Universidad de Holguín “Oscar Lucero Moya” Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica
La inyección de combustible en los motores de encendido por chispa (Fuel Injection)
Autores: MSc. Ing. Esteban López Milán Ing. Yurima González Góngora
Indice INTRODUCCIÓN
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CAPÍTULO I: LA COMBUSTIÓN EN MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA. 1.1 Encendido por chispa o motor OTTO. 1.1.1 Principios 1.1.2 Principio de funcionamiento del motor de cuatro tiempos, que emplea un carburador. 1.1.3 Del carburador a la Fuel Injection. 1.2 Diseño de motores 1.2.1 Procedimientos de la inyección 1.2.2 Influencia de los parámetros de diseño en los productos de la combustión 1.3 Condiciones de operación. 1.3.1 Estados de operación de los motores. 1.3.2 Mezcla aire-combustible. 1.3.3 Suministro de combustible. 1.3.4 Inflamación de la mezcla
9 13 13 15 22 22 22 24 24
CAPÍTULO II. FORMACIÓN DE LA MEZCLA. 2.1 Factores que intervienen en la formación de la mezcla. 2.1.1 Parámetros. 2.1.2 Acomodamiento a la operación específica. 2.1.3 Sistema de formación de la mezcla 2.2 Suministro de Aire. 2.2.1 Filtros de Aire. 2.2.2 Sobrealimentación. 2.3 Suministro de combustible 2.3.1 Sistema de suministro de combustible. 2.3.2 Tanque de combustible. 2.3.3 Conducto de combustible. 2.3.4 Bomba de combustible eléctrica. 2.3.5 Filtro de combustible 2.3.6 Distribuidor de combustible 2.3.7 Regulador de presión
26 26 30 33 35 36 36 37 39 39 41 41 41 42 42 43
CAPÍTULO III: SISTEMAS ELECTRONICOS DE INYECCION. 3.1 El sistema de inyección K-Jectronic. 3.2 El sistema de inyección KE- Jetronic. 3.3 El sistema de inyección L-Jetronic 3.4 Sistema de inyección “HOT- WIRE” 3.5 Otros sistemas 3.5.1 L3-Jectronic. 3.5.2 Mono-Jetronic 3.5.3 Motronic.
44 44 46 49 50 55 55 56 57
CONCLUSIONES
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INTRODUCCION. Como parte de la formación curricular de los estudiantes de la carrera de Ingeniería Mecánica, reciben las asignaturas Introducción a la Ingeniería Mecánica II y Motores de Combustión Interna en las cuales se introducen en el principio de funcionamiento, detalles de operación y constructivos de los motores de automóviles; sin embargo producto a la falta de literatura técnica actualizada aparejado a lo obsoleto de la técnica de transporte de cargas y pasajeros que se emplean en nuestro país, los estudiantes egresados con el título de Ingeniero Mecánico en nuestras universidades presentan insuficientes conocimientos en una tendencia mundial del funcionamiento y construcción de motores, relacionado con la inyección de combustible ligero, que viene a sustituir a pasos agigantados el uso de los carburadores tradicionales en el sistema de alimentación de los motores de encendido por chispa. Actualmente el país ha adquirido modernos automóviles que emplean la inyección de combustible ligero en los motores de encendido por chispa. Han sido pequeños lotes que prestan servicios fundamentalmente en corporaciones, sociedades de capital mixto o en empresas de servicio al turismo. Esta técnica conocida como Fuel Injection en momentos en que empieza abrirse paso en Cuba, está muy generalizada en el mundo, sobre todo en países que presentan una estricta regulación sobre la emisión de contaminantes a la atmósfera provenientes de la combustión en los vehículos automotores. La asimilación de esta nueva técnica en Cuba ha tenido sus dificultades, en lo referente a la mala preparación de especialistas, técnicos y mecánicos encargados de prestar el Servicio Técnico a estos vehículos. El mayor problema después de la natural confrontación que presupone la asimilación de cualquier técnica moderna, está en lo escaso de la bibliografía que trata esta temática y la poca que se logra conseguir está editada en idioma inglés, limitando así su asequibilidad. Los libros de texto empleados por los estudiantes universitarios en las asignaturas relacionada con los motores de automóviles presentan una gran desactualización, téngase en cuenta que son reimpresiones de libros editados hace más de veinte años. Existe por tanto una necesidad imperiosa entre tanto el país pueda disponer de la compra o edición
de libros de textos
actualizados con las nuevas tendencias mundiales de la ciencia y la técnica, elaborar materiales de consulta que vengan a suplir esta necesidad.
Por tanto este trabajo se propone la confección de un folleto que compile lo esencial sobre la Fuel Injection, y sea un material de consulta necesario para las nuevas modificaciones que ya se han propuesto en el sistema de conocimientos en la asignatura de Motores de Combustión Interna. Para la realización de los apuntes del folleto, se ha consultado la literatura tradicional empleada como libros de textos básicos y de consulta, así como libros técnicos especializados, artículos publicados por la Society Automotive Engineers (SAE), que están editados en soporte magnético (CD), recogiendo todos los trabajos realizados desde enero de 1995 a diciembre de 1998, lo que garantiza suficiente actualización de la temática. Se pudo utilizar la colaboración de personas que han tenido experiencia práctica con la Fuel Injection y por último se contó con un material audiovisual editado en ingles, que representa igualmente un inapreciable elemento que ha ayudado a la realización de los apuntes. Se hizo necesario la traducción y elaboración de resúmenes de los diferentes aspectos que se tratan con el objetivo de hacer que la información que se pretende transmitir pueda ser asimilada también por personal no especializado de nivel medio, o por personas interesadas en conocer sobre esta tendencia mundial. Con la confección del folleto compilador sobre Fuel Injection por primera vez se puede disponer de un material bibliográfico de consulta que resuelve el inconveniente de no tener libros de textos actualizados que traten esta temática, significa también una vía de solución a las dificultades objetivas que se presentaban para impartir este tema; no obstante seguirá persistiendo la deficiencia de no poderse realizar prácticas de laboratorios que consoliden el sistema de conocimientos que se impartirán, pero que en buena medida puede ser asimilado con la proyección del material audiovisual que se dispone. Los apuntes efectuados recogen primeramente generalidades del funcionamiento de los motores de cuatro tiempo de encendido por chispa, brevemente se trata el empleo del carburador tradicional, el cual a pesar de estar suficientemente perfeccionado y alcanzarse con él buenos resultados en la práctica, existen otros detalles que hacen que haya sido desplazado por la Fuel Injection. Aparecen también tendencias mundiales actuales en la construcción de motores de automóviles de encendido por chispa así como la incidencia que tienen estos aspectos en la disminución de la emisión de contaminantes a la atmósfera por los automóviles. Se trata también sobre la formación de la mezcla de trabajo en los modernos motores, en la cual se involucran el sistema de suministro de aire, de distribución de los gases y de alimentación con combustible, todos ellos supervisados y dirigidos por el Sistema Electrónico de Inyección que presenta una serie de captadores de parámetros ambientales y de funcionamiento del motor y
otros sistemas del automóvil, para elaborar la señal que permita que llegue a cada cilindro la cantidad necesaria y exacta de combustible que garantice una combustión lo suficientemente eficiente, que a su vez presuponga un compromiso con la necesidad de disminuir los niveles de sustancias tóxicas expedidas a la atmósfera por el trabajo de los motores. En un último capítulo se dan a conocer algunos de los sistemas electrónicos de inyección más utilizados en la actualidad, con los esquemas estructurales que permiten establecer las diferencias que entre ellos existen.
CAPITULO I. LA COMBUSTIÓN EN MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA. 1.1. Encendido por chispa o motor OTTO. 1.1.1 Principios El motor de encendido por chispa o motor OTTO es un motor de combustión con encendido provocado, el cual convierte la energía contenida en el combustible en energía cinética. Este motor emplea un aparato para la formación de la mezcla aire combustible localizado fuera de la cámara de combustión. A medida que desciende el pistón, la mezcla es aspirada hacia la cámara de combustión, donde es comprimida entonces a medida que el pistón asciende. Una fuente de encendido externo, activada en intervalos específicos, utiliza una bujía para la combustión de la mezcla. El calor desprendido en el proceso de combustión, aumenta la presión dentro del cilindro y el pistón es empujado hacia abajo contra el cigüeñal suministrándole energía real para el trabajo. Después de cada carrera de combustión los gases sobrantes son expulsados del cilindro y una mezcla de aire fresco es aspirada nuevamente. En motores de automóviles este intercambio de gases es generalmente regulado de acuerdo con el principio de funcionamiento, en los motores de cuatro tiempos se requieren 2 vueltas del cigüeñal para cada ciclo de trabajo.
1.1.2 Principio de funcionamiento del motor de cuatro tiempos, que emplea un carburador. El motor de encendido por chispa de cuatro tiempos emplea válvulas de intercambio de gases, para controlar el flujo de gases, estas válvulas abren y cierran las lumbreras de admisión y de escape. Los procesos que ocurren en el cilindro del motor pueden ser divididas en cuatro tiempos o carreras. La carrera se refiere al movimiento del pistón; desde una posición límite a la otra. El límite superior del pistón se llama, punto muerto superior o P. M. S. y el límite inferior del movimiento del pistón, punto muerto inferior o P. M. I. Una carrera es el movimiento del pistón desde P.M.S. a P.M.I. o desde P.M.I. a P.M.S. Cuando el ciclo completo de los procesos que ocurren en el cilindro requiere cuatro carreras (o dos revoluciones del cigüeñal) el motor se llama motor de cuatro carreras o motor de cuatro ciclos (motor de cuatro tiempos). Los cuatro tiempos son: admisión, compresión, explosión y escape. (Fig. 1.1)
Fig. 1.1. Ciclo de trabajo de un motor de cuatro tiempos
Admisión: En la carrera de admisión, la válvula de admisión se abre. El pistón se mueve hacia abajo y una mezcla de aire y gasolina vaporizada se aspira desde el cilindro a través de la abertura de la válvula. Esta mezcla se distribuye a los cilindros por el sistema de alimentación y el carburador. A medida que el pistón se mueve hacia abajo se produce una caída de presión en el cilindro y la presión atmosférica en el exterior del motor empuja el aire dentro del cilindro. Este aire pasa previamente por el carburador donde se impregna de vapor de gasolina, continuando el recorrido por el múltiple de admisión y de aquí a la apertura de la válvula de admisión. Compresión: Después que el pistón alcanza el punto muerto inferior o el límite inferior de su carrera comienza a moverse hacia arriba. Al tiempo que esto sucede la válvula de admisión se cierra, la válvula de escape esta cerrada también, lográndose un cierre casi hermético. Al moverse el pistón hacia arriba (empujado al girar el eje cigüeñal y la biela) se comprime la mezcla de aire combustible. En el momento que el pistón llega al P.M.S., la mezcla ha sido comprimida a un séptimo o aún menos de su volumen original, aumentando la presión en el cilindro, por lo tanto, las moléculas chocan con mayor frecuencia dentro de las paredes del cilindro y cabeza del pistón, y entre sí más frecuentemente. El aumento de la frecuencia de los choques significa que un empuje más fuerte se registra sobre las paredes y cabeza; la presión es mayor, al igual que la
temperatura. Por tanto cuando se comprime la mezcla de aire combustible, no solo sube la presión de aire en el cilindro sino que también aumenta la temperatura de la mezcla. Explosión: Al alcanzar el pistón el P.M.S. en la carrera de compresión se produce una chispa eléctrica en la bujía. La bujía consta esencialmente de dos electrodos aislados eléctricamente entre sí. El sistema de encendido conduce una sobrecarga de alto voltaje a las bujías, para producir la chispa, esta chispa enciende la mezcla de aire combustible, que comienza a quemarse muy rápidamente y la presión en el cilindro aumenta casi 42,2 kg/cm2 o aún más. En estos momentos comienza a realizarce la carrera de Expansión, que se verifica por el movimiento del pistón desde el P.M.S. al P.M.I. estando las válvulas cerradas. Escape: Al llegar el pistón al P.M.I. nuevamente la válvula de escape se abre. Ahora, a medida que el pistón asciende en la carrera de escape, fuerza la salida de los gases quemados hacia el exterior del cilindro a través de la apertura de la válvula de escape. Cuando el pistón alcanza el P.M.S. la válvula de admisión se abre. Ahora una carga fresca de la mezcla aire combustible será aspirada dentro del cilindro según descienda el pistón otra vez hacia el P.M.I. Las cuatro carreras anteriores se repiten continuamente durante el funcionamiento del motor. Unos grados de giro del cigüeñal después que el pistón ha pasado por el PMS es que se cierra la válvula de escape. El tiempo que permanecen ambas válvulas abiertas simultáneamente se conoce como solape de las válvulas. El carburador constituye el elemento esencial del sistema de alimentación en los motores tradicionales de encendido por chispa, es el encargado de preparar la mezcla aire-combustible en porciones dosificada de acuerdo a los estados de operación del motor. Este elemento consta de cinco sistemas que garantizan un buen trabajo y acomodo a las variaciones de los estados de carga en los cuales trabaja el motor, estos sistemas son: • Sistema de arranque en frío. • Sistema de marcha en vacío o ralentí. • Sistema de aceleración. • Sistema economizador (enriquecedor). • Sistema de dosificación principal. Para el
funcionamiento de estos sistemas es indiferente el valor que toman parámetros
ambientales tales como la densidad y temperatura del aire, si el motor está funcionando a grandes
alturas o a nivel del mar, calidad del combustible que se quema y otros parámetros más que ejercen una marcada influencia en la calidad de la combustión y el funcionamiento del motor en general. 1.1.3. Del carburador a la Fuel Injection. La inyección de combustible ligero en los motores de combustión interna, es una realidad que se abre paso de manera arrolladora, aún a pesar de que la alimentación de los cilindros por medio de carburadores, está muy perfeccionada en la práctica y generalmente se obtienen resultados satisfactorios. Con los carburadores de geometría variable (carburadores de doble cuerpo y cuádruples), se ha resuelto en buena medida la conveniencia de tener un tubo estrecho para la marcha a bajas r.p.m. y la necesidad de un tubo con gran capacidad de paso para la marcha a plenos gases. No obstante, en la actualidad es notoriamente significativa la cantidad de automóviles que en lugar de emplear un equipo de carburación, emplean los modernos sistemas de inyección de gasolina (Fuel Injection). La inyección de combustible ligero en los motores de encendido por chispa es una tecnología casi tan antigua como la invención del motor de combustión interna, está ampliamente difundida por el mundo y casi desconocida en nuestro país. A pesar de las soluciones aportadas por algunos inventores y marcas acreditadas, en la industria automovilística no se había pasado del período experimental, en la técnica de la inyección de combustible ligero; la razón que más influía en esto era el elevado costo de la bomba de inyección, un aparato que además de necesitar materiales de muy alta calidad (téngase en cuenta que las gasolinas tienen malas propiedades de lubricación), debe ser lo suficientemente precisa para proporcionar a todos los cilindros, idéntica dosis a voluntad del conductor. Breve reseña histórica acerca de la inyección de combustible ligero en los motores de encendido por chispa: Para el año 1898 ya estaban en amplio uso los motores diseñados por el ingeniero alemán Rudolf Diesel, que emplearon el combustible gasoil, conocido también como combustible diesel; en la composición química del mismo, intervienen cadenas orgánicas largas que le proporcionan al combustible determinadas propiedades, facilitando así el trabajo de los motores diesel. De la destilación fraccionada del petróleo se extraen también compuestos más ligeros que el gasoil, como lo son el kerosene, bencina, gasolina, etc. La gasolina como combustible ligero se usa ampliamente en los motores Otto, cuyo principio de funcionamiento difiere de los motores
Diesel. En 1898, la fábrica Gasmotorenfabik Deutz construyó bombas de pistones para la inyección de combustible ligero, en una serie limitada. Poco tiempo más tarde la inyección de combustible ligero dejó de ser competitiva, producto al descubrimiento del efecto vénturi en los carburadores. La firma alemana Bosch en 1912 retoma las investigaciones sobre la inyección de gasolina hasta que en 1937 se fabrica el primer motor para aviación con potencia de 1200 HP en gran serie. El peligro de inflamación y los problemas de congelación en el carburador, fenómenos incompatibles con la alta fiabilidad que deben presentar los motores de aviación, le dieron especial ímpetu a la inyección de gasolina. Pero aún tuvo que transcurrir mucho tiempo para que estos motores fueran instalados en los automóviles. 1951. Bosch fabrica unidades de inyección directa para pequeños carros de la época. Algún tiempo después en la legendaria producción de carros deportivos Daimler-Benz, se instalan los modelos SL-300. Se comienza a pasar de la inyección directa (en el interior de los cilindros), a la inyección indirecta (inmediatamente antes de cada una de las válvulas de admisión) pero el suministro de combustible seguía siendo sincronizado, o lo que es igual a decir, que se realizaba en fase con la abertura de la válvula de admisión, necesitándose en consecuencia un equipo de inyección que si bien ya no necesitaba de grandes presiones de inyección,
seguía siendo complejo en su
construcción. Poco tiempo más tarde la firma Mercedes-Benz, realiza el gran descubrimiento que para los efectos de la potencia en el motor, es indiferente el suministro sincronizado; así, este aporte contribuyó esencialmente a simplificar grandemente el equipo de inyección y a reducir los costos de fabricación. La inyección de gasolina se anota un gigantesco paso de avance en el año 1967 con la aparición del primer modelo de inyección electrónica: ¡El modelo D-Jetronic con controlador de la presión de entrada!. En 1973, aparece en el mercado el L-Jetronic con controlador de flujo de aire, al mismo tiempo que el K-Jetronic equipado con controlador hidro-mecánico y con sensor de flujo de aire. 1979. Aparece la producción Motronic, un nuevo sistema con procesamiento digital de los parámetros de funcionamiento del motor, el cual al combinarse con el modelo L-Jetronic condicionaron: ¡La aparición del primer automóvil equipado con microprocesador!. 1982. Surge el KE-Jetronic, que no es más que el modelo K-Jetronic con una nueva configuración, equipado con un circuito cerrado de control electrónico y un sensor Lambda de oxígeno.
Sale al mercado en 1983 el modelo Mono-Jetronic para vehículos ligeros, con una alta eficacia y un solo punto de inyección de combustible. Este inyector central se instala en el lugar que ocuparía hipotéticamente el carburador del sistema tradicional de alimentación de combustible. La inyección de combustible ligero ofrece grandes ventajas respecto a la alimentación con carburadores tales como: 1- Reduce el consumo de combustible: El suministro de combustible se corta instantáneamente al levantarse el pie del acelerador lo que reporta un considerable ahorro. En los motores de carburación al dejarse de presionar sobre el acelerador por la enorme succión que ejerce el motor funcionando aun deprisa con la mariposa de los gases completamente cerrada, se escapa una importante cantidad de gasolina por el sistema de marcha en ralentí. Este sistema de inyección de gasolina monitorea todos los datos esenciales de operación, entre los cuales se pueden mencionar velocidad del motor, carga, temperatura y apertura de la válvula de mariposa, para precisar la adaptación del motor a las condiciones estáticas y dinámicas de operación, garantizando así que el motor reciba solamente la cantidad de combustible que en realidad necesita. 2- Respuesta inmediata a la aceleración: Todas las unidades Jetronic se adaptan a los cambios de carga rápidamente. Aceleración y desaceleración más rápidas ya que la cantidad de gasolina inyectada varía instantáneamente según la posición del acelerador al contrario de lo que ocurre en los carburadores. Los sistemas de inyección atomizan directamente el combustible a la entrada de la válvula de admisión, eliminando de forma efectiva todos los problemas asociados a la condensación en el conducto de admisión. En el caso del sistema de inyección simple en el que aparece un único inyector la distancia que recorre la mezcla combustible antes de entrar en el cilindro es mayor, lo cual hace necesaria la incorporación de dispositivos adicionales para medir y mezclar el combustible. 3- Mejoramiento de arranques frío y fase de calentamiento: El combustible es exactamente medido de acuerdo a la temperatura del motor y la velocidad de arrancada para garantizar arranques rápidos y pasar rápidamente al estado de marcha en vacío, a
diferencia de los carburadores donde la cantidad de mezcla puede variar significativamente de un cilindro a otro por los diferentes recorridos que debe hacer antes de penetrar en los cilindros, provocando que unos obtengan una mezcla bien dosificada y otros más pobres. En la actualidad todas las gasolinas llevan en su composición en mayor o menor cantidad de tetraetilo de plomo que por ser menos volátil que la gasolina resulta peor aun repartirlo equitativamente a cada uno de los cilindros. Los cilindros que reciban menor cantidad de tetraetilo de plomo padecerán de la detonación y en consecuencia habrá que rebajarle la relación de compresión a todos. Aquellos cilindros que reciban mayor cantidad de tetraetilo de plomo sufrirán de excesivos depósitos de plomo que pueden causar quemaduras en las válvulas y sus asientos, esto no va a ocurrir con la inyección de gasolina que dosifica de forma exacta el combustible a cada cilindro y sus aditivos no tienen tiempo de separarse. En la fase de calentamiento el sistema de inyección suministra exactamente la correcta cantidad de combustible para combinar una marcha suave y una respuesta inmediata de la válvula con el consumo mas bajo de combustible. 4-Bajo desprendimiento de los gases de escape. La mezcla aire combustible ejerce una influencia directa en la concentración de emisiones nocivas en los gases de escape. Para que el motor opere con el nivel mínimo de emisiones de escape, entonces el sistema de formación de la mezcla debe ser capas de mantener una relación optima aire-combustible. 5-Notable elasticidad del motor. Es capas de pasar rápidamente desde las mínimas a las máximas r.p.m.; con la marcha directa conectada y el acelerador pisado a fondo sin golpes ni vibraciones, con franca superioridad a los carburadores 6-Mayor potencia del motor: Para un mismo motor con la inyección se alcanza entre un 10% y un 20%, más potencia, mayor elasticidad y menor consumo de combustible (hasta un 10%) lo que permite aceleraciones más rápidas y marchas más suaves Entre otras de las ventajas que presupone el empleo de la inyección de combustible también se pueden señalar:
§
Incremento del confort de conducción.
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Perfeccionamiento del funcionamiento.
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Optimización sin dificultades del tiempo de servicio de todas las partes del motor y su ensamblado.
La principal desventaja del sistema de inyección reside en que el sistema en general es más caro, sensible y complicado con relación a los carburadores.
1.2 Diseño de motores 1.2.1 Procedimientos de la inyección Los procedimientos de la inyección generalmente son de dos clases: 1ª- Inyección directa: Es aquella que permite suministrar directamente a cada cilindro, un chorrito de combustible con una presión que deberá ser superior a las 40 atmósferas. Aunque este sistema es el más caro se emplea convenientemente en equipos de carrera y motores de aviación, ya que de esta manera se obtiene mayor potencia (hasta 120 CV por litro de cilindrada) y funciona con gran seguridad hasta 9000 r.p.m. 2ª - Inyección indirecta: Se atomiza la gasolina frente y cerca de cada válvula en el conducto de admisión. (Fig. 1.2). El rendimiento es ligeramente inferior al que se obtiene con la inyección directa, pero en cambio por la posibilidad de emplear menores presiones de inyección (entre 12 y 17 atmósferas) el equipo se hace menos costoso y no produce la dilución del aceite de lubricación, un fenómeno muy perjudicial que a corto o mediano tiempo provocaría la salida de servicio del motor.
Fig. 1.2. Inyección indirecta y proceso de atomización durante la formación de la mezcla.
Dentro de la clase de inyección indirecta se han empleado algunas variantes que se distinguen por los métodos de medida y envío: a) Inyección contínua, constante: Una bomba dosificadora envía a presión la gasolina a cada uno de los inyectores, colocados inmediatamente antes de la válvula de admisión. Este es el difundido sistema Rochester. b) Suministro sincronizado: En lugar de una inyección continua de gasolina, el suministro se hace de forma sincronizada, inmediatamente antes de la válvula de admisión aprovechando para ello el tiempo en que esta se encuentra abierta, o sea, los envíos dosificados son intermitentes y sincronizados. c) La alimentación de la bomba llega a un colector y de este a los inyectores colocados antes de las válvulas de admisión, donde se regula el instante y la cuantía de la inyección. d) Suministro no sincronizado: La bomba envía el combustible a presión de forma intermitente en un pequeño chorrito, que se pulveriza ante las válvulas de admisión, pero independientemente del estado de abierto o cerrado de las válvulas de admisión Este fue un sorprendente descubrimiento realizado por la Mercedes-Benz, que demostró que para el rendimiento es indiferente el instante en que se efectúa la inyección y por tanto no hace falta un cuerpo de la bomba para cada inyector, siendo entonces la bomba de construcción más sencilla e) En vehículos de poca cilindrada y potencia, se emplea una bomba que envía la gasolina a presión hacia un único inyector central. (Fig. 1.3) el cual prepara la dosificación para todos los cilindros. Este inyector se localiza en la región central del múltiple de admisión guardado entonces en este aspecto cierta similitud con los sistemas de carburación tradicionales. Este es el sistema conocido como Mono- Jetronic en el cual la unidad electrónica de control, gobierna la presión y la cuantía del combustible que se inyecta al colector de admisión.
Fig. 1.3 Inyección simple.
1.2.2 Influencia de los parámetros de diseño en los productos de la combustión La emisión de contaminantes por parte de los motores se ve influenciada en mayor o menor medida por los detalles de diseño. Por ello se debe llegar a una relación de compromiso entre los diferentes factores que influyen a la hora del diseño de los motores, entre los cuales se pueden señalar: consumo de combustible, producción de potencia y torque, ruidos y golpeteos y emisión de humos, que frecuentemente son contradictorios, estos parámetros de salida a su vez quedan determinados por detalles constructivos. Influencia de la relación de compresión: La relación de compresión de un motor es el volumen de aire que hay en un cilindro con el pistón en el PMS, dividido por el volumen de aire con el pistón en el PMI, a presión y temperaturas normales.
ε=
Vc Vh
ε :relación de compresión
Vh: volumen de trabajo
Vc: volumen de la cámara de compresión Nota: El volumen de aire con el pistón con el punto muerto superior se llama volumen de la cámara de compresión, ya que este es el volumen que permanece sobre el pistón cuando el mismo está en el punto muerto superior. (Fig 1.4).
Fig. 1.4. Sistema reciprocante
Un aumento de la relación de compresión ofrece varias ventajas. Con un aumento de la relación de compresión del motor aumenta también su potencia y economía sin un aumento comparable del tamaño o peso del motor. En efecto, un motor con una relación más alta de compresión, comprime la mezcla aire-combustible más fuertemente, cuando esto sucede, hay más entrega de potencia en la carrera
de expansión, esto significa que cuando comienza la expansión, se
obtendrán presiones más altas de la combustión: se registrará un empuje más intenso sobre el pistón y los gases, al quemarse, se expandirán también a un volumen mucho mayor durante la carrera de explosión. La relación de compresión es decisiva para la eficiencia térmica del motor sin embargo, hay que tener en cuenta dos factores, la tendencia a detonar y las emisiones de contaminantes. Al aumentar la relación de compresión: el problema de la detonación o golpeteo en el motor se hace más agudo, cualquier combustible en particular, resistirá cierta cantidad de compresión sin causar detonación, pero si es comprimido más como resultado de una relación de compresión mayor, entonces producirá golpeteos en el motor por concepto de una autoinflamación; este golpeteo le roba potencia al motor, y si es muy severo puede causar la rotura de las distintas partes del mismo. A medida que las relaciones de comprensión de los motores han sido aumentadas, se ha tenido que suministrar nuevos tipos de combustibles de un alto valor antidetonante (o alto octanaje). La tendencia a detonar condiciona la necesidad de aumentar el octanaje requerido por los motores, sin embargo el diseño apropiado de la cámara de combustión puede inhibir esta tendencia a la detonación. En motores de baja compresión las presiones y las temperaturas
detonantes no se logran, pues las presiones y temperaturas son más bajas al principio de la compresión. Los cada vez mayores niveles de temperatura en la cámara de combustión, causan incrementos en las emisiones de NOx, ya que la temperatura alta en la cámara de combustión, mueve el equilibrio de reacción más en la dirección de la concentración de NOx y en particular debido al hecho de que la velocidad de reacción de la formación de NOx es aumentada. Influencia de la forma de la cámara de combustión. La forma de la cámara de combustión asegura el proceso de combustión y la transferencia de calor a las paredes. Esta tiene gran influencia en la emisión de hidrocarburos, no quemados, que origina por las fisuras y las capas próximas a las paredes del cilindro. Las cámaras de combustión con formas complicadas y grandes áreas superficiales causan altas emisiones de hidrocarburos no quemados; por esta razón las cámaras de combustión compactas, con pequeñas áreas superficiales son más favorables, con su intensa carga de turbulencia ellas reducen los requerimientos del número de octanaje a través de una rápida combustión. Esto trae con o resultado pequeñas emisiones de gases nocivos de escape, junto con buena eficiencia. Un movimiento en turbulencia en la bujía es importante para asegurar un encendido confiable de la mezcla de aire combustible, sin embargo una gran intensificación de la turbulencia de la carga implica pérdidas térmicas e hidrodinámicas adicionales, o sea, la acción de la turbulencia sobre el ciclo es compleja. La posición de la bujía en la cámara de combustión es de la misma manera importante para las emisiones de contaminantes, así como para el consumo del combustible, cuando la bujía está en el centro del cilindro facilita un corto trayecto de la llama, el resultado es una rápida y relativamente completa combustión y de ahí menores emisiones de hidrocarburos.( Fig 1.5). El encendido con dos bujías en la cámara de combustión (llamada encendido doble), permite un menor espacio de recorrido de la llama y como resultado, un efecto positivo en las emisiones de contaminantes y el consumo de combustible. Con la cámara de combustión compacta con la bujía central o con el doble encendido, se reduce el requerimiento de octano del motor. Esta ventaja puede ser aprovechada incrementando la relación de compresión y como resultado la eficiencia del motor. Cuatro válvulas del motor con dos entradas y dos válvulas de escape con la posición de la bujía central por cilindro, son particularmente favorables en este aspecto también (fig. 1.5).
Fig. 1.5. Influencia de la posición de las bujías en los motores con dos o cuatro válvulas y en función del coeficiente de exceso de aire en el consumo de combustible y las emisiones de HC. Influencia del tiempo de apertura de las válvulas. El ciclo de carga, es decir, el intercambio de gases en el cilindro y con ello la recarga con mezcla fresca ocurre a través de la apertura y cierre alternos de las válvulas de admisión y de escape. El tiempo de apertura de las válvulas el cual define la apertura y cierre de estas válvulas y la curva del alzamiento de la válvula, es determinada por el perfil de la leva del árbol de distribución. El período de abertura simultánea de ambas válvulas se denomina solape de las válvulas. Dependiendo de las diferencias de presión, la mezcla fresca puede ser expulsada o los gases de escape pudieran retornar al múltiple de admisión, ejerciendo una influencia significativa a los niveles de eficiencia y en las emisiones de hidrocarburos, no quemados. (Fig 1.6 ). Es posible optimizar el tiempo de apertura de las válvulas para una sola velocidad del motor por ejemplo, a mayores velocidades del motor, un período de apertura mayor trae un aumento en la potencia. Por otro lado a menores velocidades del motor mayor solape de las válvulas causa un aumento en las emisiones de hidrocarburos, no quemados y un inestable funcionamiento del motor debido a un mayor contenido de gases residuales. Lo ideal sería contar con un motor que el tiempo de apertura de las válvulas estuviera en función de la velocidad del motor.
Fig. 1.6 Diagrama del tiempo de apertura de las válvulas y Efecto Boost
Para lograr esto, los ejes de levas en los motores modernos se equipan con levas de geometría variable, de forma tal que según el movimiento o giro del árbol de levas, se varíe también el traslapo de válvulas en función de la frecuencia de rotación del motor; así, a una velocidad baja
habrá menor traslapo en las válvulas, resultando bajas emisiones de hidrocarburos no quemados. Fig. 1.7
Fig. 1.7 Arbol de levas con geometría variable.
Influencia del (múltiple de admisión). Los ciclos de carga son influenciados no solo por el tiempo de apertura de las válvulas sino también por la estanqueidad de los conductos de admisión y de escape. Periódicas fluctuaciones de presión se generan en el conducto de admisión por el cilindro del pistón. Estas ondas de presión corren a través del conducto de admisión y son reflejadas al final del conducto, si el conducto de admisión se diseña para armonizar con el tiempo de abertura de las válvulas, a tiempo que la onda de presión alcance la entrada de la válvula un poco antes de que esta cierre, se incrementa el efecto de llenado al forzarce una mayor cantidad en la entrada del aire fresco en el cilindro. Una situación similar se aplica en el conducto de escape. Si los conductos de admisión y escape son diseñados de forma tal que haya una diferencia en la presión positiva, durante el traslapo de las válvulas se obtiene un buen ciclo de carga, con el consiguiente efecto positivo en las emisiones de contaminantes y de consumo de combustible. (fig 1.8).
Fig. 1.8. Efecto de la resonancia en el aumento del llenado del cilindro Estratificación de la carga. La gran mayoría de los motores de encendido por chispa se diseñan para el trabajo con una mezcla homogénea de aire combustible. Sin embargo el proceso de combustión por las ventajas que representaría, se pueden manipular a través de una cuidadosa estratificación de la carga. Los motores que trabajan con estratificación de la carga, garantizan que en la vecindad de la bujía de encendido, se concentre una mezcla combustible más rica que en el resto de la cámara del cilindro, de forma tal que la combustión tenga lugar en medio de una mezcla rica. Existen tres métodos para lograr la estratificación de la carga. 1. El método más efectivo es el de dividir la cámara de combustión con una pequeña precámara en el cual se localiza la bujía, alimentando esta con un sistema secundario de inducción de combustible. 2. Inyección directa de gasolina a la cámara de combustión. Hay que señalar en este sentido además como aspecto en contra de esta solución, que los motores de inyección directa presentan baja eficiencia y altos costos. 3. A través del arremolinamiento y organización del movimiento de la carga al entrar en la cámara del cilindro. Este método es difícil de controlar por cuanto tiene relación con los estados de operación del motor. Todo esto permite disminuir a niveles más bajos las emisiones de NOx, pero sin embargo con estratificación de la carga y cámara de combustión dividida, producto a la mayor superficie de la cámara, presentan significativamente mayor emisión de hidrocarburos no quemados que los motores con cámara única.
1.3 Condiciones de operación. 1.3.1 Estados de operación de los motores. Frecuencia de rotación del motor: En los motores rápidos se provocan grandes pérdidas por fricción y un alto consumo de potencia en el accionamiento de sistemas mecánicos auxiliares, así para una misma cantidad de energía que porta el combustible se obtiene, una más baja entrega de potencia disminuyendo entonces la eficiencia del motor. Para obtener una determinada potencia de salida en un motor rápido, se necesita un mayor consumo de combustible que si en un motor de más baja velocidad se lograra esta potencia. Un mayor consumo de combustible provoca también una mayor emisión de gases nocivos. Cargas del motor: Un cambio en el estado de carga del motor, tiene diferentes efectos en los componentes individuales de los gases de escape. Con el aumento de la carga. aumenta el nivel de temperatura en la cámara de combustión. Los valores altos de temperaturas mejoran las posteriores reacciones que ocurren durante la expansión y la fase de escape. Es precisamente este aumento de la temperatura quien hace que la combustión se haga más eficiente disminuyendo las emisiones de CO, pero un efecto contrario se aprecia en las emisiones de NOx las cuales se ven favorecidas con el aumento de la temperatura de combustión. Velocidad: Un aumento en la velocidad del vehículo resulta un aumento del consumo de combustible debido al aumento de requerimientos de fuerza. Con respecto a los hidrocarburos y monóxido de carbono, los efectos anteriormente mencionados compensan los efectos de altas emisiones a través de gran consumo; así las emisiones de estos contaminantes son básicamente independientes de la velocidad del vehículo. Sin embargo para las emisiones de NOx se incrementan con la velocidad del vehículo. 1.3.2 Mezcla aire-combustible. Relación aire-combustible: Las emisiones contaminantes del motor son muy dependientes de la relación aire combustible. Las que por otra parte pueden ser decisivamente influenciados por la operación del motor. (fig 1.9)
Fig. 1.9 Influencia del coeficiente de exceso de aire y del ángulo de avance al encendido en el consumo de combustible, emisiones de CO, HC y NOx.
Emisiones de CO: En el rango rico (con deficiencia de aire) las emisiones de CO muestran al menos una dependencia lineal con la relación aire combustible. En el rango pobre (con exceso de aire) las emisiones de CO son muy bajas y casi independientes en la relación aire combustible. En el rango alrededor del punto estequiométrico con su factor de exceso de aire α=1, las emisiones de CO se producen por la distribución desigual del combustible en los diferentes cilindros; si a algunos cilindros se les suministra mezcla rica y a otros pobre, como resultado habrá una alta emisión de CO, que si todos los cilindros fueran manipulados con el mismo factor de exceso de aire α. Esto es sólo posible lograrlo con la inyección electrónicamente controlada del combustible. Emisiones HC: Al igual que las emisiones de CO, las emisiones HC Tienen altas concentraciones para mezcla rica, en el rango pobre las emisiones de HC se levantan nuevamente. El mínimo de emisiones HC toman lugar alrededor de α=1.1-1.2. El aumento de las emisiones de HC en el rango pobre (α >1.2), es causado por las bajas temperaturas de la cámara de combustión; al trabajar con una mezcla pobre tiende a retardarse e incluso fallar el encendido de la mezcla, causando un drástico aumento de las emisiones de HC .
Emisiones NO: La dependencia del comportamiento de las emisiones de NOx en función del factor de exceso de aire es a la inversa de cómo ocurre en el caso de CO y HC. En el rango rico, al aumentar α y producirse una mayor concentración de combustible en la mezcla, se favorece la formación de NOx, pero en el rango pobre en la medida que aumenta α se produce una caída en las emisiones de NOx, al hacerse menos densa la mezcla y trabajarse a menores temperaturas en la cámara de combustión. Las máximas emisiones de NOx se localizan en el rango alrededor de α= 1.05- 1.1. 1.3.3 Suministro de combustible. Una mezcla homogénea se requiere para prever las mejores características de combustión en el motor de encendido por chispa. Esto requiere de una buena atomización del combustible. Un deficiente preparado de la mezcla aire combustible provoca altas emisiones de hidrocarburos no quemados. El sistema de inyección de combustible garantiza para todo rango de operación del motor una mezcla homogénea, al suministrarse el combustible en forma atomizada inmediatamente antes de la válvula de admisión, quedando el conducto de admisión sólo para el suministro de aire purificado. 1.3.4 Inflamación de la mezcla. La inflamación de la mezcla aire combustible ocurre a partir del momento en que salta la chispa entre los electrodos de la bujía hasta que se desarrolla un frente de llama estable, lo cual a su vez tiene una influencia decisiva en el proceso de combustión. Para lograr una adecuada inflamación hay que garantizar el momento preciso del salto de la chispa y su duración, así como la adecuada energía de inflamación (3 MJ para mezclas turbulentas ricas o pobres). Con valores altos de la energía de inflamación se obtendrá un encendido estable con un efecto positivo en el proceso de combustión. Para garantizar un adecuado encendido las bujías tiene que reunir ciertos requerimientos tales como: §
Grandes entrehierros de los electrodos para activar un gran volumen.
§
La chispa ha de producirse en una zona abierta de forma tal que la mezcla aire combustible alcance el canal de la chispa de forma fácil.
§
Empleo de electrodos finos y adecuada posición de la proyección de la chispa para minimizar la disipación del calor a través de los electrodos y paredes del cilindro.
Conjuntamente con la relación aire combustible, el momento de la ignición (estrechamente relacionado con el ángulo de avance al encendido) tiene la mayor incidencia en la emisión de contaminantes (fig 1.9). Tal como se observa en la figura con el aumento del ángulo de avance al encendido se produce también un aumento de las emisiones de hidrocarburos no quemados, porque las reacciones posteriores en la fase de expansión y escape ocurren a bajas temperaturas. La gráfica también refleja que con el incremento del ángulo de avance al encendido producto al aumento de la temperatura en la cámara de combustión, se producen aumentos en las emisiones de NOx en todo el rango del factor de exceso de aire; por su parte las emisiones de CO son casi independientes del ángulo de avance al encendido y dependen casi exclusivamente de la relación aire-combustible, es decir, del coeficiente de exceso de aire. En cuanto al consumo de combustible, la acción que ejerce un adelanto del ángulo de avance al encendido es lo contrario de lo que ocurre con las emisiones de gases nocivos. Con el incremento del coeficiente de exceso de aire se crean condiciones para realizar una combustión óptima y el encendido tiene lugar más tempranamente.
CAPITULO II. FORMACIÓN DE LA MEZCLA. 2.1 Factores que intervienen en la formación de la mezcla. Los sistemas de suministro de aire y combustible deben garantizar la descomposición
del
combustible líquido en un vapor de finas partículas y luego una mezcla eficiente con el aire. En este proceso de mezclado están involucrados siete factores: 1. Evaporación. 2. Atomización. 3. Vaporización 4. Arremolinamiento de la carga. 5. Condensación 6. Absorción 7. Distribución del combustible por cilindros. Evaporación. Es una propiedad intrínseca del combustible condicionado por su composición química. El combustible liquido es capaz de evaporarse de forma natural pero durante el trabajo del motor no existe suficiente tiempo para que este proceso se lleve a cabo, por lo que la propiedad de ser volátil no garantizará por si sola un mezclado homogéneo. Téngase en cuenta que por ejemplo, con el motor trabajando a 3000 r.p.m. cada cilindro recibe la carga fresca 25 veces cada segundo; por tanto otros factores se requieren para garantizar la mezcla aire-combustible. Atomización. Se garantiza a través de los inyectores los cuales presentan una tobera que al fluir a través de ella el combustible a una alta presión, se reduce el líquido a una fina mezcla que hace que le combustible se vaporice rápidamente.(Ver fig 1.2). Vaporización. El proceso de la vaporización ocurre al suministrarle calor a un líquido hasta que este sea capaz de sufrir un cambio a la fase de vapor. Es el proceso de cambio de las partículas de combustible previamente atomizadas al estado gaseoso, con ayuda del calentamiento que recibe la carga primeramente del calor irradiado por el múltiple de admisión y luego por las paredes del cilindro. El múltiple de admisión
puede ser calentado ya sea con ayuda del propio sistema
de
enfriamiento del motor, pero frecuentemente se le garantiza al aire una temperatura mínima al pasar este por un calentador que circula al múltiple de escape. (Fig 2.1).
Fig. 2.1 Fenómeno de la vaporización
Arremolinamiento. El aire de entrada al cilindro se arremolina para realizar la vaporización. Los conductos de entrada garantizan un arremolinamiento de la carga para potenciar la vaporización en la cabeza del cilindro, la válvula de admisión y la forma de la cámara de combustión, determinan como se arremolinará el aire durante las carreras de admisión y compresión (Fig.2.2). Condensación. La condensación es un proceso indeseable que ocurre durante el arranque del motor en frío, a bajas r.p.m. y el trabajo a muy bajas temperaturas del ambiente, se manifiesta como una separación del combustible vaporizado del aire entrante. En este proceso las finas partículas de combustible quedan adheridas a las paredes del múltiple de admisión; este fenómeno provoca un empobrecimiento de la mezcla de trabajo y como el combustible no se mezcla lo suficientemente con el aire, llegaría incluso a provocar que este no se queme. Con el posterior trabajo al calentarse o al aumentar la velocidad del motor la mezcla se torna momentáneamente rica. (fig 2.3).
Fig.2.2 Arremolinamiento de la carga de trabajo
Fig.2.3 Fenómeno de la condensación
Absorción. Este es otro factor que contribuye al empobrecimiento de la mezcla aire-combustible. Se manifiesta cuando algunas de las partículas de combustible se absorben por las incrustaciones de carbón que se crean en las válvulas de admisión, por tanto una parte del combustible inicialmente presente en el aire no estará disponible para la fase de combustión. Por otro lado similar como ocurre en la condensación, al caldearse o aumentar la velocidad del motor, se crea un enriquecimiento momentáneo de la mezcla de trabajo. (Fig. 2.4)
Fig.2.4 Fenómeno de la absorción
Distribución del aire. El flujo del aire puede variar ligeramente entre los cilindros del motor por diferentes razones, por ejemplo: la distancia que el aire debe recorrer antes de entrar al cilindro así como la forma de los conductos de admisión, harán que el flujo de aire sea diferente para cada cilindro y por otro lado al ser diferente la longitud de los recorridos habrán partes del aire que durante más tiempo estarán expuestas al calentamiento, provocado que disminuya más la densidad de la masa que tiene que recorrer mayor distancia antes de penetrar en el cilindro. (fig 2.5).
Recorrido largo
Recorrido corto
Recorrido largo
Fig.2.5 Diferentes longitudes de los recorridos que debe realizar le aire antes de penetrar en los cilindros del motor. 2.1.1 Parámetros. Mezcla aire - combustible. El motor de encendido por chispa requiere una relación específica de aire - combustible para poder funcionar. La mezcla teórica ideal para la combustión completa es 14.7:1 (relación estequiométrica). Esto significa que serán necesarios 12,7 kg para producir la combustión de 1 kg de combustible. Sin embargo, la composición de la mezcla debe ser corregida constantemente a fin de satisfacer las demandas para condiciones particulares de operación del motor. El consumo específico de combustible, del motor de encendido por chispa es función de la relación aire-combustible. Teóricamente un exceso de aire permitiría un consumo específico mínimo de combustible por cuanto se realizaría una combustión completa. En la práctica, sin embargo, esta relación aire - combustible estará restringida en un determinado rango por factores como la inflamabilidad de la mezcla y el tiempo necesario para realizar la combustión.
En los motores actuales el consumo mínimo de combustible se encuentra en la relación aire combustible aproximadamente de 15 - 18 Kg de aire por cada Kg de combustible. En otras palabras cerca de 10000 litros de aire se requieren para la combustión de un litro de combustible (fig. 2.6).
Fig. 2.6 Relación estequiométrica aire combustible.
Los motores de los automóviles se diseñan de modo tal que el mínimo consumo de combustible se alcance cuando la mariposa de los gases no esta abierta a plenos gases. Una mezcla rica (mayor proporción de combustible) se requiere sin embargo, para el funcionamiento a plenos gases o la marcha en vacío, de modo que el sistema de formación de la mezcla debe ser capaz de satisfacer una gran variedad de requerimientos de operación. Coeficiente de exceso de aire (α α ). El coeficiente de exceso de aire α ha sido escogido para indicar hasta donde la mezcla de aire combustible se aparta de la mezcla óptima ideal (14.7:1). α= Masa de aire aspirado / el aire necesario para la combustión completa. α= 1: La aspiración de la masa de aire correspondiente con los requerimientos teóricos.
α< 1: Deficiencia de aire mezcla rica. Se incrementa el rendimiento para α = 0.85-0.95. α> 1: Exceso de aire (mezcla pobre) en el rango de α= 1.05 - 1.3. el coeficiente de exceso de aire en este rango proporciona un menor consumo de combustible acompañado por un menor rendimiento del motor. α> 1.3: Mezcla no combustionable. Para este caso la pérdida de ignición vendría acompañada de una gran emisión de humo. El motor de encendido por chispa alcanza su máxima potencia con un nivel de deficiencia de aire de 5-15% (α = 0.95- 0.85 ), mientras que el consumo óptimo de combustible se alcanza con un exceso de aire de 10- 20% (α= 1.1- 1.2) Las figuras Fig 2.7 y Fig 2.8 ilustran el efecto del coeficiente de exceso de aire α en la entrega de potencias, consumo específico de combustible y emisiones de los gases de escape. Se notará que un exceso de aire no puede generar simultáneamente respuestas óptimas en todos los parámetros de salida anteriormente mencionados.
Fig. 2.7 Efecto del factor de exceso de aire en la generación de potencia y el consumo específico de combustible.
Fig. 2.8 Influencia del factor de exceso de aire en la emisión de gases Contaminantes.
Cuando los valores de exceso de aire se encuentran entre (0.9 - 1.1) propician los mejores resultados del funcionamiento del motor. Para garantizar un proceso de combustión satisfactorio es preciso medir el combustible y garantizar una formación homogénea de la mezcla. El combustible que se suministra a los cilindros se debe atomizar, si esta condición no se satisface se formarán a lo largo del conducto de admisión grandes gotas de combustible provocando a su vez un aumento en la emisión de HC. 2.1.2
Acomodamiento a la operación específica.
Ciertos estados operacionales causan que los requerimientos del combustible se desvíen considerablemente del requerido por un motor estacionario a una temperatura de trabajo normal; por tanto la mezcla debe ser correspondientemente corregida.
Arranque en frío Durante los arranques en frío la cantidad relativa de combustible en la mezcla disminuye; la mezcla se empobrece. El mezclado inadecuado de combustible y aire en el conducto de admisión la baja vaporización y condensación en las paredes de este conducto, producto a las bajas temperaturas, contribuye a este fenómeno. Para compensar esta deficiencia durante el arranque en frío, se debe suministrar una cantidad adicional de combustible Fase post arranque. Después del arranque a baja temperatura ambiente el combustible debe ser suministrado para enriquecer la mezcla hasta que la cámara de combustión se caliente y dentro del cilindro mejoren las condiciones de formación de la mezcla. Fase de calentamiento La fase de arranque y post arranque son seguidas por la fase de calentamiento del motor. En esta fase el motor requiere todavía una mezcla más rica, como las paredes del cilindro están todavía frías y una parte del combustible continua condensándose en ellos. Operación con la mariposa parcialmente abierta La operación con la mariposa parcialmente abierta se asigna para ajustar la mezcla, a un consumo mínimo de combustible. Los convertidores catalíticos de tres fases deben garantizar el control del sistema para α=1. Operación con la válvula abierta a plenos gases. Cuando la mariposa de los gases se abre completamente, el motor entrega su máximo toque y potencia, tal como se indica en la Fig 2.7 este enriquecimiento se alcanza dentro del rango α= 0.85....0.90 . Aceleración Cuando la mariposa de los gases se abre de repente la mezcla de aire- combustible se enrarece brevemente. Para proporcionar una buena respuesta a esta transición, la mezcla se enriquecerá con una cantidad que varía según la temperatura del motor. Este enriquecimiento proporciona buena respuesta a la aceleración.
Ajuste para trabajos a grandes alturas. A grandes alturas se reduce la densidad. Por tanto disminuirá la masa de aire aspirada por unidad de volumen. El sistema debe ser capaz de proporcionar una cantidad de combustible adecuada para evitar altos consumos del mismo y grandes emisiones de humo. 2.1.3
Sistema de formación de la mezcla.
La función del carburador o sistema de inyección de combustible es suministrar al motor la mezcla aire–combustible óptima para condiciones de instantánea operación. En la actualidad la inyección de combustible ha resultado ser el método preferido por las ventajas que proporciona el inyectado de combustible en aspectos del motor como la economía, funcionamiento, habilidad o capacidad de aceleración, bajo escape de emisiones, etc. La inyección de combustible puede ser aplicada para mediciones extremadamente precisas, suministrando exactamente la correcta cantidad de combustible, para cada condición específica de operación del motor. Inyección múltiple. El sistema de inyección usa inyectores independientes para inyectar la gasolina directamente a través de la válvula de admisión de cada cilindro 2.9, ejemplos de este tipo de diseño son el KE y L- Jetronic.
Fig. 2.9. Inyección múltiple.
Sistema de inyección mecánica. Es un sistema casi en desuso, que realiza la inyección de combustible en un proceso continuo; este se conoce como sistema K-Jetronic, y ha servido de base para las siguientes modificaciones realizadas a los sistemas de inyección de combustible, hasta llegar a los modernos sistemas de la actualidad. Combinación del sistema mecánico y electrónico de inyección. KE- Jetronic, incorpora la electrónica a sistema K- Jetronic y equipado además de un sensor Lambda de oxígeno, a fin de realizar una medición mucho más precisa del suministro de combustible Sistema de inyección electrónico. La inyección es controlada electrónicamente. El sistema usa inyectores electromagnéticos para inyectar el combustible de forma intermitente Inyección simple. La inyección simple se basa en un único inyector controlado de forma electrónica y que se localiza directamente sobre la válvula de mariposa. Este inyector suministra el combustible en forma de spray, de forma intermitente en el múltiple de admisión. El sistema de inyección simple se comercializa bajo la marca Mono- Jetronic. (ver fig 1.3). 2.2
Suministro de Aire.
2.2.1 Filtros de Aire. El filtro de aire es un importante aditamento del sistema de suministro de aire, ya que impide el paso de polvo hacia los cilindros del motor. En carreteras pavimentadas, el contenido de polvo en el aire es cerca de 1mg/m3, sin embargo en caminos sin pavimentar y en áreas en construcción puede llegar hasta 40 mg/m3. Esto significa que en dependencia de los caminos y condiciones de operación un motor mediano puede aspirar hasta 50g de polvo por cada 1000 Km Los filtros pueden ser de tres tipos: Filtro Húmedo: Consiste en hacer pasar aire, a través de una esponja metálica (generalmente virutas de cobre contenidas en una malla), que previamente se ha sumergido y escurrido de aceite,
existe una cámara que actúa como silenciador y el aire sigue al carburador. Con el paso a través de la esponja el aire se desprende de un 50 a 60 por 100 de polvo, la misma puede ser poliuretano. Este filtrado no es bueno y se considera anticuado. El filtro debe lavarse en petróleo y volverlo a bañar en aceite limpio cada 5000 a 10 000 Km según el ambiente más o menos polvoriento donde trabaje el vehículo. Filtro con baño de aceite: El aire entra por una abertura y baja y al pasar por el estrechamiento en forma de vénturi aumenta su velocidad, con lo que las partículas sólidas más pesadas son proyectadas sobre el aceite de la bandeja. El aire al pasar remueve y recoge gotas de este aceite y al subir atraviesa la masa de esponja de virutas metálicas, en la que queda el aceite y el polvillo más fino, ayudados, porque al ensancharse el paso disminuye la velocidad y el polvo es fácilmente retenido. El aire limpio sigue al tubo central que lo lleva al carburador. Este tipo de filtro debe desmontarse cada 8000 ó 10000 km para lavar con petróleo o gasolina la esponja y la bandeja y reponer a esta aceite limpio. Esta esponja no hace falta aceitarla porque ya lo hace el aire que entra cargado con gotas de aceite. El rendimiento oscila entre el 85 y el 90 por 100 de polvo. Filtro de papel o filtro seco: Es el más moderno sencillo y eficaz, limpia el aire hasta un 98 por 100, por estas razones es el más usado, el aire que entra, pasa a través del acordeón de “papel” poroso al aire (filtro de celulosa), los números pliegues en zigzag permiten dar una amplia superficie de filtrado. El aire deja sus impurezas en la superficie externa del acordeón cada 5000 a 8000 km, según el ambiente de trabajo, se quita la tapa para extraer el plisado de papel y se limpia, para esto se deja caer de plano, desde unos 5 cm sobre una superficie plana, o se soplan suavemente con aire comprimido. Todos los filtros a la vez que depuran el aire, silencian su entrada. 2.2.2 Sobrealimentación. El rendimiento de trabajo del motor es directamente proporcional a la masa de aire que puede comprimir. La masa de aire en cambio es una función de su densidad. Por tanto es posible aumentar la potencia comprimiendo la masa de aire que ha de penetrar en el cilindro. Al aumentar la densidad de la masa, aumenta también la cantidad de aire que penetra en el cilindro en comparación con los motores normalmente aspirados. En la actualidad se emplean diversas formas para lograr la sobrealimentación:
•
Enfriadores: El enfriamiento de la masa de aire reduce la carga térmica del motor, y proporciona reducciones simultáneas en la temperatura de trabajo, emisiones NOx, consumo de combustible, también aumenta la resistencia a la detonación en motores de encendidos por chispas. El enfriador puede emplear bien sea el aire atmosférico o el líquido de enfriamiento del motor, para extraer el calor de la carga fresca, no obstante el enfriamiento aire- aire es el más empleado en vehículos de cargas y comerciales.
•
Sobrealimentación dinámica: En la sobrealimentación dinámica se utiliza básicamente la propia respuesta dinámica, que puede proporcionar el propio conducto de entrada de la carga, de forma tal que se logre un efecto de empuje adicional de la carga. Este efecto se garantiza con el diseño del múltiple de admisión. Este tipo de sobrealimentación emplea el fenómeno de la resonancia para favorecer el llenado de los cilindros, una de las formas sería por tanto manipular la longitud de la entrada del aire fresco, de forma tal que para un determinado rango de velocidades se produzca el efecto deseado.
•
Sobrealimentación mecánica: Es una especie de compresor accionado por el motor con una relación de compresión fija.
•
Empleo de turbocompresores: Se basa en hacer emplear la energía de los gases quemados salientes para hacer accionar un impelente unido mecánicamente por el otro extremo a un plato con alabes que actúa como una bomba que “inyecta” aire o presión en el interior de los cilindros. (Fig. 2.11)
Fig. 2.10 Sobrealimentación por turbocompresor
2.3. Suministro de combustible 2.3.1 Sistema de suministro de combustible. El sistema de suministro de combustible al motor comprende fundamentalmente los siguientes componentes. •
Tanque de combustible
•
Conducto de combustible
•
Bomba eléctrica
•
Filtro de combustible
•
Inyector de combustible
•
Línea maestra de suministro de combustible. (Distribuidor).
•
Regulador de presión.
La tarea de todos estos componentes es proveer al motor con suficiente combustible, no importa cual sean las condiciones de operación del motor.
Una bomba eléctrica bombea el combustible desde el tanque inyectores. Estos,
a través del filtro hacia los
electromagnéticamente controlados inyectan una cantidad precisa de
combustible hacia el múltiple de admisión del motor. El combustible sobrante retorna al tanque por vía de un regulador de presión de combustible, el cual asegura una presión constante en el sistema (fig. 2.11).
Fig. 2.11. Sistema de suministro de combustible Multipoint Fuel Injection, con bomba en el tanque y fuera de él.
En el sistema de inyección simple el inyector de combustible es situado directamente sobre la válvula de obturación o estrangulación. El caso del sistema de inyección múltiple el combustible es suministrado a cada inyector a través del distribuidor de combustible; cada cilindro tiene asegurado su propio inyector, que esta situado en el múltiple de admisión, directamente delante de la válvula de admisión correspondiente. 2.3.2 Tanque de combustible. El tanque de combustible debe ser resistente a la corrosión y no filtrarse aún cuando sea sometido a una presión definida como doblemente la normal, pero por lo menos 0,3 bar. Los tanques deben ser provistos de una tapa de llenado con válvula de seguridad que actúen bajo presión o sobre presión. El combustible no debe escapar, a través de la tapa,
ni a través de dispositivos
reguladores de presión, esto también se aplica en los casos de baches en la carretera en las curvas, ni cuando en vehículo esta inclinado. El tanque debe de encontrarse lejos del motor, de forma tal que el combustible no se inflame, ni aun en caso de accidentes, además regulaciones más estrictas se aplican en caso de vehículos con cabinas abiertas tractores, ómnibus. 2.3.3 Conducto de combustible. Estos conductos deben estar instalados de forma tal que no sea adversamente afectado por torsiones, movimientos del motor o en fenómenos similares, pueden ser hechos de tubos de metal flexible, o mangueras sintéticas resistentes a las llamas o a la propia acción del combustible. Deben ser protegidas contra daños mecánicos. Todos los componentes del sistema de conducción de combustible, deben de ser protegidos contra el calor, el cual podría impedir la correcta operación. Deben ser situados de forma tal que las posibilidades de goteo o de evaporación del combustible que se acumula en lugares calientes o que se enciende eléctricamente, sean descartados. Los conductos de combustibles en los ómnibus no deben pasar a través de los pasajeros o del compartimento del chofer y los sistemas de alimentación por gravedad están prohibidos. 2.3.4 Bomba de combustible eléctrica. El uso de bombas eléctricas en carros para pasajeros, requieren estrictas exigencias sobre las bombas con respecto a su función, ruido, talla, y vida útil. Existe una gran variedad de bomba de diferentes tamaños disponibles, de forma tal que puedan ser satisfechas las demandas para un gran numero de sistemas de inyección en los motores.
La bomba de combustibles eléctrica puede estar situadas en línea o dentro del mismo tanque. (Fig 2.11) La bomba en línea está situada fuera del tanque de combustible en el conducto entre el tanque y el filtro; y está sujeto al chasis del vehículo. Como el nombre indica la bomba en el tanque está localizada dentro del tanque mismo en un sostenedor especial, la cual usualmente tiene una cesta de aspiración con indicador de la cantidad de combustible. 2.3.5 Filtro de combustible Ya que opera con un nivel extremadamente alto de precisión, el sistema de inyección del motor de encendido por chispa necesita combustible eficientemente limpio,
las partículas en el
combustible que causan desgaste, y el agua que conduce a la corrosión y a la tupición son eliminadas por filtros especiales o por simples filtros situados en el circuito del combustible. Las partículas sólidas que conducen al desgaste son eliminadas por una variedad de métodos que incluyen el calor, difusión, impacto, bloqueo. La filtración o la retención, la eficiencia de estos procesos individuales dependen del tamaño de las partículas o de la velocidad del flujo, el grueso del filtro (y con este el tiempo de estancia de las partículas en el material del filtro), esta relacionado con estos factores. Cuando un liquido contaminado fluye a través del material del filtro las partículas contaminadas son depositadas en la pared del filtro, acumulándose para formar una capa en el filtro, la cual se torna más gruesa a medida que, pasa el tiempo. Esta capa tiene cualidades de retención o de filtrado, idénticas a la del material verdadero del filtro, es por eso en el caso de los filtros de combustible la máxima eficiencia se obtiene después que esa capa se ha formado. El papel se ha establecido como el mejor material de filtro en comparación con el filtro y los filtros de discos. Un papel de lana es continuidad de papel de fibras e impregnadas con resina. Esta lana es integrada al circuito de combustible de forma tal que dentro de lo posible el combustible fluya a través de la superficie del filtro a idéntica velocidad. La sustitución del filtro de combustible regularmente asegura que el sistema de inyección esté protegido eficientemente contra la contaminación y el desgaste. 2.3.6 Distribuidor de combustible En el caso de inyección múltiple el combustible fluye a través del distribuidor del combustible donde es distribuido de igual forma a todos los inyectores. Además de los inyectores el distribuidor de combustible usualmente incorpora el regulador de presión y posiblemente un atenuador de presión. Las dimensiones del distribuidor de combustible son seleccionadas
cuidadosamente para inhibir las fluctuaciones de presión que pueden ser causadas debido a resonancias que ocurren durante al abertura o cierre de los inyectores, esto impide que el combustible inyectado reaccione a los cambios de la carga y velocidad del motor. En dependencia del tipo de vehículo en particular y sus requerimientos especiales, el distribuidor puede ser de acero, aluminio, plástico; también pueden incluir una válvula de prueba que puede ser usada para extraer presión durante el servicio realizar verificaciones inexistentes. 2.3.7 Regulador de presión La cantidad de combustible inyectada debe ser determinada, exclusivamente, por la duración de la inyección. De esta forma la diferencia de presión del combustible en el distribuidor y la presión en el múltiple de admisión debe de permanecer constante, por tanto de requiere de un dispositivo para ajustar la presión del combustible. El regulador de la presión de combustible regula la cantidad de combustible que retorna al tanque de forma tal que una presión constante se mantenga a través de los inyectores. Con la inyección múltiple el regulador está generalmente al final del distribuidor para evitar deteriorar el flujo dentro del distribuidor, sin embargo también puede estar montado en el conducto de retorno del combustible. En el caso de inyección simple el regulador está integrado a la unidad central de inyección. El regulador está diseñado con un diafragma que regula la presión del flujo. Un diagrama de fibra de goma divide el regulador en dos secciones: Cámara de combustible y cámara de muelle. El muelle presiona contra el soporte de la válvula dentro del diafragma. Esta fuerza provoca que una válvula de platillo flexible empuje contra el asiento de la válvula, cuando la presión ejercida contra el diafragma por el combustible, excede a la del resorte, la válvula se abre y permite que el combustible fluya directamente hacia el tanque, hasta que el diafragma retorne a un estado de equilibrio, con una igual presión ejercida en sus dos lados. En el caso de inyección múltiple un conducto neumático, es usado entre la cámara del resorte, y el múltiple de admisión. En dirección hacia debajo de la válvula de estrangulación, permitiendo que la cámara responda a los cambios en el vacío del múltiple de admisión, así la presión en el diafragma corresponde a los inyectores. Como resultado de la presión en los inyectores permanece constante, siendo determinada por la fuerza del resorte y la superficie del área del diafragma. Con la inyección simple, aberturas para equilibrio de presión aseguran que la misma presión ambiental esté presente en el regulador de presión de la cámara del resorte, así como en la punta de inyección del inyector.
CAPITULO III: SISTEMAS ELECTRONICOS DE INYECCION. 3.1.
El sistema de inyección K-Jectronic.
El KJectronic es un sistema que trabaja mecánicamente dosificando el combustible de forma continua, en función del caudal de aire que aspira el motor, con ayuda de la sonda lambda. El KJectonic se divide en tres campos de funcionamiento: •
Medición del caudal de aire.
•
Alimentación del combustible.
•
Preparación de la mezcla.
Medición del caudal de aire. El volumen de aire aspirado por el motor se controla mediante la mariposa y se mide con el medidor de caudal de aire. Alimentador de combustible. El combustible se alimenta al distribuidor-dosificador por medio de la electrobomba, a través del acumulador de combustible y el filtro. Luego, este distribuidor-dosificador lo dosifica a las válvulas de inyección en los tubos de admisión de cada cilindro. Preparación de la mezcla. El caudal de aire aspirado por el motor, según la posición que tenga la mariposa, determina la posición de combustible. Se mide con el medidor de caudal de aire, que ejerce el control del distribuidor-dosificador. El medidor del caudal de aire y el distribuidor-dosificador son partes integrantes del regulador de mezcla. La inyección de combustible se realiza de forma continua, es decir sin que influya la posición de la válvula de admisión. La mezcla es almacenada durante la fase de cierre. Regulador Lambda. La sonda Lambda suministra a la unidad central una señal sobre la composición momentánea de la mezcla. La sonda Lambda. (Fig 3.1). Va montada en el tubo de escape del motor en un punto en que reina la temperatura necesaria para su actuación en todo el margen de funcionamiento del motor.
Fig. 3.1. Ubicación de la sonda Lambda. Penetra la corriente de los gases de escape y ha sido concebida de forma que el lado externo del electrodo quede inmerso
en los gases de escape, su lado interno se encuentre en comunicación
con el aire exterior. La sonda (Fig 3.2) consta esencialmente de un cuerpo especial cerámico (1) cuyas superficies han sido dotadas de electrodos (2) de platino permeables a los gases de escape (7). La efectividad de la sonda se basa en que el material cerámico es poroso, por lo que permite la disfusión del oxígeno del aire (8)(electrólito sólido). La cerámica se hace conductora a elevadas temperaturas. Si el contenido de oxígeno a ambos lados de los electrodos difiere, entonces aparece una tensión eléctrica en los electrodos. Con una composición estequiométrica de la mezcla aire/combustible de α=1.00 se origina una función de salto. Esta tensión representa la señal de medición. En esta figura se representa también los contactos (3), contactos con la carcasa(4), tubo de escape(5), capa protectora de cerámica porosa (6). Un sistema de inyección de gasolina debe dosificar la cantidad correcta para cada una de las diferentes condiciones de funcionamiento. Cuando se comenzó a desarrollar la inyección de gasolina, se intentaba, sobre todo, conseguir un aumento de potencia, hoy en día son determinantes el mínimo consumo de combustible y la emisión más
mínima posible de elementos contaminantes. Los sistemas mecánicos no pueden satisfacer este catálogo de exigencias ampliado, por eso se conserva el K-Jectronic de acreditada fiabilidad como sistema mecánico básico de inyección, pero ahora más inteligente y capaz debido a la electrónica que se le ha incorporado.
Fig. 3.2. Esquema de la sonda Lambda de combustible
3.2
El sistema de inyección KE- Jetronic.
Es un sistema básico, como el K- Jetronic, de inyección mecánico-hidráulico. El plato-sonda, desviado por la corriente de aire manda el émbolo dosificador de combustible abriendo en consecuencia, más o menos la lumbrera de dosificación. Este sistema de inyección dosifica en función del caudal de aire aspirado por el motor. El KE- Jetronic, registra otros datos de servicio de motor mediante sensores a diferencia del K- Jetronic. Las señales de salidas de estos son procesadas en unidad de control electrónica, la cual gobierna un actuador electro-hidráulico de presión que adapta el caudal de inyección en la medida adecuada a los diferentes estados de funcionamiento. El conductor dispone de un sistema con un funcionamiento bastante aceptable, con el motor caliente. (Fig 3.3)
Alimentación de combustible: El combustible se alimenta por un medio de una electrobomba, acumulador, filtro y regulador de presión del sistema. La bomba celular de rodillos, accionada transporta el combustible desde el depósito con una presión de 5,4 bar, en algunos casos con una presión (5,5 – 6,5 bar), hasta el acumulador de combustible, y luego, a través de un filtro, hasta el
distribuidor dosificador. El regulador de presión mantiene constante la presión de alimentación haciendo retornar al depósito y combustible sobrante. Debido al barrido continuo del sistema de alimentación, siempre se dispone de combustible fresco con el cual se evita la formación de burbujas y se consigue un buen comportamiento de arranque en caliente.
Fig. 3.3. Sistema KE-Jetronic.
Electrobomba de combustible: La electrobomba de combustible aspira el combustible del depósito y lo transporta al distribuidor- dosificador de combustible. Como bomba de combustible se utiliza un tipo celular, de rodillos, accionada eléctricamente. La bomba autoaspirante, y el motor eléctrico permanentemente activado forman un solo cuerpo y son bañados por el combustible que sirve como refrigerante del motor eléctrico . La bomba impulsa más combustible del que el motor pueda necesitar como máximo, para así mantener constante la presión en el sistema de alimentación, sea cual fuere el estado de funcionamiento. La misma consta de una cámara cilíndrica en la que gira un motor excéntrico. En la periférica del rotor hay unos alvéolos en los que van alojados los rodillos. La fuerza centrífuga que se origina por la rotación del rotor impulsa a los rodillos hacia el exterior asegurando de este modo la estanqueidad periférica. El efecto de bombeo se obtiene mediante estos rodillos de estanqueidad que transportan el combustible encerrado, hasta que sale de la bomba por el orificio de descarga. La bomba lleva instalada una válvula de retención, que impide el retorno del
combustible al depósito. Mientras se mantiene accionado
el conmutador de arranque y
encendido, la electrobomba de combustible estará en funcionamiento. Un circuito de seguridad impide que se bombee combustible estando el encendido conectado pero el motor parado; por ejemplo debido a un accidente. La electrobomba se encuentra en las proximidades del deposito de combustible y no requiere ningún tipo de mantenimiento.
Filtro de combustible: Este filtro separa las partículas de suciedad existentes en el combustible, estas suciedades serían muy dañinas para el regulador de presión del sistema, el reguladordosificador y las válvulas de inyección. El elemento filtrante se fija al cuerpo mediante la placa de apoyo, el cuerpo del mismo es metálico. Contiene un elemento de papel con un diámetro de poro medio de 4µm detrás del cual va un tamiz adicional, de esta forma se obtiene un gran efecto de limpieza. En dependencia del grado de suciedad del combustible así será la vida útil del filtro, este va montado en la tubería del combustible, detrás del acumulador. De tenerse en cuenta el sentido de circulación, indicado sobre el cuerpo del filtro con una flecha.
Acumulador de combustible: El acumulador mantiene la presión en el sistema de alimentación durante un cierto tiempo después de parado el motor para así posibilitar una nueva puesta en marcha sobre todo con el motor caliente, éste actúa. Debido a la construcción especial del cuerpo del cuerpo del acumulado, éste actúa como amortiguador de ruidos de la bomba. El interior del acumulador esta dividido en dos cámaras por una membrana, una sirve como acumulador de combustible, mientras que la otra representa un volumen de compensación y se encuentra en comunicación con la atmósfera o el depósito del combustible. La cámara de acumulación esta llena de combustible, durante el funcionamiento. La membrana se coloca entonces hasta el tope del recinto del muelle, venciendo la resistencia de éste. Ella permanece, en esa posición, que corresponde a la de máximo volumen, de almacenamiento, mientras que el motor esté funcionando. Regulador de presión del sistema de alimentación de combustible: Este regulador mantiene constante la presión de alimentación. A diferencia del K - Jetronic, en el que el regulador para la fase de calentamiento regula la presión de mando, en el KE –Jetronic la compresión la compresión hidráulica sobre el embolo de mando es idéntica a la presión del sistema aún cuando varíen considerablemente el caudal de alimentación de la electrobomba de combustible y el caudal de combustible inyectado al motor, dado que las frustraciones de esta presión influirían
directamente en la proporción aire - combustible, la presión de mando debe mantenerse con buena exactitud. 3.3 El sistema de inyección L-Jetronic El
L-Jetronic es un sistema de inyección sin accionamiento mecánico, controlada
electrónicamente, con el que inyecta intermitentemente combustible en el colector de admisión fig 3.4. A cada cilindro llega el combustible exactamente necesario para el estado de servicio del motor en cada momento, esto implica la necesidad de registrar el mayor número posible de datos importantes para la dosificación del combustible. Como el estado de servicio del motor suele variar rápidamente resulta decisiva una rápida adaptación del caudal de combustible a la situación de marcha momentánea. La inyección de gasolina controlada electrónicamente es particularmente adecuada en este caso. Con ella puede registrarse una cantidad discrecional de datos de servicio en cualquier parte del vehículo, para después convertirse en señales eléctricas mediante medidores. Dichas señales se hacen llegar a la unidad de control de la instalación de inyección la cual las procesa, y calcula inmediatamente a partir de ellas el caudal de combustible a inyectar. La supresión del carburador permite un diseño óptimo de las vías de aspiración y garantizan un mejor llenado de los cilindros. El combustible es inyectado directamente delante de las válvulas de admisión a través de estas solo se suministra aire al motor. Estos tubos pueden diseñarse de forma que favorezcan el flujo, para conseguir una distribución del aire y un buen llenado de los cilindros. Este L-Jetronic, permite que el motor reciba únicamente la cantidad de combustible que efectivamente necesita, a cada cilindro llega la misma cantidad que en los demás para todos los estados de servicio. En las instalaciones con carburador, la mezcla aire-combustible va a ser desigual en los distintos cilindros, debido a los procesos de distribución entre los tubos de admisión. La necesidad de producir una mezcla que garantice la llegada suficiente de combustible al cilindro peor alimentado, no permite una distribución óptima del combustible y como consecuencia trae, consumo elevado y cargas diferentes en cada cilindro. En las instalaciones Jetronic, a cada cilindro le corresponde una válvula de inyección, estas se controlan en forma centralizada garantizando que cada cilindro reciba con precisión en todo momento y bajo cualquier circunstancia un caudal de combustible óptimo e idéntico, no mayor de lo necesario. Este sistema se adapta a las condiciones de carga cambiantes prácticamente sin ninguna demora, ya que el caudal necesario de combustible es calculado por la unidad de control en milisegundos,
después es inyectado por las válvulas de inyección directamente delante de las válvulas de admisión.
Fig. 3.4. Sistema L-Jetronic.
3.4
Sistema de inyección “HOT- WIRE”
El sistema “HOT- WIRE” o “hilo caliente” se basa en la medición del caudal de aire en el control de la resistencia eléctrica y de la temperatura de los pequeños filamentos expuestos al flujo de aire de la admisión. Como es usual en todos los sistemas electrónicos, la inyección del combustible es del tipo indirecta con un inyector por cilindro que descarga el combustible en el colector de admisión. Los inyectores están accionados por un solenoide que recibe impulsos eléctricos de una unidad electrónica de control (UEC) o microprocesador del sistema. En dependencia del tiempo en que permanece el inyector activado, así será la cantidad de gasolina inyectada, pues la presión relativa del combustible se mantiene sensiblemente constante entre estrechos límites este espacio de tiempo de activación es calculado por la UEC que para ello recibe cinco diferentes tipos de señales: 1. Volumen de aire que entra por la admisión (medido por el dispositivo “HW”).
2. Posición de la mariposa del acelerador o de control del volumen de aire (controlada por un potenciómetro conectado sobre el eje de la mariposa). 3. Régimen de revoluciones del motor (captada por los impulsos del terminal negativo de la bobina de encendido. 4. Temperatura del refrigerante (captada por un termisor inmerso en las cámaras de enfriamiento del motor). 5. Temperatura del combustible (captada por un termo-contactor en el conducto de suministro de combustible a los inyectores). Una memoria electrónica digital contenida en la UEC suministra los impulsos necesarios para un requerimiento de combustible básico. Los impulsos de los cinco diferentes sensores actúan modificando esta señal básica. La señal final que será enviada a los inyectores se adapta a las condiciones de operación del motor en cada momento, de esta forma la cantidad de gasolina inyectada va a ser la necesaria. Es imperativo que la presión con que llega la gasolina a los inyectores se mantenga constante. Una válvula reguladora se encarga de que la presión relativa (presión referida al vacío existente en cada instante en el colector de admisión) se mantenga prácticamente constante. El rasgo más típico del sistema HW es la unidad medidora del volumen de aire. Esta unidad medidora dispone de un pequeño conductor “by-pass” que deriva parte del flujo de aire de la admisión hacia una cámara donde se hayan instalados un par de pequeños filamentos metálicos. Uno de estos filamentos, denominado compensador, se mantiene frío. La medición constante de la resistencia eléctrica de este filamento permite el cálculo de la densidad de aire que en cada instante atraviesa la cámara de los filamentos y en consecuencia la temperatura del flujo de aire de admisión. El segundo filamento denominado filamento sensor, es continuamente recorrido por una corriente de aire que se mantiene permanentemente a una temperatura de unos 100° por encima de la temperatura del filamento compensador. Cuando el motor está funcionando el flujo de aire de la admisión tiene un efecto refrigerador sobre el filamento sensor. Como este segundo filamento debe mantenerse siempre unos 100°C por encima de la temperatura del filamento compensador, se hace necesario aumentar la intensidad de la corriente que atraviesa el filamento sensor para elevar así su temperatura. Un modulo electrónico situado en la unidad HW controla las reacciones de los filamentos ante el flujo de aire de la admisión y elabora señales para la UEC que definen muy exactamente el volumen de aire recibido así como su temperatura y densidad.
Cámara de la mariposa. El control del volumen de aire absorbido por el motor corre a cargo de una mariposa mandada por el acelerador. La cámara donde está ubicada esta mariposa, contiene en el sistema HW una serie de elementos típicos que juegan un papel fundamental en la provisión de los necesarios datos a la UEC para la determinación de la cantidad de gasolina a inyectar, así como en la determinación del régimen de ralentí. El potenciómetro de control de abertura del acelerador, es uno de los dispositivos más importantes. Cuando se pisa el acelerador, el potenciómetro envía cierta señal de voltaje a la UEC que permite al microprocesador contar con un dato básico más para el cálculo del volumen de aire que es absorbido por el motor. El servomotor de funcionamiento escalonado montado en la parte superior de la cámara es el elemento más sofisticado de la cámara de la mariposa. Su misión es controlar el régimen de ralentí en el período de calentamiento inicial del motor, así como en los momentos en que el motor recibe una carga extra, ejemplo, al conectar el aire acondicionado o cualquier elemento electrónico de gran consumo que suponga un mayor requerimiento del alternador. Este servomotor desplaza axialmente una punta cónica que modifica el paso de aire a través de un conducto ‘by-pass” desde la zona anterior de la mariposa hasta la posterior. El mismo es accionado mediante impulsos eléctricos que le envía la Unidad Electrónica de Control, cuyo microprocesador elabora estos impulsos partiendo de cinco diferentes informaciones: §
Temperatura del refrigerante.
§
Posición de la mariposa.
§
Régimen de revoluciones del motor.
§
Velocidad de desplazamiento del vehículo.
§
Inhibidor de la caja de cambios (solo en los modelos con caja automática)
Existe una bomba eléctrica del tipo de rodillos y flujo interior que es la que suministra la gasolina a presión a los inyectores. En este tipo de bomba el flujo de combustible atraviesa el propio motor eléctrico de la bomba, bañando el inducido y las escobillas. Para evitar la posibilidad de un calentamiento excesivo del combustible y el riesgo de formación de vapores de combustible en las canalizaciones cuando la temperatura del motor es alta, el circuito
de
alimentación va dotado de un sistema de recirculación que desvía el combustible hacia el depósito
cuando alcanza una cierta temperatura. Esto se lleva a cabo por una termo-válvula situada sobre el conducto principal de alimentación. Unidad Electrónica: La UEC va a ser el cerebro del sistema, recibe la información de los distintos sensores del motor, la elabora mediante su microprocesador y con base a estos datos, genera las necesarias órdenes que regulan el funcionamiento de los inyectores y del servomotor de control de ralentí. La función principal de esta unidad es el control en el tiempo de apertura de los inyectores, a fin de que se inyecten la cantidad de combustible necesaria de acuerdo con las condiciones del motor y del ambiente. La información, relativa a las unidades básicas de combustible a inyectar, es almacenada en la unidad de memoria electrónica digital en forma de un mapa tridimensional que da los tiempos de apertura de los inyectores requeridos para 16 diferentes regímenes de revoluciones del motor, y para ocho diferentes niveles de carga para el motor. Esta información básica es modificada por el microprocesador teniendo en cuenta los datos recibidos de los sensores del motor como apertura de la mariposa del acelerador, temperatura del refrigerante, etc. Los tiempos de apertura de los inyectores son aproximados al máximo, a fin de obtener la dosificación más exacta de gasolina. Los efectos correctores de la UEC y las acciones incluyen además las siguientes funciones: §
Corrección del voltaje de batería, a fin de que las posibles variaciones de este voltaje no altere los tiempos de apertura de los inyectores.
§
Enriquecimiento durante el arranque.
§
Enriquecimiento inmediatamente después del arranque.
§
Enriquecimiento durante el arranque en caliente.
§
Enriquecimiento durante la aceleración para obtener la máxima potencia.
§
Empobrecimiento en las deceleraciones, a fin de reducir el consumo.
§
Enriquecimiento a plena carga para obtener máxima potencia.
§
Corte del combustible en las deceleraciones cuando el régimen del motor se encuentra por encima de 1.500 r.p.m.
Desde el depósito de combustible, a través de un colador la bomba de gasolina absorbe el combustible, posee un sistema de resistencias de compensaciones que permite suministrar más
intensidad de corriente en la bomba en los momentos de arranque y aumentar de esta forma su caudal, tras la bomba el combustible atraviesa un filtro y de ahí es conducido directamente al conducto de alimentación de los inyectores y de donde se conecta cada inyector, una válvula reguladora asegura una presión relativa constante del combustible. Por la abertura de la cámara de medición el aire de admisión penetra. Los filamentos sensores envían información a la UEC que el microprocesador utilizará en el cálculo de los tiempos de abertura de los inyectores. La regulación del aire de la admisión es efectuada por la mariposa mandada por el pedal del acelerador. Dos tornillos constituyen respectivamente el tope de la mariposa y el mando de ajuste inicial del ralentí, si bien el ajuste en condiciones normales de funcionamiento es automáticamente y corresponde al motor de funcionamiento. Para evitar la formación de hielo en caso de baja temperatura ambiente, el conjunto de la cámara de la mariposa va conectado al sistema de refrigeración del motor mediante un par de conductos en su parte inferior. El aire pasa al colector de admisión y de ahí a las cámaras de la culata tras las cámaras de la mariposa. Los inyectores uno para cada cilindro, abren y cierran simultáneamente dos veces por cada ciclo completo, una vez por revolución, inyectando en cada ocasión la mitad del combustible requerido en cada ciclo. La instalación eléctrica cuenta con un fusible principal que se unen mediante un conector múltiple. Un interruptor de inercia, que desconecta atómicamente el encendido en caso colisión, constituye elemento obligado como en todos los sistemas de inyección electrónica. El sistema de inyección HW va estrechamente ligado en los modelos MG Montego y Rover 216 Vitesse, a un dispositivo electrónico programado, cuya unidad de control recibe así mismo información de numerosos sensores del motor. Una termo-válvula conectada en el conducto de alimentación de los inyectores desvía el combustible hacia el depósito cuando alcanza una temperatura superior a cierto límite en que puede vaporizarse. Otros elementos sensores representados en el esquema y que interviene en el funcionamiento coordinado de inyección encendido son el transductor de velocidad, el relé de accionamiento de la bomba de gasolina una resistencia de compensación para el encendido; la bobina de encendido, el distribuidor, el sensor de temperatura del refrigerante, y los sensores de detonación y del volante motor del sistema de encendido programado.
3.5. Otros sistemas Existen otros esquemas de inyección de combustible que con ciertas particularidades en cuanto a nuevos aditamentos o sensores que incorporan, se diferencian un tanto de los ya descritos, por lo que solo se darán detalles de las diferencias más significativas ya que en principio, todos tienen similar funcionamiento: 3.5.1. L3-Jectronic. Sistemas específicos para lanzar el mercado han sido desarrollados basados en el L-Jectronic. Estos sistemas incluyen el LE-Jectronic sin el control lambda. Closep-loop por Europa y el LUJectronic para países con un control estricto de gases de escape. El más reciente nivel de desarrollo es el L3-Jectronic (Fig.3.5) el cual difiere de sus precedentes con respecto a los siguientes detalles.
Fig. 3.5. Sistema L3-Jetronic.
§ La unidad de control la cual se sitúa para la instalación en el compartimiento del motor se conecta al sensor de flujo de aire y por tanto no requiere de espacio en el compartimiento del pasajero § La unidad combinada de una unidad de control y el sensor con flujo de aire con conexiones internas simples, reducen gastos en la instalación.
§ El uso de técnicas digitales permite nuevas funciones, con probadas capacidades de adaptación en comparación con las anteriores técnicas analógicas empleadas. 3.5.2 Mono-Jetronic El Mono-Jectrónic es un sistema electrónicamente controlado bajo presión, con inyección simple, por motores de 4 cilindros. Mientras que sistemas como el KE y el L-Jectrónic emplean una inyección separada para cada cilindro, las características del Mono-Jectronic son: simple, centralmente localizable, valores de inyección controlado por la entrada del motor.
Fig. 3.6. Sistema Mono-Jetronic.
El corazón del Mono-Jectronic es la unidad central de control. En esencia este sistema tiene un único inyector, conectado con una válvula de solenoide que de forma intermitente atomiza el combustible sobre la válvula de mariposa, gobernado por el pedal del acelerador y de aquí el múltiple de admisión distribuye la mezcla hacia cada uno de los cilindros.
Incluye una variedad de sensores que se utilizan para monitorear el trabajo del motor. Estos sensores recogen los parámetros de: §
Angulo de la válvula de mariposa. (Marcha en vacío y a plenos pases).
§
Frecuencia de rotación del motor.
§
Temperatura del Motor y del aire de alimentación.
§
Posiciones de la válvula de mariposa. (Marcha en vacío y a plenos gases).
Tiene sensores parea el equipamiento del vehículo tales como: §
Transmisión automática.
§
Equipamiento del aire acondicionado.
§
Estado de ambragado o desembragado de la transmisión.
3.5.3 Motronic. El sistema Motronic combina todos los sistemas electrónicos para el control del motor en una unidad de control electrónica, la cual por su parte gobierna el proceso de ignición del combustible. Presenta sensores que suministran a la UCE los datos necesarios para realizar el control automático del proceso y que provienen de: §
Sistema de ignición (encendido o apagado).
§
Posición del cigüeñal.
§
Velocidad del vehículo.
§
Relación de transmisión conectada en la caja de cambio.
§
Equipo de aire acondicionado, etc.
Monitorea además datos analógicos, como: §
Voltaje de la batería.
§
Temperatura del motor.
§
Temperatura del aire de entrada.
§
Masa de aire.
§
Angulo de apertura de la válvula de mariposa.
§
Sensor lambda de oxígeno.
§
Sensor de detonación.
§
Velocidad del motor.
Fig. 3.7. Sistema Motronic.
CONCLUSIONES La realización de estos, reviste gran importancia en momentos en que ya se ha planteado realizar modificaciones en el sistema de conocimientos que recibirán los estudiantes de cuarto año de la carrera de Ingeniería Mecánica en la asignatura
Motores de Combustión Interna en la
Universidad de Holguín. Será la primera vez que los estudiantes contarán de un material bibliográfico de consulta editado en idioma español que le permita ampliar los conocimientos de Fuel Injection. Por la forma en que están redactados estos apuntes, fácilmente el estudiante podrá establecer las diferencias sustanciales entre el sistema tradicional de carburación difundido ampliamente en Cuba y la inyección de combustible ligero en los motores de encendido por chispa, una tecnología de punta que ha copado el mercado internacional del automóvil. Ha resultado decisiva la colaboración brindada por manos amigas que hicieron llegar los documentos empleados en esta compilación. El precio de estos libros oscila en el orden de $ 100.00 (USD) por unidad, lo que dice de lo caro que le resultaría al país la compra de estos libros o la reproducción y/o edición de nuevos textos, sin embargo la reproducción de este material en nuestras imprentas sería muy barato. Resulta por tanto conveniente partiendo de las recomendaciones que se adjuntan a este trabajo, la elaboración de una versión definitiva del folleto compilador sobre fuel injection y realizar en breve su edición.
RECOMENDACIONES Después de haber llegado a las conclusiones anteriores recomendamos: Ø Continuar buscando bibliografía sobre el tema que pueda servir para enriquecer los conocimientos acerca de la temática tratada. Ø Rehacer en Autocad, PaintBrush, o cualquier otro editor gráfico las imágenes editadas en PhotoScan, que están en idioma inglés y llevarlas al español de forma tal que sea más asequible a los estudiantes la información que se brinda.
