Inyección de combustible

Industriales. Historia. Rochester. Bendix. Revolución electrónica

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HISTORIA DE LA INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE

La historia de la inyección de combustible se remonta al siglo XIX.

N.A. Otto y J.J.E. Lenoir presentaron motores de combustión interna en la Feria Mundial de París de 1867. En 1875, Wilhelm Maybach de Deutz fue el primero en convertir un motor de gas para funcionar con gasolina. Este motor usaba un carburador con una mecha suspendida a través del flujo del aire entrante. Los extremos de la mecha estaban sumergidos en la gasolina recipiente debajo de la mecha. Al arrancar el motor, el aire entrante pasaba a través de la mecha, evaporaba la gasolina y llevaba los vapores del combustible dentro del motor para ser quemado.

Hacia finales del siglo, Maybach, Carl Benz y otros, habían desarrollado un alto nivel de desarrollo en la tecnología del carburador. Se había desarrollado el carburador de chorro de rocío controlado por un flotador.

En fecha tan lejana como 1883, junto con los que trabajaban en los carburadores, otros estaban experimentando con la inyección de combustible rudimentaria. Edward Butler, Deutz y otros desarrollaron sistemas precursores de inyección de combustible.

La inyección del combustible gasolina realmente tomo vuelo por medio de la aviación. La inyección de combustible jugo un papel importante desde el principio en el desarrollo de la aviación practica.

En 1.903, el avión de Wright utilizó un motor de 28ph (caballos de fuerza) con inyección de combustible. En la Europa anterior a la primera guerra mundial, la industria de la aviación comprobó las ventajas obvias de la inyección de combustible. Los carburadores de los aviones son propensos a congelarse durante los cambios de altitud, limitando la potencia disponible, cosa que no sucede con la inyección de combustible. Las tazas del flotador del carburador son propensos a derramarse y a incendiarse durante todo lo que no sea vuelo normal controlado y nivelado; eso no sucede con la inyección de combustible. La primera guerra mundial trajo consigo, sin embargo, un énfasis en el incremento en los costos por rapidez y desarrollo. El desarrollo de los carburadores se impuso y la inyección de combustible quedó relegada.

La prosperidad de la posguerra en los veintes trajo consigo la renovación de cierto interés acerca del desarrollo da la inyección de combustible. A mediados de los veintes, Stromberg presentó un carburador sin flotador para aplicaciones en aeronaves, que es el predecesor de los sistemas actuales.

El AUGS militar que comenzó en Alemania prenazi, proyecto a Bosch hacia la evolución de la inyección de combustible en la rama de la aviación. En esos primeros sistemas Bosch usaba inyección directa, que rociaban el combustible a gran presión dentro de la cámara de combustión, tal como lo hace el sistema de inyección diesel. De hecho la bomba de inyección que usó Bosch para esos sistemas, fue una bomba que se modificó en la inyección de diesel.

Durante la segunda guerra mundial la inyección de combustible dominó los cielos. Ya avanzada la guerra, Continental empleó un sistema de inyección de combustible que diseño la compañía de carburadores SU de Inglaterra. Tal sistema lo construyó en los EUA la Simmonds Aerocessories en el motor enfriado por aire Simmonds, desarrollado para usarse en el tanque Patton. Ottavio Fuscaldo fue el primero en incorporar en 1940 un solenoide eléctrico para controlar el flujo del combustible hacia el motor.

Esto llevo a la industria automotriz hacia la moderna inyección electrónica de combustible. después de la segunda guerra mundial la inyección de combustible tocó tierra. Con la investigación y el desarrollo de la industria aérea cambiados de la inyección de combustible a los motores de chorro, los adelantos que se originaron en la guerra parecían destinados al olvido. Entonces, en 1949, un auto equipado con inyección de combustible, Offenhauser participó en la carrera de Indianápolis 500. El sistema de inyección lo diseño Stuart Hilborn y utilizaba inyección directa, en la cual el combustible inyectaba en el múltiple de admisión justamente delante de la válvula de admisión.

Era como tener un sistema de inyección regulado para cada cilindro. Podría también compararse con el sistema K-Jetronic de Bosch - usado en los VW; Rabbit, Audi 5000, Volvo y otros - en que el combustible no era expulsado en la lumbrera de admisión sino rociado continuamente, a lo que se nombro inyección de flujo constante.

Chevrolet presento en 1957 el primer motor con inyección de combustible de producción en masa en el Corvette. Basándose básicamente en el diseño de Hilborn, el sistema de inyección de combustible Rochester Ramjet la Chevrolet lo usó en 1957 y 58, y Pontiac en el Bonneville en 1957. El sistema Ramjet utilizaba una bomba de alta presión para llevar el combustible desde el tanque hasta los inyectores, que lo rociaban continuamente adelante de la válvula de admisión. Un diafragma de control monitoreaba la presión del múltiple de admisión y la carga del motor. El diagrama, a su vez, se conectaba a una palanca que controlaba la posición de un émbolo para operar una válvula. Un cambio en la posición de la válvula operada por el émbolo cambiaba la cantidad de combustible desviado de regreso hacia el deposito de la bomba y alejado de los inyectores. Esto alteraba la relación aire / combustible para satisfacer la necesidades del motor.

Este sistema tenia el problema de la falta de compresión por parte de los responsables de su mantenimiento diario. Como resultado, Chevrolet y Pontiac lo suprimieron en su lista de opciones en 1959.

Al mismo tiempo que el sistema Ramjet se desarrollaba, evoluciono el sistema de inyección electrónico de combustible (EFI) el cual tenia como fin la producción en masa. El trabajo de diseño para esos sistema comenzó en 1952 en la Eclipse Machine División de la corporación Bendix, y en 1961 se patento como el sistema Bendix Electrojector. Casi simultáneamente, al EFI se le declaro como un proyecto muerto por la gerencia de la Bendix y se archivo. Aunque el sistema Electrojector en sí nunca llegó a la producción en masa, fue el antecesor de prácticamente todos los sistemas modernos de inyección de combustible. Cuando la Bendix descarto al EFI en 1961, el interés renació hasta 1966 en que la compañía comenzó a otorgar permisos de patentes a Bosch. La VW presento en 1968 el sistema D-Jetronic de Bosch en el mercado de los Estados Unidos en sus modelos tipo 3.

Al principio de los setentas el sistema D-Jetronic se uso en varias aplicaciones europeas, incluyendo SAAB, Volvo y Mercedes aunque los encarados de dar servicio al sistema no comprendían totalmente cómo funcionaba, el D-Jetronic persistió y los procedimientos de servicio y diagnóstico del EFI se expusieron a los mecánicos de los Estados Unidos. A despecho de sus uso extendido en las importaciones Europeas, este sistema fue considerado por la industria de reparación de autos como un fiasco.

Cadillac introdujo el primer sistema EFI de producción en masa en Septiembre de 1975. Era equipo estándar en el modelo Cadillac Seville de 1976. El sistema se desarrollo por medio de un esfuerzo conjunto de Bendix, Bosch y la General Motrs(GM). Tenia un gran parecido con el sistema D-Jetronic de Bosch. Por este tiempo se habían desarrollado métodos sistematizados de localización de fallas como ayuda en el servicio y reparación de las inyección de combustible.

El sistema Cadillac-Bendix se uso hasta la introducción de la siguiente mejora tecnológica de la inyección de combustible, la computadora digital. Cadillac presento un sistema de inyección digital de combustible en 1980. Por simplicidad, era un sistema de dos inyectores.

Para la Bendix, la idea del control digital de la inyección de combustible se remota a sus patentes de 1970, 71 y 73. Los beneficios de la computadora digital incluyen un control más preciso de los inyectores más la habilidad de la computadora de controlar una gran variedad de sistemas de apoyo del motor. Con el uso de una computadora digital, el tiempo de ignición, la operaciones de la bomba de aire, las funciones del embrague convertidor de par de torsión, y una gran variedad de aspectos relacionados con la emisión, podían controlarse con un solo módulo de control compacto.

En 1965 la inyección de combustible Hilborn se le adapto al motor V-8 Ford de cuatro levas, desarrollado para autos Indy. Un motor Lotus de cuatro cilindros y 16 válvulas, equipado con inyección de combustible Lucas, se uso en pocos Scorts Ford europeos modelos 1970. Fue hasta 1983 que una división Ford decidió usar la inyección de combustible de manera formal. Ese año la Ford Europea comenzó a usar el sistema K-Jetronic de Bosch que usaron ampliamente los fabricantes del norte de Europa desde los primeros años de los setentas.

Mientras tanto, comenzó en 1978, la Ford de Estados Unidos paso por tres generaciones de carburadores controlados electrónicamente. Los sistemas EECI, II y III se proyectaron para cumplir con las normas cada vez más estrictas de emisión de fines de los setenta y los inicios de los ochenta. Desde una perspectiva extranjera, la Ford y sus competidores de los Estados Unidos tenían el temor de comercializar autos con inyección de combustible o se estaban reservando para perfeccionar sus sistemas.

La Ford introdujo su inyección de combustible centralizada a gran presión (CFI) en el Versalles de 5 litros equipado con EEC III. El uso se extendió en 1981 hasta el LTD y el Gran Marqués. El modelo 1983 vio la introducción de la inyección multipuntos (MPI) en las aplicaciones de 1.6 litros. Con la introducción del sistema EEC IV en los modelos 1984, la carburación resulto la excepción en lugar de la regla para la Ford. Al entrar a los noventa, los únicos Ford todavía con equipo de carburadores, fueron paquetes de equipos especiales, como autos policíacos y remolques.

La inyección de combustible ha recorrido un largo camino durante los últimos 20 años, pero su historia se remonta a los primeros días del carburador. Así como las razones mas convincentes para utilizar la inyección de combustible tienen que encontrarse en las desventajas del carburador moderno, la falta de refinamiento y la versatilidad de los antiguos carburadores prepararon el camino para hacer los primeros experimentos con la inyección de combustible. Los orígenes de la inyección de combustible no pueden desligarse de la historia del carburador y la evolución de los combustibles para motor.

La ciencia de la carburación comenzó en 1.795 cuando Robert Street logro la evaporación de la trementina y el aceite de alquitrán de hulla en un motor tipo atmosférico (un motor que trabajan sin comprensión). Pero no fue sino hasta 1.824 cuando el inventor norteamericano Samuel Morey y el abogado de patentes ingles, Erskine Hazard crearon el primer carburador para este tipo de motor. Su método de funcionamiento incluya un precalentado para favorecer la evaporación.

En 1.841 avanzo mas el principio de la evaporación, debido al científico italiano Luigi de Cristoforis, quien construyo el motor tipo atmosférico sin pistones, equipado con un carburador en la superficie, en el cual una corriente de aire se dirigía sobre el tanque de combustible para recoger los vapores del mismo.

De 1.848ª 1.850, estadounidense, doctor Alfred Drake, experimento con los motores de combustión, tratando de utilizar gasolina en vez de gas. En el proceso hizo varios tipos de carburadores.

En 1.860 el inventor del motor Deutz de gas, de 4 tiempos, Nikolaus August Otto, comenzó a experimentar con un motor de combustión que tenia un dispositivo para evaporar combustibles líquidos de hidrocarburos. Otto ensayo el motor con una bencina mineral, pero como no tuvo éxito se concentro en desarrollar y producir motores a gas, durante cierto tiempo.

En 1.875 Wilhelm Maybach de la Deutz, fabrica de motores a gas, fue el primero en convertir un motor a gas que funcionara con gasolina.

Fernand Forest, un prolífico mecánico e inventor, ideo y construyo un carburador que incluya una cámara de flotador y una boquilla con rociador de combustible. Esto lo adapto a un nuevo motor que construyo en 1.884.

En 1.885, Otto logro finalmente los resultados que buscaba, con una variedad de combustibles líquidos de hidrocarburos, incluyendo gasolina y bencina mineral, utilizando un carburador de superficie mejorado.

En otoño de 1.886, Carl Benz mejoro el carburador de superficie al agregarle una válvula de flotador para asegurar un nivel constante de combustible.

En el mismo año, Maybash había inventado y 0robado su propio tipo de carburador con cámara de flotador. Finalmente en 1.892, planeo el carburador con rociador, que se convirtió en la base para todos los carburadores subsecuentes.

El primer carburador de 2 gargantas apareció en 1.901, y fue un invento de un estadounidense llamado Krastin, quien declaraba que formaba consistentemente buenas mezclas, sin importar el flujo masivo de aire.

El primer empleo practico de la inyección de combustible no se llevó a cabo en un automóvil, sino en un motor estacionario. El estadounidense Franz Burger, un ingeniero que trabajaba para la Charter Gas Engine Company, de Sterling, Illinois, desarrolló un sistema de inyección de combustible que empezó a producirse en 1.887. en este sistema, se alimentaba el combustible por gravedad, desde el tanque y entraba al cuerpo inyector a través de una válvula de estrangulación. La boquilla del inyector sobresalía en forma horizontal, entrando al tubo vertical de admisión.

INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE ROCHESTER

El uso extendido de la inyección de combustible de Hilbor-Travers en los autos de carreras tipo Indianápolis, influyo sin duda a General Motors y particularmente a Chevrolet en su decisión de desarrollar y producir un sistema de inyección para autos.

En 1952, cuando los autos Indy, casi sin excepción, estaban equipados con inyección de combustible, GM ya era veterano en este campo. El trabajo de investigación en sistemas de inyección en de combustible se inicio en 1948, por el personal de ingeniería de GM juntamente con la División Allison de Indianápolis, quienes se interesaron en eliminar los carburadores en los motores de avión.

Como sucedió con Bosch y Mercedes-Benz, GM optó por la inyección directa a la camara de combustible. Emprendió la conversión de una bomba de inyección de un motor Diesel, agregándole controles de dosificación .

Dentro de la estrecha escala de operación de velocidad de crucero, a toda la potencia de motores de avión, este sistema realizo un trabajo satisfactorio de distribución de combustible; sin embargo el costo de un sistema de inyección directa era demasiado elevado como para utilizarlo en automóviles comunes. Los ingenieros de GM estimaron el costo en ocho veces el costo del sistema con carburador.

Después de un análisis detallado, los ingenieros de GM concluyeron que inyectando en los puertos de admisión en vez de la camara de combustión, el diseño de la boquilla podría simplificarse bastante. Esto disminuiría el costo del sistema y lo haría más atractivo para emplearlo en automóviles.

Durante las pruebas iniciales que hicieron los ingenieros de la GM, se determino que al entrar la inyección directa en el puerto no sufría perdida esencial de potencia, en cambio tendría ciertas ventajas: Mientras que el uso de émbolos individuales para cada cilindro proporcionaba una dosificación suficiente y exacta para los motares de avión, tendía a dar resultados muy pobres en motores para automóvil que funcionaban en vacío y eran conducidos en la ciudad, debido al modelo errático de distribución, que era inherente a este sistema de porcentajes bajos de flujo de combustible.

INYECTOR ELECTRÓNICO BENDIX

El primer sistema de inyección electrónica de combustible para un motor de automóvil impulsado por gasolina, se describió primero a un grupo de ingenieros automotrices, en la reunión anual de la Society of Automotive Engineeers (SAE) en Detroit el 5 de enero de 1957. Robert W Sutton reveló que a fines de 1952, había estado trabajando en este problema en su laboratorio de Eclipse Machine División de la Bendix Corporation en Lockport, Nueva York.

Sutton había solicitado la patente el día 4 de febrero de 1957, presentando 39 reivindicaciones, que efectivamente constituían una cobertura amplia para todas las formas de inyección de combustible aplicado a la electrónica. La patente (No. 2,980,000) le fue otorgada el día 18 de abril de 1961. Bendix aseguro la cobertura de la patente de este sistema en todo el mundo.

Las metas eran: Producir un sistema que se adaptase fácilmente a los motores existentes, con una silueta que permitiera bajar las líneas del cofre y con costos tan bajos que fuese posible producirlo en masa.

La invención básica no era para una pieza en particular de equipo, sino un sistema completo que utilizaba boquillas de inyección de combustible que trabajaban por medio de válvulas controladas por solenoide, en vez de utilizar la presión de combustible contra la carga del resorte.

La introducción de los controles electrónicos surgió por la insatisfacción que originaban los medios mecánicos de dosificación de combustible. “Nuestros ingenieros estaban experimentando con varios sistema de manejo de combustible, pero teníamos problemas para obtener un dispositivo mecánico que actuase del mismo modo a todas las velocidades del motor”, explicó Sutton. “Así que le pregunte a uno de nuestros ingenieros que era radioaficionado, si habría algún modo de aplicar la electrónica para ayudar a controlar el sistema, y me dijo que si lo había.” Sutton informó que el ingeniero fue directamente a una tienda de aparatos electrónicos y regreso con algunas válvulas electrónicas y varios componentes eléctricos.

LA REVOLUCIÓN ELECTRÓNICA

Aunque el Electrojector Bendix no satisfizo los objetivos de costo del fabricante ni fue aceptado en Detroit, aumentó la fuerza de la revolución electrónica que estaba por llegar. Inevitablemente, la electrónica llegaría a dominar el panorama de la inyección de combustible y revolucionaría los sistemas de encendido e instrumentación.

Inyección electrónica de combustible

El principio de la inyección electrónica de combustibles es muy sencillo. Los inyectores se abren no solo por la presión del combustible que está en las líneas de distr9ibución, sino también por los solenoides accionados por una unidad electrónica de control. Puesto que el combustible no tiene que vencer una resistencia, que no sea las insignificantes pérdidas debidas a la fricción, la presión de la bomba puede fijarse en valores muy bajos, compatibles con los límites para obtener atomización completa con el tipo de inyectores utilizados.

La cantidad de combustible por inyectar, la calcula la unidad de control con base en la información que se le alimenta en relación con las condiciones de funcionamiento del motor. Esta información incluye la presión múltiple, enriquecimiento del acelerador, enriquecimiento s para el arranque en frió, condiciones de funcionamiento en vacío, temperatura ambiente y presión barométrica. Los sistemas trabajan con presión constante e inyección variable sincronizada o flujo continuo.

Comparada con los sistemas de inyección mecánica, la inyección electrónica tiene un impresionante número de ventajas. >Tiene menos partes móviles, no necesita estándares ultraprecisos de maquinado, funcionamiento más tranquilo, menos perdida de potencia, baja demanda de electricidad, no necesita impulsores especiales para la bomba, no tiene requerimientos críticos de filtración de combustible, no tiene sobre voltajes o pulsaciones en la línea de combustible, y finalmente, el argumento decisivo para los fabricantes de autos: Su costo es más bajo. Desafortunadamente, su precio es todavía es muy elevado sui se compara con el carburador.

Aun cuando Bendix no pudo tener éxito en Detroit, el grupo británico Asociated Engineering (AE) sintió que la estructura industrial de Europa y su mercado crearon condiciones diferentes a las que había en América. En 1966 la compañía decidió ofrecer su inyección electrónica de combustible Brico a ciertos fabricantes seleccionados, de autos de gran prestigio y alto rendimiento.

Después de muchas pruebas, Aston Martinhizo opcional el sistema Brico en el modelo DB6 Mark II de 1969. La potencia y el convertidor de par se mantuvieron sin cambios apartir de los motores Vantage con la misma relación de compresión 9.4:1 y carburadores Weber triples, de dos gargantas:330 hp a 5750 rpm, 397.3 Nm de convertidor de para 4500 rpm. Aunque fueron pocos clientes los que compraron la versión de inyección de combustible, la siguieron ofreciendo durante la producción del motor de seis cilindros y cuatro litros (hasta 1975).
El sistema Brico de AE presenta como novedad la distribución sincronizada de combustible a los puertos, con válvulas accionadas por solenoides cuya duración de apertura-regida por pulsos eléctricos desde la unidad de control - determinaba la cantidad de combustible a inyectar. La unidad de control electrónico se hacía en dos secciones, por un lado un generador de pulso y por el otro una computadora y un discriminador combinados utilizando transistores y circuitos impresos.

Los cálculos para dosificar el combustible estaban basados en mediciones de presión absoluta del múltiple y temperatura del aire de combustión. Las boquillas se conectaban en paralelo a través de una línea en forma de anillo, e inyectaban en una forma de roció de forma cónica a los puertos de entrada. Una bomba impulsada por el motor suministraba combustible a la taza del flotador. Esta taza aseguraba un suministro constante a la bomba de alta presión activada eléctricamente, que mantenía el combustible circulando en línea en forma de anillo, a una presión inferior a 25 psi.