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nica UNIVERSIDAD DE JAÉN
Escuela Politécnica Superior de Jaén
Trabajo Fin de Grado
ANÁLISIS DE UN SISTEMA DE INYECCIÓN TIPO COMMON
RAIL
Alumno: Manuel Cobo Martín Tutor: Prof. Dña. Eloísa Torres Jiménez Dpto: Ingeniería Mecánica y Minera
Septiembre, 2016
Universidad de Jaén
Escuela Politécnica Superior de Jaén Departamento de Ingeniería Mecánica y Minera
Doña Eloísa Torres Jiménez, tutora del Trabajo Fin de Grado titulado: Análisis de un Sistema de Inyección Tipo Common Rail, que presenta Manuel Cobo Martín, autoriza su presentación para defensa y evaluación en la Escuela Politécnica Superior de Jaén.
Jaén, Septiembre de 2016
El alumno: La tutora:
Manuel Cobo Martín Eloísa Torres Jiménez
Manuel Cobo Martín Análisis de un Sistema de Inyección Tipo Common-Rail
Índice 00 Resumen ............................................................................................................................. 4
1. Introducción .......................................................................................................................... 5
1.1 Objetivos del trabajo ....................................................................................................... 5
1.2 El motor Otto ................................................................................................................... 6
1.3 El motor Diésel ............................................................................................................... 7
2. Conceptos referentes a la inyección de combustible ......................................................... 10
2.1 Configuración de la mezcla .......................................................................................... 10
2.1.1 Coeficiente de exceso de aire λ ............................................................................. 10
2.1.2 Coeficiente de exceso de aire λ en motores Diésel ............................................... 11
2.2 Tipos de cámara de combustión ................................................................................... 12
2.2.1 Cámaras de combustión abiertas. Motores de inyección directa. .......................... 13
2.2.2 Cámaras divididas. Motores de inyección indirecta. .............................................. 14
2.3 Parámetros de la inyección .......................................................................................... 15
2.3.1 Inicio de la inyección y suministro .......................................................................... 15
2.3.2 Duración de la inyección ........................................................................................ 19
2.3.3 Presión de inyección .............................................................................................. 19
2.3.4 Cantidad de combustible inyectado ....................................................................... 21
2.3.5 Curva de la inyección ............................................................................................. 22
3. Sistemas de inyección en MEC .......................................................................................... 28
3.1 Función y proceso de inyección .................................................................................. 28
3.2 Etapa de baja presión ................................................................................................... 28
3.2.1 Depósito de combustible ........................................................................................ 29
3.2.2 Líneas de transporte .............................................................................................. 30
3.2.3 Filtro de combustible .............................................................................................. 30
3.2.4 Bomba de alimentación .......................................................................................... 32
4. Sistema de inyección tipo Common Rail ............................................................................ 35
4.1 Aplicación de los Sistemas Common Rail .................................................................... 35
4.2 Funciones ..................................................................................................................... 36
4.3 Comportamiento de inyección ...................................................................................... 38
4.3.1 Inyección previa ..................................................................................................... 38
4.3.2 Inyección principal .................................................................................................. 40
4.3.3 Inyección posterior ................................................................................................. 40
4.4 Fase de alta presión del sistema de inyección ............................................................. 40
4.4.1 Bomba de alta presión ........................................................................................... 42
4.4.2 Acumulador de alta presión ................................................................................... 47
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4.4.3 Inyector .................................................................................................................. 51
5. Control electrónico Diésel EDC .......................................................................................... 56
5.1 Requisitos ..................................................................................................................... 56
5.2 Funcionamiento ............................................................................................................ 57
5.3 Bloques del sistema ...................................................................................................... 58
5.4 Procesamiento de datos ............................................................................................... 59
6. Trabajos actual y futuro ...................................................................................................... 60
6.1 Manuales ...................................................................................................................... 60
6.2 Disposición del banco demostrativo ............................................................................. 60
6.3 Guion de prácticas ........................................................................................................ 61
6.4 Coste del banco demostrativo ...................................................................................... 61
7. Bibliografía ......................................................................................................................... 62
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Manuel Cobo Martín Análisis de un Sistema de Inyección Tipo Common-Rail
00 Resumen
Este trabajo se enmarca en una de las materias que siempre han estado
vinculadas al ingeniero mecánico desde los inicios de esta rama de la ingeniería, los
cuales han dedicado mucho tiempo al estudio de los motores de combustión interna
alternativos.
Con este trabajo intento realizar un estudio de la evolución de los sistemas de
inyección utilizados en la actualidad hasta llegar a uno de los más populares en
cuanto a su utilización, el sistema de inyección Common Rail, y centrarme en
mostrar el funcionamiento y función de los distintos componentes que lo conforman,
pasando por las distintas magnitudes o parámetros por las que los sistemas de
inyección se ven afectados.
Debido a la gran importancia que tiene la formación de la mezcla, nos
detendremos en realizar un análisis completo de los distintos tipos de cámaras de
inyección, las peculiaridades que tienen y que diferencia a unos de otros.
También es importante realizar una exposición de los distintos componentes
que forman la fase de baja presión, que suelen ser iguales en la mayoría de los
sistemas de inyección, tanto convencionales como en el sistema de inyección
Common Rail.
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1. Introducción
1.1 Objetivos del trabajo
A lo largo de la vida del motor diésel han sido numerosas las innovaciones que
han hecho evolucionar y desarrollar esta clase de motores, hasta convertirlos en uno
de los sistemas de obtención de energía más populares desde finales del siglo
pasado hasta la actualidad. Una de las mejoras que más repercusión tuvo sobre el
motor diésel fue el sistema de inyección, que en sus inicios lo conformaba una
instalación de aire comprimido que era el que soplaba el combustible al interior de
los cilindros del motor.
Este sistema de aire comprimido, que a la vez de ser costoso para la época y
de gran peso, no permitía incrementar adecuadamente el régimen de revoluciones.
Esto fue lo que llevó a Robert Bosch al estudio y desarrollo de los sistemas de
inyección.
El objetivo principal de este trabajo es el estudio de un sistema de inyección
Common Rail con el fin de desarrollar equipamiento docente para el laboratorio de
máquinas y motores térmicos, que a su vez me ayudará a mejorar y completar los
conocimientos necesarios en esta materia tan amplia como pueden ser los sistemas
de inyección. No se trata de un trabajo en el que se presente algo nuevo si no de
aglomerar y sintetizar todo lo concerniente a dichos sistemas, que haya sido
publicado en años anteriores, para facilitar la comprensión del campo en estudio.
Dada la complejidad que tiene la puesta en marcha del sistema en un banco de
pruebas para la experimentación, este trabajo se limita al estudio de sus
componentes, siendo la segunda parte del proyecto, perteneciente a un alumno
futuro, el que se encargará de dicha puesta en marcha. Para esto, el departamento
pondrá a mi disposición un sistema de inyección y me facilitará una mesa en la que
montar el conjunto a modo de bancada para su futura utilización.
Con el fin de facilitar cualquier trabajo de búsqueda de información, mi segundo
objetivo será facilitar cualquier tipo de información que se necesitará para el trabajo
futuro: la puesta en marcha del sistema de inyección en un banco de pruebas, con el
que se podrá llegar a experimentar la inyección en un cilindro.
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Manuel Cobo Martín Análisis de un Sistema de Inyección Tipo Common-Rail
1.2 El motor Otto
Ya en la antigüedad Arquímedes fue capaz de demostrar a través de su
invención, el cañón, la posibilidad de aprovechamiento energético de los gases en
expansión producidos por la combustión. Hay que esperar hasta 1775, a que James
Watt desarrolle su motor a vapor, antecesor de lo que ahora conocemos como
motores de combustión, los primeros motores de la historia que son utilizados en la
automoción.
Estos motores a vapor eran de combustión externa, bajo rendimiento y poco
aptos para vehículos ligeros. Aunque basándose en ellos, se empiezan a desarrollar
los primeros automóviles y siendo éstos bastante primitivos, los investigadores
trataron rápidamente de crear motores de mayor eficiencia. Esto se consigue
en 1862 de la mano del físico e inventor francés Alphonse-Eugéne Beau de Rochas
que consigue obtener potencia de la expansión de un gas al aumentar la
temperatura dentro de un recipiente cerrado en forma de cilindro, siendo móvil una
de las dos tapas del cilindro, la cual se desliza a lo largo de las paredes del cilindro
empujada por la presión del gas mediantes un sistema de biela-manivela que
transmite la fuerza al cigüeñal y de éste a las ruedas.
En 1885, Gottlieb Daimler patentó una máquina motriz que funcionaba con gas
o petróleo, con la ayuda de Wilhem Maybach que también trabajó en el proyecto.
Pero la paternidad del motor de gasolina de cuatro tiempos se atribuye
a Nikalous August Otto, hasta el punto que estos motores reciben su nombre. Este
motor fue desarrollado en 1876 y en sus comienzos fue utilizado en aviación,
vehículos, motos barcos y trenes. En este motor se basaron para la creación del
motor Diesel. Los motores de gasolina se caracterizan por ser motores de
combustión interna alternativos de encendido provocado (MEP), ya que la ignición
del dosado (mezcla de aire-combustible) se genera a partir de la chispa que crea
una bugía en el interior del cilindro. Inicialmente la alimentación de estos motores se
realizaba a través de un carburador que realizaba la mezcla, a diferencia de ahora,
que al igual que los motores de encendido por compresión (MEC) se realiza a través
de un sistema de inyección electrónica. Estos nuevos sistemas de inyección mejoran
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el consumo de gasolina, siendo los más efectivos y eficientes las toberas de
inyección.
1.3 El motor Diésel
El motor Diésel es un motor de combustión interna alternativo de encendido por
compresión, que presenta una eficiencia cercana al 50% y basa su funcionamiento
en la compresión de la mezcla de aire y combustible cerca del punto muerto superior
del cilindro. Su bajo consumo es sinónimo de bajas emisiones nocivas al
medioambiente lo que lo hace un motor de suma importancia para la industria del
transporte.
La mejora de la eficiencia y el consumo hasta valores sobre los que ahora se
encuentran no es más que el cúmulo de mejoras realizadas al motor Diésel original
de principios de la década de 1890, creado por el ingeniero alemán Rudolf Diésel,
cuyo deseo era crear un motor con una eficiencia superior al de la máquina de vapor
que rondaba el 10%. Diésel perseguía la idea de crear un motor isotérmico basado
en la máquina teórica de Carnot, cuya eficiencia rondaba el 90%, consiguiendo así la
patente en 1893, a partir de un modelo realizado sobre el papel que meses más
tarde y de la mano de MAN (Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg), un fabricante de
motores, se convertiría en realidad.
Dicho motor nunca fue adoptado por los automóviles de la época, ya que, como
hemos dicho antes, requería de un compresor de aire de gran volumen para la
inyección del combustible, lo que impedía su instalación sobre el vehículo, quedando
limitado su uso a locomotoras, barcos y motores en la industria.
No es hasta 1922 cuando se soluciona dicho problema debido a la invención de
Robert Bosch: la bomba de inyección en línea, que permite la implantación del motor
Diésel en la industria del automóvil y el transporte por carretera. De esta manera es
como este motor adquiere mayor importancia, comenzando la producción de dichos
sistemas de inyección en 1927.
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La primera vez que se utiliza un sistema de inyección Bosch es en un camión
MAN. El sistema de inyección directa al cilindro tenía grandes problemas de
vibración, ruidos y mala combustión. En la década de los años 30, comienza a ser
aplicado con fines militares, sobre todo en los carros de combate alemanes, siendo
Maybach la firma que más motorizaciones desarrolló y que más éxito tuvo. Incluso el
Dr. Ferdinand Porsche diseñó un motor Diésel V12 con compresor capaz de
desarrollar más de 400 CV, destinado al tanque Mammut, un ingenio de 120
toneladas de peso y que afortunadamente nunca pasó de la fase de prototipo. Tras
la guerra, la evolución sufrida por el motor Diésel se aplicó sobre todo a los
vehículos pesados, agrícolas y a los trenes, ya que los turismos dotados con este
motor difícilmente tenían éxito.
En la década de los 70, se produce una primera revolución en estas
motorizaciones, que ven su tamaño y su peso reducidos, por lo que se pueden
instalar en vehículos ligeros y turismos, siendo los motores Perkins y los
desarrollados por Volkswagen los más usados. Es en esta época cuando el
Volkswagen Golf Diésel hace historia al colocarse en los puestos de cabeza en
ventas de su segmento. En esta época hace acto de presencia el Mercedes Benz C
111, un vehículo que en su variante Diésel en vez de usar un motor de pistones
alternativos usa un motor Wankel trirrotor, lo que le permite unas prestaciones de
escándalo para un Diésel de la época y actual, como son un 0−100 km/h en 5
segundos y una velocidad punta de 260 km/h. Dicho vehículo se convirtió en uno de
los principales caza-records de la época. Sin embargo, problemas de desarrollo y
consumo hicieron abandonar el proyecto.
En los 80 los vehículos Diésel comienzan a gozar de mayor popularidad entre
el público, ya que comienzan a emplearse con mayor frecuencia los
turbocompresores, que dotan a estos motores de mejores prestaciones y cualidades
termodinámicas. En estos años aparecen los primeros motores con gestión
electrónica, desarrollada principalmente por Bosch y que mejoran las propiedades
de estas mecánicas.
Es en la década de los 90 cuando se produce el boom de los motores Diésel,
favorecido por las mecánicas de origen PSA pero sobre todo por los motores TDI del
grupo Volkswagen, dotados del sistema bomba−inyector, que permiten unas
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prestaciones más que dignas a los vehículos que las equipan con unos consumos
muy ajustados. También se introducen los primeros motores con sistemas de
inyección directa de combustible, mediante una rampa o rail que suministra
combustible a los inyectores, los comúnmente llamados Common Rail.
Actualmente se está produciendo una tercera revolución en los motores Diésel
de la mano del grupo Fiat y su tecnología Multijet. Éste es un motor 4 cilindros que
equipa un sistema Common Rail de segunda generación, que alcanza presiones
entorno a los 1.400 bares, un turbocompresor de geometría fija, intercooler y culata
de 16 válvulas.
Con el desarrollo de los sistemas de inyección no solo se busca la mejora de la
eficiencia sino también, la disminución de las emisiones de gases de la combustión a
las que conllevan las restricciones a nivel nacional e internacional, que cada vez son
más exigentes con esta industria.
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2. Conceptos referentes a la inyección de combustible
Emisiones de gases contaminantes, ruido y rendimiento son factores que se
ven altamente influenciados por el proceso de combustión llevado en los motores
Diésel, dependiendo a su vez, en gran medida, de la preparación de la mezcla aire-
combustible. Los parámetros de la inyección que más influyen en la calidad de la
mezcla generada son el número de inyecciones, el inicio, la presión, la curva y la
duración de la inyección.
En el proceso de formación de la mezcla, las mejoras se centran en la
obtención de un dosado correcto, una buena atomización del combustible y una
mezcla homogénea. Esto se ha de tener en cuenta, ya que forman parte del control
del proceso de combustión que nos ayudará a mejorar en emisiones acústicas y de
gases de combustión.
Hasta 1980 el control total de la inyección se realizaba de manera mecánica,
sin embargo en años posteriores, se introducen una serie de restricciones a la
emisiones de gases que conllevan a optimizar los parámetros de inyección. Esta
optimización sólo se puede llevar a cabo a través de una Unidad Electrónica de
Control (Electronic Control Unit) que calcula los parámetros de inyección en función
de las condiciones del motor y su entorno, tales como, velocidad del motor,
temperatura, altura, etc. En este trabajo, más adelante hablaremos de la EDC
(Electronic Diésel Control), Control Electrónico Diésel, el cual se ha extendido en por
completo en dichos motores.
2.1 Configuración de la mezcla
2.1.1 Coeficiente de exceso de aire λ
El coeficiente de exceso de aire, representado por la letra griega λ (lambda),
indica el grado de desviación de la mezcla aire/combustible con respecto a la
relación másica estequiométrica. Se calcula como la relación entre la masa de aire
introducida y la masa de aire necesaria para la combustión estequiométrica (λ=1):
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• λ = 1: El total de la masa de aire introducida es suficiente para la
combustión completa de la mezcla.
• λ < 1: La masa de aire introducida es menor que la cantidad requerida y
por lo tanto se tiene una mezcla rica.
• λ > 1: La masa de aire introducida es mayor que la cantidad requerida y
por lo tanto se tiene una mezcla pobre.
2.1.2 Coeficiente de exceso de aire λ en motores Diésel
Los niveles de lambda para motores Diésel Turboalimentados a plena carga
están entre 1.5< λ <2. Cuando operan en ralentí o sin carga, esta cifra puede
elevarse por encima de 10. A diferencia de los motores de gasolina, en los motores
Diesel, un nivel alto de lambda es beneficioso porque ayuda a controlar las
emisiones nocivas. El coeficiente de exceso de aire es el principal responsable del
autoencendido y de la formación de gases contaminantes.
La mezcla con la que operan los motores Diesel se define por ser heterogénea
y tener propiedades de autoencendido. No es posible lograr una mezcla
completamente homogénea de combustible y aire antes o durante la combustión.
Dentro de esa mezcla heterogénea el factor de exceso de aire puede variar desde
λ=0 (solo combustible) en el interior del chorro de inyección, hasta λ=∞, donde solo
tendremos aire, en la periferia del chorro.
Alrededor de una gota de combustible líquido envuelta en vapor, los niveles de
λ se encuentran entre 0,3 y 1,5 (Ilustraciones 1 y 2). Por esto, se puede deducir que
mejorando la atomización, además de un exceso de aire alto y el movimiento
adecuado del flujo de aire, se consigue reducir las zonas localizadas con bajo
lambda. Esto da como resultado menos formación de partículas durante la
combustión, Lo que conlleva a facilitar la homogeneización de la mezcla. El
λ =𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑀𝑀𝑎𝑎𝑎𝑎𝑑𝑑
𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑀𝑀𝑐𝑐𝑎𝑎𝑐𝑐𝑐𝑐𝑑𝑑 × 𝑃𝑃𝑎𝑎𝑐𝑐𝑃𝑃𝑐𝑐𝑎𝑎𝑐𝑐𝑎𝑎ó𝑛𝑛 𝐸𝐸𝑀𝑀𝑐𝑐𝑑𝑑𝐸𝐸𝑐𝑐𝑎𝑎𝑐𝑐𝑐𝑐é𝑐𝑐𝑎𝑎𝑎𝑎𝑐𝑐𝑀𝑀
(Fórmula 1.1)
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consumo específico no se verá afectado en relación a las mezclas mal atomizadas
pero sí se podrán obtener incrementos de potencia y aumentos de la inflamabilidad
en las zonas de mezclas pobres.
La optimización de la atomización se consigue a altas presiones de inyección
de hasta 2200 bar conseguidas con los sistemas Common Rail y otros sistemas. El
objetivo consiste en obtener la máxima potencia que un motor de cierto tamaño
puede ofrecer, y esto se logra obteniendo el nivel de exceso de aire mínimo mientras
dicho motor está trabajando a plena carga. En otras palabras, conseguir optimizar el
proceso y obtener los mejores valores de rendimiento, reduciendo al máximo las
emisiones nocivas.
2.2 Tipos de cámara de combustión
En los motores Diésel existen básicamente dos tipos de cámaras de
combustión:
a) Cámaras de combustión abiertas. Motores de inyección directa.
b) Cámaras divididas. Motores de inyección indirecta.
Ilustración 1. Evolución de la relación aire-combustible en gotas sueltas en reposo. (Robert Bosch GmbH).
Ilustración 2. Distribución espacial de aire-combustible en una gota en movimiento. (Robert Bosch GmbH).
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2.2.1 Cámaras de combustión abiertas. Motores de inyección directa.
En las cámaras abiertas, aquellas en las que en el espacio de combustión no
existen grandes diferencias de presión en el proceso de combustión debido a
restricciones geométricas, la formación de la mezcla es una función que recae casi
en su totalidad sobre el inyector.
En los motores rápidos, el “swirl”, una turbulencia en forma de remolino
producida por la inercia del aire que entra en el cilindro (Ilustración 3, segunda
imagen), junto con la forma de éste y el “squish”, la turbulencia producida por el
movimiento del aire al entrar al hueco del cilindro, donde el diámetro de la cámara se
ve reducido, favorecen la formación homogénea de la mezcla, y por tanto, el proceso
de combustión.
Ya que estos motores con inyección directa se ven afectados de manera
considerable en el proceso de combustión por la forma del chorro de inyección, se
recurre a los inyectores de orificios múltiples y al uso de altas presiones en
inyección. En los motores de mayor tamaño, la cantidad de movimiento y la energía
del chorro son suficientes para alcanzar una distribución del combustible y velocidad
de mezcla adecuadas.
Ilustración 3. Tipos frecuentes de cámaras de combustión abiertas de motores de encendido por compresión, (Heywood).
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2.2.2 Cámaras divididas. Motores de inyección indirecta.
Estas cámaras (Ilustración 4) se desarrollaron con motivo del creciente
aumento del régimen de revoluciones en los motores Diésel. Actualmente, tienen
poco uso ya que en la inyección directa se están consiguiendo buenos resultados en
cuanto a la calidad de la mezcla se refiere, exceptuando a los motores de pequeñas
cilindradas, los cuales tienen unos regímenes de revoluciones considerablemente
altos.
Las características de dichas cámaras son los siguientes:
a) Alta velocidad en la zona del estrechamiento, con la consiguiente
creación de turbulencia.
b) El proceso de combustión se desarrolla en una zona acondicionada,
capaz de soportar grandes presiones y temperaturas. La cámara
principal no está preparada para estas condiciones sin que se produjera
marcha dura (momento en el que el período de retraso es grande y la
cantidad de combustible acumulado en la cámara de combustión es
elevado, lo que genera un fuerte gradiente de presión en el momento de
la combustión).
c) El proceso de mezcla, debido a la forma de la cámara, es acelerado por
el propio proceso de combustión que genera una turbulencia.
Ilustración 4. Tipos frecuentes de cámaras de combustión divididas de motores de encendido por compresión, (Máquinas Térmicas. UNED).
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Las ventajas que presentan las cámaras divididas son:
• Posibilidad de emplear combustibles de peor calidad (Índices de cetano
más bajos).
• Posibilidad de emplear inyectores de orificio con presiones más bajas y
condiciones operativas de inyección menos críticas.
• Posibilidad de mejora del dosado manteniéndose en los límites de
emisión de humos, teniendo una mayor potencia específica.
• Capacidad de trabajo a mayores regímenes de revoluciones, con la
consiguiente mejora en potencia específica.
Los inconvenientes que presentan las cámaras divididas son:
• La culata es más cara, más complicada y más difícil de conservar.
• El motor es más frío, lo que hace que se tenga que aumentar la relación
de compresión y que se necesiten dispositivos especiales para el
arranque.
• El motor tiene peor rendimiento.
El motor sufre mayores pérdidas de calor debido al aumento de
superficie y del coeficiente de película por la turbulencia.
Se requiere un gasto extra de potencia para la generación de la
turbulencia.
Las cámaras divididas se usan, en la actualidad casi en exclusiva, en los
motores Diésel de los automóviles.
2.3 Parámetros de la inyección
2.3.1 Inicio de la inyección y suministro
Inicio de la inyección
El momento exacto en el que se realiza la inyección dentro de la cámara de
combustión tiene una gran importancia sobre el proceso de combustión que se inicia
en ella, y a su vez sobre el nivel de emisiones, consumo de combustible y ruido
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generado por el motor. No nos equivocamos al decir que el inicio de la combustión
es el parámetro más importante para la optimización del rendimiento del motor. El
inicio de la inyección queda definido como la posición relativa del cigüeñal, en
grados, con respecto a la posición de éste en el PMS (Punto Muerto Superior), en el
que se produce la inyección.
El flujo de aire dentro de la cámara de combustión se ve afectado por la
densidad y temperatura del aire en su interior y, por otra parte por la posición relativa
del pistón al PMS, que viene determinada por el inicio de la inyección, lo que afecta
sobre la calidad de la mezcla. Lo que esto nos deja entrever es que el inicio de la
inyección tiene una gran importancia en lo que se refiere a emisiones de gases
contaminantes como hidrocarburos no quemados, óxidos de nitrógeno y monóxido
de carbono, entre otros.
Ilustración 5. Inicio de la inyección en función de la velocidad del motor y la carga, (Robert Bosch GmbH)
El punto de inicio de inyección varía de
acuerdo a la carga, la velocidad y la
temperatura del motor. Existen unos
determinados valores optimizados para cada
motor, teniendo en cuenta cómo afectan sobre
el consumo de combustible, las emisiones de
gases y las de ruidos. Estos, se almacenan en
un mapa de inicio de inyección (Ilustración 5).
La manera en que varía el inicio de inyección en
función de la carga puede ser controlada
también a través de dicho mapa. Comparado
con los sistemas controlados por leva, el
Common Rail ofrece una mayor versatilidad
para elegir la cantidad, el instante y la presión
de inyección. La presión de inyección se
consigue de una bomba de alta presión
separada y la inyección se controla por un
solenoide o un actuador piezoeléctrico, lo que
hace que el sistema de control del motor nos
permita optimizar la inyección para cada punto
de operación. 16 Escuela Politécnica Superior de Jaén
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Valores estándar para el inicio de la inyección
En un mapa de datos de un motor Diésel, los puntos óptimos de inicio de la
combustión en cuanto a reducción de consumo de combustible se refieren, se
encuentra en el rango entre 0 y 8º del cigüeñal antes del PMS. Cuando el motor esta
frío, el inicio de la inyección se adelanta para todos los motores Diésel en general
entre 3 y 10º.
Inicio de la inyección avanzado
La mayor temperatura dentro del cilindro se alcanza cuando, en la compresión,
el cilindro se encuentra a punto de alcanzar el PMS. En este punto la combustión es
crítica y si ésta se inicia mucho antes del PMS, la presión crece bruscamente y actúa
ejerciendo oposición a la carrera de ascenso del cilindro. La pérdida de calor en el
proceso provoca una disminución de la eficiencia del motor y, por tanto, hace que el
consumo de combustible aumente. La elevación brusca de la presión de compresión
hace también que la combustión sea más ruidosa. Una combustión temprana
también afecta a las emisiones de gases, de manera que un aumento de la
temperatura provocado por esta anomalía hace que los niveles de NOx aumenten, y
que los de HC disminuyan (Ilustración 6).
Inicio de la inyección retardado
En condiciones de baja carga, un retardo en el inicio de la inyección es
sinónimo de combustión incompleta y, por tanto, un incremento en las emisiones de
hidrocarburos no quemados y un decremento de monóxido de carbono (Ilustración
6), ya que la temperatura en la cámara de combustión desciende de manera notable.
La manera de obtener, por un lado, valores equilibrados de consumo especifico de
combustible y emisiones de hidrocarburos, y por el otro, equilibrar valores de
emisiones de partículas y NOx, hacen que quede muy poco margen de maniobra y
que sea difícil la modificación del inicio de la inyección para ajustarlo a un
determinado motor.
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Comienzo del suministro
El comienzo del suministro se refiere al momento en el que la bomba de
inyección comienza a aportar combustible al inyector. Este parámetro se ha de tener
también en cuenta dada su importancia.
En los antiguos sistemas de inyección, el papel que juega el inicio de la
inyección es sumamente importante a la hora de coordinar una bomba en línea o
rotativa a un determinado motor. La sincronización entre ambas partes es
establecida al inicio del suministro, ya que este punto es mucho más fácil de definir
que el punto del inicio de la inyección, el cual ocurre con un cierto retraso con
respecto al inicio del suministro. Se es capaz de fijar gracias a que hay una relación
entre ambos, que se puede medir por tiempo o por el ángulo recorrido por el
cigüeñal.
Este retraso de la inyección es resultado del tiempo que tarda la onda de
presión en recorrer el trayecto entre la bomba de alta presión y el inyector y, como
se supone, dependerá de la longitud del recorrido. Otra variable que influye sobre el
retraso de la inyección es la velocidad del motor, ya que existirá un determinado
ángulo de retraso para cada velocidad del motor.
Ilustración 6. Emisiones de NOx y HC en función del inicio de inyección, (Robert Bosch GmbH)
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Para que el sistema de inyección realice de manera eficaz su función deberá
ser capaz de ajustar el inicio del suministro en función de la velocidad, la carga y la
temperatura del motor.
2.3.2 Duración de la inyección
La duración de la inyección es uno de los parámetros más importantes de la
curva de inyección (de la cual hablaremos más adelante). Este parámetro define el
período en el que la tobera se encuentra abierta y el inyector suministra combustible
a la cámara de combustión. Se mide en grados recorridos por el cigüeñal o por el
árbol de levas, o en milésimas de segundo. Dependiendo del proceso de inyección
tendremos una duración de inyección distinta, que irá desde los 25 hasta los 40°,
dependiendo si hablamos de motores de con inyección directa, indirecta o vehículos
comerciales con inyección directa.
En un motor de 4 tiempos la relación de ángulos entre el árbol de levas y el
cigüeñal es 1:2 (30º del cigüeñal equivalen a 15º del árbol de levas). Por ejemplo,
para una velocidad de 2000 rpm en la bomba inyectora, equivale a 1,25 ms de
duración en la inyección.
Con el fin de minimizar el consumo de combustible y las emisiones, la duración
de la inyección debe fijarse teniendo en cuenta el punto de operación y del inicio de
la inyección.
2.3.3 Presión de inyección
La necesidad del inyector por conseguir una inyección en forma de chorro se
consigue a través de la alta presión generada en el sistema de inyección. Cuanto
mayor es la capacidad de aumentar la presión de inyección del sistema, mayor será
la pulverización. Ésta al chocar a gran velocidad con el aire que se encuentra en la
cámara causa la atomización del combustible, por lo que a mayor presión de
inyección y mayor densidad del aire, mayor será atomización del combustible.
19 Escuela Politécnica Superior de Jaén
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Motores de inyección directa
En estos motores, la velocidad del aire en la cámara de combustión es lenta ya
que el movimiento que posee es debido al momento de inercia de su masa. Esto
provoca un movimiento en forma de remolino dentro del cilindro, el llamado “swirl”. El
pistón en su carrera de compresión incrementa el movimiento del aire dentro del
cilindro al hacerlo pasar por el hueco del pistón, de un diámetro menor, lo que
conocemos como “squish”. Aun así, en este tipo de motores el movimiento del aire
es menor que en los motores con cámara dividida.
Debido a esta escasez de movimiento de aire dentro del cilindro, la inyección
ha de realizarse a mayor presión, que suele estar entre los 1000 y los 2200 bar que,
a excepción de los sistemas de inyección Common Rail, solo se alcanzan en
regímenes altos de giro del motor.
Algo decisivo para obtener una curva de par ideal con bajas emisiones de
gases de la combustión es conseguir inyectar el combustible a alta presión cuando
el motor se encuentra a baja velocidad y plena carga. Ya que la densidad del aire a
baja velocidad es relativamente baja, se ha de limitar la presión máxima de inyección
para evitar que el combustible se adhiera a las paredes del cilindro. En el momento
en el que sobrepasamos las 2000 rpm en el cigüeñal, llegamos a la presión máxima
del aire de entrada, entonces, será cuando la presión de inyección se pueda
aumentar.
Ilustración 7. Influencia del inicio y de la presión de inyección en el consumo de combustible y en las emisiones de partículas y NOx, (Robert Bosch GmbH)
En cuanto a la eficiencia del
motor, conseguiremos su valor
máximo ajustando el avance de la
inyección en función de la
velocidad del motor ya que para
grandes velocidades de motor
necesitaremos grandes presiones
de inyección para reducir el
tiempo de inyección.
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Manuel Cobo Martín Análisis de un Sistema de Inyección Tipo Common-Rail
Motores de inyección indirecta
En los motores Diésel con cámara de combustión dividida, el incremento de la
presión durante la combustión expulsa la carga fuera de la precámara o cámara de
turbulencia, asemejándose a una inyección neumática. Este proceso transcurre en
un período de tiempo muy corto que comienza en la cámara de turbulencia y finaliza
en la cámara de combustión principal.
2.3.4 Cantidad de combustible inyectado
La masa de combustible, 𝑐𝑐𝑒𝑒, requerida por un cilindro por cada carrera de
trabajo (en un motor de 4 tiempos habrá una cada dos revoluciones) se calcula de la
siguiente manera:
Dónde:
P = potencia del motor [kW]
𝑐𝑐𝑒𝑒= consumo especifico de combustible del motor [g/kWh]
n= velocidad de giro del motor [rpm]
z= número de cilindros del motor
El volumen correspondiente (cantidad de combustible inyectado), 𝑄𝑄ℎ, medido
en mm3/carrera o mm3/ciclo de inyección, se calcula con la ecuación:
𝑐𝑐𝑒𝑒 =𝑃𝑃 × 𝑐𝑐𝑒𝑒 × 33.33
𝑛𝑛 × 𝑧𝑧 �
𝑐𝑐𝑚𝑚𝑐𝑐𝑀𝑀𝑎𝑎𝑎𝑎𝑑𝑑𝑎𝑎𝑀𝑀
�
(Fórmula 2.1)
𝑄𝑄ℎ =𝑃𝑃 × 𝑐𝑐𝑒𝑒 × 100030 × 𝑛𝑛 × 𝑧𝑧 × 𝜌𝜌
�𝑐𝑐𝑐𝑐3
𝑐𝑐𝑀𝑀𝑎𝑎𝑎𝑎𝑑𝑑𝑎𝑎𝑀𝑀�
(Fórmula 2.2)
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Manuel Cobo Martín Análisis de un Sistema de Inyección Tipo Common-Rail
Dónde ρ es la densidad del combustible en g/cm3, que depende de la
temperatura. A medida que aumentamos la cantidad de combustible inyectado,
obtenemos un aumento de la potencia, asumiendo que el rendimiento es constante
(𝜂𝜂~ 1𝑏𝑏𝑒𝑒
).
La masa de combustible inyectado depende de los siguientes parámetros:
• Dosificación de combustible a través de la sección de la tobera del
inyector.
• Duración de la inyección.
• La variación temporal de la diferencia entre la presión de inyección y la
presión en la cámara de combustión.
• La densidad del combustible.
La diferencia entre la cantidad de combustible de referencia programada en el
mapa y la que realmente se inyecta, influye directamente sobre el rendimiento y las
emisiones contaminantes. En los sistemas electrónicos de inyección de alta
precisión, la cantidad requerida de combustible a inyectar se puede medir con un
alto grado de precisión y tendrá una desviación muy pequeña con respecto a la
medida por el sistema.
2.3.5 Curva de la inyección
La representación gráfica del flujo de masa de combustible entrante en la
cámara de combustión a lo largo del tiempo es lo que llamamos curva de inyección
(Ilustración 8).
Ilustración 8. Curvas de inyección de un sistema de convencional (izquierda) y de un sistema Common-Rail (derecha), (Robert Bosch GmbH)
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Manuel Cobo Martín Análisis de un Sistema de Inyección Tipo Common-Rail
Sistemas controlados por leva
En estos sistemas, la presión es generada por la bomba inyectora
continuamente a lo largo del proceso. Por lo que, la velocidad a la que trabaja la
bomba afecta directamente en la tasa de suministro de combustible, lo que a su vez
afecta a la presión de inyección.
Los sistemas con bombas inyectoras en línea y con bombas rotativas
controladas de manera mecánica no permiten que se realice una preinyección,
aunque si es posible una mejora en cuanto al ruido de la combustión, montando una
tobera y un portainyector, que hace que se reduzca el caudal al inicio de la
inyección. En sistemas con bombas rotativas controlados mediante electroválvulas sí
es posible realizar la preinyección. También existen sistemas controlados
hidráulicamente que permiten la preinyección, aunque solo por un tiempo limitado.
En cualquier caso, en estos sistemas, la presión generada y el suministro de la
cantidad de combustible inyectado, están vinculados con la leva y la bomba
inyectora. Esto afecta de la siguiente manera en las características de la inyección:
• La presión de inyección y la cantidad de combustible inyectado
aumentarán a medida que lo haga la velocidad del motor, hasta que la
presión alcance su máximo.
• La presión aumenta al comienzo de la inyección y en el momento justo
cuando la inyección de combustible finaliza, la presión desciende hasta
el valor en el que la tobera se cierra.
Eso conlleva a lo siguiente:
• Existen pequeñas inyecciones de combustible a baja presión.
• La curva de inyección toma forma casi trapezoidal.
En los motores de inyección indirecta, donde tenemos una pre-cámara, se
utilizan inyectores de tetón, los cuales producen un único chorro y definen la curva
de inyección. En este tipo de sistemas, la sección transversal de salida del inyector,
va en función de la elevación de la aguja, que genera un incremento gradual de
presión, lo que hace tener una combustión más silenciosa.
23 Escuela Politécnica Superior de Jaén
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Sistemas Common-Rail
En estos sistemas, con independencia del ciclo de inyección, una bomba
genera la presión necesaria en el combustible la cual es prácticamente constante
durante todo el proceso de inyección. A una determinada presión, la cantidad de
combustible que se inyecta es proporcional a la duración del tiempo de inyección, lo
cual es completamente independiente de la velocidad del motor y la bomba. Esto da
como resultado una curva de inyección casi cuadrada con pequeñas inyecciones de
corta duración, que son casi constantes, en las que se consigue una alta
pulverización en cortos períodos de tiempo en régimen de plena carga, lo que
permite que aumentemos la potencia específica del motor.
Sin embargo, al tener un alto caudal al comienzo de la inyección (durante el
retraso de encendido) puede ser perjudicial, en el sentido en que hace que se
generen altos gradientes de presión en el interior de la cámara de combustión y que
el proceso de combustión sea mucho más ruidoso. Por eso, como existe una gran
precisión en el control de la inyección, pueden realizarse hasta dos preinyecciones.
Con esto se consiguen mejores condiciones en la cámara de combustión, haciendo
que la presión crezca progresivamente, reduciendo el tiempo de retraso de la
inyección y, por tanto, minimizando el ruido junto con las emisiones de óxidos de
nitrógeno.
Esto solamente es posible gracias al control electrónico de la inyección que
permite configurar la curva de inyección en función de las condiciones de operación.
Funciones de la inyección
Ilustración 9. Patrones de inyección (Robert Bosch GmbH)
En la Ilustración 9
podemos ver las distintas
funciones de la inyección
dependiendo de la aplicación
para la que esté destinado el
motor:
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Donde:
• Pre-inyección (1): reduce el ruido de la combustión y las emisiones de
NOx.
• Gradiente positivo de inyección durante la inyección principal (3): reduce
emisiones de NOx en motores sin válvula EGR.
• Gradiente de presión en dos etapas (4): durante la inyección principal
reduce las emisiones de NOx y partículas en motores sin EGR.
• Alta presión constante durante la inyección principal (3,7): reduce las
emisiones de partículas durante la operación en motores con EGR.
• Inyección secundaria avanzada (8): reduce las emisiones de partículas.
• Inyección secundaria retardada (9): en motores Diésel con
retroalimentación de gases de escape, se utiliza para un
acondicionamiento previo del aire antes de que el aire sea devuelto a la
cámara de combustión.
Pre-inyección
Consiste en la inyección de una pequeña cantidad de combustible (aprox. 1
mg), que se quema en la fase de compresión. Esto hace aumentar la presión y la
temperatura en el momento exacto en el que se produce la inyección principal, con
lo que conseguimos una reducción en el retardo de encendido de la inyección
principal. Se reduce el gradiente de presión de combustión y los máximos valores de
presión, lo que hace que la combustión sea más suave y con menos ruido. Además
conseguimos reducir el consumo de combustible y las emisiones contaminantes
relacionadas con los óxidos de nitrógeno mayormente.
Esta pre-inyección contribuye indirectamente, al aumento de par, mediante la
reducción del retardo de encendido, como ya vimos antes. En función de la
desviación entre el comienzo de la inyección principal y la pre-inyección, puede
aumentar o disminuir el consumo específico de combustible. Por otro lado, las altas
temperaturas en la cámara de combustión, son favorables para el arranque en frio y
25 Escuela Politécnica Superior de Jaén
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cuando el motor trabaja en el rango de baja carga, ya que estabilizan la combustión
y reducen las emisiones de HC y CO.
Con todo esto, nos volvemos a encontrar con el problema de ajustar el intervalo
entre pre-inyección e inyección principal, y la cantidad de combustible inyectado
previamente en la cámara de combustión para conseguir reducir el ruido y las
emisiones de gases contaminantes en función del punto de operación.
Inyección secundaria retardada
Esta inyección ocurre después de la principal, durante la carrera de expansión
o de escape (hasta 200º de giro del cigüeñal después del PMS). Se introduce en los
gases de escape una pequeña cantidad de combustible que no combustiona, pero
se evapora por el calor residual aportado por los gases de escape. El fin de esta
inyección es regenerar el filtro de partículas y el acumulador de NOx mediante el
aumento de temperatura en los gases de escape por la oxidación en el acumulador
catalítico. Esta mezcla se expulsa de la cámara de combustión en la carrera de
escape.
Ilustración 10. Efecto de la preinyección en la presión de la cámara de combustión, (Robert Bosch GmbH)
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Inyección secundaria avanzada
En los sistemas Common-Rail, esta inyección ocurre justamente después de la
inyección principal, mientras se produce la combustión, lo que produce que se
quemen las partículas de hollín, reduciendo sus emisiones entre un 20 y un 70%.
Volumen perjudicial en sistemas de inyección convencionales
Este término se refiere al volumen en el lado
de alta presión de los sistemas de inyección (lado
de alta presión de la bomba inyectora, tuberías de
parte interior de la tobera y el portainyector). Ya que
en cada inyección, el fluido es comprimido y
descomprimido, existen pérdidas de compresión y,
por lo tanto, un retraso en la inyección. El
combustible que se halla en las conducciones se
comprime debido al proceso dinámico que genera
la onda de presión. En la Ilustración 11, podemos
ver el tiempo que transcurre mientras el
combustible recorre la línea.
La eficiencia hidráulica del sistema será mayor
cuanto menor sea el volumen perjudicial. Por esto,
a la hora de diseñar un sistema de inyección, la
principal consideración que se tiene en cuenta es
reducir al máximo este volumen. Los sistemas con
menor volumen perjudicial son los que tienen
inyectores unitarios e inyector-bomba, a los cuales
se les elimina el volumen de las conducciones.
El control uniforme del motor se obtendrá a la
hora de que pueda garantizarse que cada cilindro
tendrá el mismo volumen perjudicial.
Ilustración 11. Patrones de inyección en sistemas de accionamiento por leva, (Robert Bosch Gmbh)
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3. Sistemas de inyección en MEC
3.1 Función y proceso de inyección
El sistema de inyección es el encargado de suministrar el combustible al
motor. Está compuesto por dos etapas: una de baja y otra de alta presión, donde
encontramos la bomba de inyección, que es la responsable de la generación de la
presión de inyección requerida y que alimenta a todo el circuito de alta presión. A
esta bomba hay que hacerle llegar el combustible desde el depósito, y ésta es la
función del circuito de baja presión, que adecua el combustible de tal manera que,
tras ser filtrado, se garantiza la limpieza de impurezas y la eliminación de humedad
para obtener un combustible preparado para la combustión.
3.2 Etapa de baja presión
La función del sistema de alimentación, como su propio nombre indica, es la
de almacenar y filtrar el combustible que se le requiere desde el sistema de
inyección a la presión de operación. Por otra parte, también se encarga de dirigir el
sobrante de combustible al depósito y, solo en algunos casos, de la refrigeración de
éste antes de devolverlo al depósito.
Dependiendo del sistema de inyección y de la bomba inyectora el sistema de
alimentación puede variar. En el siguiente listado podemos ver los componentes
esenciales de un sistema de inyección, que serán detallados más adelante.
Depósito de combustible (opcionalmente puede contener una bomba de
prealimentación).
• Filtro primario (suele ir dentro del depósito de combustible)
• Instalación de refrigeración del combustible de retorno (opcional)
• Filtro principal de combustible
• Bomba de alimentación de combustible (baja presión)
• Válvula limitadora de presión (suele ir integrada en la bomba de
alimentación)
• Unidad de control
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En algunos casos, ya sea con bombas rotativas o sistemas de inyección
Common Rail la bomba de alimentación suele ir integrada en la bomba de alta
presión.
3.2.1 Depósito de combustible
Algunas de las exigencias que se le solicitan al depósito de combustible son
resistencia a la corrosión, resistir presiones que estén del doble de la presión de
operación y como mínimo de 0.3 bar de sobrepresión y, además de ser a pruebas de
fugas, disponer de una válvula de seguridad para, en los casos de sobrepresión,
evacuar gases. El diseño debe prever y evitar la formación de fugas debido a la
inclinación del vehículo, sacudidas o en el caso de recibir un impacto durante su
ciclo de vida. Una última consideración a tener en cuenta será la de mantener a una
cierta distancia entre el motor y el depósito para prevenir que arda el combustible en
caso de accidente.
Ilustración 12. Instalación de inyección con bomba de inyección en línea regulada mecánicamente, (Robert Bosch Gmbh)
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3.2.2 Líneas de transporte
Lo componen las distintas conducciones ignífugas de metal, resistentes a
daños debidos al movimiento provocado por la torsión del bastidor, o movimientos
del motor y a daños provocados durante el funcionamiento del sistema por
incrementos de temperatura.
3.2.3 Filtro de combustible
La función de este componente es la de retener las impurezas que pueda
presentar el combustible y simultáneamente el agua, que se deposita en la parte
inferior por decantación. El elemento filtrante es de cartucho de papel con un tamaño
de poro de 5 micras y una gran superficie.
El filtro incorpora un elemento calefactor eléctrico gobernado por un
termointerruptor situado en el mismo filtro. Este elemento deja alimenta de tensión al
calefactor cuando la temperatura del combustible está entre los 6ºC y los 15ºC.
En el filtro se encuentra el elemento termostático que desvía el combustible
hacia el elemento calefactor situado en la caja de salida del líquido refrigerante de la
culata.
Ilustración 13. Filtro de combustible y despiece
30 Escuela Politécnica Superior de Jaén
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Este elemento funciona con un bimetal que se deforma en función de la
temperatura del combustible. Cuando es inferior a 15ºC, la posición del bimetal
obliga a que todo el combustible se dirija al calentador sin circular por el filtro. Para
temperaturas comprendidas entre 15ºC y 25ºC, solo parte del combustible se dirige
al calentador y parte circula por el filtro. Para temperaturas superiores a 25°C la
totalidad del combustible circula solo por el filtro. En el calentador se produce un
intercambio de calor entre el combustible y el líquido refrigerante puesto que está
sumergido en el mismo. De esta forma, se consigue que el combustible este siempre
a temperatura de servicio.
El sistema completo de filtrado está compuesto por:
- Filtro primario:
Como ya hemos dicho antes, éste se encuentra dentro del depósito, realiza el
filtrado antes de que el combustible llegue a la bomba de alimentación y está
formado por una malla que filtra partículas de hasta 300 μm.
- Filtro principal:
.
Ilustración 14. Esquema de un filtro de combustible, (Robert Bosch Gmbh)
Este filtro dispone de un elemento
fácilmente extraíble que se ha de
sustituir periódicamente, en el cual
quedan adheridas las pequeñas
partículas sólidas que están en
suspensión en el combustible
Este elemento tiene forma espiral
en V que filtra elementos de distintas
formas. Este filtro nos permite, a
diferencia del anterior, montar varios
elementos en paralelo para mejorar el
almacenamiento o en serie para mejorar
la eficiencia del filtrado.
31 Escuela Politécnica Superior de Jaén
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- Separador de humedad:
Elemento que suele ir integrado en el filtro principal que hace que la poca
cantidad de agua, ya sea libre o emulsionada con el combustible, sea eliminada y
evite su entrada en el sistema de inyección.
La importancia de que el agua sea eliminada es debido a que es el
contaminante más común del combustible. Entra al sistema de alimentación en el
aire caliente y húmedo, y condensa en las paredes frías, uniéndose al combustible
haciendo que éste pierda su lubricidad, produciendo desgaste y atascamientos en
elementos con tolerancias bajas.
- Precalentador de combustible:
Este componente también se encuentra integrado en el filtro principal. Su
función consiste en calentar el combustible de manera eléctrica, mediante el
aprovechamiento del calor del agua de refrigeración o del combustible de retorno.
Este dispositivo evita la obstrucción de los poros del filtro, ya que antes de que
el combustible llegue a él, las parafinas presentes, que en un principio pueden estar
precipitadas en forma de cristales, quedan eliminadas completamente. Esto solo se
da cuando las temperaturas descienden de manera drástica, ya sea en invierno o en
zonas de bajas temperaturas.
- Bomba manual:
La bomba manual nos permite llenar de combustible y purgar el aire contenido
en el sistema de inyección después de realizar cualquier tarea de mantenimiento,
como por ejemplo, el cambio del filtro de combustible. Este dispositivo se encuentra
integrado en la cubierta del filtro.
3.2.4 Bomba de alimentación
Puede ser una bomba eléctrica o de accionamiento mecánico. Esta bomba
aspira el combustible del depósito a través del filtro y lo envía por el circuito de baja
presión, hasta la bomba de alta presión.
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Bomba eléctrica
Esta bomba de disco de rodillos es accionada mediante un motor eléctrico
(Ilustración 15). Es usada en los siguientes sistemas:
• Sistemas con bomba rotativa (es opcional, ya que sólo se utiliza en la
bomba de alimentación).
• En sistemas de inyector unitario (UIS).
• En sistemas Common Rail.
Bomba de engranajes
La bomba de engranajes se usa en los siguientes casos:
• En vehículos industriales, para todos los sistemas con bombas
individuales, como por ejemplo, en la unidad inyector-bomba o en
bombas de inyección individuales.
• En parte de los sistemas Common Rail, ya sea en vehículos industriales
o automóviles.
Esta bomba está fijada directamente al motor o, en el caso de los Common
Rail, integrada en la bomba de alta presión y es accionada de manera mecánica por
medio de un acoplamiento o por algún sistema de transmisión.
La componen dos ruedas dentadas (Ilustración 16) engranadas entre sí, cuyo
giro es opuesto, que empujan el combustible que queda entre los dientes hasta el
lado de presión. El cierre entre las dos ruedas es hermético.
Ilustración 15. Esquema de una bomba eléctrica de combustible, (Robert Bosch GmbH)
33 Escuela Politécnica Superior de Jaén
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Ilustración 16. Esquema de una bomba de engranajes, (Robert Bosch Gmbh)
34 Escuela Politécnica Superior de Jaén
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4. Sistema de inyección tipo Common Rail
En la actualidad, el sistema de inyección Common Rail se establece como uno
de los sistemas más perfeccionados que existe. Gracias a este tipo de sistemas se
ha conseguido la mejora en la combustión debido a su precisión en la inyección, con
la consiguiente mejora en emisiones de gases contaminantes y en consumo de
combustible. Por otra parte, también se ha conseguido mejorar potencias en motores
del mismo tamaño y cilindrada, junto con la reducción de ruido y vibraciones.
La mejor característica que los sistemas Common Rail presentan es la
capacidad de poder variar la presión y el tiempo de inyección dentro de un amplio
margen de valores. Esto se ha conseguido a través de la separación de los
componentes que generan la presión y de inyección de combustible. El elemento
llamado raíl tiene como función la de acumular la presión, por lo que el aumento o
disminución de la presión dentro de este conducto es independiente del régimen de
giro del motor y del caudal de inyección, algo que los anteriores sistemas de
inyección no permitían.
En los motores de inyección directa de gasolina, ya se venían utilizando
sistemas de inyección semejantes al Common Rail, con la diferencia de que en
éstos, la máxima presión obtenida es de 5 o 6 bar, mientras que en los sistemas
Diésel, la máxima presión que se obtiene supera los 2000 bar.
4.1 Aplicación de los Sistemas Common Rail
Este sistema con inyección directa ofrece unas mayores versatilidad y
adaptación al motor con respecto a los otros sistemas propulsados por levas:
• Se instala en una amplia gama de vehículos, tanto como turismos como
industriales con motores de hasta 30 kW/cilindro de potencia; motores
industriales, de barcos o incluso de locomotoras, con potencias de hasta
200 kW/cilindro.
• Trabajan a una presión de aproximadamente 1200 bar.
35 Escuela Politécnica Superior de Jaén
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• El comienzo de la inyección se puede variar y puede realizarse de
manera previa, principal y posterior (posteriormente hablaremos de
estas fases de inyección).
• La presión de inyección se puede configurar en función del estado de
servicio.
4.2 Funciones
En los sistemas de inyección Common Rail, la inyección y la generación de
presión están separadas. El combustible que el sistema de inyección requiere para
realizar su función, lo encuentra en el raíl común. Es el conductor, el encargado de
regular la inyección de combustible a través del acelerador, que a su vez manda una
señal a la unidad de control electrónica y calcula el momento de la inyección a partir
de unos parámetros característicos prestablecidos en unos mapas de inyección. Una
vez que la unidad de control ha hecho sus cálculos, acciona los inyectores a través
de una electroválvula y se realiza la inyección de combustible en el cilindro. La
unidad de control se compone de lo siguiente:
• Unidad de control
• Sensor de revoluciones del cigüeñal
• Sensor de revoluciones del árbol de levas
• Sensor del pedal de aceleración
• Sensor de presión de sobrealimentación
• Sensor de presión del rail
• Sensor de temperatura del líquido refrigerante
• Medidor de masa de aire
La unidad de control procesa las señales que recibe de los sensores y que son
trasmitidas a través de líneas de datos y con esa información, es capaz de influir en
el comportamiento del vehículo, ya sea mediante el control como con la regulación
de los procesos que en él se llevan a cabo.
36 Escuela Politécnica Superior de Jaén
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Podemos diferenciar dos grandes grupos en cuanto a las funciones que el
sistema de inyección realiza:
• Funciones básicas: control total de la inyección en tiempo, caudal
y presión. Gracias a este tipo de funciones obtendremos un buen
consumo de combustible y un trabajo silencioso del motor.
• Funciones adicionales: por una parte son las relacionadas con la
reducción de gases contaminantes y consumo de combustible y,
por otra parte, las relacionadas con el aumento en la seguridad y el
confort. Ejemplos de estas funciones son:
Retroalimentación de gases de escape
Regulación de la velocidad de marcha
Bloqueo electrónico de arranque
Ilustración 17. Unidad de control de un sistema de inyección Common Rail
37 Escuela Politécnica Superior de Jaén
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4.3 Comportamiento de inyección
Dentro del proceso de inyección podemos diferenciar 3 fases, dos de las cuales
(fase previa y fase posterior) servirán para acondicionar la mezcla generada en el
sistema de inyección dentro de la cámara de combustión y otra fase (fase principal)
que nos proporcionará el par requerido al vehículo.
4.3.1 Inyección previa
Esta inyección puede adelantarse hasta un máximo de 90º del cigüeñal con
respecto al punto muerto superior, aunque lo aconsejable es que no supere los 40º
ya que esto provocaría una escasa lubricación.
Aunque la cantidad de la inyección en esta fase suele ser bastante pequeña,
es suficiente para acondicionar el cilindro, mejorando el rendimiento de la
combustión y produciendo que:
Ilustración 18. Sistema de inyección Common Rail en un motor Diésel de 4 cilindros, (Robert Bosch Gmbh)
38 Escuela Politécnica Superior de Jaén
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• La presión de compresión aumente ligeramente mediante una combustión
parcial que hace que se reduzca el retraso de la combustión en la
inyección principal
• Se reduce el incremento de presión que se genera en la cámara de
combustión (obtenemos una combustión más suave) ya que partimos de
una presión mayor a la hora de la inyección principal
Con esta pequeña preinyección reducimos de manera considerable los niveles
de ruido, el consumo de combustible y las emisiones de gases. Otra ventaja que nos
proporciona de manera indirecta esta preinyección es que al reducir el retardo en el
encendido de la mezcla, posterior a la inyección principal, aumentamos el par motor
obtenido.
En la ilustración 19 podemos ver como existe una gran diferencia entre el
incremento de presión cuando el sistema realiza una inyección previa y cuando no.
Por una parte obtenemos una menor diferencia de presiones entre los máximos
antes y después de la inyección principal y, por otra parte, obtenemos una curva
menos acentuada que en el caso de no haber inyección previa lo cual es sinónimo
de reducción de ruido en el funcionamiento del motor.
Ilustración 19. Diferencias entre sistemas de inyección Common Rail con inyección previa (1) y sin inyección previa (2), (Robert Bosch Gmbh)
39 Escuela Politécnica Superior de Jaén
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4.3.2 Inyección principal
Esta inyección proporciona el par requerido por el conductor. En los sistemas
de inyección Common Rail la presión de inyección se mantiene constante durante
todo el proceso.
4.3.3 Inyección posterior
Esta inyección se puede llegar a atrasar hasta un máximo de 200º después del
punto muerto superior y es la encargada de aportar una pequeña cantidad de
combustible a los gases de escape los cuales sufren una reducción de sus niveles
de NOx. Parte de estos gases, con la pequeña cantidad de combustible, son
aprovechados en la retroalimentación del sistema de inyección. Esta pequeña
cantidad de combustible no se quema y al pasar a la cámara de combustión,
funciona como una inyección previa muy avanzada, anterior a la fase previa.
4.4 Fase de alta presión del sistema de inyección
Debido a que las partes que componen la fase de baja presión en la mayoría
de los sistemas de inyección es común, y que ya hemos hablado anteriormente de
ella, en este apartado hablaremos de la fase de alta presión.
En la fase de alta presión, además de la generación de alta presión, también se
da la distribución y la dosificación del combustible. En la Ilustración 20 podemos ver
las partes que la componen, que son:
• La bomba de alta presión (Ilustración 20, Elemento 1), junto con la
válvula de desconexión y la válvula reguladora de la presión
• Acumulador de alta presión (Ilustración 20, Elemento 2), junto al sensor
de presión del rail, válvula limitadora de la presión y el limitador de flujo
• Inyectores (Ilustración 20, Elemento 3)
• Filtro de combustible (Ilustración 20, Elemento 4)
40 Escuela Politécnica Superior de Jaén
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Este mismo esquema es el que ha sido montado en el banco demostrativo del
taller, mostrando los distintos elementos que se acaban de nombrar junto con
imágenes pertenecientes a sus secciones y/o despieces, quedando de la siguiente
manera:
Ilustración 20. Esquema de la fase de alta presión de un sistema de inyección Common Rail, (Robert Bosch Gmbh)
Ilustración 21. Montaje del sistema de inyección tipo Common Rail en el banco demostrativo
41 Escuela Politécnica Superior de Jaén
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4.4.1 Bomba de alta presión
La bomba de alta presión es la responsable de generar la alta presión
necesaria para la inyección de combustible y para asegurar que haya suficiente
combustible a alta presión disponible para todas las condiciones de funcionamiento.
Esta bomba generara presión de manera continuada para el acumulador de alta
presión, siendo esta una de las características que lo diferencian de los sistemas de
inyección convencionales.
Su lugar dentro del bloque del motor suele ser el mismo que en los sistemas
con bombas rotativas convencionales.
En su interior dispone de 3 émbolos dispuestos radialmente y separados 120º
entre sí, siendo esta una gran ventaja ya que no necesita un gran par (inferior a 16
Nm, muy inferior al par de una bomba rotativa comparable) y su suministro es
constante.
Ilustración 22. Bomba de alta presión
42 Escuela Politécnica Superior de Jaén
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Funcionamiento
El eje de la bomba de la alta presión (Ilustración 23, 1) es impulsado por el
motor a la mitad de revoluciones de éste a través de una correa dentada (la cual
podemos verla en la Ilustración 21).
Esta bomba es lubricada y enfriada a través del propio combustible que
bombea. El combustible es forzado por la bomba de suministro previo, pasando a
través del taladro de estrangulación de la válvula de seguridad (Ilustración 23, 14)
dentro de la cámara interior de la bomba de alta presión (Ilustración 23, 4), siempre y
cuando la presión sobrepase la presión de apertura de dicha válvula que suele estar
entre 0.5 bar y 1.5 bar,
Cuando el émbolo de la bomba (Ilustración 23, 3) se mueve hacia abajo se
abre la válvula de admisión (Ilustración 23, 5) y se succiona combustible dentro de la
cámara. Al final del punto muerto inferior del pistón, se cierra la válvula de admisión,
el recinto queda bloqueado y el combustible en la cámara puede ser comprimido por
el émbolo que se mueve hacia arriba y hacia abajo. En el momento que se alcanza
la presión del raíl, el combustible pasa al circuito de alta presión.
Cuando se alcanza el punto muerto superior (PMS) el émbolo deja de
transportar combustible al raíl. Esto provoca una descompresión en el recinto de la
bomba, en el cual aún queda una pequeña cantidad residual de combustible. La
presión disminuye hasta el momento en el que la presión de la bomba de
alimentación es mayor y se abre la válvula de entrada de combustible a la bomba,
comenzando de nuevo el proceso.
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Ilustración 23. Esquema de una bomba de alta presión, (Robert Bosch Gmbh)
Ilustración 24. Sección de una bomba de alta presión, (Robert Bosch Gmbh)
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Desconexión del elemento
La bomba incorpora un desactivador que anula el efecto de uno de los
pistones de la bomba. Está formado por una electroválvula gobernada por la unidad
de mando que mueve un elemento de cierre. Cuando la bobina de esta
electroválvula es activada, queda abierto un paso que comunica la zona de alta
presión con la de baja en uno de los cilindros, por lo que este no genera presión.
Esto ocurre cuando la temperatura del combustible alcanza los 106 ºC, cuando
el motor funciona a baja carga y en caso de emergencia. De esta forma, se
disminuye la potencia absorbida por la bomba y el sobrecalentamiento del
combustible.
Válvula reguladora de la presión
El regulador de presión está integrado en la bomba de alta presión, aunque
también puede encontrarse en el raíl común y tiene la misión de regular el valor de la
presión con que llega el combustible a los inyectores:
• Con exceso de presión en el rail, la válvula se abre llevando combustible
al depósito de manera que se alivia la presión en su interior.
Ilustración 25. Válvula reguladora de la presión
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• En el caso de que exista una falta de presión en el raíl, la válvula se
cierra, bloqueando el recinto hasta que la presión es la correcta.
La válvula está compuesta por un conjunto mecánico y una bobina gobernada
por la unidad de control. El conjunto está formado por un mando válvula sobre el que
se apoya el núcleo con elemento de cierre de bola (Ilustración 26, 1). Este elemento
esta normalmente cerrado por la acción de un muelle tarado junto con un áncora.
En situación de reposo (bobina sin corriente) la oposición del núcleo empujado
por los elementos elásticos, opone una resistencia al paso del combustible
provocando que este alcance una alta presión en el rail común.
La excitación de la bobina provoca una atracción del núcleo hacia el sentido de
cierre que reduce la sección y en consecuencia el caudal de paso y un aumento de
presión hasta el valor deseado por la unidad de mando. La cantidad de combustible
cortada por la válvula reguladora de presión vuelve al depósito a través del conducto
de retorno.
La alimentación de la bobina se realiza con una señal cuadrada con 200 Hz de
frecuencia fija. El valor de la presión real es controlado por la unidad de mando
mediante el sensor de presión en el rail común.
Ilustración 26. Sección de una válvula reguladora de la presión (Robert Bosch Gmbh)
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4.4.2 Acumulador de alta presión
Las tareas del acumulador de alta presión Common Rail son:
• Almacenar combustible
• Evitar fluctuaciones de presión (manteniendo un volumen adecuado)
El acumulador de alta presión es un tubo de acero de alta calidad capaz de
soportar grandes presiones, que actúa como amortiguador de las pulsaciones
causadas por la bomba de alta presión y por la pérdida de presión debida a la
inyección. Dependiendo del motor en cuestión, su diámetro interno es
aproximadamente 10 mm y su volumen aproximadamente 35 cm3, mucho mayor que
el volumen inyectado. En él suele estar integrado el sensor de presión.
Para evitar las fluctuaciones de presión se debe elegir el volumen más grande
posible, en otras palabras, el máximo posible en longitud y diámetro. Se prefiere un
volumen pequeño para una partida rápida, lo que significa que el volumen óptimo
debe ser lo más pequeño posible pero tan grande como sea necesario.
La presión dentro del distribuidor de combustible se mantiene constante aun
siendo grande la cantidad de combustible inyectado.
Ilustración 27. Conducciones de alta presión (1), raíl común (2), sensor de presión (3), inyectores (4)
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Sensor de presión del raíl
El sensor de presión del raíl (Ilustración 28, 3) se ubica en el acumulador de
alta presión del sistema de inyección y se ocupa de medir la presión del combustible
en el interior del raíl en cada momento, de manera rápida y precisa para abastecer a
la unidad de control con la información necesaria para determinar la señal que se ha
de mandar a los inyectores.
Su funcionamiento se basa en la deformación de la membrana que el sensor
posee, la cual lleva sobre sí una resistencia eléctrica que varía si la forma de la
membrana se ve afectada. A medida que aumenta la presión se reduce la
resistencia del sensor, aumentando correspondientemente la tensión de la señal.
Esta tensión de salida ha sido amplificada en el circuito electrónico existente en
el propio sensor y que funciona con una tensión de alimentación de 5 V.
Este sensor de precisión es el componente más importante del sistema, y en
caso de avería, es excitado con una señal de valor fijo.
Ilustración 28. Esquema de un acumulador de presión Common Rail, (Robert Bosch Gmbh)
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La exactitud con la que mide éste sensor es fundamental para garantizar el
buen funcionamiento del sistema, por lo que sus tolerancias admisibles en la
medición son muy pequeñas. En caso de fallo, se activa un modo llamado “a ciegas”
de la válvula reguladora de la presión en el cual, la unidad de control recibe valores
preestablecidos del sistema para continuar funcionando.
Válvula limitadora de la presión
Esta válvula trabaja como una válvula de sobrepresión, es decir, limita la
presión que hay en el interior del raíl y en caso de una presión excesiva (sólo
permite estar unos segundos a 1500 bar), deja una abertura libre que lo libera del
exceso de presión y hace que el combustible retorne al depósito.
Este tipo de válvulas son accionadas mecánicamente mediante el
desplazamiento del asiento cónico a través de la presión del fluido. En el caso de
que la presión no sobrepase los 1350 bar (presión de trabajo del raíl), el asiento no
se desplazará, y por lo tanto el raíl permanecerá estanco. Para el caso en que sí lo
Ilustración 29. Esquema de un sensor de presión del rail, (Robert Bosch Gmbh)
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sobrepase, el asiento se desplazará en dirección al retorno, con la consiguiente
pérdida de presión producida por el combustible que vuelve al depósito.
Limitador de flujo
Esta válvula trabaja de tal manera que si el inyector excede el volumen máximo
de extracción durante su funcionamiento, debido a una inyección permanente, ésta
cierra el caudal al inyector evitándolo.
El limitador de flujo (Ilustración 31) va unido al raíl por uno de sus extremos y a
la tubería de alta presión que lleva al inyector por el otro.
En el interior del limitador de flujo se encuentra un émbolo presionado por un
muelle en dirección al acumulador de combustible, el cual cierra herméticamente
contra la pared del cuerpo; el taladro longitudinal en el émbolo es la comunicación
hidráulica entre la entrada y la salida.
El diámetro de este taladro longitudinal está reducido por su extremo, que hace
de estrangulador con un flujo de paso perfectamente definido.
Ilustración 30. Esquema de una válvula limitadora de la presión (Robert Bosch Gmbh)
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4.4.3 Inyector
La función de los inyectores es inyectar en la cámara de combustión
exactamente la cantidad correcta de combustible en el momento preciso. Los
inyectores utilizados en los sistemas tipo Common Rail se activan de forma eléctrica,
mediante una servoválvula electromagnética con una gran precisión, a diferencia de
los utilizados en otros sistemas que se activan mecánicamente. Con esto se
consigue más precisión a la hora de inyectar el combustible y se simplifica el sistema
de inyección. El inyector se divide funcionalmente en tres partes:
• El inyector de orificios
• El servosistema hidráulico
• La electroválvula
El combustible a alta presión procedente del acumulador entra hacia la tobera y la
cámara de control de la válvula a través del estrangulador de alimentación. La cámara
de control está unida con el retorno de combustible a través del estrangulador de salida,
que puede abrirse por una válvula electromagnética.
Ilustración 31. Limitador de flujo (Robert Bosch Gmbh)
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La función del inyector puede dividirse en cuatro estados de servicio, con el
motor en marcha y la bomba de alta presión en funcionamiento:
• Inyector cerrado (con alta presión presente)
• Apertura del inyector (comienzo de inyección)
• Inyector totalmente abierto
• Cierre del inyector (final de inyección)
Estos estados de servicio se regulan mediante la distribución de fuerzas en los
componentes del inyector. Si el motor no está en marcha y no hay presión en el
acumulador, la presión de un muelle mantiene el inyector cerrado.
Ilustración 32. Inyector
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• Inyector cerrado (estado de reposo)
La electroválvula no está activada en estado de reposo y por lo tanto se
encuentra cerrado el estrangulamiento de salida (Ilustración 33, a) que hace que la
presión del combustible sea igual en la cámara de control que en el volumen de
cámara de la tobera por lo que la aguja del inyector permanece ajustada sobre su
asiento en la tobera, empujada por el muelle del inyector.
Ilustración 33. Esquema de un inyector, (Robert Bosch Gmbh)
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• El inyector abre (comienzo de la inyección)
El inyector se encuentra en posición de reposo. La electroválvula se activa con
la llamada corriente de excitación, que hace que abra rápidamente la electroválvula
(Ilustración 33, b).
La fuerza del electroimán activado ahora es superior a la fuerza del muelle de
la válvula. El inducido levanta la bola de la válvula de su asiento y abre el
estrangulador de salida. Tras un breve periodo de tiempo se reduce la corriente de
atracción a una corriente de mantenimiento de menor intensidad en el electroimán.
Con la apertura del estrangulador de salida puede fluir el combustible desde la
cámara de control de válvula a la cámara hueca situada encima y volver al depósito
de combustible a través de las tuberías de retorno. El estrangulador de entrada
impide una compensación completa de la presión y disminuye la presión en la
cámara de control de válvula. Esto conduce a que la presión en la cámara de control
sea menor que la presión existente en la cámara de la tobera. La reducción de la
presión en la cámara de control de la válvula conduce a una disminución de la fuerza
sobre el émbolo de mando y da lugar a la apertura de la aguja del inyector. En este
momento comienza la inyección.
• Inyector totalmente abierto
La velocidad de apertura de la aguja del inyector queda determinada por la
diferencia de flujo entre el estrangulador de entrada y el de salida. El émbolo de
mando alcanza su tope superior y permanece retenido ahí mediante un volumen de
combustible con efecto amortiguador (tope hidráulico). Este volumen se produce por
el flujo de combustible que se establece entre el estrangulador de entrada y de
salida.
La tobera del inyector está ahora totalmente abierta y el combustible es
inyectado en la cámara de combustión con una presión prácticamente equivalente a
la existente en el acumulador. La distribución de fuerzas en el inyector es similar a la
existente durante la fase de apertura. El caudal de combustible es, con una presión
determinada, proporcional al tiempo de conexión de la válvula electromagnética y es
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independiente del número de revoluciones del motor o de la bomba (inyección
controlada temporalmente).
• Cierre del inyector (fin de la inyección)
En el momento en que se desactiva la electroválvula, el muelle presiona el
inducido hacia abajo y la bola de la válvula cierra el estrangulador de salida. Al
cerrarse el estrangulador de salida se genera de nuevo en la cámara de control una
presión equivalente a la existente en el acumulador, a través del estrangulador de
entrada. Este aumento de presión supone un incremento de fuerza ejercido sobre el
émbolo de mando. La fuerza generada en la cámara de control de válvula y la fuerza
del muelle superan ahora Sistemas de inyección con acumulador Common Rail la
fuerza del volumen de la cámara de tobera sobre la aguja, por lo que ésta se cierra
sobre su asiento y finaliza la inyección. La velocidad de cierre de la aguja queda
determinada por el flujo proveniente del estrangulador de entrada.
La activación indirecta de la aguja del inyector se efectúa mediante un sistema
de servo asistencia hidráulico debido a que la válvula electromagnética no es capaz
de generar directamente la fuerza necesaria para abrir rápidamente la aguja.
Los volúmenes de control y de fuga en las guías en la aguja y el émbolo se
conducen de nuevo al depósito de combustible a través de la tubería de retorno de
combustible.
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5. Control electrónico Diésel EDC
El control electrónico del motor Diesel nos permite configurar los parámetros de
inyección de manera precisa, variando en función de las condiciones de
funcionamiento. El sistema de Regulación Electrónica Diesel EDC (Electronic Diesel
Control) se subdivide en tres bloques (Ilustración 34):
• Sensores y transmisores de valor de referencia
• Unidad de control ECU (Electronic Control Unit)
• Elementos de regulación (actuadores)
5.1 Requisitos
El principal objetivo que se persigue en sector de la técnica Diesel es reducir el
consumo de combustible y las emisiones de sustancias nocivas, incrementando a su
vez la potencia o el par motor. Esto ha provocado que en los últimos años se
incremente el uso de motores Diesel de inyección directa. De manera cuantitativa
podemos afirmar que se ha conseguido reducir entre un 10 y un 20% el consumo de
combustible de estos motores si los comparamos con los de inyección indirecta,
usados anteriormente. Además de esto, se le añaden unas exigencias adicionales
que están relacionadas con el confort de marcha y con las emisiones de ruido.
Ilustración 34. Bloques del sistema EDC, (Robert Bosch GmbH)
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Esto conduce a un aumento de los requisitos del sistema de inyección y a su
regulación con respecto a:
• las altas presiones de inyección
• conformación del desarrollo de inyección
• inyección previa y, en su caso, inyección posterior
• caudal de inyección, presión de sobrealimentación y comienzo de
inyección adaptados a todos los estados de servicio
• caudal de arranque dependiente de la temperatura
• regulación del régimen de ralentí independiente de la carga
• recirculación regulada de gases de escape
• regulación de la velocidad de marcha
La regulación mecánica de revoluciones convencional registra mediante
dispositivos de adaptación los distintos estados de funcionamiento y asegura una
gran calidad en la preparación de la mezcla. Sin embargo, se limita a un circuito
regulador sencillo en el motor, con lo que gran cantidad de importantes magnitudes
quedan sin registrar o no son registradas con la rapidez suficiente.
El sistema EDC ha evolucionado a medida que las exigencias aumentaban,
desde sus comienzos siendo un sistema sencillo con eje actuador a un complejo
control electrónico del motor que ha de procesar gran cantidad de información en
tiempo real.
5.2 Funcionamiento
Debido al incremento de la capacidad de cálculo de los microprocesadores en
los últimos años, la Regulación Electrónica Diesel (EDC) moderna garantiza el
cumplimiento de dichas exigencias.
A diferencia de los vehículos Diesel con bombas convencionales controladas
mecánicamente, en un sistema EDC, el conductor no controla de forma directa el
caudal de combustible que se inyecta en la cámara de combustión a través del pedal
del acelerador. Este caudal es calculado en función de las siguientes variables:
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• Deseo del conductor (posición del pedal del acelerador)
• Estado de servicio
• Temperatura del motor
• Intervención de otros sistemas (calefacción, sistemas hidráulicos, etc.)
• Efectos sobre las emisiones de contaminantes
El caudal de inyección se calcula en la unidad de control a partir de estas
variables, siendo también posible la variación del momento de la inyección. Su
funcionamiento se basa en el reconocimiento de las desviaciones que el sistema
sufre y lo compensa aplicando medidas conforme a sus efectos (limitar el par motor,
por ejemplo). El sistema EDC contiene por ello varios circuitos reguladores.
La Regulación Electrónica Diesel permite también el intercambio de datos con
otros sistemas electrónicos como por ejemplo el ABS o el ESP. Con ello se puede
integrar el control del motor en el sistema total del vehículo. El sistema EDC está
completamente integrado en el sistema de diagnóstico del vehículo.
5.3 Bloques del sistema
La Regulación Electrónica Diesel EDC se divide en tres bloques de sistema:
1. Sensores y transmisores de valor teórico: registran las condiciones de
servicio (por ejemplo, número de revoluciones del motor) y los valores
teóricos (por ejemplo, la posición del pedal del acelerador), transformando las
magnitudes físicas en señales eléctricas que se mandan a la unidad de
control.
2. La unidad de control: analiza y procesa las informaciones provenientes de
los sensores y transmisores de los valores teóricos en base a determinados
procesos de cálculo matemáticos. Controla los elementos de regulación
mediante señales de salida eléctricas. Ésta a su vez sirve de interfaz con los
demás sistemas para el diagnóstico del vehículo.
3. Elementos de regulación (actuadores): transforman las señales eléctricas
de salida de la unidad de control en magnitudes mecánicas (por ejemplo, de
la electroválvula para la inyección).
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5.4 Procesamiento de datos
La tarea principal del Sistema EDC es controlar el caudal de inyección y el
momento de la inyección, a lo que en los sistemas de inyección Common Rail se le
añade la regulación de la presión de inyección. La unidad de control del motor
controla los diferentes elementos actuadores en todos los sistemas. La regulación de
la inyección debe ser única para cada motor y cada vehículo, y solo de esta manera
podrán interactuar de forma óptima todos los componentes del sistema (Ilustración
35).
La unidad de control recibe las señales de los sensores, las evalúa y las adapta
a un nivel de tensión admisible. A partir de los datos de entrada y en función de los
mapas almacenados, el microprocesador calcula, mediante el “ECU software”, el
momento y la duración de la inyección, transformando estos datos en señales
características para los actuadores.
Teniendo en cuenta que se requiere una gran precisión y que la velocidad a la
que trabaja el motor es bastante alta, se requiere una gran capacidad de cálculo.
Ilustración 35. Secuencia básica de regulación electrónica, (Robert Bosch GmbH)
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6. Trabajos actual y futuro
6.1 Manuales
Para la puesta en marcha del sistema del banco de pruebas con el sistema de
inyección es recomendable hacerlo teniendo como base el manual del sistema de
inyección que en este trabajo se estudia. El sistema de inyección tipo Common Rail
que en nuestro caso va instalado en un Citroën y corresponde a la designación
BOSCH HDI EDC 15C2, acompañará a este trabajo para que sea facilitado al
próximo estudiante.
En él se nos detallan, entre otras cosas los diagramas eléctricos y electrónicos,
componentes y otras partes específicas, tanto como para el sistema de suministro
de combustible como para el sistema de suministro de aire.
En este manual también podemos encontrar todo tipo de especificaciones
técnicas sobre los sistemas de sensores que alimentan la centralita de información
para su futuro procesamiento.
6.2 Disposición del banco demostrativo
En la Ilustración 20 podemos ver de manera teórica la disposición del sistema
de inyección que podría ser una posibilidad a la hora del montaje del banco de
pruebas para su ensayo. En la Ilustración 21 vemos la disposición que he elegido
para el banco demostrativo, en el que he instalado los elementos más importantes
del sistema de inyección junto con las imágenes que muestran sus secciones para
ayudar a la comprensión de su funcionamiento.
El proceso del montaje del banco demostrativo comenzó con la limpieza de
cada una de las piezas. Estas provenían de un desguace por lo que existía una gran
cantidad de suciedad.
El próximo paso fue el montaje de la mesa, ya que solo se me facilitó el tablero
apoyado en el marco de aluminio, teniéndolos que sujetar a las patas móviles del
mismo material.
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La fijación de las piezas fue un proceso bastante sencillo ya que solamente
tuve que taladrar el tablero e introducir un alambre de acero que iba enrollado por la
parte inferior para asegurar las piezas.
Por último, pegué las diferentes imágenes que identificaban a cada uno de los
elementos que conforman el sistema de inyección, las cuales iban plastificadas para
evitar su deterioro debido al ambiente y suciedad que pudiera haber en el taller.
6.3 Guion de prácticas
Uno de los objetivos de este TFG era utilizar la información que en él se incluye
para la futura elaboración de un guion de prácticas para la asignatura Máquinas
térmicas en el que se pidiera identificar los elementos que forman el sistema de
inyección, las partes que componen cada elemento, realizar algún tipo de simulación
para demostrar de qué manera funciona cada elemento, etc.
6.4 Coste del banco demostrativo
Como información adicional, debemos de reflejar el gasto que supone para la
Universidad de Jaén el montaje del banco demostrativo:
Denominación Unidades Dimensión (mm) Precio (€) Coste (€) Sistema de inyección 1 260 260.00
Perfil de aluminio 4 1500 6.70 40.2. Perfil de aluminio 4 400 6.70 10.72 Perfil de aluminio 4 1000 6.70 26.80 Perfil de aluminio 4 1700 6.70 45.56 Perfil de aluminio 4 600 6.70 16.08 Apoyo con rueda 4 5 20.00
Tablero 1 1700x1000x20 27 45.90 Plastificación 6 1 6.00 Cola blanca 1 2.79 2.79
Alambre 1 2000 2.67 5.34 Mano de obra 20 1.25 25.00
Coste Total 504.39 Tabla 1. Coste del montaje del Banco demostrativo
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7. Bibliografía
Motores de combustión interna alternativos, M. Muñoz y F. Payri.
Internal combustion engine fundamentals, John B. Heywood.
Maquinas térmicas, UNED, M. Muñoz y F. Payri.
Manual de la técnica del automóvil, 3ª Ed. Robert Bosch Gmbh.
Sistemas de inyección de acumulador Common-Rail, Diésel, Robert Bosch
Gmbh.
Distributor-type Diesel fuel-inyection pumps, Robert Bosch Gmbh.
Bosch HDI EDC 15C2 injection system and particle filter handbook, Grupo PSA.
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