INYECCIÓN DIRECTA DE GASOLINA
CONCEPTO E HISTORIA
Bosch hace más de 60 años ya había aplicado la inyección directa de gasolina en motores de avión. También el automóvil denominado Gutbrod estaba equipado en 1952 con un sistema similar, montado en un motor de 2 tiempos de 600 cc.Hasta el legendario Mercedes 300 SL “Alas de Gaviota” del año 54 llevaba un sistema de inyección directa de gasolina Bosch. El sistema no se preocupaba del consumo o las emisiones contaminantes sólo le interesaba un aumento de potencia. En la actualidad estos sistemas se han desarrollado con el fin de adecuarse a las exigencias de contaminación y la mejora en el consumo.
Los motores de gasolina han reducido drásticamente su consumo y, directamente con ello, la cantidad de gases de escape emitidos.
El sistema de inyección directa de gasolina permite reducir el consumo hasta en un 20%, e incluso llegar al 40% al ralentí.
Una refrigeración regulada electrónicamente, contribuye a reducir sobre un 3% el consumo (1).
Estrategias para la reducción de los consumos y las emisiones
El reglaje de distribución variable (2) y la recirculación de gases de escape (3) ya se emplean en numerosos motores, contribuyendo en una reducción del 5%.
La desactivación de cilindros (5) puede ayudar en un 8 %, pero únicamente tiene sentido en motores de cilindros múltiples, para poder mantener la regularidad cíclica de la marcha. En motores de cuatro cilindros es preciso implantar árboles equilibradores para conseguir una mayor suavidad de funcionamiento.
Para contar con una compresión variable (4) y con tiempos de distribución variables (7) se requieren componentes mecánico-electrónicos de muy altas prestaciones, y un buen control electrónico. Estos sistemas existen y son capaces de reducir hasta un 8% del consumo.
El control de la apertura de las válvulas en sus versiones mecánicas y electrónicas (8) son capaces de llegar a una reducción de hasta un 12%. Otras técnicas adicionales como la parada del motor, reducción de peso, coeficiente de penetración, aceites de última generación, contribuyen con su tasa de reducción.
La inyección directa de gasolina (9), es hoy por hoy, la medida específica que ofrece el mayor potencial de reducción del consumo, de hasta un 20%
Las emisiones de hidrocarburos, óxidos nítricos y monóxido de carbono se reducen hasta un 99% con la intervención de un catalizador de tres vías.
Por su parte, el dióxido de carbono CO2, que se produce con motivo de la combustión, y aunque no es venenoso es el causante del “efecto invernadero”, sólo se puede reducir a base de disminuir el consumo de combustible.
Llegados a este punto tecnológico, se puede decir que estamos ante el límite en cuanto a posibilidades de reducir más las emisiones y el consumo en sistemas con formación externa de la mezcla , o inyección en el colector de admisión, llamada indirecta.
Este concepto se trabaja muy exhaustivamente hace tiempo en los motores diesel d e inyección directa, de forma que en estos motores el combustible llega puntualizado en tiempo y lugar para una combustión exacta. Por ese motivo, la mayoría de las marcas de automóviles están desarrollando tecnologías de inyección de gasolina en el interior del cilindro.
Ventajas e inconvenientes de esta tecnología
En cuanto a los inconvenientes, uno de los problemas principales que plantea la inyección directa de gasolina es el tratamiento de los gases de escape según las normativas europeas de emisiones de escape, las normas EU4 son realmente drásticas en este sentido.
Los óxidos nítricos que se producen con motivo de la combustión en el modo estratificado y en el modo mezcla homogénea –pobre, que son los específicos de la inyección directa, son muchos y no pueden ser transformados suficientemente rápido en nitrógeno y oxígeno puro por medio de un catalizador convencional de tres vías.
Otro inconveniente con el que se encuentra el motor de inyección directa, es el que plantea el azufre en la gasolina.
Debido a la similitud química que tiene con respecto a los óxidos nítricos, el azufre también se almacena en los catalizadores de NOx, separándolos.
Las ventajas son:
En un sistema de inyección indirecta, el funcionamiento del motor se produce en un ciclo de funcionamiento en 4 fases de trabajo, esto supone una variación de presión en la cámara que determinará el rendimiento del motor.
Esto se traduce en que cuanto mayor es el contenido de azufre en el combustible, tanto más frecuentemente se tiene que regenerar el catalizador, lo que produce un consumo de combustible adicional.
En la gráfico de la página anterior se aprecia la influencia que tiene el contenido de azufre sobre la capacidad de acumulación del catalizador de NOx.
- se desarrollan motores que mantienen lo más bajo posibles los consumos de combustible y las emisiones de gases de escape
- reducción en impuestos para vehículos con bajas emisiones de escape.
- se trabaja con un valor lambda comprendido entre 1,6 y 3. Esto permite abrir más la mariposa y aspirar el aire superando una menor resistencia.
- Tenemos menores pérdidas de calor cedido a las paredes ya que en el modo estratificado la combustión únicamente tiene lugar en la zona próxima de la bujía, aumentando el rendimiento térmico
Con la inyección directa del combustible en el cilindro, el calor del aire de admisión queda notablemente reducido. Al producirse este efecto de refrigeración, la tendencia al picado se reduce, lo que permite aumentar a su vez la compresión.
Esta ganancia en mayor relación de compresión conduce a una presión final superior en la fase de compresión, con lo cual también aumenta el rendimiento térmico del motor.
Existe la posibilidad de trabajar con elevados índices de gases de escape recirculados ya que debido al movimiento intenso de la carga en el modo homogéneo, el motor posee una alta compatibilidad con la recirculación de gases de escape, equivalente hasta un 25%.
Para aspirar la misma cantidad de aire fresco que cuando trabaja con bajos índices de recirculación de gases se abre la mariposa algo más. De esa forma se aspira el aire superando una baja resistencia y disminuyen las pérdidas debidas a efectos de estrangulamiento.
Funcionamiento sistemas inyección indirecta
Los puntos críticos de funcionamiento son la fase de compresión y de expansión, que debe de ser sin intercambio de calor, de forma que toda la energía que se genera, se dedique para generar el rendimiento del motor.
El diagrama de funcionamiento teórico, se basa en un principio de funcionamiento que en la realidad no se encuentra, debido a que el aumento de la presión en el momento de la combustión no es instantánea, el retardo de producir este aumento produce un desplazamiento del pistón, eso supone una disminución de la punta de presión.
La inyección se produce en la cabeza de la válvula en el momento de al fase que la corresponde por lo que se comprime es mezcla homogénea siempre.
El avance del momento del salto de chispa, vendrá a afectar directamente al rendimiento del motor, sobre todo teniendo en cuenta que tiene que ser variable para cada condición de marcha. El retraso y avance real de las válvulas, ocasionan y produce aceleración a los gases suficiente como para mejorar el llenado de la cámara de combustión a alto régimen.
En sistemas de conducto común, aparece una nueva generación de este sistema, el Multijet. Trabaja sobre la idea de fragmentar la inyección en varias etapas.
En este caso, y dependiendo de las condiciones en las que el vehículo esté circulando, el número de inyecciones por ciclo de trabajo puede ascender a cinco.
Se consigue una combustión aún más suave, un motor menos ruidoso (especialmente en frío, uno de los mayores inconvenientes de los diesel de inyección directa) y unas emisiones contaminantes muy inferiores a las actuales, lo que permite a este motor cumplir con la normativa EU4 sin más ayuda que la de catalizador de oxidación, con una reducción de las emisiones contaminantes en torno al 35%.
El objetivo que persiguen todos sistemas de inyección, es controlar mejor la cantidad de combustible que se inyecta y el momento en que se produce la inyección.
Se realiza una pequeña inyección de gasóleo momentos antes de la inyección principal, lo que mejora las condiciones de la combustión. Tanto el consumo como la sonoridad y suavidad de marcha resultan beneficiadas por ello. En inyector bomba se trabaja sobre todo en la presión generada y el impecable control electrónico sobre las válvulas de control.
Las presiones máximas en estos sistemas son muy altas (más de 2.000), lo que contribuye en gran medida a que se queme mejor el gasoil.
Resumiendo, al evitar que todo el combustible sea quemado en un corto espacio de tiempo y ser enviado en varias etapas, se consigue que la presión en el interior de la cámara de combustión resulte más estable, lo que reduce ruido y vibraciones, además de las emisiones y el consumo.
Estos dos conceptos, el Multijet y el Inyector – Bomba, son las estrategias que se utilizan hoy en día en la rama del diesel y vemos por tanto, que tanto con un combustible como en otro se cumple la necesidad común de inyectar directamente el combustible en el interior de la cámara siguiendo distintas estrategias.
FUNCIONAMIENTO GENERAL DE UN SISTEMA DE INYECCIÓN DIRECTA DE GASOLINA
En los motores de inyección directa se pueden dar tres formas diferentes de funcionamiento,
- Carga homogénea
- Carga homogéneo - pobre
- Carga estratificada
Un motor de inyección indirecta de automóvil funciona con una mezcla de aire – gasolina cuya proporción es aproximadamente de 14.7:1 en volumen, lo que se denomina mezcla estequeométrica o coeficiente lambda 1 y es aquella cuya combustión produce exclusivamente CO2 y agua. Este tipo de mezcla puede ser modificada en cierta medida en cuanto a riqueza, es decir en coeficiente lambda, sobre todo convirtiéndola en más pobre lo que proporciona ventajas obvias en reducción de emisiones y consumo.
Si el motor es capaz de funcionar con mezcla pobre, se producirá una disminución del consumo de gasolina, no ya porque se inyecte menos gasolina, que sería casi la misma cantidad, sino porque la mariposa estaría mas abierta que en condiciones normales para dejar entrar más aire, y cuanto más abierta esté la mariposa, mejor rendimiento tiene el motor.
Sin embargo los motores normales necesitan funcionar con una mezcla próxima a la estequiométrica para que el catalizador funcione correctamente, es decir, pueda descontaminar los gases de escape adecuadamente. El gran problema que presentan los motores que funcionan con mezcla pobre es el de la emisión de óxidos de nitrógeno, ya que cuando la mezcla es pobre se produce un aumento de los mismos tras la combustión.
Pero se trabaje a mas o menos riqueza, lo que caracteriza a estos motores es que siempre lo hacen en proporción Homogénea, es decir con una mezcla proporcional aire – combustible en toda la cámara de combustión.
Sin Embargo,cuando motor trabaja en el modo Homogéneo-pobre,es decir, durante la transición entre el modo estratificado y el homogéneo, la mezcla pobre se encuentra distribuida de un modo homogéneo (uniforme) en la cámara de combustión. La relación de aire y combustible es de Lambda = 1,55 aproximadamente. En los modos homogéneo y homogéneo - pobre el combustible se inyecta en el cilindro durante el ciclo de admisión y se mezcla allí uniformemente con el aire aspirado.
CARGA HOMOGÉNEA
Mezcla Homogénea
Los motores que adquieren este funcionamiento lo hacen a cargas y regímenes
superiores, y la relación de aire y combustible en este modo operativo es de Lambda =
1.
CARGA HOMOGÉNEA - POBRE
Mezcla Homogéneo - PobreSin Embargo,cuando motor trabaja en el modo Homogéneo-pobre,es decir, durante la transición entre el modo estratificado y el homogéneo, la mezcla pobre se encuentra distribuida de un modo homogéneo (uniforme) en la cámara de combustión. La relación de aire y combustible es de Lambda = 1,55 aproximadamente. En los modos homogéneo y homogéneo - pobre el combustible se inyecta en el cilindro durante el ciclo de admisión y se mezcla allí uniformemente con el aire aspirado.
CARGA ESTRATIFICADA
Mezcla Estratificada
A partir de los regímenes medios de carga y revoluciones, el motor funciona en el modo Estratificado.
La estratificación de la mezcla en la cámara, se define como un estado en el cual existen dos formas de funcionamiento dentro de la misma cámara de compresión, una en el centro de la cámara de combustión, donde se encuentra una mezcla con buenas condiciones inflamables cerca de la bujía, y otra cerca de las paredes en una capa exterior y rodeando a la primera mezcla.
Esta segunda mezcla es mas bien pobre, está compuesta por aire fresco y gases de escape recirculados de forma que el motor funciona con un valor lambda total de aprox. 1,6 hasta 3.
En el modo estratificado la mezcla de combustible y aire se dirige a la zona de la bujía por medio del método de combustión por movimiento cilíndrico de la carga de gases guiado por pared y aire llamado Tumble. El inyector se monta de forma que el combustible es proyectado sobre el rebaje específico en la cabeza del pistón y guiado por la propia pared, consiguiéndose así que sea conducido en dirección hacia la bujía.
Con el mando de la chapaleta en el colector de admisión, el rebaje de turbulencia produce en el cilindro un movimiento cilíndrico del aire, el tumble. Con este flujo de aire conducido a su vez por aire se respalda el transporte de combustible hacia la bujía.
La formación de la mezcla se realiza en el camino hacia la misma bujía.
El procedimiento de la combustión puede ser variable en esta y otras formas apoyado por la recirculación de los gases de escape y otros parámetros, como el mando de la mariposa de admisión o la variación de la entrada del aire en colectores
Sistema de admisión
1 Medidor de la masa de aire por película caliente y sensor de temperatura del aire aspirado. 2 Sensor de presión en el colector de admisión.
3 Circuito de mando para las chapaletas en el colector de admisión.
4 Electroválvula de recirculación de gases de escape.
5 Sensor de presión para servofreno.
6 Unidad de mando de la mariposa.
7 Depósito de carbón activo.
8 Unidad de control para Motronic.
Chapaleta de admisión
Mando neumáticoConsta de una electroválvula que gestiona a una membrana neumática que se encarga de posicionar a las chapaletas. Para reconocer la posición de la misma, el eje de ésta dispone de un potenciómetro.
Consta de un motor eléctrico gestionado por la unidad que se encarga de posicionar a la chapaleta. La unidad reconoce la posición de ésta, a través de la información de un potenciómetro.
SALIDA DE POTENCIOMETRO
SISTEMA DE CANISTER
Depósito de carbón activo
Es el lugar donde irán atrapándose los vapores de combustible generados en el depósito de combustible. Éstos se tienen que ir deslojando del depósito para evitar que este se sature. Para ello el sistema tiene una electroválvula, que controlada por la unidad, comunica los vapores con el colector de admisión, siendo aspirados en esta situación por el motor. Dependiendo de las fases de trabajo del motor, para modo homogeneo o estratificada, el sistema modifica su estrategia.
Modos homogéneo-pobre y homogéneo
La mezcla capaz de ignición se encuentra distribuida de un modo uniforme en la cámara. La combustión tiene lugar en toda la extensión de la cámara, y el combustible procedente del depósito de carbón activo se quema en esa ocasión.
En el modo estratificado
La mezcla capaz de ignición se encuentra concentrada solamente en la zona de la bujía. Una parte del combustible procedente del depósito de carbón activo se encuentra sin embargo en la zona exterior, no directamente inflamable. Esto puede provocar una combustión incompleta y aumentar las emisiones de HC en los gases de escape. Esto implica que el control de la electroválvula canister, sea inferior para evitar una respuesta negativa del sistema.
Para determinar el nivel de activación de la electroválvula, la unidad de control del motor necesita la siguiente información:
- La carga del motor, procedente del medidor de la masa de aire por película caliente.
- El régimen del motor, procedente del sensor de régimen del motor.
- La temperatura del aire aspirado, procedente del sensor de temperatura del aire aspirado.
- El estado de saturación del depósito de carbón activo, procedente de la sonda lambda.
UNIDAD DE BOMBA DE COMBUSTIBLE
Con el objetivo de disminuir el consumo de combustible, debendiendo de las versiones, tienen incorporado una unidad en la bomba de combustible, ésta tiene la misión de controlar la intensi- dad de paso en funcion de las necesidades de marcha del motor. Cuando el motor se le solicita poca carga, la unidad de motor informa a la unidad de bomba de la situación, haciendo que ésta disminuya la intensidad consumida, en esta condición la presión del combustible disminuye y el caudal también.
Cuando se le solicita carga al motor, la unidad de bomba recibe la nueva situación, su respuesta es aumentar la intensidad de la bomba y por tanto la presión y caudal.
La variación de presión que puede adquirir en condiciones de marcha varían de 1,5 a 5 bar, (y los caudales de 0,6 a 55 l/h, respectivamente)
En caso de excesiva carga electrica, la unidad de RED, informa a la unidad de bomba de esta situación, haciendo disminuir la intensidad que consume la bomba, limitando las condiciones de funcionamiento del motor.
BOMBA ELÉCTRICA DE SERVOFRENO
SENSOR PRESIÓN SERVOFRENO
En los modos operativos de carga estratificada y carga homogénea-pobre, la válvula de mariposa se encuentra más abierta y en el colector de admisión disminuye la depresión. Si en esta situación demandamos una determinada asistencia en la frenada, ésta puede ser insuficiente e impedir que vehículo se detenga en esa frenada.
Para evitar este fenómeno se procede a cerrar un poco más la mariposa, para que aumente la depresión generada. Si aún así, la depresión es insuficiente, la fase de trabajo puede pasar a homogeneo y cerrarse mas la mariposa. Para que la unidad determine cual es el valor de la depresión del servofreno, dispone de un sensor específico en el conducto del mismo, el cual aplica una tensión variable en función de la depresión. Si el sistema está equipado con cambio automático, la unidad controla el funcionamiento de la bomba eléctrica en función de este captado.
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