exactamente dosificado en la cámara de combustión y conforma así el desarrollo de la inyección. El inyector está adosado al cuerpo de la unidad inyector bomba EUI, UIS mediante una tuerca de fijación.
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Fig. # 19 Componentes de inyector de una Unidad EUI, UIS
FUNCIONAMIENTO DE UN INYECTOR ELECTRONICO EUI, UIS El funcionamiento de un inyector bomba electrónico se dividir en cuatro fases, como muestra la figura # 20.
Fig. # 20 Fases de Funcionamiento de un Inyector Bomba Electrónico UIS
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Las cuatro fases de funcionamiento que se describen en la figura # 20, son las siguientes: a) b) c) d)
Fase de llenado o carrera de llenado Fase de derrame o carrera previa Fase o carrera de inyección Fase de reducción de la presión o carrera residual
FASE DE LLENADO O CARRERA DE LLENADO El émbolo de la bomba (2) es movido hacia arriba mediante el muelle de reposición (3). el combustible, que se encuentra permanentemente bajo sobre presión, fluye desde la parte de baja presión de la alimentación de combustible, a través de los taladros de entrada integrados en el bloque del motor y el canal de entrada de combustible, a la cámara de baja presión (6) también llamada 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 del elemento). FASE DE DERRAME O CARRERA PREVIA El émbolo de bomba baja debido al giro 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 INYECCIÓN 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 asiento (8), cortándose la comunicación entre la cámara de alta presión y la parte de baja presión. Este momento se denomina "comienzo de inyección eléctrico". El cierre de la aguja de la electroválvula se traduce en un cambio de la corriente de la bobina. Esto 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 proceso de inyección. La presión del combustible en la cámara de alta presión aumenta debido 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 combustión ("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 el proceso de inyección.
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FASE DE REDUCCIÓN DE LA PRESIÓN O CARRERA RESIDUAL Si se desconecta la bobina del electroimán (7), la electroválvula se abre después de un breve tiempo de retardo y habilita 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, entre 1800 y 2050 bar como máximo. Después de estar abierta la electroválvula, la presión cae rápidamente. Al haberse quedado debajo del valor de la presión de cierre de inyector, el inyector se cerrará y finalizará el proceso de inyección. El combustible restante, suministrado por el elemento de bomba hasta la cúspide de la leva de accionamiento, es presionado hacia la parte de baja presión a través del canal de retorno. Los 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 descontrolada: si la electroválvula permanece abierta no se podrá inyectar, puesto que el combustible 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 través 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 inyectar 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 combustible que retorna a la parte de baja presión. Mediante unas medidas idóneas en la entrada en la unidad bomba-inyector se asegura que las diferencias de temperatura del combustible de cilindro a cilindro sean mínimas. INYECCIÖN PREVIA (VEHÍCULOS LIVIANOS) En la unidad de Inyector Bomba UIS, para turismos se ha integrado una inyección previa con activación mecánico-hidráulica para la disminución de los ruidos y contaminantes. 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 la inyección previa Fin de la inyección previa Comienzo de la inyección principal
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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 asiento. La válvula solenoide del inyector bomba esta abierta, siendo imposible el aumento de presión.
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COMIENZO DE LA INYECCIÓN Si se cierra la válvula solenoide, comienza el aumento de presión. Al alcanzarse la presión de apertura del inyector, se levanta la aguja del inyector 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 levantará de su asiento. Se establece una comunicación entre la cámara de alta presión (2) y la 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 acumulador. COMIENZO DE LA INYECCIÓN PRINCIPAL Debido al movimiento continuo del émbolo 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 inyeccion 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 BOMBA HEUI
Fig. 21 Inyector 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 Caterpillar. El sistema emplea inyectores bomba accionados hidráulicamente y controlados electrónicamente. Se emplea el aceite lubricante del motor como fluido hidráulico. La bomba de aceite del motor alimenta aceite a un tanque que se encuentra junto a una bomba de alta presión. Esta bomba alimenta aceite de alta presión a los rieles 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 una 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. (3447 a 20684 kPa).
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Un Sistema con Inyector bomba electrónico HEUI, esta compuesto por los siguientes circuitos: • • •
Circuito de baja presión o combustible Circuito de accionamiento del Inyector. Circuito electrónico.
Los cuales se pueden observar en la figura # 22, que se muestra a continuación y la figura # 23 muestra una aplicación del sistema de Inyección HEUI en un Motor Caterpillar C7
Fig. # 22 Sistema de Inyección con Inyector Bomba Electrónico HEUI
Fig. # 23 Motor Caterpillar C7 de 190 a 330 HP
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CIRCUITO DE COMBUSTIBLE Este circuito proporciona el combustible en la cantidad adecuada y purificada a los inyectores Bomba HEUI, su estructura y funcionamiento 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 para 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 de los inyectores HEUI y controla la presión su inyección, por medio del control de la 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 para el control de la presión de aceite, una válvula de control de presión (IAP) y un sensor de presión. El control de la presión de aceite permite controlar la presión de Inyección con que el combustible es suministrado a los cilindros del motor. SENSOR DE PRESIÖN DE ACEITE Este sensor mide la presión en la galería de presión de aceite de los inyectores y envía esta información a la unidad de control, para que la válvula de control 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 requerimientos del motor.
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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 tanque 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 encuentra en la culata del motor. La bomba como puede observarse en la figura # 25, es de nueve pistones axiales los que al girar el eje de la bomba, se desplazan sobre un plato inclinado, que permite el bombeo de aceite hacia la galería y soportar una presión muy alta. La presión es controlada por una electroválvula (Válvula de control 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 válvula reguladora de presión descarga el exceso de aceite al carter del motor. El sensor 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 VÁLVULA IAP Los componentes de la válvula IAP mostrada en la figura # 26 regula la presión de salida de la bomba entre 450 a 3000 psi (3103 a 20685 kPa). Con el motor apagado, 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 arrancar 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 magnético, que empuja la armadura a la derecha 23
contra el pasador y la válvula “poppet” o de disco, manteniéndola cerrada mientras se forma presión en la cámara del carrete y la fuerza del resorte sostiene el carrete a la derecha, cerrando los puerto de drenado. Todo el aceite se envía al riel de presión hasta que se alcanza la presión que se requiere. Tan pronto como arranca el motor, la UCE manda una señal a la válvula IAP para que proporcione la presión que necesita la galería. La UCE compara la presión efectiva de la galería con la presión que se requiere 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 puertos 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 “poppet” o de disco controla la fuerza del campo magnético del solenoide en la señal de la UCE. La posición del carrete determina el equilibrio entre las fuerzas del lado izquierdo y derecho del 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
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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 unidad 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 que se encuentra en la cabeza del pistón. El inyector HEUI, esta rodeado por dos galerías una de combustible y la otra de aceite de accionamiento y esta fijo por medio de una brida móvil que va apernada a la culata.
Fig. # 27 Montaje del inyector en la culata
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COMPONENTES El inyector bomba HEUI ( ver figura #28) consta de los siguientes componentes principales: • • • •
Solenoide Válvula de disco o accionamiento. Pistón o émbolo intensificador 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 asiento 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 solenoide 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.
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Fig. # 29 Solenoide y válvula de accionamiento
PISTÓN Y ÉMBOLO INTENSIFICADOR Cuando se activa el solenoide del inyector, la alta presión 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 la parte superior del émbolo es siete veces mayor que la del émbolo, se produce una fuerza siete veces mayor y se transmite al combustible que esta debajo del émbolo. Este combustible altamente presurizado levanta la válvula del inyector de su asiento y deja que salga a presión por los orificios de la tobera.
Fig. # 30 Émbolo y pistón intensificador
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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 asiento durante la inyección. La válvula controla la abertura de los orificios de la tobera o boquilla. Un balín retén que cierra durante la inyección (debido a la presión) evita 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 llenado 2. Ciclo de inyección 3. Fin de la Inyección CICLO DE LLENADO Durante el ciclo 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 del émbolo está llena de combustible a la presión del sistema de suministro de 40 psi (270 kPa).
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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 Inyectores) 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 superior del pistón intensificador. 6. La presión en la parte superior del pistón intensificicador 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)
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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 cámaras 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 que 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 inyección EUI y HEUI, cada uno de los solenoides de los inyectores bomba está conectado 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 aire 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 parámetros, para lo cual, la unidad de control recibe información de diversos sensores, cuya constitución y funcionamiento son similares a los de las inyecciones con gestión electrónica. La figura # 33 muestra esquemáticamente los componentes electrónicos de un sistema UIS o EUI empleado en vehículos de turismo o livianos. La regulación del comienzo de la inyección está ligada al caudal de combustible que se debe inyectar. La UCE realiza en primer lugar un cálculo básico de inicio de la inyección de acuerdo 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 posición del cigüeñal y determina el cilindro que se encuentra en fase de compresión parta activar 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 teóricos y efectivos.
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Fig. # 33 Componentes electrónicos de un sistema UIS para vehículo liviano
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El caudal de inyección se calcula básicamente en función del régimen del motor (rpm) y de la posición del acelerador. Una vez efectuado este cálculo por la UCE, se establecen correcciones en función de la masa de aire aspirado, de las temperaturas del motor, 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 embrague y del freno permiten establecer una ligera reducción del caudal de inyección para evitar tirones del motor en marcha. La unidad electrónica de control, una vez realizado el cálculo del caudal que debe inyectarse envía una corriente de control al solenoide para activarla durante un tiempo determinado. Una importante característica de los sistemas de inyección Diesel electrónico con inyector Bomba, es que permiten una corrección selectiva del caudal por cilindro con la que se logra un funcionamiento 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 cada uno de los cilindros, la UCE registra la aceleración sufrida por el cigüeñal y, si detecta diferencias entre ellas, corrige el caudal de inyección convenientemente para igualar el rendimiento de todos los cilindros. Esta corrección de caudal se efectúa controlando la señal de mando de los solenoides, para lo cual, la unidad de control 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 que 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 genera el campo magnético en la bobina que constituye el electroimán de la válvula del inyector. En un determinado instante, la fuerza del campo magnético creado por la corriente eléctrica de mando es suficiente para que la aguja del solenoide de desplace para aplicarse contra su asiento, cerrándose la electroválvula. La intensidad de la corriente eléctrica de mando sufre inflexión en ese instante, que es reconocida por la unidad de control. El instante de cierre de la electroválvula y la inflexión de la corriente de mando indican el comienzo real de la inyección. Después se mantiene la corriente de mando en un valor de mantenimiento durante un tiempo determinado, al final del cual se corta la corriente y la electroválvula o solenoide se abre finalizando la inyección.
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Fig. # 34 Corriente de mando del solenoide del inyector
Además de las funciones básicas de control del inicio de la inyección y el caudal inyectado, la unidad de control electrónica gobierna la recirculación de los gases de escape y limita la presión de sobre alimentación del turbocompresor, activando las correspondientes electroválvulas de acuerdo con un mapa característico grabado en sus memorias, corregido en función de las condiciones de funcionamiento del motor. Del mismo modo se controla el tiempo de precalentamiento y poscalentamiento. Al igual que ocurre con otros sistemas de inyección electrónico, la UCE vigila el correcto funcionamiento de los diferentes sensores y memoriza las averías que pueden producirse, que posteriormente pueden ser leídas mediante la correspondiente herramienta de diagnóstico, que permite, además, efectuar una evaluación del funcionamiento de los diferentes actuadotes poniendolos en funcionamiento. El avance de la inyección se establece en función del régimen del motor principalmente, aunque puede ser corregido en función de la temperatura y condiciones de marcha del motor (carga, funcionamiento en retención, fase de arranque, etc.). La regulación de la velocidad máxima del 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, aire o gasoleo) registra una temperatura inferior a 10 ºC , 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 condiciones de funcionamiento del motor, como en otros sistemas de inyección.
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MANDO ELECTRONICO DE LOS INYECTORES BOMBA HEUI Los inyectores bomba HEUI requieren de de 115 voltios para activar su solenoides, para este fin el sistema de control electrónico, además de la UCE, emplea un segundo microprocesador, llamado módulo impulsor de los inyectores (IDM) y es un dispositivo que realiza cuatro funciones 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 mismo y para los inyectores
DISTRIBUIDOR ELECTRÓNICO DE LOS INYECTORES La unidad de control electrónico UCM detecta la posición del pistón del cilindro # 1 mediante la señal de salida de un sensor de posición (CMP) instalado en la tapa delantera del motor. Este sensor de efecto Hall que busca una ventanilla angosta en el disco de sincronización del sensor (Figura # 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 determinar el orden correcto de inyección de los inyectores. La línea de identificación del cilindro (Nº1) traslada al IDM la información del orden de disparo. El IDM recibe de la UCE una señal con instrucciones de demanda de combustible para controlar la sincronización del inyector y la cantidad de combustible que es entregada por cada inyector
Fig.# 35 Módulo impulsor y UCE de los inyectores HEUI
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FUENTE DE ENERGÏA DE LOS INYECTORES El IDM suministra más de 115 voltios de CC constantes a los inyectores. El suministro de 115 voltios de CC es creado en el IDM conectando y desconectando un suministro de 12 voltios a través de una bobina interna, el mismo principio empleado en las bobinas automotrices (Fig.#36). El voltaje 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 inyectores y por cuanto tiempo permanecen activados, cerrando el circuito a tierra mediante el uso de los transistores del controlador de salidas. Cada inyector tiene un controlador de salidas en el IDM. El microprocesador IDM selecciona la secuencia correcta de
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disparo, y el ECM controla la sincronización de cuando comienza la inyección y el tiempo que permanece abierto el inyector. DIAGNOSTICO PARA SI MISMO Y PARA LOS INYECTORES 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 el 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 sustituirlo.
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