Como veis no he dejado que pase mucho tiempo entre la última entrega y esta que nos ocupa. En el anterior artículo os comenté las particularidades del sistema de alimentación del motor Diésel, y os expliqué los dos tipos de inyección que hay (de manera más genérica), son la indirecta y la directa.
En este artículo explicaremos en que consiste la inyección directa y también la inyección electrónica en motores Diésel.
Como sabeis, la inyección en motores Diésel se realiza a más alta presión que en los Otto, debido a su funcionamiento sin chispa, sólo por compresión.
Lo primero de todo es decir que el motor Diésel se inventó como un motor de...¡inyección directa! ¿Entonces para qué todo el rollo del anterior artículo sobre la inyección indirecta? Bien, efectivamente los primeros Diésel eran motores donde el combustible se inyectaba directamente en la cámara de combustión. Pero, por aquellos entonces, la bomba de inyección era del tipo en línea y no daba tanta presión como se obtiene ahora con los modernos sistemas de bombeo e inyección. Como resultado teníamos un motor que a duras penas era capaz de alcanzar las 2000 rpm. Esta razón fue clave para que durante muchísimo tiempo el motor Diésel fuera desechado para un uso generalizado, siendo usado sólo en maquinaria pesada y transporte ferroviario.
¿Cuándo cambió esto? Este cambio vino cuando se buscó como solución hacer lo mismo que en los motores Otto, es decir, realizar la inyección de manera indirecta. Pero como pudisteis leer en el anterior artículo, la inyección indirecta acarrea unos inconvenientes. Los principales problemas eran que el motor era más grande (recordad que había precámaras, o antecámaras, que hacían el motor más grande), mayor consumo porque las perdidas térmicas son mayores a mayor superficie de contacto, y mayor problemática de diseño.
Además estaba el desperdicio de combustible, debido a que estos sistemas inyectaban a una presión, como mucho, de 100 bares aproximadamente. Se sabe por mecánica de fluidos, que a mayor presión menor velocidad de paso, y si esto ocurre, es más fácil pulverizar el combustible, es decir dividirlo en gotitas cada vez más pequeñas. Si esas gotitas son más pequeñas, será más fácil calentarlas y que entren en combustión. Las presiones actuales de inyección pueden llegar a sobrepasar el valor de los 1200-1400 bares, la diferencia es brutal.
Bien, toda esta parrafada anterior dió lugar a las investigaciones recientes y a adoptar (en camiones se lleva utilizando mucho tiempo) el sistema de inyección directa de combustible en motores Diésel, y con él la mejora del rendimiento espectacular que ha sufrido en los últimos años, y la electrónica ha tenido mucha culpa de ello.
Pero vamos a entrar en harina ya con unos ejemplos y sus explicaciones:
Observamos en la figura que el combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión (por cierto en inglés se denomina combustion chamber, que luego me preguntais como se dice). El combustible se pulveriza en forma de aerosol, al igual que en los Diésel de precámara, pero a mucha más presión. Debido a esto, y al menor tamaño del motor, el consumo se reduce y las prestaciones son mayores debido a esa presión de la que hablabamos. Otro ejemplo de inyección directa:
Observamos en este corte tanto el inyector, como el calentador para arranque en frío (recordad que aún los Diésel necesitan este dispositivo). Se observa también en la fotografía corte el pistón o émbolo (su cabeza más bien) y una curiosidad. Observad la terminación espejo del mismo (para evitar roturas por fatiga de material) y una hoquedad practicada en su superficie. Esta perforación u hoquedad es la responsable de que se genere una turbulencia dentro de la cámara de combustión que aumentará la presión y permitirá un mejor aprovechamiento del combustible (un mejor llenado del cilindo implica una mayor entrada de oxígeno, por lo tanto mejor combustión). En la figura no vemos las válvulas de admisión y escape, pero si pintados de azul y rojo los conductos de admisión y escape (azul el de admisión y rojo el de escape). La colocación del inyector en esa posición no es casual, y responde precisamente a la necesidad de favorecer la turbulencia que origina la perforación de la cabeza del pistón.
Hay dos tipos genéricos de cámaras de combustión en los sitemas de inyección directa...o más bien de hoquedades que practicamos en el pistón (para favorecer la dispersión y buena combustión):
- Cámara directa: La hoquedad practicada en el pistón es como la de la fotografía, con la salvedad que en el centro de la perforación encontramos un pico, digamos que se practica una forma de punta en el centro. Esto favorece mucho el arranque en frío ya que durante la compresión produce mucha dispersión debido al gran torbellino que se genera, comparable a un ciclón y también consecuencia del diseño del conducto de admisión. El inyector normalmente suele tener varios agujeros para realizar una mejor distribución del combustible, favorecida por el pico mencionado:
- Cámara MAN: Este tipo se diferencia del anterior en que la hoquedad es completamente esférica, sin pico, y con una abertura en la cabeza del pistón. Al igual que en la cámara directa, el conducto de admisión está diseñado para generar un fuerte torbellino y así dispersar el combustible por toda la cámara de combustion. Este torbellino choca con la perforación esférica del pistón produciendo un ciclón que hace que distribuya el chorro de combustible como una fina capa que se deposita en las paredes de la hoquedad, que al estar muy calientes esas paredes hacen que se combustione el chorro principal y se evapore de forma rápida esa fina capa. De manera seguida esos vapores se distribuyen al resto de la cámara y combustionan el resto de combustible (la parte restante, que es la mayoría). Sus ventajas, en un motor bien diseñado, son notables ya que al igual que el anterior caso produce un buen arranque en frío pero no tiene la brusquedad de funcionamiento de la cámara directa, al contrario ya que es un motor suave y silencioso:
Llegados a este punto vamos a observar y comprender como funcionan los sistemas de inyección directa más avanzados del momento. Me estoy refiriendo al famoso common rail y al otro sistema conocido como bomba inyector, aunque al final el sistema que se ha impuesto sea el raíl común o common rail. Voy a empezar por el segundo, porque a mi modo de ver fué una solución muy original, comercializada de la mano del Grupo Volkswagen-Audi. Este sistema basa su eficacia en unir bajo un mismo elemento la bomba de inyección y el inyector, el famoso inyector bomba presente en todas las motorizacones Diésel, durante unos años, denominadas TDi (Turbo Diésel Inyección Directa). Lo del turbo lo explicaré en su debido momento (sistema de admisión de los motores), pero el sistema del inyector y la bomba juntos os lo explico a continuación, con un ejemplo primero y luego el desarrollo:
Este es el famoso conjunto inyector bomba, es un inyector normal, con su aguja y orificios pero que además tiene una electroválvula y que se vale de un sistema mecánico para dar presión al gasóleo (el conjunto del émbolo con el muelle). Ahora un corte-esquema del inyector:
El inyector bomba alojado en su sitio en la culata. El ajuste se realiza mediante un taco de apriete, y podeis observar que es cada elemento del dispositivo. Este sistema funciona gracias al movimiento transmitido o a través del mismo árbol de levas de apertura y cierre de válvulas, o a un árbol de levas independiente. Bien la leva empuja el balancín de rodillo, que a su vez transmite el movimiento al perno de cabeza esférica (un perno es un cilindro que por una cara tiene una cabeza esférica, seguido de una parte totalmente lisa y una zona final roscada, para ajustar en chaveta, tuerca o remache; tiene relación con el tornillo pero no es lo mismo). Una vez que el perno empuja al émbolo o pistón de la bomba, éste comprime el combustible que ha sido inyectado a través de la electroválvula. Como el émbolo empuja el combustible para que salga y empuje al émbolo del inyector, que tira de la aguja del inyector hacía arrba, abriendo el o los orificios para que el combustible salga pulverizado. Cuando la leva deja de empujar al émbolo principal, el muelle de la aguja empuja hacia abajo la aguja del inyector y esta tapa la salida de combustible. El combustible sobrante vuelve al circuito gracias al tubo de retorno de combustible.
Con este sistema, y debido a que gracias a la leva podemos transmitir mucha fuerza, se llegan a conseguir presiones de 2050-2150 bares. Gracias a esas presiones tan altas conseguimos que el combustible se pulverice mucho más y se combustione todo, reduciendo emisiones contaminantes y aumentando la eficiencia. Otra ventaja es la reducción de elementos de inyección, ya que este inyector bomba nos hace un "2 en 1" muy útil, agrupando bomba e inyector en un solo elemento. Pero como no es oro todo lo que reluce tenemos inconvenientes también. Uno de ellos es la necesidad de regular muy bien el árbol de levas para que las preinyecciones, inyecciones y post-inyecciones se realicen en el momento correcto, sino la sonoridad del motor sera excesiva. El ruido que produce este tipo de inyector es mayor que en otros sistemas y las averías son muy costosas en el sistema inyector bomba, y al trabajar a tan alta presión puede generar hasta daños en la culata si no se ajustan y reparan bien.
El otro sistema que nombré anteriormente es el conocido como de raíl común o common rail. Como su propio nombre indica, dispone de una "rampa" común para todos los cilindros, es decir de un tubo que se comunica con todos los inyectores e inyectan el combustible a la misma presión, a diferencia del sistema inyector bomba. Lo que se trata de obtener es la suavidad de funcionamiento de un motor Otto de inyección electrónica, pero con el ciclo Diésel y para ello la presión debe ser lo más estable posible, y así conseguimos que la inyección se realice en la cantidad justa, "ni una gotita de más". Unos ejemplos y comento:
Sistema common rail para el Opel Astra, en este caso. Se observan los conectores para los inyectores (connections to injectors), el raíl común o common rail, el conector para la centralita de 3 pines, para control de la presión de inyección (y control de la bomba) gracias al pressure sensor o sensor de presión. Siguiente foto:
Otro common rail, este genérico de Bosch. Observamos de nuevo la rampa común, con sus cuatro tubitos de alimentación para cada inyector y el tubo de alimentación para la rampa desde la bomba rotativa. La cajita con los conectores es la ECU o centralita del motor, que controla todos los parámetros de presión, temperatura del gasoil, temperatura del aire de admisión y de escape, régimen de giro, posición del acelerador, índice de óxidos de carbono y nitrógeno en los gases de escape, etc... Todos estos parámetros se usan para calcular la cantidad correcta de combustible que se debe inyectar y a que presión. Los primeros common rail funcionaban a presiones máximas de 1100-1300 bares aproximadamente, esto les hacía motores muy suaves en su funcionamiento, y consumir algo menos que los motores con inyector bomba, pero perdían en rendimiento frente a estos últimos. Con la adopción de inyectores piezoeléctricos se consiguió mejorar las presiones de inyección, merced a un mejor control de los ciclos de inyección (inyectores además con 6 u 8 orificios).
¿Que es la piezoelectricidad? Es un fenómeno natural que ocurre en materiales cristalinos (tipo cuarzo), los cuales al ser sometidos a tensiones mecánicas (presión) sufren una polarización eléctrica de su masa, es decir se cargan de electricidad en su superficie. Este fenomeno también ocurre al revés, es decir sometiendo al cristal a un campo eléctrico sufre una deformación en su estructura. Pues bien, utilizando materiales tipo cuarzo (sintéticos en su mayoría) podemos controlar la presión de inyección en milésimas de segundo, y la centralita reaccionar actuando sobre la bomba.
En la 3ª y 4ª generación del common rail, gracias a mejores bombas electrónicas, los inyectores piezoeléctricos y mejoras en la rampa, llegan a alcanzar presiones de inyección de 1650-1850 bares. Las últimas generaciones llegan a los 2150 bares de presión, igual que el inyector bomba, pero con la misma suavidad y sonoridad del sistema common rail.
Diferentes tipos de inyectores para el sistema common rail. Hay de diferentes generaciones, pero todos con la misma función que es inyectar el combustible a la mejor presión posible, para difuminarlo en aerosol todo lo que se pueda. Los que llevan el cable adosado son de última generación con control electrónico. El inyector por dentro es muy parecido a los inyectores vistos en el anterior artículo, los usados en inyección indirecta. Los inyectores en las últimas generaciones llegan en algunos casos a realizar hasta 6-8 inyecciones diferentes entre las carrera de compresión y expansión, 2 preinyecciones (para aumentar temperatura y presión), 2 inyecciones (la mayor parte del combustible que se vaya a gastar), 2 postinyecciones (para rebajar un poco la temperatura y contener la producción de óxidos nocivos), y en algunos casos otras 2 inyecciones extra para repartir aún mejor el combustible en la cámara, así conseguimos que el motor funcione mejor a más alto régimen. Los Diésel modernos pueden alcanzar fácilmente las 4500-5000 rpm, cuando hace unos 15-20 años esa cifra era impensable, si acaso las 4000 rpm.
Por último este esquema, porque no todos los motores son de cilindros en línea, sino que los hay con arquitectura en V (cilindros colocados formando una V con sus ejes longitudinales). En este caso hay dos rampas (para cada fila de cilindros), pero el sistema en sí es el mismo que el de los motores con cilindros en línea.
Hasta aquí lo que ha dado de sí la inyección Diésel, en el siguiente artículo comenzaré a explicar pormenorizadamente como es el sistema de alimentación de un motor Otto, es decir explicaré como funciona un carburador (exhaustivamente), y las inyecciones electrónicas.
Espero que os haya gustado, y si teneis alguna duda o comentario que hacerme no dudeis en realizarlo, tanto aquí en el blog como en los diferentes sitios donde lo anuncio, léase Autonautas, Facebook, etc...
Hasta pronto, a continuación la bibliogafía:
- http://www.manukshop.com/shop/32404/desc/bomba-de-inyeccion-dieselpumpe-einspritzpumpe-injection-pump-pompe-d-injection-nissan-almera-zexel-bosch-167005m321-0470504012-0-470-504-012-t093412051-t09341-2051
- http://spanish.alibaba.com/product-gs/common-rail-injectors-283894268.html
- http://www.bolido.com/2011/02/que-es-el-common-rail/
- http://kbtv.info/diesel/list.php
- http://www.tallerescuenca.com/index.php?page=page/bombas_inyector_unitario.php
- http://www.camionesybuses.com/tecnica/inyeccion-directa-motor-diesel.htm
- http://es.scribd.com/doc/7199733/Motores-TDi-Sistema-BombaInyector
- http://wwwalegriadiesel.blogspot.com.es/2010/04/blog-post_20.html
- http://www.sabelotodo.org/automovil/camaras.html
- http://www.arpem.com/tecnica/ind_direc/ind_direc_p.html
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