3.10 INYECCION DIRECTA DE GASOLINA 3.10.1 Objetivos Las emisiones contaminantes de hidrocarburos, óxidos nítricos y monóxido de carbono se reducen hasta un 99% con la mediación de un catalizador de tres vías. Por su parte, el dióxido de carbono (CO2) que se produce con motivo de la combustión, siendo el causante del «efecto invernadero», sólo se puede reducir a base de disminuir el consumo de combustible. Teniendo en cuenta estos factores vemos que los sistemas de inyección con formación externa de la mezcla (inyección en el colector de admisión MPi) no sirven para cumplir estos objetivos, por eso la necesidad de desarrollar un sistema capaz de cumplir con estos compromisos. Este sistema es el motor de inyección directa de gasolina. Con lo motores de inyección directa de gasolina se consiguen dos objetivos principales que estan vigentes para hoy y con vistas al futuro, estos objetivos son: reducir el consumo de combustible y con este también las emisiones contaminantes de escape. Las diferentes marcas de automóviles cada vez mas se están decidiendo por equipar sus modelos de gasolina con motores de inyección directa. Primero fue la marca japonesa Mitsubishi con los motores GDi, ahora le siguen Renault con los motores IDE, el grupo PSA con los motores HPi, y Volkswagen con los motores FSi.
Si comparamos el sistema de inyección en los colectores (inyección indirecta también llamados MPI) con la inyección directa de gasolina, entendemos porqué esta ultima es superior a la primera. Los inyectores de un motor de gasolina (MPI) suelen estar ubicados en el colector de admisión, lo que explica la denominación de estos sistemas. El combustible es inyectado por delante de una válvula cerrada o bien encima de la válvula abierta y es mezclado de forma casi completa con el aire de admisión en cada una de las toberas del colector de admisión. Pero esta mezcla de aire y neblina de combustible inyectado no permite su perfecta explosión en el cilindro si no está preparada conforme a una exacta relación estequiométrica comprendida en unos límites muy específicos (1/14,7). En el caso de los motores dotados de un catalizador de tres vías es válida la ideal ecuación de lambda igual a uno. Esta precisa relación de aire/combustible tiene que ser ajustada durante cada uno de los ciclos del motor cuando la inyección tiene lugar en el colector de admisión. El problema de estos sistemas de inyección (indirecta) viene dado principalmente a
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cargas parciales del motor cuando el conductor solicite una potencia no muy elevada, por ejemplo, (acelerador a medio pisar). Los efectos se podrían comparar con una vela encendida dentro de un envase que se va tapando poco a poco por su apertura superior: la llama de la vela va desapareciendo conforme empeoran las condiciones condiciones de combustión. Esta especie de estrangulación supone un desfavorable comportamiento de consumo de un motor de ciclo Otto en los momentos de carga parcial. Es aquí donde se declaran las grandes virtudes de la inyección directa de gasolina. Los inyectores de este sistema no están ubicados en las toberas de admisión, sino que están incorporados de forma estratégica con un determinado desplazamiento lateral por encima de las cámaras de combustión.
La inyección directa de la gasolina posibilita una definición exacta de los intervalos de alimentación del carburante en cada ciclo de trabajo de los pistones así como un preciso control del tiempo que se necesita para preparar la mezcla de aire y combustible. En unas condiciones de carga parcial del motor, el combustible es inyectado muy cerca de la bujía y con una determinada turbulencia cilíndrica (efecto tumble) al final de la fase de compresión mientras el pistón se está desplazando hacia su punto muerto superior. Esta concentrada carga de mezcla puede ser explosionada aunque el motor se encuentre en esos momentos en una fase de trabajo con un determinado exceso de aire (1/12.4). Su grado de efectividad termodinámica es correspondientemente más alto. Comparado con un sistema de inyección en el colector de admisión (MPI) se obtienen unas importantes ventajas de consumo de combustible merced a la eliminación de la citada estrangulación. estrangulación.
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Ventajas Desestrangulación en los modos operativos con mezcla "estratificada". En estos modos operativos se trabaja con un valor lambda comprendido entre 1,55 y 3. Esto permite abrir más la mariposa y aspirar mas aire, por que tiene que superar una menor resistencia que provocaba la valvula de mariposa al estar medio cerrada En el modo estratificado el motor trabaja con un valor lambda desde 1,6
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cargas parciales del motor cuando el conductor solicite una potencia no muy elevada, por ejemplo, (acelerador a medio pisar). Los efectos se podrían comparar con una vela encendida dentro de un envase que se va tapando poco a poco por su apertura superior: la llama de la vela va desapareciendo conforme empeoran las condiciones condiciones de combustión. Esta especie de estrangulación supone un desfavorable comportamiento de consumo de un motor de ciclo Otto en los momentos de carga parcial. Es aquí donde se declaran las grandes virtudes de la inyección directa de gasolina. Los inyectores de este sistema no están ubicados en las toberas de admisión, sino que están incorporados de forma estratégica con un determinado desplazamiento lateral por encima de las cámaras de combustión.
La inyección directa de la gasolina posibilita una definición exacta de los intervalos de alimentación del carburante en cada ciclo de trabajo de los pistones así como un preciso control del tiempo que se necesita para preparar la mezcla de aire y combustible. En unas condiciones de carga parcial del motor, el combustible es inyectado muy cerca de la bujía y con una determinada turbulencia cilíndrica (efecto tumble) al final de la fase de compresión mientras el pistón se está desplazando hacia su punto muerto superior. Esta concentrada carga de mezcla puede ser explosionada aunque el motor se encuentre en esos momentos en una fase de trabajo con un determinado exceso de aire (1/12.4). Su grado de efectividad termodinámica es correspondientemente más alto. Comparado con un sistema de inyección en el colector de admisión (MPI) se obtienen unas importantes ventajas de consumo de combustible merced a la eliminación de la citada estrangulación. estrangulación.
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Ventajas Desestrangulación en los modos operativos con mezcla "estratificada". En estos modos operativos se trabaja con un valor lambda comprendido entre 1,55 y 3. Esto permite abrir más la mariposa y aspirar mas aire, por que tiene que superar una menor resistencia que provocaba la valvula de mariposa al estar medio cerrada En el modo estratificado el motor trabaja con un valor lambda desde 1,6
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hasta 3, consiguiendo consiguiendo una reducion de consumo de combustible considerable. considerable. Menores pérdidas de calor cedido a las paredes de los cilindros Esto es debido a que en el modo de mezcla "estratificada" la combustión únicamente tiene lugar en la zona próxima de la bujía, esto provoca menores pérdidas de calor cedido a la pared del cilindro, con lo cual aumenta el rendimiento térmico del motor.
Debido al movimiento intenso de la mezcla en el modo homogéneo, el motor posee una alta compatibilidad con la recirculación de gases de escape, equivalente hasta un 25%. Para aspirar la misma cantidad de aire fresco que cuando trabaja con bajos índices de recirculación de gases se procede a abrir la mariposa de gases un tanto más. De esa forma se aspira el aire superando una baja resistencia y disminuyen las pérdidas debidas a efectos de estrangulamiento.
Con la inyección directa del combustible en el cilindro se extrae calor del aire de admisión, produciéndose un efecto de refrigeración de éste. La tendencia al picado se reduce, lo que permite aumentar a su vez la compresión. Una mayor relación de compresión conduce a una presión final superior en la fase de compresión, con lo cual también aumenta el rendimiento térmico del motor.
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Es posible reducir el régimen de ralentí, y se facilita el arranque en frío debido a que al reanudar la inyección el combustible no se deposita en las paredes de la cámara de combustión. La mayor parte del combustible inyectado puede ser transformada de inmediato en energía utilizable. El motor funciona de un modo muy estable, incluso al trabajar con regímenes de ralentí más bajos.
Inconvenientes Uno de los problemas principales que plantea la inyección directa de gasolina es el tratamiento de los gases de escape para cumplir las normativas anticontaminación. Los óxidos nítricos que se producen con motivo de la combustión en el modo "estratificado" y en el modo "homogéneo-pobre" no pueden ser transformados suficientemente en nitrógeno por medio de un catalizador convencional de tres vías. Sólo desde que ha sido desarrollado el catalizador-acumulador de NOx también se cumple la norma de emisiones de escape EU4 en estos modos operativos. Los óxidos nítricos se acumulan internamente en ese catalizador y se transforman en nitrógeno mediante medidas específicas para ello.
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Otro inconveniente reside en los problemas que plantea el azufre en la gasolina. Debido a la similitud química que tiene con respecto a los óxidos nítricos, el azufre también se almacena en el catalizador- acumulador de NOx y ocupa los sitios destinados a los óxidos nítricos. Cuanto mayor es el contenido de azufre en el combustible, tanto más frecuentemente se tiene que regenerar el catalizador-acumulador, lo cual consume combustible adicional. En la gráfica inferior se compara distintas clases de gasolinas que hay en el mercado y se aprecia la influencia que tiene el contenido de azufre sobre la capacidad de acumulación del catalizador-acumulador de NOx.
La marca Mitsubishi fue la primera en construir motores de inyección directa de gasolina. En este motor la gasolina es inyectada directamente en el cilindro, con lo que se eliminan perdidas y se mejora el rendimiento. La cantidad exacta de gasolina se introduce con una temporización muy precisa, consiguiendo una combustión completa. Las innovaciones tecnológicas que presentan estos motores son: Colectores de admisión verticales. Pistones con una forma especial (deflector). Bomba de combustible de alta presión. Inyectores de alta presión. • • • •
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3.10.2 Esquema general de funcionamiento En la figura inferior tenemos el esquema general de los diferentes elementos que forman el sistema de inyección directa de gasolina. En el se ve el circuito de admisión de aire y el circuito de suministro de combustible. El circuito de admisión de aire empieza con el sensor (1) encargado de medir la cantidad de aire que, en función de la carga, entra en el motor. También dispone de unas electroválvulas colocadas en by-pass en dicho circuito y que actúan; la (2) en compensación de la necesidad de aire adicional debido al accionamiento de elementos auxiliares del motor y la (3) en caso de un control de todo o nada. La válvula reguladora de ralentí (4) es la encargada de mantener el régimen de giro del motor constante y actúa controlando el paso del flujo de aire después de la mariposa. Finalmente, la válvula EGR (5) realiza la función de recircular los gases de escape cuando las altas temperaturas y presiones de combustión provocan la aparición de los peligrosos óxidos de nitrógeno en los gases de escape. Podemos ver también la posición vertical de los colectores de admisión que permiten, gracias a la longitud y su cuidado pulimentado, aumentar el rendimiento volumétrico. En el circuito de suministro de combustible al motor la gasolina parte del depósito (6) gracias a una bomba previa (7) de baja presión que pasa por un filtro y un regulador de presión (8) y se conduce a un conjunto hidráulico (9) que incorpora una bomba de alta presión. Un conjunto regulador de alta presión (10) mantiene la presión de inyección en su ultimo tramo hacia el inyector (11). La bomba inyecta carburante a una presión de 50 bar y utiliza un sensor de presión de combustible para el control preciso de la alimentación. En el escape del motor se incorpora un convertidor catalítico (12) para eliminar los restos de NOx cuando el motor trabaje con mezcla pobre o estratificada.
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3.10.3 El colector de admisión vertical Con este tipo de colector se consigue crear un flujo de aire en la admisión del tipo giratorio en sentido de las agujas del reloj, con el que se consigue un mayor rendimiento. La ventaja de este sistema de flujo giratorio respecto al turbulento utilizado en la manera clásica (inyección indirecta), es que en este ultimo tiende a concentrarse el combustible en la periferia del cilindro y por tanto alejado de la bujía, en cambio el giratorio permite concentrarlo en el lugar que mas interesa para una mejor combustión: alrededor de la bujía. El hecho de que se realice siguiendo el sentido horario obedece a la necesidad de evitar que por medio de la inyección directa de gasolina choque con la bujía, ya que esto crea una acumulación de hollín que provoca falsas explosiones. Si el flujo girara hacia la izquierda no daría el tiempo suficiente para conseguir que el chorro de gasolina inyectado directamente se vaporizase. El ángulo relativamente grande del inyector ayuda a asegurar que también tendrá tiempo suficiente para que el chorro pulverizado se combustible se vaporice, incluso cuando se inyecta durante la carrera de compresión. El deflector del pistón ayuda a concentrar la mezcla de aire/gasolina rica alrededor de la bujía. Esta mezcla estratificada de forma ideal, rica alrededor de la bujía, pobre en la periferia, permite que el motor GDI de Mitsubishi funcione suavemente en el modo de combustión ultra-pobre, con la asombrosa relación de aire 40/1, con lo cual se consigue una importante economía de combustible. Los motores de inyección directa gasolina funcionan con dos tipos de mezcla según sea la carga del motor: mezcla estratificada y mezcla homogénea. Mezcla estratificada: el motor es alimentado con una mezcla poco enriquecida cuando el vehículo se desplaza en unas condiciones de carga parcial (pedal del acelerador a medio pisar). Para poder conseguir una mezcla pobre para alimentar el motor, éste debe ser alimentado de forma estratificada.
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La mezcla de aire y combustible se concentra en torno a la bujía ubicada en una estratégica posición central en las cámaras de combustión, en cuyas zonas periféricas se acumula prácticamente sólo una capa de aire. Con esta medida se consigue la eliminación de la mencionada estrangulación para proporcionar un importante ahorro de combustible. La positiva característica de economía de consumo es también una consecuencia de la disminuida dispersión de calor. El aire concentrado de la manera comentada en la periferia del espacio de combustión mientras se produce la explosión de la mezcla en la zona central de la cámara proporciona una especie de aislamiento térmico. Con esta estratificación específica de la carga, el valor Lambda en el área de combustión oscila entre 1,5 y 3. De este modo, la inyección directa de gasolina alcanza en el campo de carga parcial el mayor ahorro de combustible frente a los inyecciones convencionales : en marcha de ralentí incluso un 40%. Durante la fase de admisión (1) figura inferior, el volumen de aire procedente de los colectores de admisión verticales recorre la superficie curvada del pistón (2) y refluye hacia arriba creando un potente flujo giratorio en el sentido de la agujas del reloj. El control del flujo es posible gracias a sensores de flujo de aire de tipo Karman, que controlan la contrapresión baja, y a dos selenoides de la válvula by-pass que permiten que grandes cantidades de aire lleguen al cilindro con suavidad, lo que es importantísimo cuando se trata de funcionar con relaciones de aire/combustible extremadamente pobres de hasta 40/1. En la carrera de compresión del pistón la forma giratoria se descompone en pequeños y numerosos torbellinos. A continuación, en la ultima fase de la carrera de compresión, el inyector de turbulencia de alta presión pulveriza el combustible (3) siguiendo una espiral muy cerrada. Este movimiento de turbulencia junto con la elevada densidad del aire comprimido y los pequeños torbellinos, mantienen compacto el chorro pulverizado de combustible. El combustible se concentra alrededor de la bujía. La estratificación es muy buena: la mezcla aire/combustible es rica en el centro y pobre en la periferia. Finalmente salta la chispa en la bujía (4) y el potente producto de la combustión es controlado por la cavidad esférica del pistón que se va extendiendo mediante una reacción en cadena. El resultado de todo este proceso es una mejora del 20% en el ahorro de combustible.
Mezcla homogénea: El control inteligente de la inyección permite disponer asimismo de una mezcla homogénea en los regímenes más elevados (cuando se exige potencia al motor). La inyección es adaptada de forma automática y el combustible no es inyectado en las fases de compresión sino en las de admisión. Unas determinadas leyes de la termodinámica imponen, no obstante, un aumento del llenado de los cilindros y una disminución de la temperatura de compresión en estas condiciones. Estos ajustes tienen unos efectos secundarios también muy positivos que se manifiestan en forma de unos elevados valores de potencia y par motor. Con una relación de compresión alta por encima de 11 (11,5:1) ofrece un valor significativamente más alto que un motor dotado de un sistema de inyección MPI (indirecta). Con mezcla homogénea el combustible se inyecta durante al carrera de admisión para crear un efecto de refrigeración, el inyector de alta presión cambia la forma de
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funcionar en este modo para alimentar el combustible mediante un chorro largo en forma de cono, con objeto de conseguir una dispersión en el cilindro. El efecto de refrigeración evita las detonaciones o combustión espontánea en el cilindro que pueden producirse cuando el motor tiene una relación de compresión alta y con un elevado calentamiento.
Reducción en las emisiones de gases contaminantes Uno de los aspectos más importantes del motor GDI es la menor emisión de gases contaminantes (C02, NOx e hidrocarburos). Si se quema gasolina se genera C02; por lo tanto, si se reduce la cantidad de gasolina quemada se reducirá también la cantidad de C02. De este modo, disminuyendo el consumo de combustible en un 20%, en el motor GDI descienden también las emisiones de C02 en ese mismo porcentaje. Los catalizadores de tres vías no son eficaces en el motor GDI cuando funciona en el modo ultra-pobre de combustión. MITSUBISHI ha desarrollado un nuevo tipo de catalizador, denominado de reducción selectiva, para ayudar a disminuir las emisiones de monóxido de nitrógeno (NOx).
El fabricante Bosch lleva tiempo aplicando sus sistemas de inyección a los motores de inyección directa. Hace mas de 60 años en los motores de aviación y también en el renombrado Mercedes 300 SL del año 1954, con las puertas abatibles en forma de alas de mariposa. Este sistema de inyección funcionaba igual que el utilizado por los motores Diesel, es decir, estaba dotado de una bomba de inyección en linea que tiene tantos elementos de bombeo como cilindros tiene el motor y accionados por un árbol de levas sincronizado con el cigüeñal. La presión de inyección con la que trabajaba este sistema es de 15 a 20 kp/cm2, la cual si la comparamos frente a un Diesel (150 a 400) es muy baja, lo que hace que la precisión del equipo de bombeo no sea muy grande. Pero tenia el enorme inconveniente de la lubricación, ya que la gasolina no es lubricante, implica la necesidad de lubricar la bomba lo que encarece su fabricación. También los inyectores deben lubricarse, lo cual lo complica en extremo. Los inyectores que están en contacto con las altas presiones y la temperatura que se alcanza en la cámara de combustión del motor hacen que se deterioren rápidamente y requieren un gran mantenimiento por ello esta inyección directa solo se usaba en vehículos muy exclusivos o deportivos. Por las razones expuestas anteriormente Bosch aparco el desarrollo de esta tecnología, hasta que la utilización masiva de la electrónica hizo mas fácil desarrollar un sistema lo suficientemente fiable y a un precio ajustado.
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El sistema de inyección directa de gasolina Bosch denominado MED trabaja según el principio de funcionamiento del Common Rail utilizado para la inyección diesel. Es decir, un conducto o regleta distribuidora común, de alta presión, alimenta con carburante todas las válvulas de inyección; la presión regulada en el conducto distribuidor de combustible la origina una bomba de alta presión que puede alcanzar presiones de hasta 120 bar. Con las válvulas de inyección accionadas de forma electromagnética, el inicio y la duración del proceso de inyección es variable dentro de amplios límites. El caudal de inyección se mide exactamente, mientras que la geometría del chorro está sincronizada con las exigencias del motor. La forma y el ángulo el chorro, así como el tamaño de las gotitas pulverizadas, constituyen también parámetros importantes para la formación de la mezcla y determinar valores de emisión bajas y consumos favorables.
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3.10.4 Introducción al funcionamiento de este sistema de
inyección Como hemos visto en otros sistemas de inyección como el utilizado por la marca Japonesa Mitsubishi (GDI), a los dos modos operativos de funcionamiento del motor denominados: «carga estratificada» y «carga homogénea» se agrega un tercer modo, se trata del denominado "homogéneo-pobre". Con este modo operativo se reduce una vez más el consumo de combustible en comparación con el funcionamiento a lambda = 1 con recirculación de gases de escape. La unidad de control del motor elige el modo operativo en función de las condiciones de régimen /potencia / gases de escape y seguridad.
3.10.5 Modo estratificado El motor funciona en el modo estratificado en los regímenes medios de carga y revoluciones. La estratificación de la mezcla en la cámara de combustión permite que el motor trabaje con un valor lambda total de aprox. lambda = 1,6 hasta 3 •
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En el centro de la cámara de combustión se encuentra una mezcla con buenas cualidades inflamables en torno a la bujía. Esta mezcla está rodeada de una capa exterior, que en el caso ideal está compuesta por aire fresco y gases de escape recirculados.
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3.10.6 Modo homogéneo-pobre El motor trabaja en el modo homogéneo-pobre durante la transición entre el modo estratificado y el homogéneo. La mezcla pobre se encuentra distribuida de un modo homogéneo (uniforme) en la cámara de combustión. La relación de aire y combustible es de lambda 1,55, aproximadamente.
3.10.7 Modo homogéneo A cargas y regímenes superiores, el motor funciona en el modo homogéneo. La relación de aire y combustible en este modo operativo es de lambda = 1.
En los modos homogéneo y homogéneo-pobre el combustible se inyecta en el cilindro durante el ciclo de admisión y se mezcla allí uniformemente con el aire aspirado, como se hace en los sistemas de inyección en el colector de admisión (MPi). En el modo estratificado la mezcla de combustible y aire se dispone en la zona de la bujía (figura inferior) por medio del método de combustión por movimiento cilíndrico de la carga de gases guiado por pared y aire (movimiento tumble). El inyector está dispuesto de modo que el combustible sea proyectado sobre el rebaje específico en la cabeza del pistón (guiado por la pared) y desde ahí sea conducido en dirección hacia la bujía. Con el mando de la chapaleta en el colector de admisión y el rebaje de turbulencia se produce en el cilindro un movimiento cilíndrico del aire (tumble). Con este flujo de aire (conducido a su vez por aire) se respalda el transporte del combustible hacia la bujía. La formación de la mezcla se realiza en el trayecto hacia la bujía.
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3.10.8 Modo de carga estratificada Para que la gestión del motor cambie al modo estratificado tienen que estar cumplidas, entre otras cosas, ciertas premisas importantes: • • • • •
El motor se encuentra en el régimen de carga y revoluciones que corresponde En el sistema no existe ningún fallo de relevancia para los gases de escape La temperatura del líquido refrigerante supera los 50 °C El sensor de NOx está dispuesto para el funcionamiento La temperatura del catalizador-acumulador de NOx se halla entre los 250 °C y 500 °C
Si están cumplidas estas condiciones resulta posible poner en vigor el modo estratificado.
3.10.8.1 Admisión En el modo estratificado se abre la mariposa lo más posible, para mantener reducidas las pérdidas por estrangulamiento. La chapaleta en el colector de admisión cierra el conducto inferior en la culata. Debido a ello el aire de admisión se acelera y fluye describiendo un torbellino cilíndrico (tumble) a través del conducto superior hacia el cilindro. Nota: No es posible abrir al máximo la válvula de mariposa, porque debe existir siempre una cierta depresión en consideración del sistema de carbón activo y de la recirculación de gases de escape.
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3.10.8.2 Flujo del aire El flujo del aire describiendo un torbellino cilíndrico experimenta una intensificación en virtud de la geometría específica que tiene la cabeza del pistón.
3.10.8.3 Inyección La inyección (figura inferior) se realiza en el último tercio del ciclo de compresión. Comienza unos 60° y finaliza unos 45° antes del PMS de encendido. El momento de la inyección ejerce una influencia importante sobre la posición que adopta la nube de la mezcla en la zona de la bujía.
El combustible se inyecta en dirección hacia el rebaje para combustible. La propagación deseada de la nube de mezcla se consigue gracias a la geometría del inyector.
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Por el efecto del rebaje para combustible y el movimiento descendente del pistón se conduce el combustible en dirección hacia la bujía. Esta operación se intensifica por el caudal de aire con turbulencia cilíndrica, que conduce asimismo el combustible hacia la bujía. En el trayecto hacia la bujía se mezcla el combustible con el aire aspirado.
3.10.8.4 Formación de la mezcla Para la formación de la mezcla en el modo estratificado solamente se dispone de un ángulo de cigüeñal de 40° a 50°. Esto es decisivo para la capacidad de ignición de la mezcla. Si el tiempo es más corto entre la inyección y el encendido, la mezcla no está preparada todavía lo suficiente para inflamarse de forma adecuada. Un tiempo más largo conduciría a una mayor homogeneización en toda la cámara de combustión. Por ese motivo surge una nube de mezcla con una buena capacidad inflamable en el centro de la cámara de combustión, en torno a la bujía. Está rodeada de una capa exterior que, en el caso ideal, se compone de aire fresco y gases de escape recirculados. La relación de aire y combustible en toda la cámara de combustión se halla entre: lambda = 1,6 y 3.
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3.10.8.5 Combustión Tras el posicionamiento exacto de la mezcla de combustible y aire en la zona de la bujía es cuando se produce el encendido. Durante esa operación sólo se inflama la nube de mezcla, mientras que los gases restantes actúan como un estrato aislante. Esto hace que se reduzcan las pérdidas de calor en las paredes y aumente el rendimiento térmico del motor. El momento de encendido se encuentra dentro de una estrecha ventana angular del cigüeñal, debido al final tardío de la inyección y al tiempo que transcurre para la formación de la mezcla al final del ciclo de compresión.
Nota: El par generado por el motor viene determinado en este modo operativo únicamente a través de la cantidad de combustible inyectada. La masa de aire aspirada y el ángulo de encendido tienen aquí solamente poca importancia.
3.10.9 Modo de carga homogenero-pobre Está modo de funcionamiento se sitúa entre el modo estratificado y el modo homogéneo. En toda la cámara de combustión existe aquí una mezcla homogénea-pobre. La relación de combustible y aire es de aprox. lambda = 1,55. Rigen aquí las mismas premisas que para el modo estratificado.
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3.10.9.1 Admisión Igual que en el modo estratificado, la válvula de mariposa se encuentra lo más abierta posible y la chapaleta del colector de admisión está cerrada. Debido a ello se reducen por una parte las pérdidas por estrangulamiento y por otra se consigue un flujo intenso del aire en el cilindro.
3.10.9.2 Inyección El combustible se inyecta directamente en el cilindro a unos 300° APMS de encendido durante el ciclo de admisión. La unidad de control del motor se encarga de regular la cantidad inyectada de modo que la relación de combustible y aire sea de aproximadamente lambda = 1,55.
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3.10.9.3 Formación de la mezcla El momento de inyección tan temprano permite disponer de más tiempo para la formación de la mezcla hasta el momento del encendido. De esa forma se produce un reparto homogéneo (uniforme) en la cámara de combustión.
3.10.9.4 Combustión Igual que en el modo homogéneo, es posible elegir libremente el momento de encendido, porque se tiene un reparto homogéneo de la mezcla. La combustión se realiza en toda la cámara.
3.10.10 Modo homogéneo El modo homogéneo es comparable con el de funcionamiento de un motor con inyección en el colector de admisión. La diferencia esencial consiste en que el combustible se inyecta directamente en el cilindro al tratarse de la versión de inyección directa de gasolina. El par del motor viene determinado por el momento de encendido (corto plazo) y por la masa de aire aspirada (largo plazo). Para esta masa de aire se elige la cantidad necesaria a inyectar (lambda = 1).
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3.10.10.1 Admisión La válvula de mariposa abre en función de la posición del acelerador. La chapaleta en el colector de admisión se mantiene abierta o cerrada según el punto operativo momentáneo. •
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En la gama media de cargas y regímenes está cerrada la chapaleta en el colector de admisión, haciendo que el aire aspirado fluya describiendo un torbellino cilíndrico hacia el cilindro, lo cual actúa de forma positiva en la formación de la mezcla. A medida que sigue aumentando la carga y el régimen, la masa de aire que sólo se puede aspirar a través del canal superior ya no resultaría ser suficiente para el proceso. En ese caso la chapaleta en el colector de admisión abre también el paso del conducto inferior.
3.10.10.2 Inyección El combustible se inyecta aproximadamente a los 300° APMS de encendido, directamente en el cilindro, durante el ciclo de admisión. La energía necesaria para la evaporación del combustible se extrae del aire encerrado en la cámara de combustión, con lo cual el aire se enfría. Debido a ello es posible aumentar la relación de compresión en comparación con un motor con la inyección en el colector de admisión.
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3.10.10.3 Formación de la mezcla Debido a la inyección del combustible durante el ciclo de admisión hay bastante tiempo disponible para la formación de la mezcla. Esto hace que en el cilindro se reparta una mezcla homogénea (uniforme), compuesta por el combustible inyectado y el aire aspirado. La relación de combustible y aire en la cámara de combustión es de lambda = 1.
3.10.10.4 Combustión En el modo homogéneo se influye esencialmente con el momento de encendido sobre el par del motor, el consumo de combustible y el comportamiento de las emisiones de escape.
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3.10.11 Sistema de combustible, alimentación e inyección El sistema de combustible está dividido en una parte de baja presión y en otra de alta presión. •
El sistema de combustible de baja presión: esta formado por un deposito (1), en su interior y sumergida una bomba eléctrica (2) eleva el combustible hacia un filtro (3) que se encarga de limpiarlo de impurezas, una vez filtrado el combustible se dirige a la bomba de alta presión (6). La presión del combustible en funcionamiento normal es de 3 bares y durante el arranque en caliente es de 5,8 bares como máximo. Consta de: 1.- el depósito de combustible 2.- la bomba eléctrica de combustible 3.- el filtro de combustible 4.- la válvula de dosificación de combustible 5.- el regulador de presión del combustible (caída de presión)
El sistema de combustible de alta presión: la bomba de alta presión (6) bombea el combustible hacia la rampa de inyección (8). La presión del combustible es medida allí por el sensor (9) correspondiente y la válvula reguladora se encarga de regularla desde 50 hasta 100 bares. La inyección corre a cargo de los inyectores de alta presión (11) Consta de: 6.- la bomba de combustible de alta presión 7.- tubería de alta presión 8.- rampa de inyección 9.- el sensor de presión del combustible 10.- la válvula reguladora para presión del combustible 11.- los inyectores de alta presión
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Dentro del sistema de combustible encontramos como elemento secundario el depósito de carbón activo o Canister (12). Sirve para tratar los gases que genera el combustible en su almacenamiento en el depósito.
3.10.12 La bomba de combustible de alta presión Tiene la función de suministrar el combustible a presión a la rampa de inyección. La bomba va atornillada a la carcasa del árbol de levas. Se trata de una bomba radial de 3 cilindros accionada por el árbol de levas de admisión (5). Con los tres elementos de bomba decalados a 120° se mantienen reducidas las fluctuaciones de la presión en la rampa de inyección de combustible. Asume la función de establecer una presión de hasta 100 bares en el sistema de combustible de alta presión.
3.10.12.1 Accionamiento El eje de accionamiento de la bomba de combustible de alta presión es impulsado por el árbol de levas de admisión. En el eje de accionamiento hay una leva excéntrica, que soporta un anillo de leva. Al girar el eje de accionamiento, la leva excéntrica con el anillo de leva establece los movimientos de ascenso y descenso del émbolo de la bomba. •
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Durante el movimiento descendente se aspira el combustible del sistema de baja presión. Durante el movimiento ascendente se bombea el combustible hacia la rampa de inyección..
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3.10.12.2 Funcionamiento El combustible pasa del sistema de baja hacia la bomba de alta presión. Allí recorre el émbolo hueco de la bomba hacia la válvula de admisión. •
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Carrera aspirante: Durante el movimiento descendente del émbolo de la bomba aumenta el volumen en su cilindro y la presión desciende. En cuanto la presión en el émbolo hueco es superior a la del cilindro de la bomba, la válvula de admisión abre y permite que el combustible refluya.
Carrera de bombeo: Con el comienzo del movimiento ascendente que efectúa el émbolo de la bomba aumenta la presión en su cilindro y la válvula de admisión cierra. Si la presión en el cilindro de la bomba es superior a la de la rampa de inyección , la válvula de escape abre y el combustible es bombeado hacia la rampa de inyección.
3.10.13 Válvula reguladora de presión de combustible Se encuentra atornillada entre la rampa de inyección y el tubo de retorno de combustible hacia el depósito.
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Tiene la la función de controlar la presión en la rampa de inyección, independientemente de la cantidad inyectada y de la cantidad de combustible suministrado por la bomba.
3.10.13.1 Funcionamiento Si se presentan diferencias con respecto a la presión teórica, la unidad de control del motor excita la válvula reguladora de la presión del combustible por medio de una señal modulada en anchura de los impulsos. A raíz de ello se crea un campo magnético en la bobina y la válvula con la bola de cierre despega de su asiento. En función de la magnitud de la señal se modifica de esta forma la sección de paso hacia el tubo de retorno y, con ésta, la cantidad de combustible que retorna, regulándose la presión correspondientemente.
3.10.13.2 Efectos en caso de avería La válvula reguladora se encuentra cerrada al no tener la corriente aplicada. De ese modo se tiene establecido de que siempre esté disponible una presión suficiente del combustible.
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Para proteger los componentes contra presiones excesivas se incorpora en la válvula reguladora de presión del combustible un limitador mecánico de la presión a través de un sistema de muelle. Abre al tener el combustible una presión de 120 bares.
3.10.14 Sensor de presión de combustible El sensor de presión del combustible se encuentra atornillado en la rampa de inyección de combustible. Tiene la función de medir la presión del combustible en la rampa de inyección. Con esta medida la unidad de control del motor regula la presión del combustible en el sistema de alta presión, en función de una familia de curvas características.
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3.10.14.1 Funcionamiento A partir de la rampa de inyección fluye combustible hacia el sensor de presión. •
•
A baja presión del combustible sólo se deforma levemente la membrana de acero. De esa forma es alta la resistencia eléctrica que oponen las resistencias extensometricas y la tensión de la señal es baja. Si la presión del combustible es de alta magnitud, la membrana de acero se deforma en una medida intensa. Debido a ello es baja la resistencia eléctrica en las resistencias extensométricas y la tensión de la señal es correspondientemente alta.
La tensión de las señales se intensifica en el circuito electrónico y se transmite a la unidad de control del motor. La regulación de la presión del combustible se lleva a cabo con ayuda de la válvula reguladora de presión del combustible.
3.10.14.2 Efectos en caso de avería Si se ausenta la señal del sensor de presión en el colector de admisión, la unidad de control del motor procede a excitar la válvula reguladora de la presión del combustible por medio de un valor fijo.
3.10.15 Los inyectores de alta presión Los inyectores van fijados a la culata e inyectan el combustible a alta presión directamente al interior del cilindro (inyección directa). La misión de los inyectores es inyectar el combustible en un tiempo mínimo, adecuadamente pulverizado y de forma específica según el modo operativo momentáneo. Así por ejemplo, en el modo estratificado se posiciona el combustible de forma concentrada en la zona de la bujía, mientras que en los modos homogéneo-pobre y homogéneo se pulveriza de un modo uniforme en toda la cámara de combustión.
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Con un ángulo de proyección del chorro de 70° y un ángulo de inclinación del chorro de 20° se tiene dada un posicionamiento exacto del combustible, sobre todo en el modo estratificado.
3.10.15.1 Funcionamiento Durante el ciclo de la inyección se excita el bobinado electromagnético en el inyector y se genera una campo magnético. A raíz de ello se atrae el inducido con la aguja, con lo cual abre el inyector y proyecta el combustible. Al dejarse de excitar el bobinado se neutraliza el campo magnético y la aguja es oprimida por el muelle de compresión contra su asiento en el inyector. El flujo del combustible queda interrumpido.
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Nota: podemos decir que los sistemas de inyección directa frente a los sistemas de inyección en el colector de admisión (inyección indirecta), tienen que trabajar con presiones de inyección mas altas y el tiempo disponible para hacer la inyección es notablemente menor. Sin embargo el mismo volumen de combustible puede ser inyectado en menos tiempo si se incrementa la presión de inyección. Como ejemplo orientativo diremos que en la inyección directa, el tiempo de inyección para 6.000 r.p.m. es de 5 ms frente a los 20 ms se los sistemas de inyección en el colector de admisión.
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3.10.15.2 Excitación de los inyectores de alta presión Los inyectores de alta presión se excitan por medio de un circuito electrónico en la unidad de control del motor. Para que el inyector abra lo más rápidamente posible se le da una breve premagnetización y se le aplica una tensión de aprox. 90 voltios. De ahí resulta una intensidad de corriente de hasta 10 amperios. Al estar el inyector abierto al máximo resulta suficiente una tensión de 30 voltios y una intensidad de 3 a 4 amperios para mantenerlo abierto.
3.10.15.3 Efectos en caso de avería Un inyector averiado es reconocido por la detección de fallos de encendido/combustión y deja de ser excitado.
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3.10.16 La válvula dosificadora de combustible Esta situada en el tubo de alimentación hacia la bomba de combustible de alta presión y hacia el regulador de presión del combustible. Va fijada a la torreta de la suspensión.
3.10.16.1 Funcionamiento Durante el funcionamiento normal, la válvula se encuentra abierta y libera el paso hacia el regulador de presión del combustible. Si durante el ciclo de arranque del motor la temperatura del líquido refrigerante supera los 110 °C y la temperatura del aire aspirado es superior a 50 °C se trata de un arranque en caliente. En ese caso, la unidad de control del motor excita la válvula durante unos 50 segundos y cierra así el paso hacia el regulador de presión. A raíz de ello aumenta la presión en el sistema de baja presión hasta alcanzar la presión de bombeo máxima de la bomba eléctrica. Por intervención de una válvula interna para la limitación de la presión, alcanza 5,8 bares como máximo. Este aumento de presión impide que se produzcan burbujas de vapor en el lado aspirante de la bomba de alta presión y garantiza una alta presurización fiable.
3.10.16.2 Efectos en caso de avería Si se avería la válvula dosificadora de combustible, un muelle de compresión la mantiene cerrada todo el tiempo. De esa forma aumenta la presión en el sistema de baja presión hasta 5,8 bares y se impide la inmovilización del vehículo durante el ciclo de arranque en caliente.
3.10.17 El depósito de carbón activo (canister) Este dispositivo se necesita para cumplir con los requisitos legales planteados a las emisiones de hidrocarburos (HC). Evita que los vapores de combustible del depósito puedan pasar al
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medio ambiente. Los vapores de combustible se almacenan en el depósito de carbón activo y se conducen de forma sistemática hacia la cámara para su combustión. •
•
En los modos homogéneo-pobre y homogéneo: la mezcla capaz de ignición se encuentra distribuida de un modo uniforme en la cámara. La combustión tiene lugar en toda la extensión de la cámara, y el combustible procedente del depósito de carbón activo se quema en esa ocasión. En el modo estratificado: la mezcla capaz de ignición se encuentra concentrada solamente en la zona de la bujía. Una parte del combustible procedente del depósito de carbón activo se encuentra sin embargo en la zona exterior, no directamente inflamable. Esto puede provocar una combustión incompleta y aumentar las emisiones de HC en los gases de escape. Por tal motivo sólo se habilita el modo estratificado si el sistema calcula que el depósito de carbón activo tiene una carga baja.
La unidad de control del motor calcula la cantidad de combustible que se puede agregar procedente del depósito de carbón activo. Acto seguido se excita la electroválvula, efectuándose una adaptación de la cantidad inyectada y el reglaje de la mariposa. A esos efectos, la unidad de control del motor necesita la siguiente información: • • •
•
la carga del motor, procedente del medidor de la masa de aire por película caliente , el régimen del motor, procedente del sensor de régimen del motor, la temperatura del aire aspirado, procedente del sensor de temperatura del aire aspirado y el estado de carga del depósito de carbón activo, procedente de la sonda Lambda
3.10.18 Sistema de admisión de aire Ha sido adaptado a las necesidades de un motor de inyección directa de gasolina, en comparación con un sistema de inyección en el colector de admisión, el sistema influye de
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forma específica en el flujo del aire en el cilindro, según el modo operativo de funcionamiento del motor (modo estratificado, modo homogéneo, etc) Los elementos básicos que forman el sistema de admisión de aire (figura inferior) son los siguientes:
1. un medidor de la masa de aire por película caliente con el sensor de temperatura del 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
aire aspirado (G42) para la determinación exacta de las condiciones de carga un sensor de presión en el colector de admisión para calcular la cantidad de gases de escape a recircular un circuito de mando para las chapaletas en el colector de admisión con objeto de conseguir un flujo específico del aire en el cilindro una electroválvula de recirculación de gases de escape con una gran sección de paso para conseguir altas cantidades de gases recirculados un sensor de presión para servofreno, destinado a regular la depresión de frenado. unidad de mando de la mariposa depósito de carbón activo unidad de control del motor
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3.10.19 Acelerador electrónico Constituye la condición previa esencial para la inyección directa de gasolina. Con su ayuda se puede regular la válvula de mariposa independientemente de la posición del acelerador y en los modos estratificado y homogéneo-pobre se la puede abrir a una mayor magnitud. La ventaja se manifiesta en un funcionamiento del motor casi exento de pérdidas de estrangulamiento. Eso significa, que el motor tiene que aspirar el aire superando una menor resistencia, con lo cual se reduce el consumo de combustible.
3.10.19.1 Funcionamiento Los deseos expresados por el conductor a través del acelerador se detectan por medio de los sensores de posición del acelerador y se transmiten a la unidad de control del motor. Con ayuda de esta señal y otras señales suplementarias calcula el par necesario y lo implementa a través de los actuadores.
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•
En el modo estratificado se determina el par del motor a través de la cantidad de combustible. La válvula de mariposa se encuentra casi completamente abierta, excepto un estrangulamiento necesario para el depósito de carbón activo, la recirculación de gases de escape y eventualmente para la regulación de la depresión para el freno. En los modos homogéneo-pobre y homogéneo el par del motor se determina a través del ángulo de encendido y la masa de aire aspirada. La válvula de mariposa abre de acuerdo con el par motor necesario.
3.10.20 Colector de admisión variable mediante trampillas
(chapaletas) Se utiliza para gestionar el flujo del aire en el cilindro de conformidad con el modo operativo reinante.
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3.10.20.1 Chapaleta en el colector de admisión accionada En los modos estratificado y homogéneo-pobre y en partes del modo homogéneo se acciona la chapaleta en el colector de admisión y se cierra el conducto inferior en la culata. Debido a ello el aire de admisión fluye únicamente a través del conducto superior hacia el cilindro. Este conducto está diseñado de modo que el aire de admisión ingrese describiendo una turbulencia cilíndrica. Adicionalmente aumenta la velocidad de flujo a través del estrecho conducto superior, intensificando la formación de la mezcla. Esto tiene dos ventajas •
•
En el modo estratificado, el flujo cilíndrico del aire transporta el combustible hacia la bujía. En el trayecto hacia ésta se realiza la formación de la mezcla. En el modo homogéneo-pobre y en partes del modo homogéneo, el flujo de turbulencia cilíndrica del aire respalda la formación de la mezcla. De esta forma se consigue una alta capacidad de ignición de la mezcla y una combustión estable, así como un funcionamiento con mezcla pobre.
3.10.20.2 Chapaleta en el colector de admisión no accionada Al funcionar a cargas y regímenes superiores en el modo homogéneo no se acciona la chapaleta en el colector de admisión, con lo cual se encuentran abiertos ambos conductos. Debido a la mayor sección de paso del conducto de admisión, el motor puede aspirar la masa de aire necesaria para la entrega de un par más intenso y una alta potencia.
3.10.20.3 Sensor de posición para la chapaleta en el colector de
admisión Va unido al eje para las chapaletas en el colector de admisión, y detecta la posición de las mismas, transmitiendo esta información a la unidad de control del motor. Esto es necesario, porque la actuación de las chapaletas en el colector de admisión influye en el encendido, en el contenido de gases residuales y en las pulsaciones del aire en el colector de admisión. La posición de las chapaletas en el colector de admisión resulta relevante por ello para los gases de escape, en virtud de lo cual se la tiene que verificar a través de la autodiagnosis. Este sensor es un potenciómetro. Efectos en caso de avería del sensor Si se ausenta la señal del sensor ya sólo se permite el modo homogéneo.
3.10.20.4 Electroválvula de control para chapaleta en el colector
de admisión Es excitada por la unidad de control del motor y abre el paso del depósito de vacío hacia la válvula neumática de accionamiento. A raíz de ello la válvula neumática se encarga de accionar las chapaletas en el colector de admisión. Efectos en caso de avería de la electroválvula Si se avería esta válvula ya sólo se permite el modo homogéneo.
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3.10.21 Medidor de la masa de aire con sensor de temperatura
del aire aspirado Ambos sensores van alojados en una carcasa situada en el trayecto de admisión ante la unidad de mando de la mariposa. Para obtener la señal más exacta posible sobre la carga del motor se emplea un medidor de la masa de aire por película caliente con detección de flujo inverso. Mide no sólo el aire aspirado, sino que también detecta la cantidad de aire que vuelve debido a la apertura y el cierre de las válvulas. La temperatura del aire de admisión medida por el sensor se utiliza como valor de corrección.
3.10.21.1 Aplicaciones de la señal Las señales se emplean para calcular todas las funciones supeditadas a la carga. Son éstas por ejemplo el tiempo de inyección, el momento de encendido y el sistema del depósito de carbón activo.
3.10.21.2 Estructura El medidor de la masa de aire por película caliente consta de una carcasa de material plástico con un conducto de medición y un circuito eléctrico con un elemento sensor. El conducto de medición está diseñado de modo que una parte del aire aspirado y el aire de flujo inverso pasen ante el elemento sensor. En el elemento sensor se genera con ello una señal que se procesa en el circuito eléctrico y se transmite a la unidad de control del motor.
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3.10.21.3 Efectos en caso de avería Si se avería el medidor de la masa de aire se emplea la señal del sensor de presión en el colector de admisión como señal de carga del motor.
3.10.22 Sensor de presión en el colector de admisión Va fijado al colector de admisión. Mide la presión en el colector de admisión y transmite una señal correspondiente a la unidad de control del motor.
3.10.22.1 Aplicaciones de la señal Con esta señal y con las señales del medidor de la masa de aire y el sensor de temperatura del aire aspirado, la unidad de control del motor calcula la cantidad exacta de gases de escape a recircular. Con el sensor de presión en el colector de admisión se detecta asimismo la carga durante el ciclo de arranque del motor, porque en esas condiciones son todavía demasiado inexactas las señales procedentes del medidor de la masa de aire, debido a las pulsaciones que presenta la admisión.
3.10.22.2 Funcionamiento La medición de la presión en el colector de admisión se realiza con ayuda de una membrana de cristales de silicio. Sobre esta membrana hay resistencias extensométricas, cuya resistencia eléctrica varía ante cualquier deformación de la membrana. El vacío de referencia se utiliza para la comparación de presiones. La membrana se deforma según la intensidad de la presión en el colector de admisión, con lo cual varía la resistencia y se produce una variación de la tensión en la señal eléctrica. Con estas señales eléctricas, la unidad de control del motor detecta la presión que está dada en el colector de admisión.
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3.10.23 Sistema de recirculación de gases de escape (EGR) En la retroalimentación de los gases de escape se conduce una parte de los gases de escape a la admisión del motor. Hasta un cierto grado, una parte de los gases residuales creciente puede repercutir positivamente sobre la transformación de energía, reduciendo con ello la emisión de contaminantes.
3.10.23.1 Determinacion de la cantidad de gases de escape a
recircular Con ayuda del medidor de la masa de aire, la unidad de control del motor mide la masa del aire fresco aspirado y calcula de ahí la correspondiente presión en el colector de admisión. Si se alimentan gases de escape a través del sistema de recirculación aumenta la masa del aire fresco en una cantidad correspondiente a la de los gases recirculados y la presión en el colector de admisión aumenta. El sensor de presión en el colector de admisión mide esta presión y transmite una señal de tensión correspondiente a la unidad de control del motor. Previo análisis de esta señal se determina la cantidad total (aire fresco + gases de escape). El sistema resta la masa de aire fresco de esta cantidad total y obtiene así la cantidad de gases de escape. La ventaja reside en que se puede aumentar la cantidad de gases de escape a recircular y se la puede acercar aún más al límite operativo.
3.10.23.2 Efectos en caso de avería Si se avería el sensor de presión en el colector de admisión, la unidad de control del motor calcula la cantidad de gases de escape y reduce la cantidad a recircular en comparación con lo previsto en la familia de curvas características.
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3.10.23.3 Sensor de presión para amplificación de servofreno Se encuentra en el conducto entre el colector de admisión y el amplificador de servofreno. Mide la presión en el conducto y en el amplificador de servofreno, respectivamente.
Aplicaciones de la señal Con ayuda de la señal de tensión procedente del sensor de presión, la unidad de control del motor detecta si es suficiente la depresión para el funcionamiento del amplificador de servofreno.
Funcionamiento El amplificador de servofreno requiere una depresión específica para alcanzar lo más rápidamente posible la fuerza de frenado máxima. En los modos operativos de carga estratificada y carga homogénea-pobre, la válvula de mariposa se encuentra más abierta y en el colector de admisión está dada una baja depresión. La depresión acumulada en el servofreno deja de ser suficiente si ahora se acciona el freno varias veces. Para evitar este fenómeno se procede a cerrar un poco más la válvula de mariposa, para que aumente el vacío generado. Si la depresión sigue siendo insuficiente se cierra más aún la mariposa y en caso dado se pasa incluso al modo homogéneo.
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3.10.23.4 Gestión electrónica del motor
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Entradas 1. Medidor de masa de aire Sensor de temperatura de aire aspirado 2. Sensor de presión en el colector de admisión 3. Sensor de régimen del motor 4. Sensor Hall (posición de arboles de levas) 5. Unidad de mando de la mariposa Sensor de ángulo 1 + 2 6. Sensor de posición del acelerador Sensor 2 de posición del acelerador 7. Conmutador de luz de freno F Conmutador de pedal de freno 8. Conmutador de pedal de embrague 9. Sensor de presión de combustible 10. Potenciómetro para chapaleta en el colector de admisión 11. Sensor de picado 12. Sensor de temperatura del líquido refrigerante 13. Sensor de temperatura del líquido refrigerante a la salida del radiador 14. Potenciómetro, botón giratorio para selección de temperatura 15. Potenciómetro para recirculación de gases de escape 16. Sonda Lambda 17. Sensor de temperatura de los gases de escape 18. Sensor de NOx Unidad de control para sensor de NOx 19. Sensor de presión para amplificación de servofreno
Salidas 1. Relé de bomba de combustible 2. Bomba de combustible 3. Inyectores cilindros 14 4. Bobinas de encendido 1-4 5. Unidad de mando de la mariposa Mando de la mariposa 6. Relé de alimentación de corriente para Motronic 7. Válvula reguladora de la presión del combustible 8. Válvula de dosificación del combustible 9. Electroválvula para depósito de carbón activo 10. Válvula para gestión del aire de la chapaleta en el colector de admisión 11. Válvula de reglaje de distribución variable 12. Termostato para refrigeración del motor 13. Válvula para recirculación de gases de escape unidad indicadora en el 14. Calefacción para sonda lambda 15. Calefacción para sensor de NOx
La unidad de control del motor va instalada en la caja de aguas y tiene 121 pines. La unidad de control utilizada para motores de inyección directa es muy similar a las utilizadas en motores de inyección en colector de admisión. Por ejemplo Bosch en sus sistemas Motronic tiene la versión ME 7.5.10 se ve como en este caso le falta la D que es la que designaría que se trata un sistema de inyección directa de gasolina. Dentro del sistema de inyección Motronic MED 7 hay varias versiones: MED 7.5.10 y MED 7.5.11. La diferencia principal entre ambas versiones es que la ultima posee un procesador mas rápido.
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3.10.23.5 Gestión del motor basada en el par El sistema Bosch Motronic MED 7.5.10/11 es un sistema de gestión de motores basado en el par. Esto significa, que se recogen, analizan y coordinan todas las solicitudes de entrega de par. Las solicitudes de entrega de par son : de orden interior: • • • • • •
arranque del motor calefacción del catalizador regulación del ralentí limitación de potencia limitación del régimen regulación lambda
de orden exterior: • • •
• •
deseos del conductor cambio automático (punto de cambio) sistema de frenos (regulación antideslizamiento antideslizamiento de la tracción, regulación del par de inercia del motor) climatizador (compresor para climatizador On/Off) programador de velocidad
Previo cálculo del par teórico del motor se lleva a la práctica la solicitud por dos vías: •
•
•
•
En la primera vía se influye sobre el llenado de los cilindros. Sirve para las solicitudes de entrega de par de mayor plazo. En el modo estratificado le corresponde poca importancia, porque la válvula de mariposa abre a una gran magnitud, para reducir las pérdidas por estrangulamiento. En la segunda vía se influye por corto plazo sobre el par de giro, independientemente del llenado de los cilindros. En el modo estratificado sólo se determina el par a través de la cantidad de combustible, mientras que en los modos homogéneo-pobre y homogéneo sólo se determina a través del momento de encendido.
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3.10.23.6 Funcionamiento Previo análisis de las solicitudes de entrega de par de orden interno y externo, la unidad de control del motor calcula el par teórico y la forma de ponerlo en práctica. Implementación Implementación en el modo estratificado En el modo estratificado se implementa el par teórico a través de la cantidad inyectada. La masa de aire desempeña un papel de segunda importancia, porque la válvula de mariposa se encuentra abierta a una gran magnitud, para reducir las pérdidas por estrangulamiento.Al momento de encendido le corresponde también una reducida importancia, debido a que la inyección se efectúa en un momento tardío.
Implementación en el modo homogéneo-pobre y en el modo homogéneo En estos dos modos operativos se implementan las solicitudes de entrega de par a corto plazo a través del momento de encendido y a largo plazo a través de la masa de aire. En virtud de que la mezcla de combustible y aire corresponde a un factor lambda fijo de 1,55 o bien 1 en ambos modos operativos, la cantidad a inyectar viene dada por la masa del aire aspirado. Por ese motivo no se procede a regular aquí el par de giro.
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3.10.24 Sistema de encendido Asume la función de inflamar la mezcla de combustible y aire en el momento adecuado. adecuado. Para conseguir este objetivo es preciso que la unidad de control del motor determine el momento de encendido, la energía de ignición y la duración que ha de tener la chispa del encendido en todos los puntos operativos. Con el momento de encendido se influye sobre el par del motor, el comportamiento de los gases de escape y el consumo de combustible del motor. •
•
En el modo estratificado: es preciso que el momento de encendido se encuentre dentro de una estrecha ventana angular del cigüeñal, debido a las particularidades que caracterizan a la formación de la mezcla. Sólo así se inflama fiablemente esta mezcla. En los modos homogéneo-pobre y homogéneo: no existen diferencias con respecto a un motor en el que se inyecta la gasolina hacia el colector de admisión. Debido al reparto homogéneo de la mezcla se emplean en ambos sistemas de inyección unos momentos de encendido comparables entre sí.
El cálculo del momento de encendido óptimo se realiza mediante: •
•
la información principal: 1.- Carga del motor, procedente del medidor de la masa de aire y del sensor de temperatura del aire aspirado 2.- Régimen del motor, procedente del sensor de régimen del motor la información de corrección 3.- Sensor de temperatura del líquido refrigerante 4.- Unidad de mando de la mariposa 5.- Sensor de picado
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6.- Sensor de posición del acelerador 7.- Sonda lambda
3.10.25 Reglaje de distribución variable Sistema que permite modificar los ángulos de apertura de las válvulas para aumentar el tiempo de llenado y vaciado del cilindro cuando el motor gira alto de vueltas y el tiempo disponible para ello es menor. Estos sistemas llamados "Convertidores de fase" permiten utilizar el tiempo óptimo de apertura y cierre de las válvulas a cualquier régimen de giro del motor La recirculación interna de gases de escape se lleva a cabo por medio de un reglaje de distribución variable sin escalonamientos en el árbol de levas de admisión. El reglaje se realiza en función de la carga y el régimen, abarcando un máximo de 40° ángulo de cigüeñal a partir de la posición básica en dirección de avance. Esto conduce a: •
•
una óptima recirculación interna de gases de escape, con la cual se reduce la temperatura de la combustión y disminuyen las emisiones de óxidos nítricos. un desarrollo más adecuado del par motor.
Señales de entrada para el calculo de ángulo de reglaje 1.- Medidor de masa de aire con sensor temperatura del aire 2.- Sensor de régimen motor 3.- Sensor de temperatura del liquido refrigerante Señal de entrada para conocer la posición efectiva de los árboles de levas 4.- Sensor Hall Señales de salida 5.- Válvula para reglaje de distribución variable.
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Nota: si quieres saber mas sobre los convertidores de fase utilizados en los sistemas de distribución variable, visita el curso de nuestra web que trata este tema.
3.10.26 La recirculación de gases de escape Es la que le da básicamente sentido al empleo de un catalizador-acumulador de NOx. Con ayuda de los gases de escape recirculados se reduce la temperatura de la combustión y se produce una menor cantidad de óxidos nítricos. Esto permite que el catalizador pueda almacenar óxidos nítricos durante un período relativamente prolongado y que se pueda trabajar más sostenidamente con el modo estratificado y el homogéneo-pobre, ahorrando combustible. La cantidad de gases de escape recirculados equivale como máximo a un 35% del total de gases de admisión.
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La recirculación de gases de escape se lleva a cabo: • •
en el modo estratificado y en el modo homogéneo-pobre, siempre; en el modo homogéneo hasta 4.000 r.p.m. y a media carga, pero no al ralentí.
La válvula de recirculación de gases de escape Esta sujeta y va atornillada al colector de admisión. Es de nuevo diseño para conseguir altos índices de recirculación de gases de escape. Consta de una carcasa con una mariposa, un motor eléctrico y un potenciómetro para recirculación de gases de escape. La toma de los gases de escape se realiza a través de un tubo de unión en la culata del cuarto cilindro. La unidad de control del motor excita el motor eléctrico en función de su familia de curvas características y acciona una mariposa. Según la posición de la mariposa fluye ahora una determinada cantidad de gases de escape hacia el colector de admisión y se mezcla con el aire fresco aspirado. El potenciómetro para recirculación de gases de escape en la tapa de la carcasa detecta la posición de la mariposa. De ese modo es posible diagnosticar las condiciones en que se encuentra la válvula de recirculación de gases de escape.
3.10.27 Sistema de escape El sistema de escape ha sido adaptado a las exigencias de un motor con inyección directa de gasolina. Hasta ahora era un gran problema el tratamiento de los gases de escape en motores con inyección directa de gasolina. Esto se debe a que con un catalizador convencional de tres vías no se pueden alcanzar los límites legales de emisiones de óxidos nítricos en los modos estratificado, pobre y homogéneo-pobre. Por ello se incorpora para estos motores un catalizador-acumulador de NOx, que almacena los óxidos nítricos (NOx) en estos modos operativos. Al estar lleno el acumulador se pone en vigor un modo de regeneración, con el cual se desprenden los óxidos nítricos del catalizador-acumulador y se transforman en nitrógeno.
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Nota: con la recirculación de gases de escape y el reglaje de distribución variable ya se reducen las emisiones de óxidos nítricos desde la propia combustión.
3.10.27.1 Refrigeración de los gases de escape El objetivo consiste en refrigerar los gases de escape al grado que la temperatura en el catalizador-acumulador de NOx se mantenga lo más frecuente y prolongadamente posible dentro del margen comprendido entre los 250 °C y 500 °C, puesto que sólo en este margen de temperaturas el catalizador-acumulador está en condiciones de almacenar los óxidos nítricos. Otro motivo es el descenso permanente de la capacidad de acumulación si se calentó el catalizador-acumulador de NOx a más de 850 °C.
3.10.27.2 Refrigeración del colector de escape (sólo en algunas
versiones de motor) En el armazón delantero del vehículo se conduce aire fresco de forma específica hacia el colector de escape, reduciéndose así la temperatura de los gases de escape.
3.10.27.3 El tubo de escape de tres caudales Se encuentra ante el catalizador-acumulador de NOx. Es la segunda medida que se aplica para reducir la temperatura de los gases de escape y con ésta la del catalizador-acumulador de NOx. Debido a la mayor superficie que representa, aumenta la disipación del calor hacia el aire del entorno y se reducen las temperaturas de los gases de escape. Ambas medidas conjuntas dan por resultado una reducción en la temperatura de los gases de escape, según la velocidad de marcha del vehículo, comprendida entre los 30 °C y 100 °C.
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3.10.27.4 Sonda lambda de banda ancha La sonda lambda de banda ancha va atornillada ante el catalizador en el colector de escape. Se utiliza para determinar el contenido de oxígeno residual en los gases de escape.
Aplicaciones de la señal Con la sonda lambda de banda ancha es posible determinar con exactitud la relación de combustible y aire, también cuando difiere de lambda = 1. En el modo homogéneo-pobre permite establecer de esa forma un lambda empobrecido de 1,55. En el modo estratificado se procede a determinar por cálculo el valor lambda, porque las sondas lambda de banda ancha son demasiado inexactas en este sector. Con ayuda de la señal, la unidad de control del motor calcula el valor lambda efectivo e inicia la regulación al diferir con respecto al valor lambda teórico. La regulación se lleva a cabo a través de la cantidad inyectada.
3.10.27.5 El catalizador previo de tres vías Este catalizador va situado en el colector de escape. Debido a su posición cerca del motor alcanza rápidamente su temperatura de servicio y comienza con la depuración de los gases de escape. Esto permite respetar los estrictos valores límite impuestos a las emisiones de escape. Su misión es transformar catalíticamente los contaminantes de la combustión en sustancias inofensivas.
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3.10.27.5.1 Funcionamiento •
•
Modo homogéneo con lambda = 1 Los hidrocarburos (HC) y los monóxidos de carbono (CO) reaccionan con el oxígeno (O) de los óxidos nítricos (NOx), transformándose en agua (H2O) y en dióxido de carbono (CO2). Los óxidos nítricos se reducen al mismo tiempo formando nitrógeno (N2). En el modo estratificado y en el modo homogéneo-pobre con lambda > 1 Los hidrocarburos y los monóxidos de carbono reaccionan preferentemente con el oxígeno que abunda en los gases de escape y no con los óxidos nítricos. Por ese motivo, los óxidos nítricos no son transformados en nitrógeno en un catalizador de tres vías durante el modo de mezcla pobre. Pasan a través del catalizador de tres vías haca el catalizador-acumulador de NOx.
3.10.27.6 Sensor de temperatura de los gases de escape El sensor de temperatura de los gases de escape va atornillado en el tubo de escape detrás del precatalizador. Mide la temperatura de los gases de escape y transmite esta información a la unidad de control del motor.
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Aplicaciones de la señal Con ayuda de la señal procedente del sensor de temperatura de los gases de escape, la unidad de control del motor calcula, entre otras cosas, la temperatura en el catalizadoracumulador de NOx. Esto resulta necesario por los motivos siguientes: •
•
El catalizador-acumulador de NOx sólo puede almacenar óxidos nítricos a una temperatura operativa entre los 250 °C y 500 °C. Por ello, sólo en este margen de temperaturas se puede pasar a los modos estratificado y homogéneo-pobre. El azufre se almacena interinamente en el catalizador-acumulador de NOx. Para desprender nuevamente el azufre en los puntos de retención es preciso que la temperatura en el catalizador-acumulador sea de 650 °C como mínimo.
3.10.27.6.1 Funcionamiento En el sensor se encuentra una resistencia de medición con coeficiente negativo de temperatura (NTC). Eso significa, que a medida que aumenta la temperatura se reduce su resistencia y la tensión de la señal aumenta. Esta tensión de la señal está asignada a una temperatura específica en la unidad de control del motor. Efectos en caso de avería del sensor Si se ausenta esta señal se pasa a la función de emergencia y la unidad de control del motor calcula la temperatura de los gases de escape. En virtud de que este cálculo no es tan exacto, el sistema pasa más temprano al modo homogéneo.
3.10.27.7 Catalizador-acumulador de NOx Va instalado en el mismo sitio que un catalizador principal de tres vías, de tipo convencional. Desempeña las funciones de un catalizador de tres vías y puede almacenar adicionalmente óxidos nítricos.
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3.10.27.7.1 Misión •
•
En el modo homogéneo con lambda = 1, el catalizador-acumulador de NOx trabaja como un catalizador convencional de tres vías. En los modos estratificado y homogéneo-pobre con lambda > 1 ya no puede efectuar la conversión de los óxidos nítricos. Por ello se los almacena en el catalizadoracumulador de NOx. Una vez agotada la capacidad de acumulación se efectúa un ciclo de regeneración. Debido a la similitud química con los óxidos nítricos también almacena el azufre.
3.10.27.7.2 Funcionamiento Aparte de los tres materiales estratificados platino, rodio y paladio, el catalizador-acumulador de NOx lleva una cuarta capa, que consta de óxido de bario. Esto permite almacenar interinamente óxidos nítricos durante el funcionamiento con mezcla pobre. •
Acumulación
Los óxidos nítricos se oxidan en el estrato de platino, formando dióxido nítrico y reaccionan entonces con el óxido de bario formando nitrato bárico.
•
Desacumulación (regeneración)
La desacumulación se lleva a cabo por ejemplo por medio de las moléculas de CO que abundan en los gases de escape correspondientes a mezcla rica. Primero se reduce el nitrato bárico nuevamente a óxido de bario, por la reacción con el monóxido de carbono. De esa forma se despiden dióxido de carbono y monóxido de nitrógeno. La presencia de rodio y platino hace que se reduzcan los óxidos nítricos, produciendo nitrógeno, y que el monóxido de carbono se oxide produciendo dióxido de carbono.
145/189
3.10.27.8 La unidad de control para sensor de NOx Se encuentra ubicada en los bajos del vehículo, cerca del sensor de NOx. Su emplazamiento cercano impide que las influencias parásitas externas falsifiquen las señales del sensor de NOx. En la unidad de control para sensor de NOx se procesan las señales del sensor de NOx y se transmiten a la unidad de control del motor. Efectos en caso de avería Si se avería la unidad de control para sensor de NOx, el sistema pasa de regulación a control. Debido a las mayores emisiones de óxidos nítricos se prohiben los modos estratificado y homogéneo-pobre.
3.10.27.9 Sensor de NOx Va atornillado en el tubo de escape, directamente detrás del catalizador-acumulador de NOx. En éste se determina el óxido nítrico (NOx) y el contenido de oxígeno en los gases de escape y se transmiten las señales correspondientes a la unidad de control para sensor de NOx. Estructura Consta de dos cámaras, dos celdas de bomba, varios electrodos y una calefacción. El elemento sensor consta a su vez de dióxido de circonio. El circonio presenta la particularidad de que, al tener una tensión aplicada, los iones negativos de oxígeno del electrodo negativo se desplazan hacia el electrodo positivo.
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Aplicaciones de la señal Con ayuda de estas señales se detecta y comprueba: • •
•
si es correcto el funcionamiento del catalizador. si es correcto el punto de regulación lambda = 1 de la sonda lambda de banda ancha en el precatalizador o si se tiene que corregir. La corrección se puede llevar a cabo a través de un circuito interno en la unidad de control para NOx. Con su ayuda se puede captar en los electrodos del sensor de NOx una señal parecida a la de la sonda de señales a saltos.Una señal de esa índole es muy exacta dentro del margen lambda = 1. cuándo está agotada la capacidad de acumulación en el catalizador-acumulador de NOx y cuándo se tiene que iniciar un ciclo de regeneración de NOx o de azufre.
Las señales son transmitidas por el sensor de NOx a la unidad de control para sensor de NOx. Efectos en caso de avería Si se ausenta la señal del sensor de NOx ya sólo se permite trabajar el motor en el modo homogéneo.
3.10.27.9.1 Funcionamiento El funcionamiento del sensor de NOx se basa en la medición de oxígeno y se puede derivar del de una sonda lambda de banda ancha.
•
•
Determinación del factor lambda en la primera cámara. Una parte de los gases de escape fluye hacia la 1ª cámara. Debido a que existen diferentes contenidos de oxígeno en los gases de escape y en la celda de referencia resulta mensurable una tensión eléctrica en los electrodos. La unidad de control para sensor de NOx se encarga de regular esta tensión a 425 mV constantes. Esto equivale a una relación de combustible y aire de lambda = 1. Si existen diferencias se extrae o introduce oxígeno. La corriente necesaria de la bomba constituye una medida para el valor lambda. Determinación del contenido de NOx en la segunda cámara. Los gases de escape exentos de oxígeno fluyen de la 1ªa la 2ª cámara. Las moléculas de NOx en el gas de escape se disocian en un electrodo especial, produciendo N2 y O2. En virtud de que en los electrodos interior y exterior se regula una tensión constante de 450 mV, los iones de oxígeno se desplazan del electrodo interior hacia el exterior. La corriente de bomba de oxígeno que fluye por ese motivo constituye una medida para determinar el contenido de oxígeno en la 2ª cámara. Como la corriente de bomba de oxígeno guarda la misma relación hacia el contenido de óxidos nítricos en los gases de escape resulta posible determinar así la cantidad de óxidos nítricos.
Si el contenido de óxidos nítricos sobrepasa un valor umbral específico queda agotada la capacidad de almacenamiento en el catalizador-acumulador de NOx y se inicia un ciclo de regeneración de NOx. Si este valor umbral se sobrepasa en intervalos de tiempo cada vez más breves, significa que el catalizador-acumulador está saturado de azufre y se inicia por ello un ciclo de regeneración de azufre.
3.10.27.9.2 Modo de regeneración En este modo se desprenden los óxidos nítricos y el azufre que se encuentran incrustados en el catalizador-acumulador de NOx y se transforman en nitrógeno no tóxico y dióxido de azufre respectivamente. La regeneración de óxidos nítricos. Se lleva a cabo cuando la concentración de óxidos nítricos sobrepasa un valor específico detrás del catalizador-acumulador. A raíz de ello, la unidad de control del motor detecta que el catalizador ya no puede almacenar más óxidos nítricos y está agotada la capacidad de acumulación. A consecuencia de ello se •
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activa el modo de regeneración.Con motivo de esta operación el sistema pasa del modo estratificado pobre a un modo homogéneo ligeramente enriquecido, aumentando así el contenido de hidrocarburos y monóxido de carbono en los gases de escape.En el catalizador-acumulador se combinan estas dos sustancias con el oxígeno de los óxidos nítricos y éstos se transforman en nitrógeno.El catalizador-acumulador de NOx puede almacenar óxidos nítricos durante un máximo de 90 segundos en el modo estratificado. Después de ello se realiza una regeneración durante unos 2 segundos.
•
La regeneración de azufre Es una operación más compleja, porque el azufre es más resistente a efectos de temperatura y permanece en el catalizador durante la regeneración de óxidos nítricos. El sistema efectúa un ciclo de desulfuración cuando la capacidad del catalizador-acumulador de NOx se agota en intervalos de tiempo cada vez más breves.De esta particularidad, la unidad de control del motor detecta que los puntos de retención del azufre están ocupados y que ya no se pueden almacenar óxidos nítricos.En ese momento y a partir de una velocidad mínima específica del vehículo se procede durante unos 2 minutos: o o
a pasar al modo homogéneo y a subir la temperatura del catalizador-acumulador a más de 650 °C a base de retrasar el momento de encendido.
Sólo entonces reacciona el azufre acumulado y se transforma en dióxido de azufre (SO2). Al circular con cargas y regímenes superiores se produce automáticamente el ciclo de desulfuración, porque se circula en el modo homogéneo y se alcanza así la temperatura necesaria para la desulfuración en el catalizador-acumulador de NOx.
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Nota: para mantener lo más reducido posible el consumo de combustible durante el ciclo de regeneración de azufre se recomienda repostar un combustible exento de azufre (p. ej. Shell Optimax).
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Esquema eléctrico
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F Conmutador de luz de freno F36 Conmutador de pedal de embrague F47 Conmutador de pedal de freno para GRA F265 Termostato para refrigeración del motor gestionada por familia de características G2 Sensor de temperatura del líquido refrigerante G6 Bomba de combustible G28 Sensor de régimen del motor G39 Sonda lambda G40 Sensor Hall G42 Sensor de temperatura del aire aspirado G61 Sensor de picado 1 G62 Sensor de temperatura del líquido refrigerante G70 Medidor de la masa de aire G71 Sensor de presión en el colector de admisión G79 Sensor de posición del acelerador G83 Sensor de temperatura del líquido refrigerante a la salida del radiador G185 Sensor 2 para posición del acelerador G186 Mando de la mariposa G187 Sensor de ángulo 1 para mando de la mariposa G188 Sensor de ángulo 2 para mando de la mariposa G212 Potenciómetro para recirculación de gases de escape G235 Sensor 1 para temperatura de gases de escape G247 Sensor de presión del combustible G267 Potenciómetro, botón giratorio, selección de temperaturas (se suprime en versiones con Climatronic) G294 Sensor de presión para amplificación de servofreno G295 Sensor de NOx G336 Potenciómetro para chapaleta en el colector de admisión J17 Relé de bomba de combustible J220 Unidad de control para Motronic
Q Bujías Z19 Calefacción para sonda lambda Z44 Calefacción para sensor de NOx J271 Relé de alimentación de corriente para Motronic J338 Unidad de mando de la mariposa J583 Unidad de control para sensor de NOx N70, N12, N291, N292 Bobinas de encendido 1 - 4 con etapas finales de potencia N18 Válvula de recirculación de gases de escape N30-N33 Inyectores 1 - 4 N80 Electroválvula 1 para depósito de carbón activo N205 Válvula 1 para reglaje de distribución variable N276 Válvula reguladora de la presión del combustible N290 Válvula dosificadora de combustible N316 Válvula para chapaleta en el colector de admisión, gestión del flujo de aire 1 Señal TD 2 Cable K/W 3 Compresor para climatizador 4 Climatizador dispuesto 5 Climatizador PWM 6 CAN-Bus de datos tracción 7 CAN-Bus de datos tracción 8 Borne de alternador DFM 9 Gestión de ventilador 1 10 Gestión de ventilador 2 11 Cable al borne 50 12 Cable al conmutador de contacto de puerta 13 Cable hacia airbag
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F Conmutador de luz de freno F36 Conmutador de pedal de embrague F47 Conmutador de pedal de freno para GRA F265 Termostato para refrigeración del motor gestionada por familia de características G2 Sensor de temperatura del líquido refrigerante G6 Bomba de combustible G28 Sensor de régimen del motor G39 Sonda lambda G40 Sensor Hall G42 Sensor de temperatura del aire aspirado G61 Sensor de picado 1 G62 Sensor de temperatura del líquido refrigerante G70 Medidor de la masa de aire G71 Sensor de presión en el colector de admisión G79 Sensor de posición del acelerador G83 Sensor de temperatura del líquido refrigerante a la salida del radiador G185 Sensor 2 para posición del acelerador G186 Mando de la mariposa G187 Sensor de ángulo 1 para mando de la mariposa G188 Sensor de ángulo 2 para mando de la mariposa G212 Potenciómetro para recirculación de gases de escape G235 Sensor 1 para temperatura de gases de escape G247 Sensor de presión del combustible G267 Potenciómetro, botón giratorio, selección de temperaturas (se suprime en versiones con Climatronic) G294 Sensor de presión para amplificación de servofreno G295 Sensor de NOx G336 Potenciómetro para chapaleta en el colector de admisión J17 Relé de bomba de combustible J220 Unidad de control para Motronic
Q Bujías Z19 Calefacción para sonda lambda Z44 Calefacción para sensor de NOx J271 Relé de alimentación de corriente para Motronic J338 Unidad de mando de la mariposa J583 Unidad de control para sensor de NOx N70, N12, N291, N292 Bobinas de encendido 1 - 4 con etapas finales de potencia N18 Válvula de recirculación de gases de escape N30-N33 Inyectores 1 - 4 N80 Electroválvula 1 para depósito de carbón activo N205 Válvula 1 para reglaje de distribución variable N276 Válvula reguladora de la presión del combustible N290 Válvula dosificadora de combustible N316 Válvula para chapaleta en el colector de admisión, gestión del flujo de aire 1 Señal TD 2 Cable K/W 3 Compresor para climatizador 4 Climatizador dispuesto 5 Climatizador PWM 6 CAN-Bus de datos tracción 7 CAN-Bus de datos tracción 8 Borne de alternador DFM 9 Gestión de ventilador 1 10 Gestión de ventilador 2 11 Cable al borne 50 12 Cable al conmutador de contacto de puerta 13 Cable hacia airbag
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4 INYECCION DIESEL 4.1 Campos de aplicación de los sistemas de
inyección diesel, Bosch.
4 INYECCION DIESEL 4.1 Campos de aplicación de los sistemas de
inyección diesel, Bosch.
M, MW, A, P, ZWM, CW: son bombas de inyección en linea de tamaño constructivo ascendente.
PF: bombas de inyección individuales. VE: bombas de inyección rotativas de émbolo axial. VR: bombas de inyección rotativas de émbolos radiales. UPS: unidad de bomba-tubería-inyector. UIS: unidad de bomba-inyector. CR: Common Rail. Para vehículos de gran tamaño como locomotoras barcos y vehículos industriales se utilizan motores diesel alimentados con sistemas de inyección regulados mecánicamente. Mientras que para turismos y también vehículos industriales los sistemas de inyección se regulan electrónicamente por una regulación electrónica diesel (EDC).
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4.2 Propiedades y datos característicos de los
sistemas de inyección diesel. Inyección
Sistemas Caudal de inyección Presión m e inyección por max. em ejecución carrera (bar) MV
DI IDI
Datos relativos al motor Potencia max. VE nº nº x NE cilindros r.p.m cilindro (kW)
Bombas de inyección en linea M
60
550
m, e
IDI
-
4....6
5000
20
A MW
120
750
m
DI/IDI
-
2....12
2800
27
150
1100
m
DI
-
4.....8
2600
36
P 3000
250
950
m, e
DI
-
4....12
2600
45
P 7100
250
1200
m, e
DI
-
4....12
2500
55
P 8000
250
1300
m, e
DI
-
6....12
2500
55
P 8500
250
1300
m, e
DI
-
4....12
2500
55
-
6.....8
2400
55
-
5.....8
2200
70
-
4.....6
4500
25
240 1300 e DI H1 250 1350 e DI H 1000 Bombas de inyección rotativas 120 1200/350 m DI/IDI VE
VE...EDC
70
1200/350
e, DI/IDI em
-
3.....6
4200
25
VE...MV
70
1400/350
e, DI/IDI MV
-
3.....6
4500
25
-
4, 6
4500
25
-
cualquiera
300... 2000
75...... 1000
Bombas de inyección rotativas de émbolos axiales VR..MV
135
1700
e, MV
DI
Bombas de inyección de un cilindro 150.... 18000
800... 1500
m, DI/IDI em
UIS 30 2)
160
1600
e, MV
DI
VE
8 3a)
3000
45
UIS 31 2)
300
1600
e, MV
DI
VE
8 3a)
3000
75
UIS 32 2)
400
1800
e, MV
DI
VE
8 3a)
3000
80
UIS-P1 3)
62
2050
e, MV
DI
VE
8 3a)
5000
25
PF(R)...
153/189
UPS 12 4)
150
1600
e, MV
DI
VE
8 3a)
2600
35
UPS 20 4)
400
1800
e, MV
DI
VE
8 3a)
2600
80
3000
1400
e, MV
DI
VE
6.....20
1500
500
UPS (PF(R)
Sistema de inyección de acumulador Common Rail CR 5)
100
1350
e, MV
DI
VE(5a)/NE
3......8
CR 6)
400
1400
e, MV
DI
VE(6a)/NE
6......16
5000 5b)
2800
30 200
Tipo de regulación: m mecánicamente; e electrónicamente; em electrómecánicamente; MV electroválvula. DI: inyección directa; IDI: inyección indirecta. VE: inyección previa; NE: inyección posterior. 2) UIS unidad de bomba-inyector para vehículos industriales; 3) UIS para turismos; 3a) con dos unidades de control es posible también número mayor de cilindros; 4) UPS unidad de bomba-tubería-inyector para vehículos industriales y autobuses; 5) CR Common Rail 1ª generación para turismos y vehículos industriales ligeros; 5a) hasta 90º kW (cigüeñal) antes del PMS elegible libremente; 5b) hasta 5500 rpm en marcha con freno motor; 6) CR para vehículos industriales, autobuses y locomotoras diesel; 6a) hasta 30º kW antes del PMS.
4.3 Tipos de sistemas de inyección. 4.3.1
Bombas de inyección en linea
Estas bombas disponen por cada cilindro del motor de un elemento de bombeo que consta de cilindro de bomba y de émbolo de bomba. El émbolo de bomba se mueve en la dirección de suministro por el árbol de levas accionado por el motor, y retrocede empujado por el muelle del émbolo. Los elementos de bomba están dispuestos en linea. La carrera de émbolo es invariable. Para hacer posible una variación del caudal de suministro, existen en el émbolo aristas de mando inclinadas, de forma tal que al girar el émbolo mediante una varilla de regulación, resulte la carrera útil deseada. Entre la cámara de alta presión de bomba y el comienzo de la tubería de impulsión, existen válvulas de presión adicionales según las condiciones de inyección. Estas válvulas determinan un final de inyección exacto, evitan inyecciones ulteriores en el inyector y procuran un campo característico uniforme de bomba.
Bomba en linea tipo PE para 4 cilindros
154/189
4.3.2
Bomba de inyección en linea estándar PE
El comienzo de suministro queda determinado por un taladro de aspiración que se cierra por la arista superior del émbolo. Una arista de mando dispuesta de forma inclinada en el émbolo, que deja libre la abertura de aspiración, determina el caudal de inyección. La posición de la varilla de regulación es controlada con un regulador mecánico de fuerza centrifuga o con un mecanismo actuador eléctrico.
Bomba de inyección en linea con válvula de corredera Esta bomba se distingue de una bomba de inyección en linea convencional, por una corredera que se desliza sobre el émbolo de la bomba mediante un eje actuador convencional, con lo cual puede modificarse la carrera previa, y con ello también el comienzo de suministro o de inyección. La posición de la válvula corredera se ajusta en función de diversas magnitudes influyentes. En comparación con la bomba de inyección en linea estándar PE, la bomba de inyección en linea con válvula de corredera tiene un grado de libertad de adaptación adicional.
4.3.3
Bombas de inyección rotativas
Estas bombas tienen se sirven de un regulador de revoluciones mecánico para regular el caudal de inyección así como de un regulador hidráulico para variar el avance de inyección. En bombas rotativas controladas electrónicamente se sustituyen los elementos mecánicos por actuadores electrónicos. Las bombas rotativas solo tienen un elemento de bombeo de alta presión para todos los cilindros.
4.3.3.1
Bomba de inyección rotativa de émbolo axial.
Esta bomba consta de una bomba de aletas que aspira combustible del deposito y lo suministra al interior de la cámara de bomba. Un émbolo distribuidor central que gira mediante un disco de levas, asume la generación de presión y la distribución a los diversos cilindros. Durante una vuelta del eje de accionamiento, el embolo realiza tantas carreras como cilindros del motor a de abastecer. Los resaltes de leva en el lado inferior del disco de leva se deslizan sobre los rodillos del anillo de rodillos y originan así en el émbolo distribuidor un movimiento de elevación adicional al movimiento de giro. En la bomba rotativa convencional de émbolo axial VE con regulador mecánico de revoluciones por fuerza centrifuga, o con mecanismo actuador regulado electrónicamente, existe una corredera de regulación que determina
155/189
la carrera útil y dosifica el caudal de inyección. El comienzo de suministro de la bomba puede regularse mediante un anillo de rodillos (variador de avance). En la bomba rotativa de émbolo axial controlada por electroválvula, existe una electroválvula de alta presión controlada electrónicamente, que dosifica el caudal de inyección, en lugar de la corredera de inyección. Las señales de control y regulación son procesadas en dos unidades de control electrónicas ECU (unidad de control de bomba y unidad de control de motor). El número de revoluciones es regulado mediante la activación apropiada del elemento actuador.
4.3.3.2
Bomba de inyección rotativa de émbolos radiales
Esta bomba se caracteriza por utilizar émbolos radiales para generar presión. Pueden ser dos o cuatro émbolos radiales que son accionados por un anillo de levas. Una electroválvula de alta presión dosifica el caudal de inyección. El comienzo de la inyección se regula mediante el giro del anillo de levas, con el variador de avance. Igual que en la bomba de émbolo axial controlada por electroválvula, todas las señales de control y regulación se procesan en dos unidades de control electrónicas ECU (unidad de control de bomba y unidad de control de motor). Mediante la activación apropiada del elemento actuador se regula el número de revoluciones.
4.3.4
Bombas de inyección individuales
4.3.4.1
Bombas de inyección individuales PF
Estas bombas (aplicadas en motores pequeños, locomotoras diesel, motores navales y maquinaria de construcción) no tienen árbol de levas propio, pero corresponden sin embargo en su funcionamiento a la bomba de inyección en linea PE. En motores grandes, el regulador mecánico-hidráulico o electrónico esta adosado directamente al cuerpo del motor. La regulación del caudal determinada por el se transmite mediante un varillaje integrado en el motor. Las levas de accionamiento para las diversas bombas de inyección PF, se encuentran sobre el árbol de levas correspondiente al control de válvulas del motor. Por este motivo no es posible la variación del avance mediante un giro del árbol de levas. Aquí puede conseguirse un ángulo de variación de algunos grados mediante la regulación de un elemento intermedio (por ejemplo situando un balancín entre el árbol de levas y el impulsor de rodillo). Las bombas de inyección individuales son apropiadas también para el funcionamiento con aceites pesados viscosos
156/189
4.3.4.2
Unidad bomba-inyector UIS
La bomba de inyección y el inyector constituyen una unidad. Por cada cilindro del motor se monta una unidad en la culata que es accionada bien directamente mediante un empujador, o indirectamente mediante balancín, por parte del árbol de levas del motor. Debido a la supresión de las tuberías de alta presión, es posible una presión de inyección esencialmente mayor (hasta 2000 bar) que en las bombas de inyección en linea y rotativas. Con esta elevada presión de inyección y mediante la regulación electrónica por campo característico del comienzo de inyección y de la duración de inyección (o caudal de inyección), es posible una reducción destacada de las emisiones contaminantes del motor diesel.
Sistema UIS
4.3.4.3
Sistema UPS
Unidad bomba-tubería-inyector UPS
Este sistema trabaja según el mismo procedimiento que la unidad de bomba-inyector. Se trata aquí de un sistema de inyección de alta presión estructurado modularmente. Contrariamente a la unidad bomba-inyector, el inyector y la bomba están unidos por una tubería corta de inyección. El sistema UPS dispone de una unidad de inyección por cada cilindro del motor, la cual es accionada por el árbol de levas del motor. Una regulación electrónica por campo característico del comienzo de inyección y de la duración de inyección (o caudal de inyección) aporta una reducción destacada de las emisiones contaminantes del motor diesel. En combinación con la electro-válvula de conmutación rápida, accionada electrónicamente, se determina la correspondiente característica de cada proceso de inyección en particular.
157/189
4.3.5
Sistema de inyección de acumulador
4.3.5.1
Common Rail CR
En la inyección de acumulador "Common Rail" se realizan por separado la generación de presión y la inyección. La presión de inyección se genera independientemente del régimen del motor y del caudal de inyección y esta a disposición en el "Rail" (acumulador). El momento y el caudal de inyección se calculan en la unidad de control electrónica ECU y se realizan por el inyector en cada cilindro del motor, mediante el control de una electroválvula.
4.3.5.1.1
Introducción
La disminución del consumo de combustible combinado con el aumento de simultáneo de potencia o del par motor, determina el desarrollo actual en el sector de la técnica Diesel. Esto ha traído en los últimos años una creciente aplicación de motores diesel de inyección directa (DI), en los cuales se han aumentado de forma considerable las presiones de inyección en comparación con los procedimientos de cámara auxiliar de turbulencia o de precamara. De esta forma se consigue una formación de mezcla mejorada y una combustión mas completa. Debido a la formación de mezcla mejorada y a la ausencia de perdidas de descarga entre la precamara y la cámara de combustión principal, el consumo de combustible se reduce hasta un 10.... 15% respecto a los motores de inyección indirecta (IDI) o precamara.
158/189
4.3.5.1.2
Relación general del sistema
La regulación electrónica Diesel EDC (Electronic Diesel Control) a diferencia de los motores equipados con bombas convencionales de inyección (bombas en linea y bombas rotativas), el conductor no tiene ninguna influencia directa sobre el caudal de combustible inyectado (ejemplo: a través del pedal acelerador y un cable de tracción). El caudal de inyección se determina por el contrario a través de diversas magnitudes (ejemplo: estado de servicio, deseo del conductor, emisiones contaminantes, etc.). Esto requiere un extenso concepto de seguridad que reconoce averías que se producen y que aplica las correspondientes medidas conforme a la gravedad de una avería (ejemplo: limitación del par motor o marcha de emergencia en el margen del régimen de ralentí). La regulación electrónica diesel permite también un intercambio de datos con otros sistemas electrónicos (ejemplo: sistema de tracción antideslizante, control electrónico de cambio) y, por lo tanto, una integración en el sistema total del vehículo.
4.3.5.1.3
Procesamiento de datos del sistema EDC
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4.3.5.1.3.1 Señales
de entrada
Los sensores constituyen junto con los actuadores los intermediarios entre el vehículo y la unidad de control UCE. Las señales de los sensores son conducidas a una o varias unidades de control, a través de circuitos de protección y, dado el caso, a través de convertidores de señal y amplificadores: Las señales de entrada analógicas (ejemplo: la que manda el caudalimetro o medidor de caudal de aire aspirado, la presión del turbo, la temperatura del motor etc.) son transformadas por un convertidor analógico/digital (A/D) en el microprocesador de la unidad de control, convirtiendolas en valores digitales. Las señales de entrada digitales (ejemplo: señales de conmutación como la conexión/desconexión de un elemento o señales de sensores digitales como impulsos de revoluciones de un sensor Hall) pueden elaborarse directamente por el microprocesador. Las señales de entrada pulsatorias de sensores inductivas con informaciones sobre el numero de revoluciones y la marca de referencia, son procesadas en una parte del circuito de la unidad de control, para suprimir impulsos parasitos, y son transformadas en una señal rectangular. Según el nivel de integración, el procesamiento de la señal puede realizarse parcialmente o también totalmente en el sensor. •
•
•
4.3.5.1.3.2 Preparación
de señales
Las señales de entrada se limitan, con circuitos de protección, a niveles de tensión admisibles. La señal se filtra y se libera ampliamente de señales perturbadoras superpuestas, y se adapta por amplificación a la tensión de entrada de la unidad de control.
4.3.5.1.3.3 Procesamiento
de señales en la unidad de
control Los microprocesadores en la unidad de control elaboran las señales de entrada, casi siempre de forma digital. Necesitan para ello un programa que esta almacenado en una memoria de valor fijo (ROM o Flash-EPROM). Ademas existen una parte del programa que se adapta a las características del motor en particular (curvas características especificas del motor y campos característicos para el control del motor) almacenados en el Flash-EPROM. Los datos para el bloqueo electrónico de arranque, datos de adaptación y de fabricación, así como las posibles averías que se producen durante el servicio, se almacenan en una memoria no volátil de escritura/lectura (EEPROM). Debido al gran numero de variantes de motor y de equipamientos de los vehículos, las unidades de control están equipadas con una codificación de variantes. Mediante esta codificación se realiza, por parte del fabricante del vehículo o en un taller, una selección de los campos característicos almacenados en el Flash-EPROM, para poder satisfacer las funciones deseados de la variante del vehículo. Esta selección se almacena también en el EEPROM. Otras variantes de aparato están concebidas de tal forma que pueden programarse en el FlashEPROM conjuntos completos de datos al final de la producción del vehículo. De esta forma se reduce la cantidad de tipos de unidades de control necesarios para el fabricante del vehículo.
Una memoria volátil de escritura/lectura (RAM) es necesaria para almacenar en memoria datos variables, como valores de calculo y valores de señal. La memoria RAM necesita para su funcionamiento un abastecimiento continuo de corriente. Al desconectar la unidad de control por el interruptor de encendido o al desenbornar la batería del vehículo, esta memoria pierde todos los datos almacenados. Los valores de adaptación (valores aprendidos sobre estados del motor y de servicio) tienen que determinarse de nuevo en este caso, tras conectar otra vez la unidad de control. Para evitar este efecto, los valores de adaptación necesarios se almacenan en el EEPROM, en lugar de en una memoria RAM.
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4.3.5.1.3.4 Señales
de salida
Los microprocesadores controlan con las señales de salida etapas finales que normalmente suministran suficiente potencia para la conexión directa de los elementos de ajuste (actuadores). Las etapas finales están protegidas contra cortocircuitos a masa o a tensión de batería, así como contra la destrucción debida a la destrucción debida a una sobrecarga eléctrica. Estas averías, así como cables interrumpidos, son reconocidas por las etapas finales y son retransmitidas al microprocesador. Adicionalmente se transmiten algunas señales de salida, a través de interfaces, a otros sistemas.
4.3.6
Sistemas de ayuda de arranque para motores Diesel
Los motores Diesel cuando están fríos presentan dificultad de arranque o combustión ya que las perdidas por fugas y de calor al comprimir la mezcla de aire-combustible, disminuyen la presión y la temperatura al final de la compresión. Bajo estas circunstancias es especialmente importante la aplicación de sistemas de ayuda de arranque. En comparación con la gasolina, el combustible Diesel tiene una elevada tendencia a la inflamación. Es por ello por lo que los motores Diesel de inyección Directa (DI) arrancan espontaneamente en caso de arranque por encima de 0 ºC. La temperatura de autoencendido del gas-oil de 250 ºC es alcanzada durante el arranque con el régimen de revoluciones que proporciona el motor de arranque al motor de termico. Los motores de inyección directa (DI), necesitan a temperaturas inferiores a 0ºC un sistema de ayuda al arranque, mientras que los motores de inyección indirecta (IDI) o camara de turbulencia necesitan un sistema de ayuda al arranque para cualquier temperatura. Los motores de antecámara y de cámara auxiliar de turbulencia (inyección indirecta), tienen en la cámara de combustión auxiliar una bujía de espiga incandescente (GSK) (tambien llamados "calentadores") como "punto caliente". En motores pequeños de inyección directa, este punto caliente se encuentra en la periferia de la cámara de combustión. Los motores grandes de inyección para vehículos industriales trabajan alternativamente con precalentamiento del aire en el tubo de admisión (precalentamiento del aire de admisión) o con combustible especial con alta facilidad para el encendido (Starpilot), que se inyecta en el aire de admisión. Actualmente se emplean casi exclusivamente sistemas con bujías de espiga incandescente.
Las bujias de preincandescendia o calentadores pueden ir conectados electricamente en serie o en paralelo, aunque actualmente se usa mas la conexión paralelo de forma que una bujia averiada no afecta al funcionamiento de las otras.
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4.3.6.1
Bujía de espiga incandescente
La espiga de la bujía esta montada a presión de forma fija y estanca a los gases de escape en un cuerpo de la bujía, y consta de un tubo metálico resistente a los gases calientes y a la corrosión, que lleva en su interior un filamento incandescente rodeado de polvo compactado de óxido de magnesio. Este filamento incandescente consta de dos resistencias conectadas en serie: el filamento calefactor dispuesto en la punta del tubo incandescente, y el filamento regulador. Mientras que el filamento calefactor presenta una resistencia casi independiente a la temperatura, el filamento regulador tiene un coeficiente positivo de temperatura (PTC).
Su resistencia aumenta en las bujías de espiga incandescente de nueva generación (GSK2), al aumentar la temperatura con mayor intensidad todavía que en las bujías de espiga incandescente convencionales (tipo S-RSK). Las bujías GSK2 recientes se caracterizan por alcanzar con mayor rapidez la temperatura necesaria para el encendido (850 ºC en 4 seg.) y por una temperatura de inercia mas baja; la temperatura de la bujía se limita así a valores no
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críticos para si misma. En consecuencia, la bujía de espiga incandescente puede continuar funcionando hasta tres minutos después del arranque. Esta incandescencia posterior al arranque da lugar a una fase de aceleración y calentamiento mejoradas con una reducción importante de emisiones y gases de escape así como reducción del ruido característico en frío de los motores Diesel.
4.3.6.2
Bujía de precalentamiento
Esta bujía calienta el aire de admisión mediante la combustión de combustible. Normalmente, la bomba de alimentación de combustible del sistema de inyección, conduce el combustible a través de una electroválvula a la bujía de precalentamiento. En la boquilla de conexión de la bujía de precalentamiento se encuentra un filtro y un dispositivo dosificador. Este dispositivo dosificador deja pasar un caudal de combustible adaptado correspondiente al motor, que se evapora en un tubo vaporizador dispuesto alrededor de la espiga incandescente y que se mezcla entonces con el aire aspirado. La mezcla se inflama en la parte delantera de la bujía de precalentamiento, al entrar en contacto con la espiga incandescente caliente a mas de 1000 ºC.
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También se pueden usar rejillas calefactoras que al pasar el aire de admisión a través de ellas se calienta, estas rejillas calefactadas estarán conectadas unos segundos dependiendo de la temperatura ambiente y se desconectaran después de unos segundos.
4.3.6.3
Unidad de control de tiempo de incandescencia
Dispone, para la activación de las bujías de espiga incandescente, de un relé de potencia, así como de bloques de conmutación electrónica. Estos bloques controlan por ejemplo los tiempos de activación de las bujías de espiga incandescencte, o bien realizan funciones de seguridad y de supervisión. Con la ayuda de sus funciones de diagnostico, las unidades de control del tiempo de incandescencia todavía mas perfeccionadas, reconocen también el fallo de bujías incandescentes aisladas, comunicandolo entonces al conducto. Las entradas de control hacia la unidad de control de tiempo de incandescencia están construidas como un conector múltiple, y la vía de corriente hacia las bujías de espiga incandescente se conduce mediante pernos roscados o conectores apropiados, con el fin de impedir caídas de tensión no deseadas.
Unidad de control de pre/postcalentamiento
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4.3.6.4
Unidad de control de tiempo de incandescencia (GZS)
Funcionamiento El proceso de preincandescencia y de arranque se realizada con el interruptor de arranque. Con la posición de la llave "encendido conectado" comienza el proceso de preincandescencia. Al apagarse la lampara de control de incandescencia, las bujías de espiga incandescente están suficientemente calientes para poder iniciar el proceso de arranque. En la fase de arranque las góticas de combustible inyectadas se evaporan, se inflaman en el aire caliente comprimido, y el calor producido origina el proceso de combustión. La incandescencia después que el motor ha arrancado contribuye a un funcionamiento de aceleración y de ralentí sin fallos y con poca formación de humo y una disminución del ruido característico del motor en frió. Si no se arranca, una desconexión de seguridad de la bujía de espiga incandescente, impide que se descargue la batería. En caso de acoplamiento de la unidad de control de tiempo de incandescencia a la unidad de control del sistema EDC (Electronic Diesel Control), pueden aprovecharse las informaciones existentes allí, para optimizar la activación de la bujía de espiga en los diversos estados de servicio.
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4.3.7
GESTIÓN ELECTRÓNICA DIESEL
En este articulo se estudia los distintos sistemas de alimentación de combustible de los modernos motores diesel (TDi, Common Rail), así como la gestión electrónica que los controla. La Gestión Electrónica Diesel se utiliza hoy en día tanto en motores de "inyección indirecta" como en los famosos motores de "inyección directa" (si quieres ver un esquema de gestión electrónica diesel aplicada a un motor de inyección indirecta.
Sistema common-rail de Bosch
Dentro de los motores de inyección directa hay que distinguir tres sistemas diferentes a la hora de inyectar el combustible dentro de los cilindros. • • •
Mediante bomba de inyección rotativa. Common Rail. Inyector-bomba.
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4.3.7.1
Diferentes sistemas:
4.3.7.1.1
Bomba rotativa
Utiliza la tecnología tradicional de los motores diesel de "inyección indirecta" basado en una bomba rotativa (por ejemplo la bomba "tipo VE" de BOSCH) que dosifica y distribuye el combustible a cada uno de los cilindros del motor. Esta bomba se adapta a la gestión electrónica sustituyendo las partes mecánicas que controlan la "dosificación de combustible" así como la "variación de avance a la inyección" por unos elementos electrónicos que van a permitir un control mas preciso de la bomba que se traduce en una mayor potencia del motor con un menor consumo. Este sistema es utilizado por los motores TDI del grupo Volkswagen y los DTI de Opel y de Renault, así como los TDdi de FORD.
Foto de una bomba de inyección rotativa (bomba electrónica con su centralita).
4.3.7.1.2
Common rail
Sistema de conducto común (common-rail) en el que una bomba muy distinta a la utilizada en el sistema anterior, suministra gasoleo a muy alta presión a un conducto común o acumulador donde están unidos todos los inyectores. En el momento preciso una centralita electrónica dará la orden para que los inyectores se abran suministrando combustible a los cilindros. Esta tecnología es muy parecida a la utilizada en los motores de inyección de gasolina con la diferencia de que la presión en el conducto común o acumulador es mucho mayor en los motores diesel (1300 Bares) que en los motores gasolina (6 Bares máximo). Este sistema es utilizado por los motores, DCI de Renault de nueva generación, los HDI del Grupo PSA y los JTD del Grupo Fiat,
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4.3.7.1.3
Bomba inyector
Sistema de Bomba-inyector en el que se integra la bomba y el inyector en el mismo cuerpo con eso se consigue alcanzar presiones de inyección muy altas (2000 Bares), con lo que se consigue una mayor eficacia y rendimiento del motor.. Existe una bomba-inyector por cada cilindro. Este sistema es utilizado por el grupo Volkswagen en sus motores TDI de segunda generación.
En la figura de arriba tenemos todos los componentes que forman un sistema de alimentación para motores TDi de ultima generación que utilizan la nueva tecnología de la bomba-inyector.
4.3.8
GESTIÓN ELECTRÓNICA DIESEL (Funcionamiento)
En este curso se va hacer un estudio pormenorizado de la gestión electrónica aplicada a los motores que utilizan la tecnología clasica de los motores diesel de "inyección indirecta" basado en una bomba rotativa del "tipo VE" de BOSCH que dosifica y distribuye el combustible a cada uno de los cilindros del motor. Esta bomba se adapta a la
Gestión Electrónica Diesel (EDC Electronic Diesel Control) sustituyendo las partes mecánicas que controlan la "dosificación de combustible" así como la "variación de avance a la inyección" por unos elementos electrónicos que van a permitir un control mas preciso de la bomba que se traduce en una mayor potencia del motor con un menor consumo. Este sistema es utilizado por los motores TDI del grupo Volkswagen y los DTI de Opel y de Renault, así como los TDdi de FORD. La Gestión Electrónica Diesel (EDC) se puede aplicar tanto a motores de "inyección indirecta" como de "inyección directa" aunque la tecnica de los motores Diesel se ha perfeccionado tanto que hoy en dia no se fabrican casi motores de "inyección indirecta". Para entender mejor el funcionamiento de ambos motores vamos hacer una introdución.
En un motor de "inyección indirecta" (cámara de turbulencia) el combustible se inyecta dentro de la cámara de turbulencia quemandose una parte de el. La presión aumenta de modo que los gases de combustión y el carburante restante se apresura a salir por la tobera de la cámara de turbulencia y se mezcla con el aire de la cámara de combustión donde se produce la quema de combustible definitiva.
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En estos motores se produce, por tanto, un aumento lento de la presión en el interior de la camara de combustión, lo cual da al motor una marcha relativamente silenciosa que es una de sus principales ventajas, asi como unas caracteristicas constructivas del motor mas sencillas que los hace mas baratos de fabricar. Las desventajas de estos motores son: menor potencia, un mayor consumo de combustible y un peor de arranque en frio.
En un motor de "inyección directa" el combustible es inyectado directamente en la cámara de combustión del cilindro, lo cual proporciona un quemado mas eficaz y un bajo consumo de carburante, a la vez que tiene un mejor arranque en frio. Los inconvenientes de estos motores son: su rumorosidad, vibraciones y unas caracteristicas constructivas mas dificiles (caras de fabricar) ya que tienen que soportar mayores presiones de combustión. Para minimizar estos inconvenientes sobre todo el del ruido y las vibraciones del motor, se ha diseñado el motor de forma que se mejore la combustión, facilitando la entrada de aire a la cámara de combustión de forma que el aire aspirado por el motor tenga una fuerte rotación. Esto junto a la forma de la cámara de combustión, crea una fuerte turbulencia durante el tiempo de compresión. Los difusores de los inyectores llevan 5 orificios que junto con la alta presión de inyección ejecutada en dos pasos, distribuye el combustible finamente de manera eficaz. El conjunto de todo ello es que el combustible y el aire se mezcla al máximo, lo cual proporciona una combustión completa y por tanto una alta potencia y una reducción de los gases de escape. Los inyectores utilizados son distintos dependiendo del tipo de motor utilizado.
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Para motores de inyección indirecta se utilizan los llamados "inyectores de tetón" En el caso de motores con precámara o cámara de turbulencia, la preparación de la mezcla de combustible se efectúa principalmente mediante turbulencia de aire asistida por un chorro de inyección con la forma apropiada. En el caso de inyectores de tetón, la presión de apertura del inyector se encuentra generalmente entre 110 y 135 bar. La aguja del inyector de tetón tiene en su extremo un tetón de inyección con una forma perfectamente estudiada, que posibilita la formación de una preinyección. Al abrir el inyector , la aguja del inyector se levanta, se inyecta una cantidad muy pequeña de combustible que ira aumentando a medida que se levanta mas la aguja del inyector (efecto estrangulador), llegando a la máxima inyección de combustible cuando la aguja se levanta a su máxima apertura. El inyector de tetón y el estrangulador asegura una combustión mas suave y por consiguiente, un funcionamiento mas uniforme del motor, ya que el aumento de la presión de combustión es mas progresivo. Inyector de tetón: 1.- Entrada de combustible; 2.- Tuerca de racor para tubería de alimentación; 3.- Conexión para combustible de retorno; 4.- Arandelas de ajuste de presión; 5.- Canal de alimentación;
6.- Muelle; 7.- Perno de presión; 8.- Aguja del inyector; 9.- Tuerca de fijación del portainyector a la culata del motor.
Funcionamiento
Inyector de tetón: 1.- Aguja del inyector; 2.- Cuerpo del inyector; 3.- Cono de impulsión; 4.- Cámara de presión; 5.- Tetón de inyección.
Para motores de inyección directa se utiliza el "inyector de orificios". El inyector inyecta combustible directamente en la cámara de combustión en dos etapas a través de los cinco orificios que hay en el difusor. El diseño de la cámara de combustion junto con el inyector del tipo multiorificio, proporciona una combustion eficaz pero suave y silenciosa. El inyector lleva dos muelles con diferentes intensidades que actuan sobre la aguja dosificadora. Cuando la presión del combustible alcanza aproximadamente 180 bar, la aguja se eleva y vence la fuerza del muelle mas debil (muelle de pre-inyección). Una parte del combustible entonces es inyectado a traves de los cinco orificios en el difusor. A medida que el pistón de la bomba sigue desplazandose, la presión aumenta. A unos 300 bar, vence la fuerza la muelle mas fuerte (muelle de inyeccion principal). La aguja del difusor se eleva entonces un poco mas, y el combustible restante es inyectado a la camara de combustion a alta presion quemando el caudal de combustible inyectado. Esto producira una ignición y combustion mas suaves. A medida que la bomba de inyección envia mas combustible que el que puede pasar a través de los orificios de los difusores, a una presión de apertura, la presión asciende hasta 900 bar
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durante el proceso de inyección. Esto implica una distribución fina máxima del combustible y por lo tanto una eficaz combustión.
De los inyectores utilizados en los motores con gestión electronica Diesel siempre hay uno que lleva un "sensor de alzada de aguja" que informa en todo momento a unidad de control (ECU) cuando se produce la inyección. En este capitulo vamos a estudiar cada uno de los elementos que intervienen en un motor con gestión electrónica Diesel con bomba de inyección rotativa..
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4.3.8.1
Regulación del caudal de inyección de combustible
La cantidad de combustible a inyectar en los cilindros es determinada en todo momento por la unidad de control (EDC), para ello utiliza la información que recibe de los distintos sensores y envía ordenes en forma de señales eléctricas a la bomba de inyección (bomba electrónica) en concreto al servomotor que mueve mediante un perno excéntrico la corredera de regulación. No existe unión entre el pedal del acelerador y la bomba de inyección. Si hay una exceso de humos negros en el escape, la cantidad de inyección es limitada en función de una curva característica que tiene memorizada la unidad de control para reducir las emisiones contaminantes. De la información que recibe de los distintos sensores la unidad de control, toma como prioritarios para el calculo de la cantidad de combustible a inyectar en los cilindros del motor a los que recibe de: Sensor pedal acelerador Sensor de temperatura del motor y combustible Sensor de rpm Caudalimetro Sensor de posición del regulador de caudal de inyección de la bomba electrónica. • • • • •
Como informaciones secundarias las recibe: Contacto del pedal de embrague Contacto del pedal de freno. • •
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4.3.8.2
Factores de influencia priortaria a la hora de regular el caudal de combustible a inyectar
4.3.8.2.1
Sensor pedal del acelerador
Los motores diesel con gestión electrónica no llevan cable o articulación que una el pedal del acelerador con la bomba de inyección. En su lugar la bomba recibe información sobre la posición del pedal del acelerador a través de la ECU que interpreta la señal eléctrica que recibe del potenciómetro que se mueve empujado por el pedal del acelerador. El potenciómetro recibe tensión de la ECU, siendo la tensión de salida una señal que varia con la posición del potenciómetro y, por lo tanto, con la posición del acelerador.
El sensor de posición lleva un muelle helicoidal que actúa como recuperador de la posición inicial del pedal del acelerador. Este sensor en concreto tiene un ángulo de movilidad de 90 grados aproximadamente. Microinterruptor de ralentí: El sensor de posición del acelerador además de un potenciómetro lleva un microinterruptor de ralentí que cierra y pone a tierra una conexión, cuando se deja de pisar el pedal del acelerador. Contacto a marcha inferior: Si el vehículo tiene transmisión de marchas automática, el sensor de posición del pedal del acelerador tiene un contacto a marcha inferior que cierra y pone a tierra un circuito cuando se presiona totalmente el acelerador. Función de sustitución Si ocurre un fallo en este sensor el motor disminuye la velocidad para que el conductor pueda llegar hasta el taller mas cercano a comprobar la avería.
4.3.8.2.2
Sensor de temperatura del motor y del combustible
Para hacer un calculo preciso de la cantidad de combustible a inyectar la unidad de control también tiene en cuenta la temperatura del motor y la temperatura del combustible a inyectar. La temperatura del combustible es determinado por un sensor incluido en el interior de la bomba de inyección y la temperatura del motor es determinado por un sensor instalado en el conducto del liquido refrigerante, cerca de la culata y sirve para informar a la ECU de la temperatura interna del motor. Estos sensores llevan una resistencia sensible a la temperatura con un coeficiente negativo de temperatura (NTC).
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La información que recibe la unidad de control de estos sensores le sirve para modificar o activar: - El ángulo de avance a la inyección. - El ventilador de refrigeración del radiador del motor. - Las funciones de diagnosis. - Las bujías de incandescencia. Función de sustitución Si una de estas señales se pierde o ambas, la temperatura del motor y la del combustible son sustituidas por unos valores de repuesto memorizados por la unidad de control.
4.3.8.2.3
Sensor de nº rpm y punto muerto superior PMS
El numero de rpm que gira el motor es uno de los principales factores que la unidad de control tiene en cuenta a la hora de calcular la cantidad de combustible a inyectar. Función de sustitución. Si el sensor de rpm manda una señal errónea o se corta, la unidad de control activa un programa de emergencia. La señal del sensor de aguja del inyector se toma como referencia para este propósito.La cantidad de combustible a inyectar es reducida, el comienzo de la inyección también es modificada retrasandola y el control de la presión de carga del turbo se modifica para que de menos potencia durante la operación de emergencia. Si falla la señal de sustitución de la velocidad de giro del motor (sensor de aguja del inyector) el motor se para.
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4.3.8.2.4
Caudalimetro
La masa de aire que entra a los cilindros es determinada por el caudalímetro. El mapa de humos registrado en la unidad de control limita la cantidad de combustible a inyectar si la entrada de aire es demasiado baja para una combustión completa del combustible inyectado que provocaría un exceso de humos. Función de sustitución Si la señal del caudalimetro falla la unidad de control activa el programa de emergencia.
4.3.8.2.5
Sensor de posición del regulador de caudal de inyección
El sensor de posición es un transductor inductivo sin contactos, conocido como HDK o anillo semidiferencial. Esta constituido por una bobina circundada por un núcleo de hierro móvil, que se encuentra unido al eje del servomotor. Para determinar que posición ocupa el regulador de caudal de la bomba de inyección por la unidad de control y por tanto saber la cantidad de combustible inyectado por los inyectores. El sensor de posición esta conectado físicamente a la leva excéntrica que mueve la corredera de regulación (bomba de inyección). La señal de posición de la excéntrica es recibida por la unidad de control. Función de sustitución Si esta señal falla el funcionamiento del motor es interrumpido por razones de seguridad.
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4.3.8.2.6
Cartografía de inyección (Mapa de humos)
La cantidad de combustible a inyectar es determinado teniendo en cuenta también la cartografía de inyección que esta memorizada en la unidad de control y que intenta en todo momento evitar la emisión de contaminantes (humo negro). Si el volumen de aire aspirado es demasiado bajo la cantidad de combustible inyectado es limitado a un valor que no provoque humos negros.
4.3.8.3
Factores de influencia secundaria a la hora de regular el caudal de combustible a inyectar
4.3.8.3.1
Contacto del pedal del embrague
Para suprimir los tirones en el automóvil se puede intervenir en la cantidad de combustible a inyectar. Para ello la unidad de control debe saber cuando se actúa sobre el pedal del embargue. Cuando el embrague es acoplado o embragado la cantidad de inyección es brevemente reducida.
4.3.8.3.2
Contacto del pedal de freno y contacto de freno
La posición del pedal del freno es determinada por un contacto y ademas tenemos otro contacto que actúa por razones de seguridad (sistema redundante). La unidad de control registra este factor. En suma, los dos contactos usan esas señales para comprobar también la señal que manda el sensor del acelerador (no puede estar pisado el freno y el acelerador a la vez).Esto previene que el freno sea activado.
Función de sustitución Si uno de los dos contactos falla o si los contactos no están en la misma posición la unidad de control activa el programa de emergencia que interviene en la cantidad de combustible a inyectar.
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El dispositivo de regulación del caudal de combustible a inyectar se encuentra dentro de la bomba de inyección y actuara siguiendo las ordenes que le manda la unidad de control, El funcionamiento de este dispositivo lo veremos en el siguiente capitulo.
4.3.8.3.3
Control del comienzo de la inyección.
El punto de comienzo de la inyección de combustible influye sobre varias características del motor como es: la respuesta al arranque, los ruidos, el consumo de combustible y finalmente en las emisiones del escape. La función del dispositivo de control del comienzo de la inyección es determinar el punto exacto de giro del motor en el que hay que inyectar el combustible. La unidad de control EDC calcula el comienzo de la inyección dependiendo de factores influyentes que veremos mas adelante y actúa sobre la electroválvula de avance a la inyección situada en la bomba inyectora. La elevada exactitud del comienzo de inyección se garantiza mediante un circuito regulador. Para ello un detector de alzada de aguja, capta el
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comienzo de inyección exacto en el inyector y lo compara con el inicio de inyección programado. Una desviación tiene como consecuencia una modificación de la relación de impulsos de control de la electroválvula del variador de avance La relación de impulsos eléctricos se modifica hasta que la desviación de la regulación tenga un valor cero.
4.3.8.3.3.1 Factores
influyentes
4.3.8.3.3.1.1 Cartografía de comienzo a la inyección La unidad de control tiene memorizado un mapa de comienzo de la inyección. Este mapa toma como referencia principal el nº de rpm del motor y la cantidad de combustible inyectado. Como parámetro corrector se utiliza la temperatura del motor que actúa también sobre el comienzo de la inyección. La cartografía se ha determinado empíricamente y representa un optimo compromiso entre el buen funcionamiento del motor y el control de las emisiones.
4.3.8.3.3.1.2
Volumen de combustible calculado
El punto de comienzo de la inyección debe ser adelantado cuando aumenta la cantidad de combustible inyectado y la velocidad del motor por que el ciclo de inyección se hace mas largo. El valor teórico usado para el comienzo de la inyección depende de la cartografía de avance al comienzo de la inyección.
4.3.8.3.3.1.3 El sensor de nº rpm del motor y del punto muerto superior (PMS) El sensor de nº rpm en conjunto con una rueda fónica fijada en el cigüeñal suministra la señal a la unidad de control que indica cuando esta el motor en el PMS para cada cilindro. Función de sustitución Si el sensor de nº rpm da fallos se activa el programa de emergencia y sustituye la señal defectuosa por la señal del sensor de alzada de aguja del inyector. En modo de emergencia, el comienzo de la inyección es controlado en circuito abierto (opuesto al control del circuito cerrado), la cantidad de inyección de combustible es reducida y la presión de carga del turbo es cortado. Si la señal de sustitución del nº de rpm del motor también falla, se para el motor.
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4.3.8.3.3.1.4
Sensor de temperatura del motor
Es el mismo sensor que el utilizado para calcular el cantidad de combustible a inyectar. Para compensar el retardo de la combustión del fuel cuando el motor esta frió, el punto de comienzo de la inyección debe ser adelantado. La señal de la temperatura corrige el valor de comienzo de la inyección que esta memorizado en la cartografía de la unidad de control. Función de sustitución Si falla el sensor de temperatura no se corrige el comienzo de la inyección en función de la temperatura
4.3.8.3.3.1.5
Sensor de alzada de aguja
Este sensor o detector esta situado en el interior de uno de los inyectores y transmite una señal eléctrica a la unidad de control cuando se produce la inyección de combustible por parte de este inyector. De la señal que manda este sensor la unidad de control sabe en todo momento el punto de comienzo de inyección real del motor y lo compara con la señal que le manda el sensor de rpm y PMS que le proporciona el valor de referencia, con estos dos valores mas el valor teórico de la cartografía de comienzo de inyección que tiene memorizada, la unidad de control determinara si hay una desviación entre el valor real y el teórico y lo corregirá actuando sobre la electroválvula de control de comienzo de inyección situada en la bomba inyectora.
El sensor o detector de elevación de la aguja consta de una bobina magnética enrollada alrededor de un núcleo magnético. La bobina esta alimentada por una tensión de corriente continua, regulada de modo que la corriente permanece constante, con independencia de las variaciones de temperatura. Cuando comienza la inyección el núcleo magnético (conectado a la aguja) se mueve hacia arriba perturbando el campo magnético. Esto produce una variación de tensión en la alimentación. La ECU determina cuando comienza la inyección en ese inyector registrando dicha variación de tensión. Función de sustitución Si la señal se pierde se activa el programa de emergencia El dispositivo de avance a la inyección se encuentra dentro de la bomba de inyección y funcionara siguiendo las ordenes que le envía la unidad de control. El funcionamiento de este dispositivo lo veremos en el próximo capitulo.
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4.3.9
Gestion electronica diesel con bomba rotativa
En este capitulo vamos a estudiar cada uno de los elementos que intervienen en un motor con gestión electrónica Diesel con bomba de inyección rotativa.
4.3.9.1
Sistema de recirculación de gases de escape.
Para reducir las emisiones de gases de escape, principalmente el oxido de nitrógeno (Nox), se utiliza el Sistema EGR (Exhaust gas recirculation) que reenvía una parte de los gases de escape al colector de admisión, con ello se consigue que descienda el contenido de oxigeno en el aire de admisión que provoca un descenso en la temperatura de combustión que reduce el oxido de nitrógeno (Nox). Cuando debe activarse el sistema EGR y cual es la cantidad de gases de escape que deben ser enviados al colector de admisión, es calculado por la unidad de control, teniendo en cuenta el régimen motor (nº de rpm), el caudal de
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combustible inyectado, el caudal de aire aspirado, la temperatura del motor y la presión atmosférica reinante. La unidad de control tiene memorizado una cartografía EGR que teniendo en cuenta los parámetros anteriores actúa sobre la electroválvula de control de vació para abrir la válvula EGR y se provoque la recirculación de los gases de escape a la admisión. Normalmente el sistema EGR solamente esta activado a una carga parcial y temperatura normal del motor (no se activa con el motor a ralentí ni en aceleraciones fuertes). De acuerdo con los datos obtenidos, la ECU actúa sobre una electroválvula de control de vacío. Esta válvula da paso o cierra la depresión procedente de la bomba de vacío. De esta forma la válvula de recirculación de gases (válvula EGR) abre o cierra permitiendo o no la recirculación de gases del colector de escape al colector de admisión.
4.3.9.2
Sistema de control de la presión del Turbocompresor
El control de la presión del turbo va estar condicionado por la gestión electrónica que se encarga de controlar la sobrepresión sobrepresión del turbo t urbo por medio de una electroválvula. Las características principales de este sistema de control son: • • •
Permite sobrepasar el valor de máxima presión de carga. A altos regímenes del motor (RPM), la sobrepresión esta limitada. La velocidad de giro del turbo puede subir hasta aproximadamente 110.000 RPM.
La presión de carga en el colector de admisión es controlada por la "válvula wastegate". La presión de carga básica es relativamente baja, pero la ECU puede aumentarla reduciendo la presión de regulación que actúa sobre la "válvula wastegate" mediante la "electroválvula de control de la presión".
Presión de carga bàsica Cuando el motor funciona con la presión de carga básica en el colector de admisión, no actúa la "válvula regulación turbo", por lo que toda la presión de regulación presiona sobre la membrana de la "válvula wastegate". Cuando la presión de carga en el colector de admisión aumenta hasta el valor máximo, la "válvula wastegate" abre y una parte de los gases de escape son desviados directamente directamente al tubo de escape sin pasar por la turbina del turbo lo cual limita la presión de carga en el colector de admisión.
Presión de carga modificada Cuando la ECU calcula que puede permitir una presión de carga mas alta en el colector de admisión, ordena a la válvula de regulación turbo que desvié parte de la presión de regulación que incide sobre la membrana de la "válvula wastegate" hacia la entrada del colector de admisión antes del turbo. De esta forma se consigue que la presión de regulación que incide sobre la membrana de la "válvula wastegate" se reduzca, por lo que esta válvula se abrirá mas
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tarde permitiendo un aumento en la presión de carga en el colector de admisión. La ECU permite este aumento de presión teniendo en cuenta el valor de la presión atmosférica circundante y del régimen motor (RPM). La "válvula de regulación turbo" desvía parte de la presión de regulación que tiene que incidir sobre la membrana de la "válvula wastegate" y la hace retornar a la entrada del colector de admisión.
Compensación de altura automàtica La ECU recibe información, por un lado de la presión de carga en el colector de admisión desde el "sensor de sobrepresión" y por otro lado de la presión atmosférica desde el sensor incorporado en la misma unidad de control como el sensor de sobrepresión. Con esta información y con la señal que le manda el sensor de temperatura del aire de admisión, la unidad de control compensa la presión de carga en el colector de admisión, actuando sobre la "electroválvula de control de la presión" cuando el vehículo circula por elevadas altitudes (puertos de montaña) o a diferentes temperaturas (verano o invierno). Como se ve con la gestión electrónica la potencia no disminuirá aunque cambien las condiciones externas al vehículo (altitud, temperatura).
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4.3.9.3
Sistema de arranque en frió
Del control de arranque en frio del motor se encarga la unidad de control. Este proceso se divide en dos fases: Fase de preincandescencia Fase de postincandecencia • •
4.3.9.3.1
Fase de preincandescencia
Gracias a la buena respuesta de los motores de inyección directa al arranque en frió, la fase de preincandescencia solo es necesaria para temperaturas ambiente menores de +9º, la unidad de control recibe la correspondiente temperatura del sensor de temperatura del motor. La duración del periodo de preincandescencia depende del valor de la temperatura que envía este sensor. Un testigo en el panel de instrumentos indica al conductor cuando se termina la fase de preincandescencia.
Nota: El testigo de incandescencia tiene dos funciones: la vista anteriormente y una vez que ha arrancado el motor para indicar que hay un fallo de emergencia que ha detectado la gestión electrónica y que avisa al conductor
4.3.9.3.2
La fase de postincandescencia
Esta fase se activa después de que se arranca el motor, manteniendo las bujías de incandescencia funcionando durante unos segundos después de arrancado el motor con ello se consigue una combustión mas eficiente de la mezcla que disminuye el ruido y las vibraciones del motor a la vez que reduce la emisión de hidrocarburos. La fase de postcalentamiento es interrumpida cuando el motor supera las 2.500 rpm.
4.3.9.4
Unidad de control electrónica (ECU)
Los motores diesel con gestión electrónica al igual que los motores de inyección de gasolina, llevan una unidad de control electrónica (ECU) o centralita. La unidad de control es de técnica digital, funciona como un ordenador, tiene un microprocesador que compara las distintas señales que recibe del exterior (sensores) con un programa interno grabado en memoria y como resultado genera unas señales de control que manda a los distintos dispositivos exteriores que hacen que el motor funcione. La ECU adapta continuamente sus señales de control al funcionamiento del motor. La unidad de control esta colocada en el habitáculo de los pasajeros para protegerla de las influencias externas.
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El hecho de usar una ECU tiene la ventaja de reducir el consumo de combustible, mantener bajos los niveles de emisiones de escape al tiempo que mejora el rendimiento del motor y la conducción. La ECU controla el régimen de ralentí del motor, también se encarga de limitar el régimen máximo de revoluciones reduciendo la cantidad de combustible a inyectar en los cilindros. Si el aire que aspira el motor alcanza temperaturas altas o al decrecer la densidad del aire, la ECU reduce la cantidad de inyección a plena carga a fin de limitar la formación de humos de escape. La ECU también reduce la cantidad de inyección de combustible a plena carga, si la temperatura refrigerante motor alcanza valores muy elevados que puedan poner en peligro el motor. Las señales que recibe la ECU de los distintos sensores son controladas continuamente, en el caso de que falle alguna señal o sea defectuosa la ECU adopta valores sustitutivos fijos que permitan la conducción del vehículo hasta que se pueda arreglar la avería. Si hay alguna avería en el motor esta se registrara en la memoria de la ECU. La información sobre la avería podrá leerla el mecánico en el taller conectando un aparato de diagnosis al conector que hay en el vehículo a tal efecto. Si se averían los sensores o los elementos de ajuste que podrían suponer daños en el motor o conducir a un funcionamiento fuera de control del vehículo, se desconecta entonces el sistema de inyección, parándose lógicamente el vehículo. Para informar al conductor de que algún sistema del motor esta fallando, la ECU enciende un testigo en el tablero de instrumentos.
El testigo se enciende cuando cuando hay un fallo en alguno de los siguientes componentes: • • • • • • •
Sensor de elevación de aguja. Sensor de impulsos (rpm.). Sensor de posición, regulador de caudal de combustible. Sensor de posición del pedal del acelerador. Válvula EGR. Servomotor, regulador de caudal de combustible. Válvula magnética de avance a la inyección.
El testigo de avería cuando se enciende indica al conductor que debe dirigirse al taller para hacer una revisión del vehículo.
Diagnosis: Para poder consultar los fallos en el funcionamiento del motor así como para poder hacer pruebas y ajustes en los elementos que lo permiten necesitamos un aparato de diagnosis que nos va a servir para: • •
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Leer los códigos de avería, así como identificarlos. Solicitar datos sobre el estado actual de las señales de los sensores y compararlas con los valores teóricos de los manuales de verificación. Hacer pruebas de funcionamiento sobre los distintos componentes eléctricos (electrovalvulas, relés, etc.) del sistema motor, así como de otros sistemas (ABS, servodirección, cierre centralizado, etc.)Se pueden hacer ajustes, esto nos va permitir variar en nº de rpm en ralentí así como la cantidad de combustible a inyectar. Además se pueden ajustar el avance a la inyección y la cantidad de reenvió de los gases de escape (sistema EGR).
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4.3.9.4.1
Señales de entrada a la ECU: 1- Señal del sensor de posición del servomotor y señal del sensor de temperatura del combustible. 2- Señal del sensor de elevación de aguja. 3- Señal del sensor de régimen (rpm). 4- Señal del sensor de temperatura del refrigerante motor. 5- Señal del sensor de sobrepresión del turbo. 6- Señal del medidor del volumen de aire y señal del sensor NTC de temperatura de aire. 7- Señales del sensor de posición del pedal del acelerador. ECU- Señal del sensor de presión atmosférica que se encuentra en la misma ECU. Se tienen otras señales de entrada en caso de que el vehículo monte caja de cambios automática, aire acondicionado e immovilizador.
4.3.9.4.2
Señales de salida de la ECU: 1- Señal de control del servomotor, señal de control de la válvula magnética y señal de control de la válvula de STOP. 2- Señal de control del rele que alimenta a las bujías. 3- Bujías de incandescencia. En este caso tenemos 5 bujías por que el motor es de 5 cilindros. 4- Señal de control del relé que alimenta a los electroventiladores. 5- Electroventiladores de refrigeración del motor. 6- Señal de control del sistema EGR. 7- Señal de control de la presión del tubo. Se tienen otras señales de salida en caso de que el vehículo monte inmovilizador y otros extras.
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4.3.9.4.3
Adaptación de la bomba de inyección rotativa a la gestión electrónica
Las bombas de inyección diesel utilizadas en motores con Gestión Electrónica se denominan "bombas electrónicas" que la marca Bosch les ha dado la denominación "VP". Su constitución se basa en las bombas utilizadas en motores diesel sin Gestión electrónica, las vamos a denominar "bombas mecánicas" y que han sido modificadas para adaptarlas a las exigencias que requiere la gestión electronica. Como se ve la constitución de ambas bombas es muy parecida en sus partes comunes. Cambia la forma de dosificar el combustible a inyectar en los cilindros, así como el control del avance a la inyección. Las bombas electronicas se pueden dividir en dos tipos segun el sistema de bombeo de combustible: las bombas de embolo axial y la bomba de embolos radiales. Nosotros vamos a estudiar la primera.
Las bombas electrónicas tienen las siguientes ventajas con respecto a las bombas mecánicas: •
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No es necesario girar la bomba para encontrar el ajuste del ángulo de inyección. Por lo tanto la bomba tiene una posición fija a la hora de montarla en el motor. No hay ningún sistema de articulaciones entre el pedal del acelerador y la bomba de inyección. No necesita dispositivo de arranque en frió. No necesita corrector de sobrealimentación para turbo. No es necesario ajustar el ralentí.
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4.3.9.4.4
Dispositivo de regulación del caudal de combustible
La bomba electrónica regula la cantidad de combustible a inyectar en los cilindros por medio de un motor de calado o "servomotor", situado en la parte alta de la bomba. Este motor esta controlado electrónicamente por medio de la unidad de control ECU que le hace girar, moviendo mediante su eje una pieza excéntrica que convierte el movimiento giratorio del motor en un movimiento lineal para desplazar la "corredera de regulación"
Para saber que posición ocupa la corredera de regulación que es accionada por el servomotor, existe un "sensor de posición" (potenciómetro). Este sensor informa en todo momento a la ECU de la posición de la corredera mediante una señal eléctrica. La ECU compara esta señal con un valor teórico que tiene en memoria y si no coincide manda señales eléctricas al servomotor para posicionar la corredera hasta que la señal del sensor coincida con el valor teórico de la ECU. El sensor de posición es un transductor inductivo sin contactos, conocido como HDK o anillo semidiferencial. Esta constituido por una bobina circundada por un núcleo de hierro móvil, que se encuentra unido al eje del servomotor. Al lado del sensor de posición se encuentra el sensor de temperatura de combustible dentro de la bomba de inyección.
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Cuanto mayor sea la distancia "D" mayor será la cantidad de combustible a inyectar en los cilindros. En la figura la "corredera de regulación" ocupa la posición de máximo volumen de combustible a inyectar, por la tanto la distancia "D" es máxima. La máxima cantidad de combustible que inyecta este tipo de bombas en cada embolada es de 4 cm3. El caudal de inyección puede modificarse constantemente entre cero y el valor máximo (por ejemplo: para el arranque en frio). En estado sin corriente, muelles de reposición esistentes en el servomecanismo giratorio ajustan a "cero" el caudal de alimentación de combustible, por razones de seguridad. El servomotor tiene un giro limitado de 60º, con movimientos ángulares extremadamente precisos, de grado en grado lo que determina la posición en cada momento de la corredera de regulación.
4.3.9.4.5
Dispositivo variador de avance de la inyección
El ajuste de inyección se hace por medio del variador de avance que es muy similar a los utilizados en las bombas mecánicas. Esta compuesto por un embolo que se mueve en el interior de un cilindro empujado por un lado por un muelle y por el otro lado por la presión del gas-oil que se encuentra en el interior de la bomba, la presión en el interior de la bomba depende del nº de rpm del motor cuanto mayor es este mayor es la presión. El movimiento axial del embolo se transmite al anillo porta rodillos lo cual hace que la situación del disco de levas respecto al anillo porta rodillos se modifique, de forma que los rodillos del anillo levanten con cierta antelación el disco de levas consiguiendo un adelanto en el comienzo de la inyección. Este adelanto o avance puede ser hasta 12 grados de Angulo de leva, lo que supone en un motor de cuatro tiempos 24 grados de ángulo de cigüeñal.
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