Alimentación y combustión en motores alternativos

Automoción. Mecánica. Automóvil. Carburadores. Corrección automática. Economizadores. Enrriquecedores. Sistema egas. Gasolina. Acelerador electrónico. Inyección diesel. Bombas. Common rail. Culatas

  • Enviado por: Josepi
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ALIMENTACIÓN Y COMBUSTION EN

MOTORES ALTERNATIVOS

ÍNDICE

PRIMERA PARTE

ALIMENTACIÓN DE MOTORES DE ALTERNATIVOS

SEGUNDA PARTE

COMBUSTIÓN EN MOTORES ALTERNATIVOS

ANEXO

ILUSTRACIONES - SISTEMAS DE INYECCIÓN DE GASOLINA Y DE RAÍL COMÚN

BIBLIOGRAFÍA

PRIMERA PARTE

ALIMENTACIÓN DE MOTORES DE ALTERNATIVOS

1.- ALIMENTACIÓN POR CARBURADOR

Cuando el pistón comienza su descenso, se produce una absorción de aire que llega a los cilindros y que, a su vez, arrastra gasolina. Mediante un colector de admisión, se une la entrada de combustible de cada cilindro con el carburador.

En el carburador se produce la mezcla de aire y combustible, ya que su misión es la de pulverizar la gasolina de manera que pueda relacionarse debidamente con el aire, y cuya relación (dosado) debe permitir variaciones desde 17/1 hasta 12/1, según las necesidades del motor.

El carburador se forma de un cilindro denominado colector, en el cual hay un estrechamiento (difusor). Bajo éste se encuentra una válvula que, cuando se encuentra de forma horizontal, estrangula el canal impidiendo el paso del aire. Si la válvula de mariposa estuviera de manera vertical, la depresión en el difusor aumentaría junto con la velocidad de giro del motor. Ésta se llama válvula de mariposa. En la zona más estrecha del difusor, podemos encontrar el surtidor, ya que es la zona donde hay una mayor depresión.

Cuando el aire pasa por el difusor se produce un aumento de velocidad, por lo que la gasolina del surtidor es aspirada, cuya cantidad varía con la cantidad de aire que pasa. Estos dos elementos determinarán la riqueza de la mezcla.

Por otra parte, la bomba de alimentación se encarga del envío de gasolina hasta un depósito más pequeño en el carburador llamado cuba, en cuyo interior flota una boya con una aguja en su parte superior que permite o impide el paso de gasolina según convenga. Así se consigue mantener un nivel que impide desbordamientos en el surtidor principal, puesto que el nivel del líquido queda unos milímetros por debajo del agujero de salida.

Además, en el carburador se incorpora una válvula unida al acelerador que es encargada de regular la cantidad de mezcla que pasa al motor, siendo que cuando este pedal se presiona, deja paso libre y provoca un buen llenado del cilindro. Esta válvula se va cerrando a medida que se suelta el acelerador.

1.1.- CORRECCIÓN AUTOMÁTICA DE LA RIQUEZA DE LA MEZCLA

El carburador por sí solo es incapaz de suministrar una mezcla adecuada dependiendo de la necesidad del vehículo, por lo que resulta necesario el uso de bombas de aceleración, economizadores, y compensadores para corregir esto, además de los sistemas de arranque en frío y marcha en ralentí del carburador.

En los carburadores actuales se utiliza el surtidor de chimenea como medio de corrección de la riqueza.

Surtidor de chimenea - se compone de un surtidor principal con un tubo en su interior donde se practicó una apertura en la parte superior y unos orificios en los laterales (emulsionador); y un calibre acoplado en la apertura superior del emulsionador (soplador).

A través del calibre principal, situado en la parte inferior, llega la gasolina al surtidor. Cuando la gasolina está allí, se provoca el cierre de los agujeros del emulsionador al alcanzar el nivel justo. En ese momento, el surtidor queda preparado para que el aire que atraviesa el difusor pueda arrastrar la gasolina.

Puede ocurrir que el nivel del surtidor baje, llegando a descubrirse los agujeros del emulsionador. En e primer orificio practica aparece una corriente de aire, que se une a la gasolina y la ayuda en su futura pulverización.

En resumen, cuando se eleva la cantidad del aire que pasa por el difusor, se disminuye la cantidad de gasolina. Denominamos a este síntoma automaticidad del carburador.

1.2.- ECONOMIZADORES Y ENRIQUECEDORES

Estos componentes son necesarios, ya que, dependiendo de la situación del vehículo, la mezcla se necesita más o menos rica, y el carburador no puede conseguir eso. Con estos dispositivos se consigue la modificación de la mezcla para adecuarla según la ocasión.

Los economizadores consisten en una válvula que permita que el combustible llegue al surtidor, siendo accionada por una membrana provista de un muelle, que se mueve dependiendo de la depresión del colector. Este muelle actúa abriendo la válvula al mismo tiempo que la mariposa de gases, siendo débil la depresión. Así existe un caudal adicional. Cuando el efecto es contrario, la válvula se cierra, produciendo la acción economizadora.

A veces se dispone también de un econostato, por encima del surtidor, cuya desembocadura se produce en el colector. El más simple de ellos trata de un tubo calibrado ubicado en la cuba, donde su posición se basa en la provocación del suministro a plena carga. Por ello que se denominan enriquecedores de potencia, que también tienen la opción de ir acompañados del economizador.

1.3.- BOMBA DE ACELERACIÓN

El carburador ofrece mezclas pobres cuando la mariposa de gases se abre ligeramente, de manera que, en un intento de sufrir aumento de potencia, ésta se abre. Para que este aumento sea posible, el carburador debe hacer llegar una mezcla más rica, pero el surtidor no puede, instantáneamente, conseguir este enriquecimiento, por lo que es necesario el uso de la bomba de aceleración: para compensar el empobrecimiento que esta rápida apertura de la mariposa produce.

En la bomba de aceleración de membrana, unas palancas accionadas por el eje de mando de la mariposa de gases o, en ocasiones, por una leva, producen el desplazamiento de la membrana, siendo así como varía el volumen del cuerpo al moverse ésta. Por ejemplo, cuando la mariposa se acerca al cierre, la membrana se desplaza, produciéndose una aspiración de la gasolina acompañada de un aumento de volumen. Así, cuando se acelera, se vuelve a empujar la membrana, produciendo la veloz impulsión de la gasolina hasta el surtidor. Esta velocidad queda marcada por la fuerza de la membrana y por un calibre.

También es muy utilizada la bomba de tipo pistón, donde éste se mueve mediante un muelle y unas varillas accionadas por la mariposa. Cuando ésta se acciona, las palancas bajan la biela, entonces el vástago provoca el descenso del pistón (empujado por el muelle). Si resulta ser una apertura completa, se crea un vacío porque el pistón deja abierta la válvula, así que se arrastra combustible (efecto de enriquecedor). Cuando se cierra la mariposa, el pistón es obligado a subir por el muelle, creando la succión de gasolina.

1.4.- DISPOSITIVOS DE ARRANQUE EN FRÍO

En los momentos del arranque los componentes del motor están fríos, por lo que partículas de gasolina tienden a condensarse durante su recorrido. Esto significa que a la hora de la combustión no hay carburante suficiente, de manera que es necesario el aumento de la riqueza en este momento para evitar que llegue a su destino una cantidad insuficiente. Sin embargo, cuando el motor se calienta, la gasolina condensada se desprende y se sufre un aumento innecesario de riqueza.

Para evitar estos problemas, hoy en día se monta una mariposa de aire a la entrada del aire en el carburador, cuya misión es obstruir la entrada de aire. Este sistema tiene dos posibilidades:

*Estrangulador manual - desde el interior del vehículo se acciona un tirador, que provoca que la leva de mueva, tirando consigo de un muelle que acciona el estrangulador. Los pequeños movimientos de éste permiten la entrada de una mínima cantidad de aire que, al mezclarse con la gasolina, produce una mezcla rica para el arranque. Una vez al ralentí, la depresión obtenida vence al muelle, permitiendo el paso de aire y, con ello, un empobrecimiento.

*Estrangulador automático - este sistema incorpora una lámina bimetal (ubicada en un cajetín de caldeo de la refrigeración) que, mediante palancas y levas, se comunica con la mariposa. Cuando el motor está frío, la varilla que cierra la mariposa es accionada por el muelle, debiéndose esto a causa de que la lámina mueve una palanca que lo acciona. Más tarde, la depresión que actúa en una membrana hace mover una varilla que impulsa la leva que provoca la abertura de la mariposa.

1.5.- DISPOSITIVOS PARA LA MARCHA EN RALENTÍ

Se trata de incorporar un carburador más pequeño al carburador principal, cuya misión es la de garantizar el funcionamiento del motor cuando este esté trabajando al mínimo. El ralentí deja de funcionar en el momento en el que el motor es completamente capaz de encargarse del cebado del surtidor.

En él, la gasolina llega al calibre para mezclarse con el aire del soplador del ralentí. Más tarde, la mezcla desembocará en el colector mediante un agujero que se regula mediante un tornillo.

Mientras se pisa el acelerador, la mariposa se abre, de manera que se aumenta el número de revoluciones. Intentando evitar que aumente la cantidad de aire mientras que la de gasolina queda igual, se dispone de los orificios de progresión, creados de tal manera que a cierto nivel de la apertura de la mariposa uno de ellos quede detrás de la misma. Este hecho tiene como consecuencia que influya la depresión en este orificio. A partir de ese mismo momento, son dos los agujeros que absorben la mezcla, además de que se pierde aireación de ralentí.

En algunos casos se incorporan otros sistemas. En ellos el circuito principal es normal, pero tienen la diferencia de incorporar un sistema auxiliar.

*Sist. auxiliar de aire - en él, la mariposa permanece cerrada, y el aire es aportado por este circuito.

*Sists. CO constante y CO limitado - se trata de un circuito auxiliar de toma de gasolina, mediante el surtidor, de la cuba. En cualquiera de estos dos sistemas, no se necesita actuar sobre la mariposa, puesto que se realizan desde el tornillo de ralentí y el de régimen de giro del motor.

2.- INYECCIÓN EN MOTORES DE GASOLINA

En la actualidad los sistemas de inyección han desplazado a los carburadores debido a que cumplen mejor con su cometido, que es proporcionar la cantidad justa de combustible en cada momento. Reducen el consumo y se ajustan mejor a las normativas vigentes de emisión de gases de escape.

2.1.- FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE INYECCIÓN

La misión de la inyección de gasolina es hacer a cada cilindro el combustible adecuado en cada momento acorde con las necesidades del motor. Las exigencias del motor varían muy rápidamente, con lo cual necesitamos un sistema muy eficaz y que controle los datos necesarios para la correcta administración de combustible. De ahí que los sistemas electrónicos de inyección sean los más adecuados. Éstos pueden controlar una enorme cantidad de datos de servicio para transformarlos en señales eléctricas mediante captadores. Estas señales se hacen llegar a la unidad de control de la instalación que las procesa y calcula inmediatamente los caudales necesarios.

2.2.- SISTEMAS DE CONTROL DE LLENADO DE AIRE EN LOS CILINDROS

En los motores de inyección, la masa de aire aportada es decisiva para conseguir un buen par motor y una buena potencia. El par motor entregado es proporcional a la masa de aire aportada.

En los sistemas convencionales, la mariposa es accionada mecánicamente por una varilla o cable, unida al pedal del acelerador. La posición de la mariposa afecta a la apertura del conjunto de admisión y controla el paso del aire aspirado por el motor. Esta información se transmite mediante conexiones eléctricas a la unidad de control. La unidad de control recibe así información acerca de la cantidad de aire y la temperatura del mismo.

Sistema EGAS (acelerador electrónico): La unidad de control electrónica se hace cargo de los movimientos de la mariposa, mediante un pequeño motor. Un sensor solidario a la mariposa indica el ángulo de giro de la misma. El acelerador actúa sobre 2 potenciómetros de movimiento opuesto, que mandan información a la unidad de control de los deseos de aceleración o deceleración del conductor. Si el sistema detecta alguna anomalía en la instalación, inmediatamente se activa un modo de emergencia que permita evitar situaciones de peligro.

Este sistema EGAS está integrado en la unidad de control que regula también la inyección, no existe por separado. Permite una composición óptima de la mezcla.

Realimentación de los gases de escape (AGR): Consiste en introducir al cilindro una parte de los gases quemados, en el momento de la admisión de los gases frescos. El objeto de introducir estos gases inertes, es el de reducir la emisión de óxidos de nitrógeno, al mismo tiempo que se baja la temperatura de combustión.

Normalmente la cantidad de gases residuales está regulada por una unidad de control, que actúa en función del número de revoluciones y de las exigencias del conductor. El sistema consta de un conducto que une el colector de escape con el de admisión, cuya sección de paso está regulada por una válvula, que a su vez está regulada por la mencionada unidad de control.

Sobrealimentación dinámica: El par motor es proporcional al aire que entra en los cilindros. Éstos, que entran en la fase de aspiración, entran, como mucho, a una presión de 1 atm. Se puede aumentar el par, dentro de unos límites, aumentando la presión de entrada de los gases frescos. A esto es a lo que se denomina sobrealimentación. Existen varios tipos:

  • Sobrealimentación por tubo oscilante de admisión

  • Geometría variable del tubo de admisión

  • Sistema combinado de tubos de admisión de resonancia y de tubo oscilante

  • Sobrealimentación mecánica

  • Turboalimentación por gases de escape

  • Sobrealimentador VTG

  • Sobrealimentador VST

2.3.- INYECCIÓN DE LA GASOLINA

En la actualidad predominan los sistemas de inyección en los que la formación de la mezcla se realiza fuera de la cámara de combustión (inyección en tubo de admisión). Los sistemas de inyección interna, o de inyección directa en la cámara de combustión, están ganando importancia por ser los más adecuados para la reducción de consumo de combustible.

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2.3.1.- Formación externa: La mezcla de combustible y aire se realiza fuera de la cámara de combustión, en el tubo de admisión.

  • Inyección individual: Cada cilindro tiene una válvula de inyección que inyecta delante de la válvula de admisión del cilindro. Dentro de estos sistemas tenemos:

Sistema de inyección mecánica K - Jetronic: Inyecta el combustible de forma continua, por medio de una bomba eléctrica que manda el combustible al sistema, obteniéndose la dosis adecuada en función del aire aspirado por el motor. Es un Sistema mecánico, pues combustible va impulsado por la bomba a la presión adecuada.

Sistema de inyección mixto KE - Jetronic: La misión es la misma que el anterior, pero la composición interna es distinta. La presión de llegada de la bomba de gasolina hace que la membrana se abra permitiendo la comunicación del regulador de mezcla con el retorno al depósito, disminuyendo la presión en el sistema. Si la presión disminuye mucho, se cierra la membrana impidiéndose dicha salida y aumentando la presión del sistema. En todo momento la membrana de cierre realiza el ajuste de la presión.

Sistema de inyección electrónica L - Jetronic: Es un sistema de inyección individual (multipunto) que inyecta el combustible antes de la válvula de admisión, y de una forma discontinua en los inyectores, una vez en todos por vuelta de cigüeñal.

Sistema de inyección electrónica LH - Jetronic: En un sistema de inyección indirecta, discontinua, simultánea, igual que el L- Jetronic, pero con algunas particularidades.

Sistema de inyección Motronic: Es también un sistema de inyección indirecta, discontinua, simultánea y multipunto, al igual que los L - Jetronic y LH - Jetronic. Ofrece la innovación de integrar en la unidad de control los sistemas de inyección y de encendido.

  • Inyección Central: También existen sistemas de inyección central, con una válvula de inyección única en el tubo central del colector de admisión, que inyecta a todos los cilindros de forma intermitente. Dos son los más relevantes: Bosch Mono - Jetronic y Mono - Monotronic.

Bosch Mono - Jetronic: Los componentes son similares a los L - Jetronic, para llevar el combustible y componentes eléctricos de regulación y sondas de información a la unidad de control que suele estar integrada para mandar la cantidad a inyectar y la chispa de encendido a producir, del tipo motronic explicado antes.

Bosch Mono - Monotronic: Es un sistema más perfeccionado que el anterior. El perfeccionamiento radica en la unidad de control integrada para los sistemas de encendido e inyección.

2.3.2.- Formación Interna: La mezcla y la inyección se realizan en la cámara de combustión.

Inyección directa: El motor aspira aire mediante la válvula de admisión, y el inyector inyecta el combustible en la cámara de combustión. Posee una bomba de alta presión, que recibe el combustible de una bomba eléctrica que lo aspira del depósito y lo pone a disposición del inyector a una presión de entre 50 y 120 atm (por debajo de las presiones en motores diesel). A medida que aumenta la velocidad de giro, aumenta la presión.

3.- SISTEMAS DE INYECCIÓN DIESEL

3.1.- BOMBAS DE INYECCIÓN EN LÍNEA

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 línea. 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.

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Bomba en línea tipo PE para 4 cilindros

Bomba de inyección en línea 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 línea 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.

3.2.- 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.

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Bomba de inyección rotativa de émbolo axial
Esta bomba consta de una bomba de aletas que aspira combustible del depósito 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 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.

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.

 

3.3.- BOMBAS DE INYECCIÓN INDIVIDUALES

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 línea 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.

Unidad bomba-inyector UIS

El sistema bomba-inyector (UIS Unit Inyector System) de Bosch, se introdujo en el Volkswagen Passat a finales de 1998 con una nueva generación de motores diesel de inyección directa, que esta teniendo una gran aceptación debido a las altas prestaciones que dan los motores alimentados con este sistema de inyección (ejemplo los 150 CV de potencia que alcanzan motores con una cilindrada menor de 2000 cc), así como alcanzar unos consumos bajos y una reducción en las emisiones contaminantes
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.

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Sistema UIS

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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.

3.4.- SISTEMA DE INYECCIÓN POR ACUMULADOR

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.

3.4.1.- COMMON RAIL. FUNDAMENTOS Y RESEÑAS HISTÓRICAS

Hablar de common-rail es hablar de Fiat ya que esta marca automovilística es la primera en aplicar este sistema de alimentación en los motores diesel de inyección directa. Desde 1986 cuando apareció el Croma TDI, primer automóvil diesel de inyección directa del mundo. Se daba el primer paso hacia este tipo de motores de gasóleo que tenían una mayor eficacia de combustión.

Gracias a este tipo de motores, que adoptaron posteriormente otros fabricantes, los automóviles diesel podían garantizar mayores prestaciones y menores consumos simultáneamente. Quedaba un problema: el ruido excesivo del propulsor a bajos regímenes de giro y en los "transitorios".

Y es aquí donde comienza la historia del Unijet o mejor dicho, el estudio de un sistema de inyección directa más evolucionado, capaz de reducir radicalmente los inconvenientes del excesivo ruido de combustión. Esta búsqueda llevará algunos años más tarde al Unijet, alcanzando mientras tanto otras ventajas importantes en materia de rendimiento y consumo.

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Para resolver el problema, solamente existían dos posibilidades: conformarse con una acción pasiva y aislar después el motor para impedir la propagación de las ondas sonoras, o bien, trabajar de modo activo para eliminar el inconveniente en la fuente, desarrollando un sistema de inyección capaz de reducir el ruido de combustión.

Decididos por esta segunda opción, los técnicos del Grupo Fiat se concentraron inmediatamente en la búsqueda del principio del "Common-Rail", descartando después de análisis cuidadosos otros esquemas de la inyección a alta presión. Estos sistemas no permitían gestionar la presión de modo independiente respecto al número de revoluciones y a la carga del motor, ni permitían la preinyección, que son precisamente los puntos fuertes del Unijet.

Nacido del trabajo de los investigadores de la Universidad de Zurich, nunca aplicado anteriormente en un automóvil, el principio teórico sobre el que se inició el trabajo era simple y genial al mismo tiempo. Continuando con la introducción de gasóleo en el interior de un depósito, se genera presión dentro del mismo depósito, que se convierte en acumulador hidráulico ("rail"), es decir, una reserva de combustible a presión disponible rápidamente.

Tres años después, en 1990, comenzaba la prefabricación del Unijet, el sistema desarrollado por Magneti Marelli, Centro de Investigación Fiat y Elasis sobre el principio del "Common Rail". Una fase que concluía en 1994, cuando Fiat Auto decidió seleccionar un socio con la máxima competencia en el campo de los sistemas de inyección para motores diesel. El proyecto se cedió posteriormente a Robert Bosch para la parte final del trabajo, es decir, la conclusión del desarrollo y la industrialización.

Así, once años después del Croma TDI, en octubre de 1997, llegó al mercado otro automóvil de récord: el Alfa 156 JTD equipado con un revolucionario turbodiesel que aseguraba resultados impensables hasta ese momento. Los automóviles equipados con este motor son increíblemente silenciosos, tienen una respuesta tan brillante como la de los propulsores de gasolina y muestran, respecto a un motor de precámara análogo, una mejora media de las prestaciones del 12%, además de una reducción de los consumos del 15%. El éxito de los Alfa 156 con motor JTD fue inmediato y rápidamente, además de ser empleado en otros modelos de Fiat Auto, muchas otras marcas automovilísticas adoptaron propulsores similares.

Ahora llega la segunda generación de los motores JTD, en los Multijet. El principio técnico sobre el que se basa el desarrollo del Multijet es simple. En los motores de tipo "Common Rail" (Unijet) se divide la inyección en dos fases una preinyección, o inyección piloto, que eleva la temperatura y la presión en el cilindro antes de hacer la inyección principal para permitir así una combustión más gradual, y resultando un motor más silencioso.

El sistema Multijet evolución del principio "Common Rail" que aprovecha el control electrónico de los inyectores para efectuar, durante cada ciclo del motor, un número mayor de inyecciones respecto a las dos del Unijet. De este modo, la cantidad de gasóleo quemada en el interior del cilindro sigue siendo la misma, pero se reparte en más partes; de esta manera, se obtiene una combustión más gradual. El secreto del Multijet se basa en las características del diseño de centralita e inyectores que permiten realizar una serie de inyecciones muy próximas entre sí. Dicho proceso de inyección, desarrollado por los investigadores de Fiat Auto, asegura un control más preciso de las presiones y de las temperaturas desarrolladas en la cámara de combustión y un mayor aprovechamiento del aire introducido en los cilindros.

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- Bomba de alta presión

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Esta bomba tiene la función de suministrar combustible a alta presión al rail en todos los márgenes de funcionamiento del motor. Incluye además el mantenimiento de una reserva de combustible a presión para la puesta en marcha del motor.
La bomba de alta presión va montada en el mismo lugar que las bombas de inyección rotativas convencionales. La bomba es accionada por el motor a través de una correa con un giro de 3000 rpm como máximo. La bomba se lubrica con el propio combustible que bombea, la válvula reguladora de presión esta adosada directamente a la bomba de alta presión o se instala por separado en el rail.

El combustible se comprime dentro de la bomba de alta presión por tres émbolos dispuestos radialmente separados 120º cada uno. Por cada vuelta de eje de la bomba se producen tres carreras de suministro suficientes para proporcionar el combustible necesario para el funcionamiento del motor. Por lo tanto el Common-rail plantea exigencias de accionamiento de la bomba menores por lo que se frena menos el motor que como lo hace con las bombas rotativas convencionales. La potencia necesaria para el accionamiento de la bomba aumenta proporcionalmente a la presión ajustada en el rail y a la velocidad de rotación de la bomba.
En un motor de dos litros, y con una presión en el rail de 1350 bar como máximo, que es la presión con la que trabajan los sistemas common-rail (Unijet), la bomba consume una potencia de 2.8 CV (3.6 Kw). La mayor demanda de potencia tiene causas en los caudales de fugas y de control en el inyector y en el retorno de combustible a través de la válvula reguladora de presión.

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Elementos que forman la bomba de alta presión: 1.- eje de la bomba; 2.- leva excéntrica; 3.- muelle; 4.- embolo o elemento de bombeo;
6.- válvula de aspiración; 7.- entrada de fuel a baja presión; 8.- salida de fuel a alta presión; 9.- válvula anti-retorno; 10.- muelle.

La válvula de desconexión del elemento o embolo "4": sirve para limitar el bombeo de combustible, sobre todo cuando el motor gira a ralentí o a medias cargas, ya que la bomba suministra mas caudal de combustible que se necesita en estos casos.
La válvula de desconexión consiste en una electroválvula que cuando se activa mueve una espiga que mantiene abierta la válvula de aspiración "6" por lo que el elemento de bombeo o embolo en su carrera de compresión no bombea combustible.

- Rail o acumulador de presión

La misión del rail es almacenar combustible a alta presión, esta construido de acero forjado para soportar las altas presiones a las que se ve sometido. El volumen de combustible que entra en un rail depende de la cilindrada del motor que va alimentar.La presión en el rail se crea al ser mayor el caudal de combustible enviado por la bomba de alta presión que el consumido por el motor. Al no poder salir el combustible del rail, la presión aumenta. La centralita electrónica recibe información de la presión del combustible a través del sensor y envía señales eléctricas al regulador de presión para ajustarla

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Con el motor caliente y girando al ralentí, la presión en el conducto es de 150 bares, mientras que en fuertes aceleraciones la presión puede llegar a subir hasta los 1350 bares. En regímenes intermedios, la presión suele oscilar entre los 300 y 800 bares. Variando la presión en el conducto único se consigue modificar el caudal inyectado sin variar apenas el tiempo de apertura del inyector y mejorando la pulverización del chorro de combustible en la cámara de combustión.
La válvula reguladora de presión: tiene la función de regular y mantener la presión en el rail dependiendo del estado de carga del motor:
- En caso de una presión excesiva en el rail, la válvula abre y deja salir parte del combustible que retorna al depósito.
- Si la presión es baja en el rail, la válvula cierra para que así aumente la presión.
La válvula reguladora de presión puede ir instalada en la bomba de alta presión o en el rail. Si va instalada en la bomba, en el rail se suele colocar una válvula imitadora de presión de funcionamiento mecánico que simplemente funciona cuando se supera la presión máxima 1340 bar dejando salir parte de combustible hacia el deposito para que baje la presión como se ve en el esquema de arriba.
La válvula reguladora de presión se activa eléctricamente reforzando la fuerza que hace un muelle sobre una bola que abre o cierra el paso del combustible de retorno al combustible. Si no esta activada la válvula solo existe la fuerza del muelle contra la bola que consigue que la presión suba en el rail hasta 100 bar. Para conseguir mas presión en el rail se tiene que activar la válvula reguladora de presión, de ello se encarga la ECU mediante señales eléctricas.

- Inyectores

El inyector utilizado en los sistemas common-rail se activan de forma eléctrica a diferencia de los utilizados en sistemas que utilizan bomba rotativa que inyectan de forma mecánica. Con esto se consigue mas precisión a la hora de inyectar el combustible y se simplifica el sistema de inyección.
La estructura del inyector se divide en tres bloques funcionales:
- El inyector de orificios.
- El servosistema hidráulico.
- La electroválvula.

'Alimentación y combustión en motores alternativos'

Esquema de un inyector: 1.- retorno de combustible a deposito; 2.- conexión eléctrica 3.- electroválvula; 4.- muelle; 5.- bola de válvula; 6.- estrangulador de entrada: 7.- estrangulador de salida; 8.- embolo de control de válvula; 9.- canal de afluencia; 10 aguja del inyector; 11.- Entrada de combustible a presión; 12.- cámara de control.

'Alimentación y combustión en motores alternativos'

El combustible a alta presión procedente del rail entra por "11" al interior del inyector para seguir por el canal de afluencia "9" hacia la aguja del inyector "10", así como a través del estrangulador de entrada "6" hacia la cámara de control "12". La cámara de control "12" esta unida con el retorno de combustible "1" a través del estrangulador de salida "7" y la electroválvula "3".

Cuando la electroválvula "3" no esta activada el combustible que hay en la cámara de control "12" al no poder salir por el estrangulador de salida "7" presiona sobre el embolo de control "8" que a su vez aprieta la aguja del inyector "10" contra su asiento por lo que no deja salir combustible y como consecuencia no se produce la inyección.
Cuando la electroválvula esta activada entonces se abre y deja paso libre al combustible que hay en la cámara de control. El combustible deja de presionar sobre el embolo para irse por el estrangulador de salida hacia el retorno de combustible "1" a través de la electroválvula. La aguja del inyector al disminuir la fuerza del embolo que la apretaba contra el asiento del inyector, es empujada hacia arriba por el combustible que la rodea por lo que se produce la inyección.
Como se ve la electroválvula no actúa directamente en la inyección sino que se sirve de un servomecanismo hidráulico encargado de generar la suficiente fuerza para mantener cerrada la válvula del inyector mediante la presión que se ejerce sobre la aguja que la mantiene pegada a su asiento.
El caudal de combustible utilizado para las labores de control dentro del inyector retorna al deposito de combustible a través del estrangulador de salida, la electroválvula y el retorno de combustible "1". Ademas del caudal de control existen caudales de fuga en el alojamiento de la aguja del inyector y del embolo. Estos caudales de control y de fugas se conducen otra vez al deposito de combustible, a través del retorno de combustible "1" con una tubería colectiva a la que estan acoplados todos los inyectores y también la válvula reguladora de presión.

'Alimentación y combustión en motores alternativos'

SEGUNDA PARTE

COMBUSTIÓN EN MOTORES ALTERNATIVOS

1.- MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA

Alrededor de la chispa que salta en la bujía del motor se crea el llamado foco de encendido inicial, que propaga la combustión formando un frente de llama, por el cual se va quemando el combustible a medida que es alcanzado y se produce una subida de la presión. La velocidad con la que se inflama el combustible queda determinada por la relación aire/gasolina.

Así pues, se dice que la mezcla es rica cuando se sufre un exceso de gasolina, pero esto significa que no hay suficiente aire como para quemar todo el combustible, por lo cual se éste se desperdiciaría. Y llamamos mezcla pobre a la que tiene exceso de aire, por lo que la combustión es demasiado lenta, el motor se calienta y no rinde como debería.

Cuando las condiciones no producen una combustión normal, puede producirse dos clases de fenómenos: detonación y autoencendido.

En la detonación, todo ocurre de manera normal, hasta que una cantidad de mezcla aún no quemada explota, produciendo una anticipación en la combustión y una presión innecesaria en la cabeza del pistón, aumentando también las temperaturas, siendo posible un autoencendido.

El autoencendido consiste en la inflamación de la mezcla por culpa de un punto demasiado caliente en la cámara de combustión. Más tarde, además, la chispa salta, por lo que no nos encontramos con un frente de llama, si no con dos. Todo esto produce que tanto la presión como la temperatura aumenten.

Estos son dos fenómenos distintos, pero pueden darse pie el uno al otro, provocando el picado del motor.

Tanto la forma de la cámara como la ubicación de la bujía influyen a la hora de la combustión. Ésta siempre se sitúa en la culata, sin importar el tipo de cámara que sea.

Una cámara debe alejar al máximo el riesgo de picado, por lo que la forma debe permitir que la mayor parte de la mezcla se inflame con el salto de la chispa. Para ello, la bujía debe ubicarse en el lugar de mayor volumen.

Bañera: Esta cámara se utiliza en motores de pequeña cilindrada. En ella, las válvulas se colocan de forma paralela, y la bujía puede colocarse centrada, aunque el frente de llama debería recorrer distancias excesivas.

Cuña: Con ella se reduce notablemente el riesgo de detonación, puesto que la bujía se encuentra en la zona que más gas recoge.

Hemisférica: El sistema de mando de las válvulas es la mayor pega de este tipo de cámaras. Permite utilización de grandes válvulas y posición céntrica de la bujía, por lo que alcanza elevadas potencias.

Alta turbulencia: En ella, se coloca el colector de admisión con cierta inclinación, produciendo una correcta turbulencia de los gases hacia la parte inferior del cilindro en forma de torbellino.

2.- MOTORES DIESEL. FORMAS DE CULATA

En el momento de penetrar en la cámara de compresión las primeras gotas de combustible, éstas se encuentran rodeadas de aire comprimido, cuya temperatura esta próxima a los 600ºC. Ésta temperatura es más que suficiente para que el gasoil inflame, pero éste solo lo hará cuando la temperatura se comunique al líquido. Este periodo de transferencia de calor es muy pequeño, pero apreciable. Este tiempo transcurrido entre la entrada del combustible y su inflamación se denomina retardo al inicio de la inflamación. Una vez inflamado, la combustión es más rápida que en un motor de gasolina, ya que se produce una autentica detonación. A partir de este momento se sigue inyectando el combustible que se incendia inmediatamente. Como consecuencia, el golpeteo característico de los motores diesel, y su mayor presencia al ralentí, donde el período de inyección en muy breve y las explosiones se repiten constantemente.

Si el aire del interior del cilindro está en reposo, la transferencia de calor a las primeras gotas de combustible es muy lenta, enfriándose el aire y retardando más aún la inflamación. Por el contrario, si hay un fuerte movimiento relativo entre las gotas y el aire, éstas se calientan muy rápidamente y la combustión es más progresiva y rápida.

Éste problema ha sido objeto de muchos estudios y soluciones, que favorezcan la combustión y como consecuencia, al rendimiento. Algunas afectan al propio pistón, de manera que el flujo de aire sea más turbulento. Estos sistemas de combustión o formas de culata, pueden clasificarse en 4: Inyección directa, Precombustión o antecámara, combustión separada y acumulador de aire.

Inyección directa: El inyector, asoma en el centro de la cámara de combustión y lanza el chorro bien pulverizado, gracias a unos orificios muy finos, sobre la superficie del pistón, que, lógicamente, está a mayor temperatura que las paredes de la camisa del cilindro, debido a la ausencia de refrigeración en esta zona. La presión oscila ente las 130 y 300 atm. A su vez, la cabeza del pistón suele tener forma toroidal o esférica, para provocar una turbulenta mayor.

Este método tiene como ventajas el ser el más económico en consumo de gasoil, y la facilidad de arranque sin necesidad de calentadores. Como inconveniente, es un motor ruidoso a bajo régimen.

Precombustión o antecámara: La presión de inyección en menor, entre las 80 y 120 atm. Al subir el pistón, se encierran en la antecámara casi la mitad del aire caliente comprimido. En esta antecámara es donde el inyector inyecta de una vez todo el combustible, donde se produce una inflamación y la combustión de alrededor de un tercio del combustible inyectado. Debido a esta inflamación, el resto del combustible sale hacia la cámara de combustión por medio de unos finos agujeros o atomizadores que lo pulverizan finamente produciéndose su total inflamación. Este sistema tiene la desventaja de que el aire entra en contacto con muchas paredes, con su consecuente enfriamiento y su dificultad para el funcionamiento en frío. De ahí que se haga necesario el uso de calentadores en el momento del arranque. Como ventaja, es un motor menos ruidoso, gracias a la menor presión de inyección.

Combustión separada o cámara auxiliar: La presión oscila entre las 80 y 130 atm. Es una variante mejorada del anterior. Casi todo el aire, unos 2/3 del total, se acumula en esta cámara auxiliar que comunica con el cilindro por un conducto ancho de forma circular. Esto provoca que en la admisión, el aire entre formando turbulencias en la cámara. En este momento, el inyector inyecta combustible en la cámara, produciéndose una violenta inflamación del total del combustible. Los gases ardiendo pasan al interior del cilindro por medio de este conducto, lo que suaviza un poco su violencia.

Acumulador de aire: El aire es comprimido y reducido en el acumulador, a una presión de entre 100 y 130 atm. El inyector lanza el choro al venturi, donde empieza a inflamarse el combustible. El calor dilata el aire del acumulador, que puede estar formado en el pistón, saliendo al cilindro y terminando la combustión del gasoil a medida que se inyecta. Actualmente este sistema es poco usado, debido a su alto consumo, aunque tiene un funcionamiento muy suave y buen arranque en frío.

2.1.- ANOMALÍAS EN LA COMBUSTION DIESEL

  • Baja presión de compresión:

Se produce un golpeteo metálico agudo debido a que la temperatura del aire comprimido es baja. (La distancia o abertura entre las curvas de presión de compresión y la temperatura de encendido de la mezcla tiene a ser mas pequeña que lo normal).

Debido a esto, se necesita un largo tiempo para que la mezcla alcance su punto de encendido.

La baja presión de compresión produce un periodo de demora del encendido más largo, por lo cual la cantidad de combustible sin quemar en el interior de la cámara es mayor que lo normal, (las gotas se demoran tiempo en evaporarse), y una vez que estas se encienden, toda esa gran cantidad de combustible se quema rápidamente todo a la vez. Esto hace que la temperatura y la presión dentro del la cámara suban mucho mas alto que lo normal. El aumento agudo de la presión en el interior de la carrera hace que el aire golpee en la cabeza del pistón, y en las paredes del cilindro con una fuerza explosiva, esto hace emitir, un sonido metálico agudo, que se conoce como golpeteo diesel.

Una baja presión de compresión, algunas veces produce humo blanco, esto es debido a que el encendido ocurre después del P.M.S y cuando el pistón esta descendiendo. La temperatura desciende y la llama no se extiende en el periodo de propagación de la llama, sino que se apaga rápidamente.

  • Tiempo prematuro de la inyección del combustible.

También se escucha un pesado golpeteo diesel cuando el combustible es inyectado demasiado temprano (antes del instante preciso).

El tiempo prematuro de inyección se refiere que el combustible es inyectado al interior de la cámara, antes que la temperatura del aire sea ideal, por lo tanto las gotas de combustible, se evaporan en forma mas lenta que lo normal y requieren de un tiempo mas largo antes de que pueden encenderse, esto lleva a un periodo de demora del encendido, mas largo; por lo tanto una vez que el combustible se enciende una gran cantidad se quema enseguida, esto es lo que produce el golpeteo diesel.

  • Tiempo de la inyección del combustible retardada

El tiempo de inyección retardada, no permite el tiempo suficiente para que las gotas se evaporen, por lo tanto el encendido ocurre cuando el pistón comienza a bajar; la temperatura y la presión comienza a bajar inmediatamente, y por lo tanto la llama no se extiende demasiado en el periodo de propagación de la llama, y esta pronto se apaga, por esta razón algo del combustible se evapora, el cual se descarga sin ser quemado lo que da como resultado humo blanco a través del tubo de escape.

  • Baja presión en la inyección.

A presión normal, durante la inyección el combustible se atomiza bien; pero si la presión de inyección del combustible es baja, este no se atomiza bien, y el tamaño de las gotas de combustible es más grande de lo normal.

Estas grandes gotas toman mas tiempo en evaporarse y encenderse lo que da como resultado un periodo de demora del encendido mas largo. Por lo tanto una gran cantidad de combustible se quema rápidamente de una vez y causa el fuerte golpeteo diesel.

  • Excesiva inyección de combustible.

Falta oxigeno en la cámara de combustión, el oxigeno es quemado totalmente durante el periodo de combustión directa, cuando la inyección es normal, pero cuando hay un exceso de inyección de combustible, no puede mezclarse el aire y se calcina por el alto calor. El combustible sin quemar se transforma en carbón y es este carbón el que produce humo negro.

En definitiva, podemos afirmar que el motor diesel funciona bien cuando el combustible se quema normalmente. Una alta presión de compresión y una apropiada inyección de combustible, son las 2 condiciones esenciales para la combustión normal y total del combustible.

ANEXO DE ILUSTRACIONES

Sistema de inyección mecánica KE-Jetronic

'Alimentación y combustión en motores alternativos'

Sistema de inyección electrónica L-Jetronic

'Alimentación y combustión en motores alternativos'

Sistema de inyección Motronic

'Alimentación y combustión en motores alternativos'

Sistema de inyección LH-Jetronic

'Alimentación y combustión en motores alternativos'

Sistema Common Rail

'Alimentación y combustión en motores alternativos'

Esquema de un motor common-rail: 1.- Bomba de alta presión; 2.- Válvula reguladora de presión; 3.- Sensor de presión rail; 4.- Válvula limitadora de presión;
5.- Acumulador de alta presión (rail); 6.- Inyector; 7.- Detector de fase; 8.- Medidor de masa de aire; 9.- Filtro de combustible; 10.- Sensor de presión de la
sobrealimentación; 12.- Sensor de pedal de acelerador; 13.- Sensor de temperatura; 14.- Válvula EGR; 15.- Válvula wastegate; 16.- Sensor de RPM;
17.- Convertidor EGR; 18.- Tomas de vació; 19.- Bomba de vació; 20.- Deposito de fuel; 21.- Bomba de alimentación; 22.- Válvula regulación turbo.

- Disposición de los elementos en el motor

'Alimentación y combustión en motores alternativos'

'Alimentación y combustión en motores alternativos'

 

BIBLIOGRAFÍA

ARIAS PAZ - MANUAL DE AUTOMÓVILES, 55ª Edición Año 2004

CONSTRUCCIÓN Y MANEJO DE MOTORES DIESEL MARINOS Y ESTACIONARIOS - Pedro miranda

MOTORES ENDOTÉRMICOS - Dante Giacosa

ILUSTRACIONES - Sitio Web MECÁNICA VIRTUAL para estudiantes de automoción