gestion del motor de gasolina

Serie amarilla Edición 2002 I Instrucción técnica I Control del motor de gasolina

Gestió . '31 motor de gasl ... la Fundamentos y componentes

BOSCH

• Pedal de aceleración electrónico EGAS • Inyección directa de gasolina • Catalizador acumulador de NO,

§ Técnica del automóvil

lit- Cred tos

Publicado por:

~ Robert Bosch GmbH, 2002

Poslfach 30 02 20,

0 ·70442 Stullgart.

División Asistencia Técnica Automóvil

Dep. Marketing de Productos, Diagnóstico &

Equipamiento de test (AA/PDT5).

Redactor jefe:

Ing. dipl. (FH) Horst 8auer.

Redacción:

Ing. dipl. Karl·Heinz Dietsche,

Ing. dipl. (BA) Jürgen Crepin.

Autores:

Ing. dipl. Michael Oder

(Fundamentos, mando del motor de gasolina,

inyección directa de gasol ina),

Ing. dipl. Georg Mallebrein (Sistemas de

control del llenado, fases variables de distribución

por válvulas),

Ing. dipl. Oliver Schlesiger (Realimentación de gases

de escape),

Ing. dipl. Michael Bauerle (Sobrealimentación),

Ing. dipl. (FH) Klaus Joos (Alimentación de

combustible, inyección en el tubo de admisión),

Ing. dipl. Albert Gerhard (Electrobomba de

combustible, regulador de presión, amortiguador de

presión),

Econ. indo dlpl. Michael Ziegler (Filtro de combustible),

In9. dipl. (FH) Eckhard 80denhausen

(Distribuidor de combustible),

Dr. in9. Dieter Lederer

(Sistema de retención de vapores de combustible),

Ing. dipl. (FH) Annetle WiUke (Válvulas de inyección),

Ing. dipl. (FH) Bernd Kudicke (Tipos de inyección),

Ing. dipl. Walter Gollin (Encendido),

In9. dipl. Eberhard Schnaibel (Depuración de gases de

escape)

en cooperación con los departamentos técnicos

competentes de nuestra empresa.

Si no se indica algo distinto, se trata de

empleados de Robert Bosch GmbH, Stullgart.

La reimpresión, reproducción y traducción total o par'

cial de este texto, s610 está permitida con nuestra auto·

rización previa por escrito y con mención de la fuente.

Las figuras, descripciones, esquemas y otros datos

sirven exclusivamente para explicar y representar los

textos. no pudiendo utilizarse como base para diseños,

instalaciones ni volumen de suministro. Declinamos

toda responsabilidad por las divergencias de cante'

nido respecto a las disposiciones legales vigentes.

Responsabilidad excluida.

Reservado el derecho a modificaciones.

Printed in Germany.

Impreso en Alemania.

l ' edición, febrero 2002.

Traducción al espar'ol de la l ' edición alemana,

febrero 2001 .

Gestión del motor de gasolina: Fundamentos y componentes

Robert Bosch GmbH

4 Fundamentos del motor de gasolina 48 Inyección en el tubo de admisión

4 Funcionamiento 49 Funcionamiento

7 Par motor y potencia 50 Válvulas electromagnéticas de inyección

8 Rendimiento del motor 52 Tipos de inyección

10 Control del motor de gasolina 54 Inyección directa de gasolina

10 Exigencias 55 Funcionamiento

12 Control del llenado 56 Rail , bomba de alta presión

15 Formación de la mezcla 58 Válvula de control de la presión

18 Encendido 59 Sensores de presión de rail

60 Válvula de inyección a alta presión

20 Sistemas de control del llenado 62 Procedimiento de combustión

20 Control del llenado de aire 63 Formación de la mezcla

22 Fases variables de distribución por 64 Modos de funcionamiento

válvulas

25 Realimentación de gases de escape 66 Encendido en visión de conjunto

26 Sobrealimentación dinámica 66 Vista general

29 Sobrealimentación mecánica 66 Desarrollo de los sistemas de encendido

30 Turboalimentación por gases de escape

33 Enfriamiento del aire de 68 Sistema de encendido inductivo

sobrealimentación 68 Etapa final de encendido

69 Bobina de encendido

34 Inyección de gasolina en compendio 70 Distribución de la tensión

34 Formación exterior e interior de la mezcla 71 Bujia de encendido

72 Medios de unión y antiparasitarios

36 Alimentación de combustible 73 Tensión de encendido, energia de

37 Alimentación de combustible con encendido

inyección en el tubo de admisión 75 Punto de encendido

39 Circuito de baja presión de la inyección

directa de gasolina 76 Depuración catalitica de los gases de

41 Sistema de retención de vapores de escape

combustible 76 Catalizador de oxidación

42 Electrobomba de combustibte 77 Catalizador de tres vías

44 Filtro de combustible 80 Catalizador acumulador de NO,

45 Distribuidor, regulador de presión, 82 Circuito de regulación lambda

amortiguador de presión, depósito, 84 Calentamiento del catalizador

tuberias de combustible

85 Indice allabetico

85 Vocabulario tecnico

87 Abreviaturas

Para cumplir con la exigencia de que los nuevos modelos de coches sean bajos de consumo y poco

contaminantes pero a la vez de alta potencia son necesarios inmensos esfuerzos en el desarrollo de

nuevos conceptos de motor. En un principio, estos esfuerzos se concentraban sobre todo en reducir

la cantidad de sustancias nocivas en los gases de escape, dado que las normas legales al respecto se

hacían cada vez más severas. La introducción del catalizador de tres vías a mediados de los años

ochenta fue un avance decisivo en este campo.

Sin embargo, en los últimos años ha incrementado el deseo por automóviles de bajo consumo

de combustible. Motores de gasolina de inyección directa prometen hasta un 20 % de ahorro.

La presente Instrucción técnica explica, cuales son los conceptos que pueden satisfacer las

nuevas ambiciones y cual es su funcionamiento. Está proyectada otra Instrucción técnica sobre la

interacción de estos conceptos con Motronic, un moderno sistema electrónico de control y

regulación.

4 Fundamentos del motor de gasolina Funcionamiento

Fundamentos del motor de gasolina

El motor de gasolina de Ottol) es un motor de combustión por encendido externo que quema una mezcla de aire y combustible, transformando así la energía química contenida en el combustible en energía cinética.

Durante mucho tiempo tuvo e! ca rburador la fun ción de preparar la mezcla de aire y combustible. El carburador forma la mezcla inflamable en el tubo de admisión, que aspira el aire necesario para la combustión.

Especi ficaciones legales para la observancia de valores límite en la emisión de gases contribuyeron al ava nce de la inyección de gasolina, que hace posible una dosificación más exacta de! combustible. En la inyección en el tubo de admisión (SRE), la mezcla de aire y combustible se forma - como en los sistemas de carburador - en el tubo de admi sión.

El desarrollo de la inyección di recta de gasolina (BDE) trajo otras ventajas, particularmente en lo referente al consumo de combustible y al aumento de la potencia. Esta técnica inyecta el combustible en el momento preciso directamente en la cámara de combustión.

Funcionamiento

Impelido por la combustió n de la mezcla de aire y combustible, el pistón (figura 1, pos. 8) ejecuta en el cil indro (9) un movimiento periódico ascendente y descendente. Este principio de funcionamiento dio a ese motor el nombre de "motor de pistón de movimiento de va ivén" o "motor alternativo'l,

La biela (10) convierte este movi miento de va ivén en un movim iento de rotación del cigüelial ( 11 ). Una masa de inercia dispuesta en el cigüelial mantiene estable el movimiento. El régimen de giro del cigüelial se llama también velocidad del motor.

1) En memOria de Nlkolaus Augusl OUo (1832 hasta 1891),

qUien en 1878 presento por pnmera vez en la EXpoSICión Univer

sal de Paris un molor de gas a compresión segun el pnnclplo de

Irabalo de 4 tiempos.

Proceso de 4 tiempos La mayor parte de los motores de combustión in terna utilizados en automóviles trabajan según el proceso de 4 tiempos.

En este proceso, las válvulas del cilind ro (5 y 6) regulan e! intercambio de gases (cambio de ca rga ). Abren y cierran los conductos de admisión y de escape del cilind ro, regulando así la admisión de gases frescos y la expulsión de los gases de escape.

1" tiempo: Adm isión Partiendo del punto muerto su perior (PMS), e! pistón se mueve hacia abajo y aumenta el volumen de la cámara de combustión (7) en el cilind ro. De ese modo aflu ye aire fresco (en el sistema de inyección directa de gasolina) o la mezcla de aire y combustible (en e! sistema de inyección en e! tubo de admisión) a la cámara de combustión, a través de la válvula de admisión (5) abierta.

En e! punto muerto inferior (PM I), el volumen de la cámara de combus tión ha alcanzado su tamaño máximo ( Vh+ Ve) .

2' tiempo: Compresión Las válvulas de! cil indro están ahora cerradas. El pistón en movimiento ascendente reduce el volu men de la cámara de combustión y comprime la mezcla. En los motores de inyección en e! tubo de admisión, la mezcla de aire y combustible se encuentra ya al fin de la carrera de aspiració n en la cámara de combustión. En el sistema de inyección directa de gasolina, e! combustible no se inyectasegún el modo de funcionamiento - hasta el fin del tiempo de compresión.

En el pun to muerto superior ha alca nzado el volumen su tamalio mínimo (volu men de compresión Ve).

y, tiempo: Combustión y trabajo Ya antes de que el pistón haya alcanzado el punto muerto superior (PMS), la bujía de encendido (2) inicia en un momento prefijado (ángulo de encendido) la combustión de la mezcla de aire y combustible (encend ido externo). Antes de que la mezcla se haya inflamado por completo, ha cruzado el pistón el punto muerto superior.

Las válvulas del cili nd ro siguen estando cerradas. El calor de la comb ustión que queda libre au menta la presión en el cili ndro y empuja el pistón hacia abajo.

4 tiempo: Escape Ya poco antes del punto muerto inferior (P 11 ) se abre la válvula de escape (6). Los gases cal ientes, que se encuentran bajo alta presión, salen del cilin dro. El pistón en movimiento ascendente expulsa los residuos restantes.

ada dos vueltas del cigüeñal comienza un nuevo ciclo de trabajo con la ca rrera de aspiración.

Fundamentos del motor de gasolina Funcionamiento

Fases de distribución por válvulas Las levas dispuestas en el árbol de levas de admi sión (3) yen el árbol de levas de escape (1) abren y cierran las válvulas del cilind ro. En los motores con un solo árbol de levas, un mecanismo de balancines transmite el movimiento elevador de las levas a las válvulas del ci li nd ro.

Las fases de dist ribución determinan los tiempos de apertu ra y cierre de las válvulas con referencia a la posición del cigüeñal. Las fases de distribución se indican por eso en "grados del cigüelial". Para un mejo r llenado y vaciado de la cámara de combustió n se aprovechan corrientes y vibraciones de los gases. Por eso se entrecru Z<1nlas fases de apertura de las válvulas en un determinado sector del cigüelial.

El cigüeñal acciona el árbol de levas mediante una correa dentada (o una cadena o ruedas dentadas). Un ciclo de trabajo dura en el proceso de 4 tiempos dos vueltas del cigüelial. El número de revoluciones del árbol de levas es por eso sólo la mitad del número de revoluciones del cigüelial. La relación de desmultiplicación entre cigüeñal y árbol de levas es por tanto de 2: l.

Ciclo de trabajo del molor de gasolina de 4 tiempos (tomando como ejemplo un motor de inyección en ellubo de admisión y árboles de levas separados para admisión y escape).

1----, 2-.,,-, 3

4

5-=~~ 6--i.,.c=~

11--i=~» -+

---." \

f-I-~--t . /

.~l-/

5

Figura 1

a Tiempo de admisión

b Tiempo de compres Ion

e Tiempo de combuslIOn

d Tiempo de escape

Arbol de levas de es·

cape 2 BUJia de encendido

3 Arbol de levas de

admisión

4 Valvula de inyección

5 Valvula de admlslon

6 Válvula de escape

7 Camara de combusllon

8 Plslon

9 CIlindro

10 Biela

11 Clgueñal

\/ Par molor

(1 Angulo de clgLieñal

Carrera del plslon

\ ¡, Volumen de carrera

\ c Volumen de

compresión

6

Figura 2

a DistribuCión homogé

nea de la mezcla

b Carga estratificada

Fundamentos del motor de gasolina Funcionamiento

Compresión Del volumen desalojado por el pistón en su ca rrera Vh y de! volumen de compresión Ve resulta la relación de compresión E = (Vh + Ve) /Ve.

La compresión del motor tiene una influencia deCISiva en

• el par motor generado, • la potencia suministrada, • el consumo de combustible y las • emisiones de sustancias contaminantes.

Según ejecución de motor y tipo de inyección (inyección en el tubo de admisión o inyección directa), la relación de compresión E en el motor de gasoli na es de E = 7 ... 13. En este motor no son posibles valores como los del motor Diesel (E = 14 ... 24), puesto que con una alta compresión y la alta temperatura que de ahi resulta en la cámara de combustión, se enciende la mezcla de ai re y combustible por sí sola y de modo incontrolado a causa de la limitada resistencia de la gasolina a la detonación. De ello se origina la detonación perjudicial para e! motor.

Relación entre aire y combustible Para una combustión completa de la mezcla de aire y combustible, las proporciones de la mezcla han de encontrarse dentro de la relación estequiométrica. Este es el caso si para la combustión de I kg de combustible haya disposición 14,7 kg de aIre.

Distribución de la mezcla en la cámara de combustión.

a b I I

La relación de masas entre aire y combustible se designa lambda (letra griega },) . También se le puede llamar coefi ciente de aire. En e! funcionamiento estequiométrico, A tiene el valor de 1,0.

Un enriquecimiento de la mezcla con combustible ocasiona valores A menores de l. En caso de un empobrecimiento existe aire en exceso, siendo e! valor }, mayor de l. A partir de un valor determinado (2 > 1,6) la mezcla topa en el límite de funcionamiento pobre y deja de ser inflamable.

Distribución de la mezcla en la cámara de combustión Distribución homogénea En los motores de inyección en e! tubo de admisión, la mezcla de aire y combustible se encuentra distribuida homogéneamente en toda la cámara de combustión con el mismo coefi ciente de aire A (figura 2a). También motores de concepto pobre que trabajan con exceso de aire en determ inados má rgenes de servicio se hacen funcionar con una distribución homogénea de la mezcla.

Carga estratificada Una nube de mezcla inflamable de }, = I se encuentra en el momento de encendido en la zona de la bujía. El resto de la cámara de combustión está lleno de gas no inflamable sin contenido de combustible o una mezcla de aire y combustible muy pobre. La nube de mezcla infl amable que ocupa sólo una parte de la cámara de combustión se denomina ca rga estra tificada (figura 2b). La mezcla vista en todo el volumen de la cámara de combustión - es muy pobre (de hasta 2 = 10). Este fu ncionamiento con mezcla pobre hace posible valores bajos de consumo de combusti ble.

La carga estratificada únicamente es posible de modo efectivo con la inyección directa de gasol ina. Ella resulta del hecho de inyectarse el combustible directamente en la cámara de combustión sólo poco antes del momento de encendido.

Par motor y potencia

La biela transforma el movi miento de vaivén del pistón en un movimiento de rotación del cigüeiial, por el acodado de éste. La fuerza con que la mezcla de ai re y combustible en expansión empuja el pistón hacia abajo se transforma en un par.

Además de la fuerza, otra magnitud significativa del par motor es el brazo de palanca. En el motor, el brazo de palanca está determinado por el pronunciado acodado del cigüeñal.

El par motor es en general el resultado de multiplicar la fuerza por el brazo de palanca. El brazo de palanca activo para el par motor es el componente de la palanca que se encuentra vertical a la fuerza. En el punto muerto superior la fuerza y la palanca son paralelas. Por eso el brazo de palanca activo es igual a cero. A un ángulo del cigüeñal de 90· después del PMS, la palanca se encuent ra vertical a la fuerza generada. El brazo de palanca - y por consiguiente el par motor - es aquí el máxi mo. El ángulo de encendido ha de estar dimensionado por tanto de manera que la inflamación de la mezcla tenga lugar en el sector del cigüeñal en que asciende el brazo de palanca. Así, e1motor puede generar el par máximo posible.

El par motor máxi mo alca nzable M que puede suministrar el motor está determinado por su diseño (p.ej. tamaiio de la cilindrada, geometría de la cá mara de combustión). La adaptación del par motor a las exigencias de la marcha normal se efectúa en lo esencial regulando la calidad y canti dad de la mezcla de aire y combustible.

La potencia P suministrada por el motor aumenta a medida que se incrementa el par M y el número de revoluciones /l. Tiene val idez la relación:

P= 2 ·j¡ · II ·M

Fundamentos del motor de gasolina Par motor y polencia

La figura I muestra el transcurso del par motor y de la potencia en funció n del número de revoluciones que es típico para un motor de gasolina de inyección en el tubo de admisión. Estos diagramas se presentan en los informes de pruebas en muchas revis tas del automóvil. El pa r motor aumenta hasta el par máximo Mmiu a med ida que sube el número de revoluciones. A números de revoluciones muy altos, el par motor disminuye de nuevo. El desarrollo en la técnica del motor aspira a poner a disposición el par máximo ya a números de revoluciones bajos en el margen de 2000 min-', puesto que en este margen de régimen el consumo de combustible es el más ventajoso. Los motores de turbosobrealimentación por gases de esca pe pueden satisfacer esta exigencia.

La potencia del motor aumenta con el número de revoluciones, hasta alcanzar su valor máxi mo al número de revoluciones nominal/lnom con la potencia nominal pnom.

La característica de la potencia y la del par del motor de combustión hacen necesario un ca mbio de velocidades para la adaptación a las exigencias de la marcha normal.

Transcurso ejemplar del par motor y de la polencia en un motor de gasolina de inyección en el tubo de admisión.

Cigüeñal,--------,----, 80

"- 80 .. .~

,f 40

20

1000 3000 5000 Número de revoluciones

del motor 11

1000 3000 5000

min-' , "-

min-! ,

"-:2 ~ ~

~ " '" Número de revoluciones

del motor 11 "- ~

7

Figura 1

M-,w Par molor máximo

p- Polencla nominal

' ...... Numero de revoluclo-

nes nominal

8 Fundamentos del motor de gasolina Rendimiento del motor

Rendimiento del motor

Rendimiento térmico El motor de combustión no convierte toda la energía ligada químicamente en el combustible en trabajo mecán ico. Una parte de la energía invertida se pierde. El rendimiento de un motor es por consiguiente menor del 100 % (figura 1). Un eslabón en la cadena de ~dimiento lo constituye el rendi mien to térmico.

Diagrama de trabajo (diagrama p- 11) Las relaciones de compresión y de volumen durante un ciclo de trabajo del motor de cuatro tiempos se pueden mostrar en un diagrama p- Ir.

Proceso ideal de cámara homogénea La figura 2 (curva A) muestra los tiempos de compresión y de combustión de un proceso ideal, como se describe según las leyes de Boyle/Mariotte y Gay-Lussac. El pistón se mueve del PMI al P IS (punto I hacia 2), la mezcla de aire y combustible se comprime sin aportación de calor (Boyle/Mariotte). A conti nuación se quema la mezcla aumentando la presión (pu nto 2 hacia 3), permaneciendo constante el volumen (Gay-Lussac).

Del PMS (punto 3) se mueve el pistón en dirección hacia el PMI (punto 4). El volumen de la cámara de combustión aumenta. La presión del gas quemado disminuye sin que se ceda calor (Boyle/Mariotte). A continuación se enfría de nuevo la mezcla quemada permaneciendo constante el volumen (Gay-Lussac), hasta alcanzarse otra vez el estado inicial (punto 1).

La superficie limitada por los puntos 1 - 2 - 3 - 4 indica el trabajo conseguido durante un ciclo de trabajo. En el punto 4 se abre la válvula de escape y el gas que se encuentra todavía bajo presión se evade del cilindro. Si el gas se pudiera expandir por completo hasta el punto 5, la superficie abarcada por los puntos I - 4 - 5 sería energía útil. Con un turbosobrealimentador por gases de escape se puede aprovechar todavía en parte la zona que se encuentra encima de la línea atmosférica (1 bar) (I -4-5' ).

Diagrama p-11 real Como en el fu ncionamiento real del motor no se pueden cumplir las condiciones básicas para el proceso ideal de cámara homogénea, el diagrama p- 11 efectivo (figura 2, curva B) se diferencia del diagrama p- 11 ideal.

Medidas para aumentar el rendim iento térmico El rendimiento térmico aumenta con la compresión de la mezcla de aire y combustible. Con una comp resión más alta es mayor la presión en el cilindro al fin de la fase de compresión, aumenta ndo también la superficie abarcada en el diagrama p- 11. Esta superficie declara la energía generada por el proceso de combust ión. Al fi jar la compresión hay que tener en cuenta la resistencia del combustible a la detonación.

Los motores de inyección en el tubo de admisión inyectan el combustible delante de la válvula de admisión cerrada, depositándolo por tanto con antelación. Al formarse la mezcla de ai re y combustible, se evaporan las finas gotitas de gasolina. Para este proceso se requiere energía, que se retira del ai re y de las paredes del tubo de admisión en forma de calor. Con la inyección directa de gasolina se inyecta el combustible en la cámara de combustión. La energía necesaria para la evaporación se retira en este caso del ai re encerrado en la cámara de combustión, que entonces se enfría. De ese modo, la mezcla de aire y combustible compri mida tiene una temperatura más baja co mparada con la de la inyección en el tubo de admisión y puede ser comprimida en mayor grado.

Pérdidas de calor El calor producido por la combustión cal ienta las paredes del cilindro. Una parte de la energía térmica es radiada, perdiéndose. En la inyección directa de gasolina la nube de la carga estratificada está rodeada de una envoltura de gases que no participan en la combustión. Esta envoltura de gases impide la transmisión del calor a las paredes del cilindro y reduce de ese modo las pérdidas de calor.

Se producen pérdidas adicionales debidas a la combustión incompleta del combustible condensado en las paredes del cilind ro. Por razón del efecto aislante de la envoltura, en el funcionamiento con ca rga estratificada esas pérdidas son

también menores. El calor residual de los gases de escape ocasiona otras pérdidas de calor.

Pérdidas con A = 1 El rendimiento del proceso de cámara homogénea aumenta a medida que se incrementa el coefi ciente de aire 2. Por disminuir con mezclas pobres la velocidad de inflamación, la combustión transcurre sin emba rgo para ,l. > 1,1 con lentitud creciente, lo que repercute negativamente en el transcurso del rendim iento del motor de gasol ina. En resumidas cuentas, el rendimiento es al fin y al cabo máximo en el margen de J. = 1,1 ... 1,3. Con una formación homogénea de la mezcla de,l. = 1 el rendimiento es por eso menor que con una mezcla con exceso de aire. Al uti lizar un catalizador de tres vías, para una depu ración efi caz de los gases de escape es sin embargo absolutamente necesaria una mezcla de 2 = 1.

Pérdidas por cambio de carga Al efectuarse el ca mbio de ca rga, en el primer tiempo de trabajo el motor aspira aire fresco. El caudal teórico de gas fresco es regulado por la apertura de la mariposa. En el tubo de admisión se produce un vacío contra el cual trabaja el motor. La inyección di recta de gasolina reduce esas pérdidas por bombeo (pérdidas por estrangulación), ya que la mariposa está ampliamente abierta también en ralentí y a régimen de carga parcial, regulándose el par mOlOr mediante la masa de combustible inyectada.

En el cuarto tiempo de trabajo han de expul sarse del ci lind ro los gases de escape residuales. También eso ex ige trabajo.

Fundamentos del motor de gasolina Rendimiento del molor

Pérdidas por fricción Se producen pérdidas por fri cción a causa del rozamiento de todas las piezas movidas en el motor yen los grupos secundarios, p. ej. por el rozamiento de los aros de pistón en la pared del cilindro, la fricción de los rodamientos, accionamiento del alternador, etc.

Cadena de rendimiento de un molor de gasolina con J. = 1.

45%

TrabajO ¡¡tll accionamIento

Pérdidas por fricción, grupos secundarios

Pérdidas por A :: 1

Pérdidas de calor en el cil indro, por una combustión no Ideal y por los gases de escape

Pérdidas termodinámicas en el proceso ideal (rendimiento térmiCO)

Desarrollo del proceso de trabajo del motor en el diagrama p. V.

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Figura 2

A Proceso ideal de

cámara homogénea

B Diagrama p- \1 real

a AdmiSión

b Compresión

e TrabajO

d Expulsión de los gases

Z2 Punto de encendido

AÓ Escape se abre

10

Figura 1

1 Grupos secundariOS

(alternador. compresor

del acondicionador de

aire, etc.)

2 Motor

3 Embrague

4 CambiO de velocidades

Control del motor de gasolina Exigencias

Control del motor de gasolina

Los sistemas electrónicos de control y regulación adquieren cada vez más importancia en el automóvil moderno. Han ido desplazando uno tras otro los sistemas mecánicos (p.ej. el variador de encendido). Unicamente la electrónica hace posible cumplir las disposiciones cada vez más severas de la legislación relativa a los gases de escape.

Exigencias

Un objetivo en el desarrollo de motores para automóviles es, con una potencia lo más alta posible, mantener muy bajos el consumo de combustible y las emisiones de gases, cumpliendo así las disposiciones de la legislación relat ivas a los gases de escape.

La reducción del consumo de combustible sólo es posible mediante un au mento del rendimiento del motor. Particularmente en ralentí y a régimen de carga parcial, el motor convencional de gasolina de inyección en el tubo de admisión trabaja con un rendimiento bajo. Pero precisam ente en esos márgenes de servicio se hace funcionar el motor con más frecuencia. Por eso hay que mejorar el renoimiento del motor especialmente en ralentí y en el régimen de carga pa rcial, sin influir no obs-

Pares molor en la cadena cinemática.

1 2

M d asa e alfe llenado de nas frescal

Masa de combustible I ~r generado

Motor r la

Angula de encendido combustlon

(momento de encendido)

Cambio de carga y rozamiento

Gnuoos secundarios

Pérdides v transmisión del embraaue

Pérdidas y transmisión del cambio de velocidades

tante negativamente en el rendimiento ya favora ble en el régimen superior de carga de los motores actua les. Esta exigencia se puede satisfacer con la inyección directa de gasol ina.

Otra exigencia formulada al motor es la de que ponga a disposición ya a bajos números de revoluciones un alto par motor, para poder acelerar el vehículo en breve tiempo. El par motor es por tan to la magnitud central en el control del motor de gasolina.

Pares en el motor de gasolina La potencia P entregada por un motor de gasolina es determinada por el par disponible en el embrague M y el régimen del motor 11. El pa r dispon ible en el embrague resulta del par generado en el proceso de combustión, reducido por el par de fr icción (pérdidas por fricción en el motor) y por las pérdidas de cambio de ca rga, así como por el par necesario para el funcionam iento de los gru pos secu ndarios (figura 1). El par de combustión se genera en el tiempo de trabajo y es determ inado - en los motores de in yección en el tubo de admisión hoy día aún predominantemente utilizados - por las siguientes magnitudes:

3 4

Par disponible en Par Par motor el embrague I Camb" ldisponible _ - I Embrague - ele ve!. lpara a

- propulsión

o-

'" ,;, ~ ~ o

" :> =>

• la masa de aire que está a disposición para la combustión después de cerrarse las válvulas de admisión)

• la masa de combustible dispo nible en el mismo momento y

• el momento en el que la chispa de encend ido inicia la combustión de la mezcla de ai re y combustible.

En el futuro se acrecentará el número de motores de gasolina de inyección directa. Estos motores trabaja n en determinados puntos de funcion amiento con exceso de aire (fu ncionamiento pobre). Por tanto, en el cilindro se encuent ra aire que no tiene inAuencia alguna en el par motor generado. Una in Auencia esencial en el pa r motor generado la tiene aquí la masa de combustible.

Tareas del control del motor Una tarea del control del motor es la de ajustar el par motor generado. Para ello se controlan en los diferentes subsistemas (control del llenado, formación de la mezcla, encendido) del control del motor todas las magnitudes que inAu)'en en el par motor. El objeto de este control es poner a disposición el par motor exigido por el conductor y satisfacer al mismo tiempo las aitas exigencias relativas a la emisión de gases, consumo de combustible, potencia, confo rt y seguridad . Estos problemas sólo se pueden resolver con electrónica.

Con el fin de que estas condiciones se cumplan también en el servicio de larga duración, el control del motor realiza constantemente un diagnóstico)' muestra al conductor comportamientos errÓneos detectados. Esta es otra importante tarea del control del motor. El diagnóstico hace posible además un mantenimiento más sencillo del sistema en el taller.

Control del motor de gasolina Exigencias

Subsistema de cont rol del ll enado Mediante el accionam iento del acelerador, en los sistemas de inyección convencionales el conductor regula directamente la apertu ra de la mariposa . Así determ ina el caudal de ai re fresco aspi rado por el motor.

En los sistemas de control del motor con pedal acelerador electrónico (EGAS) el conductor en el fondo prefija con la posición del acelerador un "deseo de par motor", p.ej. cuando quiere acelerar. El sensor del pedal acelerador mide para ello la posición del acelerador. El llenado de aire de los cilindros necesario para el deseo de par motor prefijado se determ ina en el subsistema de "control del llenado" y la mariposa) activada eléctricamente) se abre correspondientemente.

Subsistema de formación de la mezcla En el subsistema de formación de la mezcla, en el fu ncionamiento homogéneo con relación aire/combustible), defi nida se calcula la masa de combustible correspondiente al llenado de aire y a base de el lo se determina el tiempo de inyección necesario y el momento de inyección óptimo. Para la inyección directa de gasolina rigen otras condiciones en los modos de funcionamiento pobre, entre los que cuenta en lo esencial el fu ncionamien to con carga estrat ificada. Aquí la masa de combusti ble que debe ser inyectada no la determi na la masa de aire aspirado, sino el par motor solicitado por el conductor.

Subsistema de encendido En el subsistema de encend ido se determina finalmente el ángulo del cigüeñal en el que la chispa de encendido procura la inAamación de la mezcla de ai re y combustible a su debido tiempo.

"

12

Figura 1

1 Vapores de aire y com

bustible (del sistema

de relenClon de vapo

res de combustible)

2 Válvula de regenera

Clcn con secClon vana

ble de apertura

3 Unión al sistema de re

lenClón de vapores de combustible

4 Gas de escape retroaJ¡·

mentado

5 Valvula de realimenta

Ción de gases de es·

cape (valvula AGR)

con secclon variable de

aperlura

6 Flujo de masa de aire

(presloo ambiente 1' .. )

7 FluJo de masa de aire

(presión dellubo de

admlSlon rJ 8 Llenado de gas fresco

(presIÓn en la camara

de combuShón rs)

9 Llenado de gas

residual

(presión en la cámara

de combustión f~)

10 Gases de escape

(contrapreslón de los

gases de escape !I"')

11 Válvula de admlsion


13 Mariposa

11 Angula de la mariposa

Control del motor de gasolina Control del llenado

Control del llenado

La tarea del control del llenado es coordina r los sistemas que influyen en la proporción de gas en el llenado del cilindro.

Componentes del llenado de los ci lindros La mezcla de gas que se encuentra en el cilind ro después de cerrarse las válvulas de admisión se denomina llenado del cilindro. Se compone del ai re fresco aportado y del gas residual.

Para disponer de una magnitud independiente de la cili ndrada del motor, se ha introducido el concepto de "llenado de ai re relativo r! ': Este se ha defin ido como la relación entre el llenado act ual y el llenado en una condición normalizada (Po = 1013 hl'a, To = 273 K).

Gas fresco Los componentes del gas fresco aspirado son el aire fresco y el combustible aportado con él (fi gura 1). En la inyección en el tubo de admisión, el combustible total ya está mezclado con el aire fresco delante de la válvula de admisión. Por el contrario, en los sistemas de inyección directa se inyecta el combustible directamente en la cá mara de combustión.

llenado del cilindro en el motor de gasolina. -~=EJ=:= 3

La parte esencial del ai re fresco pasa con el flujo de masa de aire (6, 7) a través de la mariposa (13 ) al cilindro. Una parte ad icional de gas fresco en forma de aire fresco y vapores de combustible puede ser sum inistrada a través del sistema de retención de vapores de combustible (3).

El aire sumin istrado a través de la mariposa yex istente en el cilindro después de cerrarse las válvulas de admisión (11) es para el funcionamiento con mezcla homogénea de A ~ 1 la magnitud decisiva para el trabajo realizado sobre el pistón durante la combustión y por lo tanto para el par entregado por el motor. Aquí el llenado corresponde al par motor o respectivamente a la ca rga del motor. Por el cont rario, en el funciona miento pob re (fu ncionamiento con carga estratificada) el par motor (ca rga del motor) resu lta directamente de la masa de combustibl e inyectada.

En el funcionamiento pobre, la masa de aire puede ser distin ta con un par motor igual. Las medidas destinadas a aumentar el par motor máximo y la potencia máxima del motor condicionan casi siempre un aumento del llenado máximo posible. El llenado máxi mo teórico está preestablecido por la cil indrada.

Gas residual La parte de gas residual es la parte del llenado del cil indro que ha participado ya una vez en una combustión. Por principio se hace una dist inción entre gas residual interno y externo. El gas residual interno lo constituyen gases que permanecen en el espacio muerto del cilindro después de la combustión o que durante el tiempo en que está n abiertas simultáneamente las válvulas de admisión yescape (o sea, durante el cruce de válvulas) vuelven a ser aspirados del conducto de escape al tubo de admisión. El gas residual externo lo constituyen gases de escape introducidos a través de una válvula AGR en el tubo de admisión.

Mientras que la parte de gas residual interno es controlado en lo esencial por las fa ses de distr ibución por válvulas en el cambio de ca rga (escape cierra, admisión abre), la parte de gas residual externo es controlado por la apertura de la válvula AGR.

El gas residual se compone de gas inerte 1) Y - en funcionamiento con exceso de aire - de ai re no quemado. La parte de gas inerte en el gas res idual no participa directamente en la combustión durante el siguiente tiempo de trabajo, pero influye en la in flamación y en el tra nscurso de la combustión.

Una pa rte de gas residual aplicada encauzadamente puede red ucir por ello la emisión de óxidos de nitrógeno r O,).

Para consegu ir un par motor exigido hay que compensa r el llenado de gas fresco impedido por el gas inerte mediante una mayor apertu ra de la mariposa. Con ello dismi nuyen las pérdidas por bombeo del motor. El resultado es una reducción del consumo de combustible.

Control del llenado con gas fresco Inyección en el tubo de admisión El par motor generado por un motor de gasolina de inyección en el tubo de admisiól) es proporcional al llenado de gas fresco. El control del par motor se efectúa mediante la mariposa, que regula la corriente de aire aspi rado por el motor. Si la mariposa no está totalmente abierta, se estrangula el aire aspirado por el motor y se reduce así el pa r motor generado. Este efecto de estrangulación depende de la posición y, con ello, de la sección de apertura de la mari posa. El par máximo del motor se consigue con la mariposa totalmente abierta.

La figura 2 muestra la relación fu nda mental existente ent re el llenado de gas fresco y e! número de revol uciones en fu nción de la apertu ra de la mariposa.

1) Componentes en la camara de combust ión que se comportan de

modo Inerte. es decir, que no participan ya en la combustión .

Control del motor de gasolina Control del llenado

Campo de la mariposa de un motor de gasolina - - - Posiciones intermedias de la mariposa.

t

mín.

Mariposa totalmente abierta

Ralenlí Número de revoluciones -

Inyecc ión directa

máx.

Para los motores de gasolina de inyección directa, en el funcionamiento con mezcla homogénea de ), S 1 (o sea, funcionamiento no pobre) rigen las mismas condiciones que para los motores de inyección en el tubo de ad misión.

Para reducir las pérdidas por estrangulación, se abre la mariposa ampliamente también en funciona miento de ca rga parcial. En e! caso ideal, al estar la mariposa totalmente abierta - como en e! fu ncionamiento a plena carga - no se produce ninguna pérdida por estrangulación. Para lim itar el par motor generado en régimen de carga parcial, en la combust ión no debe participar toda la masa de ai re que fluye al cilindro. En los modos de funcionamiento pobre con exceso de aire (), > 1), una parte de! aire aspirado permanece como gas residual en e! cilindro O es expulsado en el tiempo de escape. Por eso en los modos de funcionamiento pobre, la magnitud determinante para el par motor ya no es e! llenado de ai re encerrado en la cámara de combustión, sino el combustible inyectado en la cámara de combustión.

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14 Control del motor de gasolina Control del llenado

Cambio de carga El cambio de la carga del cil indro co nsumida (gases de escape) por otra de gas fresco se realiza mediante una apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape coordinada en el tiempo. Las levas del árbol de levas determinan los momentos de apertura y cierre de las válvulas (fases de distribución), así como el transcurso de la elevación de las válvulas. De esta forma se infl uye en el proceso de cambio de carga y, por consiguiente, también en el caudal de gas fre~isponible para la combustión.

La in tersección de las válvulas, es decir, la solapadura de los tiempos de apertura de las válvulas de adm isión y escape, in flu ye decisivamente sobre la masa de gas residual que permanece en el cilindro. Con ello está fijada también la parte de gas inerte del llenado del cili ndro para el siguiente ciclo de trabajo. En este caso se habla de una realimentación "interna" de gases de escape.

La masa de gas inerte en el llenado del cilindro puede aumenta rse mediante una realimentación "externa" de gases de escaye. Una válvula de realimentación une el tubo de admisión con el tubo de escape. El control de esta válvula puede ajustar así la parte de gas inerte en el llenado del cilindro, en función del punto de funcionamiento.

Rendimiento volumétrico Mientras que en el caudal de aire (aire empleado) toda la carga aplicada durante un ciclo de trabajo es referida a la carga teórica prefijada por el desplazamiento del pistón, con el rendimiento volumétrico se considera sólo la carga de gas fresco efectivamente restante. El gas fresco aspirado que durante la intersección de las válvulas fluye directamente al conducto de escape y no está a disposición para la combustión, no se toma en consideración.

Para motores de aspiración el rendimiento volumétrico es de 0,6 .. . 0,9 Y depende de la conformación del tubo de admisión, de la forma de la cámara de combustión, de las secciones de apertu ra de las válvulas del cilindro y de las fases de dist ribución.

Sobrealimentación El par motor alcan zable con una distribución homogénea de la mezcla de A ~ 1 es proporcional al llenado de gas fresco. Por eso se puede aumentar el par motor máximo comprimiendo el ai re antes de su entrada en el cilindro (sobrealimentación). Con la sobrealimentación se puede aumentar el rend imiento volu métrico hasta valores mayores de 1.

Sobrealimentación dinámica Una sobrea limentación puede conseguirse ya simplemente aprovechando efectos dinámicos en el tubo de adm isión. El grado de sobrealimentación depende de la configuración del tubo de admisión, así como del punto de funcionamiento (esencialmente depende del número de revoluciones, pero también del llenado). Con la posibilidad de modifi car la geometr ía del tubo de admisión durante la marcha (geometría variable del tubo de admisión), la sobrealimentación dinámica puede procurar, en un amplio margen de funcionamiento, un aumento del llenado máximo.

Sobrealimentación mecánica Otro aumento de la densidad del aire se consigue mediante compresores accionados mecánicamente por el cigüeñal del motor. El aire comprimido es bombeado a través del tubo de admisión al interior de los cilindros.

Turboalimentación por gases de escape A diferencia de la sobrealimentación mecá nica, el compresor del turbosobrealimentador por gases de escape no es accionado por el cigüeñal, sino por una turbina dispuesta en el tramo del sistema de escape. De ese modo se recupera una parte de la energía contenida en los gases de escape.

Formación de la mezcla

En este subsistema se calcula la masa de combustible adecuada pa ra el aire aspi rado. El combustible se dosifi ca mediante las válvulas de inyección.

Mezcla de aire y combustible El motor de gasolina necesita una determinada relación de ai re y combustible. La combustión completa teórica ideal se produce con una relación de masas de 14,7: 1. Esta se designa tay bién con el nom bre de relación estequiométrica . Es decir: para la combustión de I kg de masa de combustible se necesitan 14,7 kg de masa de ai re. O expresado en volumen: I I de combustible se quema completamente con aproximada mente 9500 I de ai re.

Coeficiente de aire J. Para señalar hasta qué pu nto la mezcla de aire y combustible realmente existente difiere de la relación de masas teóricamente necesaria (l4,7: 1), se ha int roducido el coeficiente de ai re A. Este coefi cierlle O razón de aire ind ica la relación entre la masa de aire aportada y el aire necesario en la combustión estequiométrica.

A = J: La masa de aire aportada corresponde a la masa de aire teóricamente necesaria.

i, < J: Existe fa lta de aire y, por lo tanto, una mezcla rica. Un enriquecimiento con combustible es necesario cuando el motor está frío, a fi n de compensar el combustible condensado en las paredes frías del tubo de admisión (en el caso de inyección en el tubo de admisión) y de los cili ndros, que no se quema.

A > J: Existe exceso de ai re y, por lo tanto, una mezcla pobre. El valor máximo alcanzable para el coefi ciente de aire A, llamado "límite de funcionamiento pob re", depende mucho del diseiio de! motor y del sistema de preparación de la mezcla empleado. En el límite de fu ncionamiento pobre la mezcla se resiste ya a la inflamación. Se producen fallos de combustión. Aumenta considerablemente la irregularidad de marcha del motor y el consumo de combustible, disminuyendo la potencia.

Control del motor de gasolina Formación de la mezcla

Para los moto res de inyección directa en la cámara de combustión reinan otras condiciones de combustión, de modo que és tos pueden funcionar con coeficientes de aire considerablemen te mayores.

Modos de func ionamiento Homogéneo (A ~ J): En los motores de inyección en e! tubo de ad misión, la mezcla de ai re y combustible es aspi rada en la carrera de aspi ración a través de la válvula de admisión abierta. De ello resulta una distribución ampl iamente homogénea en la cámara de combustión.

Este modo de funcionamiento es posible también con la inyección directa de gasolina. El combustible se inyecta durante la carrera de aspiración.

Homogéneo-pobre (A > J): La mezcla de aire y combustible se encuentra homogéneamente distribuida en la cámara de combustión con un exceso de aire defi nido.

Estratificado: Este y los siguientes modos de fu ncionamiento sólo son posibles con la inyección directa de gasolina. El combustible no se inyecta hasta poco antes del momento de encendido. Se encuentra en fo rma de nube de mezcla en la zona alrededor de la bujía de encend ido.

Homogéneo-estratifi cado: Adicionalmente a la ca rga estrati ficada se encuentra en toda la cámara de combustión una mezcla homogénea, pobre. Esta distribución de la mezcla se consigue mediante una inyecció n doble.

HOlllogétreo-al1lidetonan/e: Igual mente mediante una doble inyección se consigue una distribució n de la mezcla que prácticamente impide combustiones detonantes.

Estrat ificado-calentamiento de! catalizador: Unas inyecciones ad icionales activadas con retardo proporcionan un rápido calentamiento del ca talizador.

15

16

Figura 1

a Mezcla rica

(falta de aire)

b Mezcla pobre

(exceso de aire)


, I l

Influencia del coeficiente de aire ). sobre la potencia P y el consumo específico de combustible ve' con una distribución homogénea de la mezcla.

~.r-~a __ ~~b~ •• ; : (

0,8 1,0 1,2 Coeficiente de aire A.

Consumo especifico de combustible, potencia y emisiones de gases Inyección en el tubo de adm isión Los motores de gasolina de inyección en el tubo de admisión alcanzan su potencia máxima con un 5 ... 15 % de falta de aire V = 0,95 ... 0,85), Y su consumo más bajo de combustible coi, un 10 ... 20 % de exceso de aire (A = 1, I ... 1,2). Las fi guras I y 2 muestran hasta qué punto la potencia yel consumo específico de combustible, así como el desarrollo de sustancias nocivas, dependen del coeficiente de aire;" De ello puede deducirse que no existe ningún coeficiente de ai re ideal con el que todos los factores acusen su valor óptimo. Se consigue un consumo de combustible "óptimo)) con una potencia "óptima)) mediante un coeficiente de aire de}, = 0,9 ... 1,1.

Para el tratamiento catalítico ulterior de los gases de escape mediante un catalizador de tres vías es absolutamente necesario cum plir exactamente con un coefi ciente A = 1 teniendo el motor la temperatura de servicio. Para conseguirlo es necesario determinar exactamente la masa de aire aspirada y aportar una masa de combustible exactamente dosificada.

Para un desarrollo lo mejor posible de la combustión, además de un caudal de inyección exacto es necesaria también una mezcla homogénea. Para ello se requiere una buena pulverización del combustible. Si no se cumple esta condición, se precipitan grandes gotas de combustible en el tubo de admisión o en la pared de la cá mara de combustión. Estas gran -

Influencia del coeficiente de aire A. sobre la composición de elementos nocivos en el gas de escape bruto, con una distribución homogénea de la mezcla.

co

0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Coeficiente de aire f..

----------des gotas no pueden quemarse totalmente yocasionan elevadas emisiones de He.

Inyección directa de gasolina Con la inyección directa de gasolina, en el funcionamiento con mezcla homogénea de A ~ I rigen las mismas condiciones que con la inyección en el tubo de admisión. En el funcionamiento con carga estratificada, por el contrario, la mezcla de aire y combustible está compuesta de modo ampliamente estequiométrico sólo en la nube de carga estratifi cada que se encuentra alrededor de la buj ía de encendido. Fuera de esta zona, el cilindro está lleno de aire fresco y gas inerte. Considerando toda la cámara de combustión, la relación de aire y combustible es muy alta (J, > 1).

Como en este modo de funcionamiento no toda la cámara de combustión está llena con una mezcla inflamable, el par motor y la potencia entregada son también reducidos. Para una potencia máxima ha de existir una mezcla homogénea en toda la cámara de combustión, como con la inyección en el tubo de admisión.

En dependencia del procedimiento de combustión y de la distribución de la mezcla en la cámara de combustión, en el funcionam iento pobre se producen emisiones de NO, que no pueden ser reducidas por el catalizador de tres vías sino que requieren medidas adicionales para la depuración de los gases de escape con un catalizador acumulador de NO,.

Estados de funcionamiento del motor En algunos estados de funcionamiento, la demanda de combustible difi ere considerablemente de la demanda estacionaria del motor caliente a la temperatura de servicio, siendo necesarias intervenciones correctoras en la fo rmación de la mezcla.

Arranque y calentamiento Al arrancar en frío se empobrece la mezcla de aire y combustible aspi rada. Esto es debido a un ent remezclado insuficiente del ai re aspirado con el combustible, a una red ucida evaporación del combustible y a una gran humectación (condensación del combustible) de las paredes aún frías del tubo de admisión (sólo con inyección en el tubo de admisión) y de los cil indros. Para compensar este efecto y fac ili tar el "arranque)) del motor frío, es necesario aporta r combustible adicional en el momento del arranque.

Mientras el motor no haya alcanzado aún su temperatu ra de servicio, es necesario también un enriqueci miento de la mezcla después del proceso de arranque. Eso rige también para la inyección directa de gasolina. El fu ncionamiento pobre con carga estra ti ficada no es posible, según el disello del motor y el proced imiento de combustión, hasta haber alcanzado el motor la temperatura de servicio.

Ralentí y carga parcial Después de alcanzar la temperatura de servicio, los motores usuales de inyección en el tubo de admisión funcionan en ralent í y a carga parcial exclusivamente COI1 mezcla estequ iométr ica. En los motores de inyección directa de gasolina en cambio, el objetivo es hacer funcionar el motor con carga estratificada lo más frec uentemente posible. Eso es posible en ralentí y a carga parcial. En esos estados de fu ncionamiento radica el mayor potencial de ahorro; mediante el funcionamiento pobre se puede ahorrar aquí hasta un 40 % de combustible.

Plena carga Para este estado de servicio, las condiciones en los motores de inyección en el tubo de admisión yen los de inyección directa de gasolina son esencial men te las mismas. Al estar totalmente abierta la mari posa, puede ser necesario un enriquecimiento


de la mezcla. Como se desprende de la figura 1, se puede conseguir así el máximo par motor o la máxi ma potencia posibles.

Aceleración y deceleración La tendencia del combustible a la evaporación, en los motores de inyección en el tubo de admisión, depende en alto grado de la presión existente en el tubo de admisión. Por ello, en la zona de las válvulas de admisión se fo rma una película de combustible en las paredes del tubo de admisión. Las rápidas variaciones de la presión en el tubo de adm isión, como se producen en las variaciones rápidas de la abertura de la mariposa, dan lugar a una modi ficación de la película en la pared. Al acelerar fu ertemente, aumenta la presión en el tubo de ael misión, la tendencia del combustible a la evaporación empeora y se vuelve más gruesa la pel ícula en la pared. Como una parte del combustible inyectado se pierde incrementando la película en la pared, se empobrece brevemente la mezcla en el motor, hasta que se estabiliza de nuevo la película en la pa red. Una deceleración rápiela ocasiona análogamente un enriquecimiento del motor, ya que, por disminuir la presión en el tubo de admisión , se desintegra la película en la pared y es aspirada por los cilindros. Una función de corrección en fu nción de la temperatura ("compensación de tra nsición") corrige la mezcla para consegui r un comportamiento de marcha óptimo y ga ran tizar la relación de aire y combustible constante, necesaria para el catalizador.

Se producen efectos adicionales por la for mación de una película en las paredes de los cilindros. Teniendo el motor la temperatura de servicio, esos efectos son sin embargo muy reducidos. Por eso en los motores de inyección directa de gasolina que han alcanzado ya la temperatura de servicio esos efectos por fo rmación de una película en las paredes de los cilindros no tienen ninguna importancia.

Marcha con freno motor La dosificación de combustible en la marcha con freno motor se interrumpe (co rte en marcha por empuje). Esto ahorra combustible al marchar cuesta abajo, pero sobre todo protege el catal izador cont ra un sobrecalentam iento a causa de combustiones defi cientes e incompletas.

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18 Control del motor de gasolina Formación de la mezcla

Encendido

La fu nción del encendido es infl amar en el momento correcto la mezcla de aire y combustible comprimida, in iciando así su combustión.

Instalación de encendido La mezcla de aire y combustible en el moto r de gasoli na se inflama mediante una chispa eléctrica que salta entre los electrodos de la bujía de encendido. Los sistemas de encendido inductivos empleados predominantemente en motores de gawlina acumulan en la bobina de encendido la energía eléctrica necesaria para la chispa. Esta energía determina el tiempo durante el cual ha de cargarse la bobina de encendido bajo corriente (ángulo de cierre). La interrupción de la corriente de la bobina a un ángulo definido del cigüeIlal (ángulo de encendido) ocasiona la chispa de encendido y con ella la inflamación de la mezcla de aire y com busti ble.

Los procesos que conducen al encendido de la mezcla, en los sistemas de encendido actuale, son controlados electrónicamente.

Momento de encendido Variación del momento de encendido Después del encendido transcurren aproximada mente dos milisegundos hasta quemarse totalmente la mezcla de ai re y combustible. El mo-

Diagrama característico del angulo de encendido como función del número de reyoluciones del motor 1I y del llenado relativo de aire d.

-'

mento de encendido ha de elegirse de manera que el pun to esencial de la combustión y con él la punta de presión en el cilindro se encuentren poco después del punto muerto superior. Por eso ha de desplazarse el ángulo de encendido hacia avance a medida que au menta el número de revoluciones.

Otra infl uencia en el transcurso de la combustión la tiene el llenado del cilind ro. El fre nte de llamas se extiende más lentamente si el llenado del cilindro es reducido. Por eso ha de desplazarse el ángulo de encendido hacia avance cuando es reducido el llenado del cil indro.

Influencia del ángulo de encendido El ángulo de encendido tiene una influencia decisiva en el funcionamiento del motor. Determina • el par motor entregado, • las emisiones de gases y • el consumo de combustible.

El ángulo de encendido se prefija de manera que se cumplan todas las exigencias lo mejor posible. Durante el funcionamiento no se debe prod ucir un picado sostenido del motor.

Adaptación básica del ángulo de encendido En los sistemas de encendido de control electrónico, el diagrama ca racterístico del ángulo de encendido (figu ra I) toma en cuenta la infl uencia del número de revoluciones y del llenado del cil indro en el ángulo de encendido. Este diagrama característico está al macenado en la memoria de datos del control del motor. Constituye la adaptación básica del ángulo de encendido.

Sobre los dos ejes se ha trazado el número de revoluciones y el llenado relativo de aire. Una determinada cantidad de valores, típicamente 16 en cada caso, forman los puntos de apoyo del diagra ma característico. Pa ra cada par de valores hay almacenado un ángulo de encendido. El diagrama característico contiene por tanto 256 valores de ángulos de encendido aj ustables. Med iante una interpolación lineal entre dos puntos de apoyo, la cantidad de valores de ángulos de encendido aumenta a 4096.

El control electrónico del ángulo de encendido mediante diagramas característicos hace posible prefijar el ángulo de encendido mejor posible en cada punto de fu ncionamiento del motor. Estos

diagramas característicos se determinan en el banco de ensayo de motores.

Correcciones adit ivas del ángulo de encendido Una mezcla pobre está menos dispuesta al encendido, de modo que transcurre más tiempo hasta alcanzarse el punto esencial de la combustión . Por eso una mezcla pobre ha de ser encendida más temprano. Por eso la relación de aire y combustible A influye en el ángulo de encendido.

La temperatura del líquido refrigerante influye también en la elección del ángulo de encendido. Por eso han de efectuarse correcciones del ángulo de encendido en función de la temperatura. Estas correcciones están almacenadas en la memoria de datos como valores fi jos o como curvas características (p.ej. corrección en función de la temperatura). Desplazan el ángulo de encendido básico en el valor prefijado. La corrección del ángulo del encendido puede constituir una va riación hacia avance o una variación hacia retardo.

Angulos de encendido particulares Determinados estados de fu ncionamiento, p.ej. ralent í o corte en marcha por empuje, requieren ángulos de encendido divergentes de los del diagrama característico. Para ello hay almacenadas en la memoria de datos curvas características de ángulos de encendido particulares, de las que se hace uso.

Regulación contra la detonación La detonación es un fenómeno que se presenta en caso de estar demasiado avanzado el momento de encendido. En este caso, después de iniciarse la combustión regular, a causa del alto aumento de la presión en la cámara de combustión se produce un autoencend ido de la mezcla residual (gas fi nal) sin quemar todavía no alcanzada por el fre nte de llamas. La subsiguiente combustión del gas fi nal que se realiza de repente ocasiona localmente un intenso aumento de la presión. La onda de presión producida de ese modo se propaga, da en las paredes del cilindro y por consiguiente se puede percibir también como combustión detonante, por lo menos a bajos números de revoluciones y reducido ruido del motor. A nú meros de revoluciones más altos, los ruidos del motor cubren la detona-

Control del motor de gasolina f ormación de la mezcla

ción del motor. En caso de producirse detonaciones durante largo tiempo, las ondas de presión y la elevada carga térmica pueden ocasionar daños mecánicos en el motor. Para evitarlo con seguridad en los motores actuales de alta compresión, tanto de inyección en el tubo de admisión como de inyección directa de gasolina, la regulación contra la detonación fo rma parte de la extensión estándar de un control del motor. Con ella, indicios de combustiones detonantes detectados por sensores de picado ocasio-

~nan una variación del punto de encendido hacia retardo sólo en el cil indro afectado. Para lograr el rend imiento máximo posible del motor, se puede situar la adaptación básica del ángulo de encendido (diagrama característico del ángulo de encendido) directamente junto al límite de detonación.

Combustiones detonantes en los motores de inyección di recta de gasol ina se producen sólo en el fun cionamiento con mezcla homogénea. En funcionamiento con carga estratificada el motor no tiende a detonar, puesto que con la carga estrati ficada no se encuentra mezcla inflamable alguna en las zonas marginales de la cámara de combustión.

Angulo de cierre La energía acumulada en la bobina de encendido depende de la duración de conexión de la bobina. El tiempo preciso para establecer la energía de encendido necesaria en la bobina ha de observa rse exactamente, para no someter la bobina de encendido a sobrecargas térmicas. El ángulo de cierre, que se refi ere al cigüeñal, depende por eso del número de revoluciones.

La corriente de la bobina de encendido depende de la tensión de la batería. Por eso hay que tener presente también la tensión de la batería al calcular el ángulo de cierre.

Los valores para el ángulo de cierre es tán almacenados en un diagrama carac te rístico sobre cuyos ejes están esbozados la tensión de la batería y el número de revoluciones.

19

20

Figura 1

1 Pedal acelerador

2 Cable de traCCIón

O varillaje

3 Manposa

4 Conducto de admiSión

5 FlUJO de aire aspirado

6 FlUJO de aire de deriva-

Ción

7 Actuador de ralenli

(actuador de aire de

derivación)

8 Unidad de control

9 Magnitudes de entrada

(señales eléctricas)

Sistemas de control del llenado Control del llenado de aire

Sistemas de control del llenado

En el motor de gasolina de funcionamiento con mezcla homogénea, la masa de aire aportada es la magnitud decisiva para el par motor entregado y, por tanto, para la potencia. Por eso, además de la dosificación de combustible les corresponde especial importancia también a los sistemas que influyen en el llenado de los cilindros. Algunos de esos sistemas pueden influir también en la par te de gas inerte del llenado de los cil indros y, por consiguiente, en los gases de escape.

Control del llenado de aire

Para la combustión del combustible se necesita oxígeno, que el motor sustrae del aire aspirado. En los motores con formación externa de la mezcla (inyección en el tubo de admisión ) y también en los motores de inyección directa de gasolina en funcionamiento con mezcla homogénea, con una relación de aire y combustible de A = 1, el par motor entregado está directamente en función de la masa de aire aportada. La mariposa, que se encuentra en el tramo de admisión, controla el flujo de aire aspirado por el motor y, por tanto, elllenado de los cilindros.

Principio del control del aire en sistemas convencionales mediante una mariposa de regulación mecánica y un ac· tuador de aire de derivación.

2 , I J. 5. 4

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Sistemas convencionales En los sistemas convencionales (figu ra 1), la mari posa (3) es accionada mecánicamente. Un cable de tracción o un vari llaje (2 ) transmite el movimiento del acelerador (I ) a la mariposa. El ángulo variable de ajuste de la mariposa inA uye en la sección de abertura del conducto de admisión (4) Y controla así el flujo de aire (5) aspirado por el motor y con ello el par motor entregado.

Cuando está frío, el motor requiere una mayor masa de aire y una mayor cantidad de combustible, para compensar el momento de fricción incrementado. También al conectar adicionalmente p.ej. un compresor de aire acondicionado se requiere más aire aspirado para compensar la pérdida de par. Estas informaciones se transmiten a la unidad de control (8) como seliales eléctr icas (9). La necesidad de ai re adicional se cubre mediante un actuador de aire de derivación (7) que hace pasar una corriente de aire de derivación (6) por delante de la mariposa, o mediante un ac tuador de mariposa que modifica el tope mínimo de ésta. En ambos casos, sin embargo, en la corriente de aire requerida por el motor sólo se puede inAuir electrónicamente en una extensión lim itada, como por ejemplo para una regulación del ralent í.

Sistemas de control del llenado Control del llenado de aire 21

El sistema EGAS (acelerador electrónico).

Sensores Actuadores

Módulo del pedal acelerador

Sistemas con EGAS

~c

Módulo de supervisión

Unidad de oonlrol del motor

En el con trol electrónico de la potencia del motor (EGAS), una unidad de control electrónica (fi gura 2, pos. 2) se hace cargo de la act ivación de la mariposa (5). Esta está reunida con el accionamiento de la mariposa (4) -un motor de corriente continua - y el sensor del ángulo de la mariposa (3), for mando una unidad. A ésta se le da el nombre de disposit ivo de mariposa . Para act ivar el dispositivo de mariposa se detecta la posición del acelerador con ayuda de dos potenciómetros de movimiento opuesto (sensor del pedal acelerador, 1). La apertura de la mariposa requerida para el deseo del conductor la calcula entonces la unidad de control del motor tomando en cuenta el estado actual de funcionamiento del motor (número de revoluciones, temperatura del motor, ete.) y la transforma en sella les de activación para el accionam iento de la ma riposa.

El sensor del ángulo de la mariposa suministra una confirmación de la posición actual de la mariposa y hace posible así el cumplimiento exacto de la posición deseada para la mariposa. Los pOlenciómetros existentes en doble ejecución por motivos de redundancia en el pedal acelerador yen el dispositivo de mariposa son parte inte-

Figura 2

Sensor del pedal

acelerador

2 Unidad de control del

3

motor

Sensor del ángulo de la

matlposa

& 4 ACCionamiento de la

+------+1 Dispositivo de mariposa

grante del concepto de supervisión EGAS. Para el caso de que se detecten anomalías en la parte del sistema que determi na la potencia, la mariposa inmediatamente toma una posición fijada (funcionam iento de emergencia).

En sistemas actuales de gestión del motor, la activación EGAS ha sido integrada en la unidad de control del motor, que regula el encendido, la in yección y otras funciones adicionales. Se ha sup rimido la unidad de control EGAS especial.

Con el EGAS es posible una mejor composición de la mezcla, pudiéndose cu mplir las exigencias cada vez más severas de la legislación relativa a los gases de escape.

Para atender todas las exigencias que la inyección directa de gasolina formula al sistema total, EGAS es imprescindible.

mariposa

(motor de comente

conllnua)

5 Mariposa

22

Figura 1

1 Retardo

:2 Normal

3 Avance

A Intersección de válvulas

Sistema de control del llenado Fases variables de distribución por válvulas

Fases variables de distribución por válvulas Además de la estrangulación mediante la mariposa de la corriente de gas fresco aspirada por e! motor, existen otras posibilidades de influir en e! llenado de los cilindros. Con fases variables de distribución por válvulas se puede influir tanto sobre la parte de gas fresco como sobre la de gas residual.

Para las fases de distribución por válvulas es importante que se modifique intensam~te el comportamiento de las columnas de gas que afluyen al ci lindro y salen de él, p.ej. en función de! número de revoluciones o de la apertura de la mariposa. Con fases de distribución fijas e! cambio de ca rga sólo puede estar adaptado óptimamente para un margen de funcionamiento determinado. Fases de distribución variables permiten la adaptación a diferentes números de revoluciones y llenados de los cilindros. De este modo se obtienen las siguientes ventajas: • potencia más alta, • transcurso más favorable del par motor en un

amplio margen de régi men, • reducción de las emisiones de contaminantes, • menor consumo de combustible y • red ucción de los ruidos del motor.

t ~

'" "S .2 .'" > Q)

u l'! ~ '" ü

Giro del árbol de levas de admisión.

0,-:-,,_

Angulo del cigüeñal

----- - -

Variación de las fases del árbol de levas El cigüeñal y el árbol de levas de un motor convencional están unidos fijamente de modo mecánico mediante una correa dentada o una cadena.

En motores con va riación de! árbol de levas, por lo menos el árbol de levas de admisión pero en medida creciente también el árbol de levas de escape, es girado variando su posición respecto a la de! cigüeñal. Con la variación del árbol de levas, por tanto, se puede modificar la intersección de las válvulas. La va riación de las fases del árbol de levas no influye si n embargo en la duración de apertura y la ca rrera de las válvulas. Eso significa que "admisión abre" y "adm isión cierra" están ligadas fi jamente entre sí.

La variación de los árboles de levas es posible mediante el empleo de actuadores áccionados eléctrica O e1ectrohidráulica mente. Mandos senci llos sólo hacen posible dos posiciones diferentes para la variación. El control variable del árbol de levas permite dentro de un margen un giro con progresión continua de los árboles de levas cambiando su posición respecto a la del cigüelial.

La figura I muestra cómo varia la "posición" o respectivamente la ca rrera de la válvula de admi sión abierta (referido al punto muerto superior), cuando es desplazado en su giro el árbol de levas de admisión.

Variación del árbol de levas de admisión hacia retardo La variación del árbol de levas de admisión hacia retardo ocasiona una apertura retardada de la válvula de admisión y con ello una reducida o ninguna intersección de las válvulas. Por ello, en el margen inferior de régimen « 2000 min-' ) es reducido el reflujo de gases de escape quemados al tubo de admisión a través de la válvula de admisión. La parte menor de gas residual en la mezcla aspirada a continuación da lugar a bajos números de revoluciones a un mejor transcurso de la combustión ya un ralentí más tranquilo. Por eso se puede disminuir e! número de revoluciones de ralentí, lo que repercute favorab lemente ante todo en el consumo de combust ible.

Sistema de control del llenado Fases variables de distribuCión por válvulas

También a altos números de revoluciones (> 5000 min- l ) el árbol de levas es desplazado hacia retardo. Con el cierre retardado de la válvula de admisión mucho después del PMI se consigue un mayor llenado máximo. Este efecto de sobrealimentación tiene lugar por la alta velocidad de flujo del gas fresco a través de la válvula de admisión. El gas fresco sigue flu yendo todavía cuando el pistón se mueve de nuevo hacia arriba y comprime la mezcla. La válvula de adm isión no se cierra por eso hasta mucho después del punto muerto in ferior (PMI).

Va riación del árbol de levas de adm isión hacia avance En el ma rgen medio de régimen la velocidad de flujo del gas fresco a través de la válvula de admi sión es reducida. El efecto de sobrealimentación que se presenta a altos números de revoluciones no existe, pues, aquí. El cierre avanzado de la válvula de admisión ya poco después del PMI impide a números medios de revoluciones que el pistón en movimiento ascendente empuje el aire fresco aspirado otra vez al tubo de admisión a través de la válvula de admisión. La va riación del árbol de levas de ad misión hacia avance procura aquí e1l1enado mejor posible y con él un buen transcurso del par motor.

La variación del árbol de levas de adm isión hacia avance ocasio na una mayor intersección de las válvulas. La apertura avanzada de la válvula de admi sión da lugar a que los gases de escape no expulsados aún por completo a través de la válvula de escape sean empujados poco antes del punto muerto superior (PMS) por el pistón en movimiento aún ascendente, pasando por la válvula de admisión abierta al tubo de admisión. Esos gases de escape a cont inuación son aspirauos ue nuevo )' aumentan la parte de gas res idual del llenado del cilindro. La parte de gas residual aumentada por la va riación del árbol de levas de admisión hacia ava nce y contenida en la mezcla aspirada (realimentación de gases de escape interna) influye en la combustión y reduce, por las menores temperaturas punta, la fo rmación de NO,.

La alta parte de gas inerte contenida en el llenado del cilindro exige una mayor sección de apertura de la mariposa. Con ello se reducen las pérdidas por estrangulación . Así con la intersección de vá lvulas también se puede conseguir una reducción del consumo de combustible.

Va riación del árbol de levas de escape Con sistemas que pueden regular también el árbol de levas de escape se puede variar la parte de gas residual no sólo gi rando el árbol de levas de admi sión, sino también el árbol de levas de escape. Con ello e pueden regular el llenado total (determinado por "admisión cierra") y la parte de gas residual (por la influencia de "admisión abre" y"escape cierra") por separado.

Conmutación del árbol de levas Con ella se conmuta entre dos formas diferentes de las levas (figura 2). De este modo va ría n tanto la ca rrera de la válvula como también su fase de distribución (conmutación entre perfiles de elevación). Una primera leva prefija las fases de distri bución y carreras óptimas de las válvulas de admisión y escape para los márgenes de números de revol uciones in fe rior y medio. Una segunda leva regula carreras más altas y tiempos de apertura de las válvulas más largos para altos números de revoluciones.

1

Conmutación del árbol de levas,

Esca (regulable)

1;-'\ I \ I \ I \ I \ I \ I I

Admisión (regulable)

Angulo del cigüeñal Figura 2

1 l eva estándar

2 l eva adicional

23

24

Figura 3

a Carrera mlnlma

b Carrera máxima

Sistema de control del llenado Fases variables de distribución por válvulas

Ejemplo de un sistema con variación continua de las fases de distribución y de la carrera de las válvulas.

En los márgenes de régimen inferior y medio, pequeñas carreras de válvula con la consiguiente sección reducida de apertura proporcionan una mayor velocidad de nujo y con ella una mejor turbulencia del aire fresco (con inyección directa de gasolina) o respectivamente de la mezcla de ai re y combustible (con inyección en el tubo de admisión) en el cil indro. Con ello está ga rantizada a ca rga parcial una preparación muy buena de la mezcla. A alto número de revoluciones y con alta demanda de par motor (a plena carga) es necesario el llenado máximo, por razó n de la alta potencia exigida del motor. Para ello se ajusta la ca rrera de válvula gra nde.

La conmutación a diferentes formas de leva se obtiene p.ej. posicionando la leva adicional en fun ción del número de revoluciones mediante el acoplamiento de un balancín de brazo único, que estaba oscilando libremente, a los balancines está ndar. Otra posibilidad de conmutación la ofrecen unos taqués huecos de conexión.

Distribución por válvulas completamente variable con árbol de levas Se califica de completamente variable una distribución por válvulas en la que so n va riables tanto la ca rrera de las válvulas como las fa ses de distribución de és tas. Perfiles de levas espaciales y p.ej. un árbol de levas desplazable en sentido longi tud inal hacen posibles grados de libertad aún mayores du rante el funcionam iento del motor (fi gura 3). Con esta regulación del árbol de levas, con progresión continua se pueden variar ta nto las carreras de válvula (sólo en el lado de admisión) y con ellas el ángulo de apertura de las válvulas como también la posición de la fase entre el árbol de levas y el cigüeñal.

Esta regulación completamente va riable del árbol de levas hace posible, mediante un cierre ava nzado de la válvula de admisión, un control de la carga con el que se puede suprimir notablemente la estrangulación del tubo de admisión. De este modo se puede reducir aún un poco el consumo de combustible en comparación con una variación sencilla de las fases mediante árbol de levas.

Distribución por válvulas completamente variable sin árbol de levas El mayor grado de libertad de una distribución por válvulas y el mayor potencial de una reducción del consumo los ofrecen sistemas co n una distribución por válvulas sin árbol de levas. En esta distribución por válvu las, éstas son movidas p.ej. mediante actuadores accionados electromagnéticamente. Una unidad de control ad icional se hace cargo de la activación. El objetivo de estos accionamientos de las válvulas completamente variables sin árbol de levas es una amplia supresión de la estrangulación del tubo de admisión, con pérdidas por cambios de carga muy pequeñas. Se pueden obtener otras ven tajas de consumo mediante una desconexión de válvulas y cil indros.

Estos sistemas completamente variables hacen posible además un llenado óptimo y, con ello, un par motor máximo) así C0l110 una mejor preparación de la mezcla con las consiguientes menores concentraciones de elementos nocivos en los gases de escape.

Sistemas de control del llenado Realimentación de gases de escape

Realimentación de gases de escape

En la masa de gas residua l en el cilindro - y con ella en la parte de gas inerte del llenado del cil indro - se puede influir mediante fases de distribución variables. En este caso se habla de una realimentación de gases de escape (AG R) "interna". Es posible una mayor va riación de la parte de gas inerte med iante una realimen tación de gases de escape "externa': en la que a través de una tubería se conducen otra vez al tubo de admisión gases de escape ya expu lsados (figura 1, pos. 3) .

El sistema AG R da luga r a menores emisiones de óxido de ni trógeno (NO,) ya un consumo más reducido de combustible.

limitación de la emisión de NO, La AGR es un medio eficaz para dismi nuir las emisiones de óxido de ni trógeno. Añad iendo a la mezcla de aire y combust ible gases de escape ya quemados, se baja la temperatura punta de la combustión. Esta medida red uce la emisión de óxido de nitrógeno, que depende en gran med ida de la temperatura.

Reducción del consumo de combustible Con la AGR se au menta el llenado total sin que varie el llenado de aire fresco. Por eso hay que estrangula r menos el motor med iante la ma riposa (2) pa ra consegui r un par motor determ inado. El resultado es un consumo de combustible más bajo.

Funcionamiento de la AGR En función del punto de funcionamiento del motor, la unidad de control del motor (4) activa la válvula AG R (5) accionada eléctr icamente y fija así la sección de apertura de ésta. A través de esta sección se sustrae de los gases de escape (6) una corr iente parcial (3), que se aporta al aire fresco aspirado (1). De este modo queda fijada la parte de gases de escape del llenado del cil indro.

AGR en la inyección directa de gasolina También en motores de inyección direc ta de gasolina se aprovecha la AGR para reducir el consumo y disminuir el NO,. En efecto, la AG R es indispensable, puesto que de este modo disminuyen las emisiones de NO, en los modos de funciona miento pobre hasta tal punto que pueden reduci rse otras medidas para el tratamiento ulterior de los gases de escape (p. ej. funcionamiento con mezcla homogénea rica para "desacumular" el NO, del catalizador acumulador de NO,). Eso también repercute positivamente en el consumo de combustible.

Pa ra que se puedan aspirar gases de escape a través de la válvula AG R, ha de re inar una caída de presión entre tubo de admisión y conducto de gases de escape. Los motores de inyección directa, sin embargo, se hacen funcionar también a carga parcial casi sin estrangulación. Además, en funcionamiento pobre se introduce en el tubo de admisión un caudal no insignifica nte de oxígeno a través de la AGR.

Un funcionam iento sin estrangulación y la in troducción de oxígeno en el tubo de admisión a través de la AG R requieren por eso una estrategia de mando que coordine tanto la mariposa como también la válvula AGR. De ello resultan elevadas exigencias para el sistema AGR: ha de trabajar de modo preciso y fiable, y ha de ser robusto frente a las incrustaciones que se forman en piezas que conducen gases de escape a causa de la menor temperat ura de éstos.

[ Realimentación de gases de escape (AGR).

F~ 4 11 -----+- 11& rI __ I:'J

25

Figura 1 1 Aire fresco aspirado

2 Mariposa

3 Gases de escape re tro'

alimentados

4 Umdad de control del

motor

5 Válvula de realimenta

ción de gases de es·

cape (vál .... ula AGR)

6 Gases de escape

11 Numero de re .... olu·

Clones

rI llenado relativo de aire

26

Figura 1

1 Cilindro

2 Tubo oscilante

Individual

3 Depósito colector

4 Mariposa

Sistemas de control del llenado Sobrealimentación dinamica

Sobrealimentación dinámica

El par motor asequible es aproximadamente proporcional a la parte de gas fresco del llenado del cilindro. Por eso se puede aumentar el par motor máximo dentro de ciertos límites comprimiendo el aire antes de su entrada en el cilindro.

No sólo las fases de distribución, si no también el conducto de admisión y el de gases de escape influyen en los procesos de cambio de carga. Excitada por el trabajo de aspiración del pistón, la válvula de admisión que se abre provoca una onda de presión que corre hacia atrás. En el extremo ~ abierto del tubo de admisión la onda de presión da en el aire ambiente en reposo, es refl ejada allí y regresa de nuevo en di rección hacia la válvula de admisión. Las oscilaciones de presión que se originan de ese modo en la válvula de adm isión pueden aprovecharse para aumentar el llenado de gas fresco y alcanzar así un par motor lo más alto posible.

Este efecto de sobrealimentación se basa por tanto en el aprovechamiento de la dinámica del aire aspirado. Los efectos dinámicos en el tubo de admisión dependen de las condiciones geométricas en éste, pero también del número de revoluciones del motor.

Los tubos de adm isión para motores de carbura-dor y para instalaciones de inyección central nece-sitan , para la distribución uniforme de la mezcla de aire y combustible, tubos individuales cortos ya ser posible de igual longitud para cada cilindro. En el caso de las instalaciones de inyección individual, el combustible es inyectado en el tubo de admisión (inyección en el tubo de admisión) o directamente en la cámara de combustión (inyección directa de gasolina) a muy poca distancia delante de la válvula de admisión. En lo esencial los tubos de admisión transportan aquí sólo aire. Eso ofrece múltiples posibilidades en la conformación del tubo de adm isión , ya que prácticamente no puede depositarse combustible alguno en los tubos de admisión. Por eso en instalaciones de inyección indivi-

Sobrealimentación por tubo oscilante de admisión Los tubos de admisión para instalaciones de inyección individual se componen de los tubos oscilantes individuales y de un depósito colector (colector).

Con la sobrealimentación por tubo oscilante de adm isión (fi gura 1), cada cilindro tiene un tubo oscilante particular (2 ) de determinado largo, que está unido casi siempre a un depósito colector (3). En esos tubos oscilantes se pueden expandir las ondas de presión independientemente unas de otras.

El efecto de sobrealimentación depende de la geometría del tubo de admisión y del número de revoluciones del motor. La longitud y el diámetro de los tubos oscilantes individuales se ajustan de tal manera a las fases de distribución por válvulas, que en el margen de régimen deseado una onda de presión refl ectada en el extremo del tubo oscilante entra a través de la válvula de admisión del cilindro (1) abierta y así hace posible un llenado mejor. Tubos oscilantes largos y delgados producen un alto efecto de sobrealimentación en el margen de régi men inferior. Tubos osci lantes cortos y anchos repercuten favorablemente en el transcurso del par motor en el margen de régimen superior.

Principio de sobrealimentación por tubo oscilante de admisión .

3

dual no existe ningún problema con la distribu- 11

ción un iforme de combustible.

Sobrealimentación por resonancia A determ inado número de revoluciones del motor, las oscilaciones de los gases en el tubo de admisión entran en resonancia, excitadas por el movimiento periódico del pistón. Eso ocasiona un aumento adicional de la presión y un efecto adicional de sobrealimentación.

En los sistemas de tubos de admisión de resonancia (figura 2), los grupos de cilindros (1) que tienen iguales intervalos de encendido se unen med iante tubos de admisión cortos (2) a un depósi to de resonancia (3) pa ra cada grupo. Estos depósitos comun ican con la atmósfera o con un depósito colector (5) a través de tubos de admisión de resonancia (4) Y actúan como resonadores de Helmholtz. La separación en dos grupos de cili ndros con dos tubos de admisión de resonancia impide una solapadura de los fenómenos de nujo de dos cil indros vecinos en el orden de encendido.

El margen de régimen al que debe ser grande el efecto de sobrealimentación por la resonancia que se origina determina la longit ud de los tubos de ad misión de resonancia y el tamaño del depósito de resonancia. Los grandes volúmenes de los colectores necesarios en parte pueden, sin embargo, causar defectos dinámicos a causa de su efecto acumulador, al tener lugar rápidas modificaciones de carga.

Principio de sobrealimentación por resonancia.

,. ill ~

'i1 " ~--- A----~I IL-___ B ____ ~ => @

Sistemas de control del llenado Sobrealimentación dinámica

Geometria variable del tubo de admisión El llenado adicional por la sobrealimentación dimímica depende del punto de funcionamiento del 111 0 tOT. Los dos sistemas antes mencionados aumentan el llenado máximo obtenible (rendim iento volumétrico) ante todo en el margen de régimen inferior (fi gura 3).

Un transcurso casi ideal del par motor lo hace posible una geometría variable del tubo de ad misión (sistemas de admisión conmutables), con la que son posibles por ejemplo di ferentes variaciones media nte válvulas de mariposa en fu nción del punto de funcionamiento del motor: • Variación de la longi tud del tubo oscilante de

admisión, • conmutación entre diferentes longitudes de

tubo oscilante o di fe rentes diámetros de tubos oscilantes,

• desconexión opcional de un tubo individual por cilind ro en el caso de tubos oscilantes múlt iples y

, conmutación a distintos volúmenes de colector.

Para con mutar esos sistemas de adm isión sirven por ejemplo válvulas de mariposa accionadas eléctr ica o e1ectroneumáticamente.

I

l

Aumento del llenado de aire máximo (rendimiento volumétrico) por sobrealimentación dinámica.

1 ~ 8 '" ·C "E o"Q) 'i5 E <= =>

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1 4"

1 "2

1 4

Número de revoluciones del motor

27

Figura 2

I Cilindro

2 Tubo de admisión corto

3 DepóSito de

resonancia

4 TUM de admiSión de

resonanCia

5 DepóSito colector

6 Mariposa

A Grupo de ci lindros A

B Grupo de CIlindros B

Figura 3

1 Sistema con sobreali

mentación por

resonanCia

:2 Sistema con tubo de

admiSión normal

28

Figura 4

a Geomelria del tubo de

admisión estando

cerrada la válvula de

conmutación

b Geometría dellubo de

admiSión estando

abierta la válvula de

conmutación

Válvula de conmuta-

ción

2 Depósito coleclor

3 Tubo de admisión largo

y delgado estando

cerrada la valvula de

conmutación

4 Tubo de admisión corto

y ancho estando

abierta la valvula de

conmutación

Figura 5

1 Cilindros

2 Tubo oscilante

(tubo de admisión

corto)

3 Depósito de reso-

nancia

4 Tubo de admisión de

resonanCia

5 Depósito colector

6 Mariposa

7 Mariposa de conmuta-

ción

A Grupo de cilindros A

B Grupo de cilindros B

a Condiciones del tubo

de admisión estando

cerrada la válvula de

conmutaCión

b Condiciones dellubo

de admisión estando

abierta la válvula de

conmutación

Sistemas de control del llenado Sobrealimentación dinámica

Sistemas de tubo oscilante de ad misión En e! sistema de tubo de admisión representado en la fi gura 4 se puede conmutar entre dos tubos oscilantes dife rentes. En e! margen de régimen in fe rior, la válvula de mariposa de conmutación (1) está cerrada y e! ai re aspirado fluye por el tubo oscilante largo (3) hacia los cilindros. A altos números de revoluciones y estando abierta la válvula de

Sistema de tubo oscilante de admisión.

a 2 1

3

b 2 4 1

Sistema combinado de tubos de admisión oscilantes y de resonancia.

L---______ . ____ .. _ . ______ " ___ IJ

conmutación, el aire aspirado toma el camino por el tubo de admisión corto y ancho (4). De este modo es posible un mejor llenado de los cilindros a altos números de revoluciones.

Sistemas de tubo de admisión de resonancia Con la apertura de una válvula de resonancia se acopla adicionalmente un segundo tubo de resonancia. La geometría modificada de! tubo de resonancia in fluye en la frecuencia propia de! sistema de admisión. El mayor volumen eficaz al estar acopiado e! tubo de resonancia adicional mejora e! llenado en el margen de régimen inferior.

Sistema combinado de tubos de admisión oscilantes y de resonancia Existe una combinación de los sistemas de tubo de resonancia y de tubo oscilante cuando la válvula de conmutación abierta (figura 5, pos. 7) puede unir los dos depósitos de resonancia (3) fo rmando un solo volumen. Entonces se origina un colector de aire para los tubos oscilantes de admisión cortos (2) con una alta frecuen cia propia.

A números de revoluciones bajos y medios la válvula de conmutación está cerrada. El sistema actúa como sistema de adm isión de resonancia. La baja frecuencia propia está determinada por e! tubo de admisión de resonancia largo (4).

Sobrealimentación mecánica

Estructura y funcionamiento Es posible un llenado mayor de los cilindros y con él un aumen to del par motor mediante la aplicación de dispositivos de sobrealimentación. En el caso de la sobreali mentación mecánica un compresor es accionado directamente por el motor de combustión. Ex isten compresores de accionamiento mecánico del tipo de desplazamiento positivo con distintas formas de construcción (p.ej. compresor Roots, compresor de aletas, compresor espiral, compresor helicoidal), o de tipo dinámico (p.ej. el compresor radial). La figura I muestra el principio funcional de un compreso r helicoidal con las dos hélices que giran en sentido contrario. En general la velocidad de giro del motor y la del compresor están fijamente ligadas una con otra p.ej. mediante un accionamiento por correa.

Control de la presión de sobrealimentación La presión de sobrealimentación puede controlarse en el compresor mecánico mediante un conducto de derivación. Una parte del flujo de masa de aire comprimido llega a los cilindros y determina el llenado; la otra parte refluye por el conducto de derivación al iado de admisión. De la activación de la válvula de derivación se hace cargo el control del motor.

Principio de funcionamiento del compresor helicoidaL

t

Sistemas de control del llenado Sobrealimentación mecánica

Ventajas y desventajas Por su ligazón directa con el cigüeñal, el compresor mecánico se acelera sin demora cua ndo aumenta el número de revoluciones. En comparación con la tu rboal imentación por gases de escape, e ello resul ta un par motor más alto y un mejor comportamiento de respuesta en el fun cionamiento dinámico.

Pero COIllO la potencia necesaria para el accionamiento del compresor no puede estar a disposición como potencia efectiva del motor, se opone a esta ventaja - en comparación con la turboalimentación por gases de escape - un consumo algo mayor de combustible. Se mitiga esta desven taja si, a bajas cargas del motor, se puede desconectar el compresor mediante un acoplamiento conectado por el cont rol del motor.

. ··~04

.0/

29

Figura 1

1 Aire aspirado

2 Aire comprimido

30

Figura 1

1 Rueda de compresor

2 ArtxJl

3 Turbina de gases de

escape

4 Entrada del fluJo

masico de gases de

escape

5 Salida del aire

comprimido

Sistemas de control del llenado Turboahmenlación por gases de escape

Turboalimentación por gases de escape De los procedimientos conocidos para la sobrealimentación de motores de combustión, el de turboalimentación por gases de escape es el que halla la más amplia aplicación. La turboalimentación por gases de escape hace posible ya en motores de pequeña cilindrada altos pares motor y potencias, con buenos rend imientos del motor. ~

Si la turboalimentación por gases de escape hace pocos años se aplicaba ante todo para aumentar el peso por unidad de potencia, hoy día se utiliza en medida creciente para aumentar el par motor máximo a números de revoluciones bajos y medianos. Eso rige particularmente en unión con la regulación electrón ica de la presión de sobrealimentación.

Estructu ra y funcionamiento El turbosobreal imentador por gases de escape (figura 1) se compone, en sus elementos de construcción principales, de una turbina impulsada por los gases de escape (3) y de un compresor (1), cuyas ruedas están dispuestas sobre un árbol común (2).

La energía para accionar la turbina se toma en su mayor parte de los gases de escape. Se aprovecha la energía contenida en los gases de escape calien tes que se encuentran bajo presión. Po r otra parte, si n embargo, hay que gastar también energía para retener en mayor grado los gases de escape al aba ndonar el motor y obtener así la potencia de CO I11 -

presión necesaria.

Los gases de escape cal ientes (fi gura 2, pos. 7) soplan cont ra la turbina (4) en sentido radial y la someten a un rápido movimiento de giro. Los álabes de la rueda de la turbina orientados hacia adent ro dirigen los gases hacia el centro, del que salen luego de nuevo en sentido axia l.

TurbosobreaJimentador por gases de escape para automóvil de lunsmo (figura: Warner 3K, serie K14). -------1

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1 2 3 :> '" ~

Sistemas de control del llenado Turboalimentación por gases de escape

En el compresor (3), que gira conjuntamente con la turbina, las condiciones de! Aujo son inversas. El aire fresco (5) entra por el centro del compresor en sentido axial y es proyectado por los álabes en sentido radial hacia afuera, siendo a la vez comprimido.

El tu rbosobreal imentador por gases de escape está si tuado en un tramo caliente del sistema de escape.) Por eso ha de ser de materiales de alta resistencia al calor.

Tipos de turbosobrealimentadores por gases de escape Sobrealimentador Wastegate Los motores deben alcanzar un al to par ya a bajos números de revoluciones. Por eso la caja de la turbina se dimensiona para un pequeño caudalmásico de gases de escape, p.ej. plena carga a n $

2000 min- '. Con el fin de que con mayores caudales másicos de gases e! turbosobrealimentador no sobrecargue el motor, en este margen hay que evacuar UIl flujo parcial al sistema de escape a través de una válvula de derivación, el Wastegate (fi gura 2, pos. 8), haciéndolo pasa r delante de la turbina. Normalmente esta válvula de derivación, en fo rma de mariposa, está integrada en la caja de la turbina.

El Wastegate es accionado a través de la válvula reguladora de la presión de sobrealimentación (6). Esta válvula comunica neumáticamente a través de una tubería de mando (2) con la válvula rítmica (1), que es accionada en función de la presión de sobrealimentación por la unidad de control de! motor mediante una señal eléctrica e inAuye en esta presión. Un sensor de presión de sobrealimentación suministra la información sobre la presión de sobrealimentación actual.

Si la presión de sobrealimen tación es demasiado baja, se act iva la válvula rítm ica de manera que en la tubería de mando reine una reducida presión. La válvula reguladora de la presión de sobrealimentación cierra el Wastegate y una parte mayor de! caudal másico de gases acciona la turbina.

Si la presión de sobrealimentación es demasiado alta) se ac tiva la válvula rítmica de manera que en la tubería de mando reine una presión más alta. La válvula reguladora de la presión de sobrealimenta-

ción abre el Wastegate y se reduce la parte del caudalmásico de gases que pasa por la turbina.

Sobrealimentador vr G Las tu rbinas regu lables (VrG) ofrecen otra posibilidad de limitar e! Aujo másico de gases de escape a un alto número de revoluciones del motor (fi gura 3, página siguiente). En motores Diese! el sobreali mentador VrG constituye el estado actual de la técnica. En los motores de gasol ina todavía no ha podido imponerse, entre otras razones por el alto esfu erzo térm ico debido a los gases de escape muy calientes.

Mediante una variación de la geometría, los álabes regulables (3) adaptan la sección de flujo y con ella la presión de gas que actúa sobre la turbina a la presión de sobrealimentación requerida. A bajo número de revoluciones dejan libre una pequeña sección de flujo, de manera que el flujo másico de gases alcanza una al ta velocidad en la turbina y hace girar ésta a un alto número de revoluciones (figura 3a).

Estructura del turbosobrealimentador por gases de escape en el ejemplo del sobrealimentador Wastegate.

5

6

7

8 9 ~

¿, N M

'< " " <lI> -- .. -

,

31

Figura 2

1 Valvula ritmica

2 Tuberia de mando

neumática

3 Compresor

4 Turbina de gases de

escape

5 Flujo del aire de

admisión (aire fresco)

6 Válvula reguladora de

la presión de sobre·

alimentación

7 Comente de gases de

escape

8 Wastegate

9 Conducto de

derivación

...flJ1.I1.. Señal de activación

para vál .... ula ritmlca

\', FlUJO volumétrico a

través de la turbina

\ 'WG FlUJO .... olumétrico a

través del Wastegate

p, Presión de sobre·

alimentaCión

lb Presión en la

membrana

32

Figura 3

a POStClón de Jos álabes

para alta preSión de

sobrealimentación

b PosICión de los álabes

para baja presión de

sobrealimentaCión

Turbina de gases de

escape

2 Anillo de regulaCión

3 Alabes

4 Palanca de regulación

5 Cápsula de regulaCión

6 Comente de gases de

escape

... Alta velocidad de fluJo

~ Ba¡a velocidad de fluJo

Figura 4

a

b

2

3

4

5

6

Sólo un conducto de

fluJO está abierto

Ambos conductos de

fluJo están abiertos

Turbina de gases de

escape

1. conducto de fluJo

2. conducto de fluJo

Corredera de

regulación

Conducto de

derivaClon

Horquilla de regulaCión

Sistemas de control del llenado Turboalimentación por gases de escape

A alto número de revoluciones del motor los álabes deja n libre una gran sección de flujo que puede dar entrada al gran caudal de gases sin acelerar la turbina hasta altas velocidades (figura 3b). De este modo se lim ita la presión de sobrealimentación.

Por el movimiento de giro de un anillo de regulación (2) se produce una sencilla va riación del ángulo de los álabes. Con ella se ajustan los álabes al ángulo deseado, o bien directamente a través de palancas individuales de regulación fijadas a los álabes (4) o a través de levas de regulación. El giro del anillo de regulación se efectúa neumáticamente mediante depresión o sobrepresión, a través de una cápsula de regulación (5) . El control del motor activa este meca nismo de regulación. De este modo se puede ajustar óptimamente la presión de sobrealimentación en función del estado de funcionamiento del motor.

Geometría variable de la turbina del sobreallmentador VTG . ...!

a 1 2 3 4 5 ....

6

b

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Sobreal imentador VST En el sobrealimentador con turbina variable de corredera (VST) se adapta el "tamaiio de la turbina)) abriendo sucesivamente dos conductos de flujo (figu ra 4, pos. 2 y 3) con ayuda de una corredera de regulación (4).

Primero está ab ierto sólo el primer conducto de flujo. La pequeña sección de apertura ocasiona una alta velocidad de flujo de los gases de escape y con ella un alto número de revoluciones de la turbina (!). Al alca nzarse la presión de sobrealimentación ad misible, la corredera de regulación abre de modo continuo el segundo conducto de flujo, reduciéndose la velocidad de flujo de los gases y con ella la presión de sobrealimentación.

Con ayuda del conducto de derivación (5) integrado en la caja de la turbina también es posible conducir partes del flujo másico de gases por delan te de la turbina.

El ajuste de la corredera de regulación lo efectúa el control del motor mediante una cápsula neumática de presión.

Geometría de la turbina del sobrealimentador VST. I

a 2 3 4 5 6

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Sistemas de control del llenado Turboalimentación por gases de escape, enfriamiento del aire de sobrealimentación

Ventajas y desventajas de la turbosobrealimentación por gases de escape En comparación con un motor de aspi ración de igual potencia, el peso menor y el reducido espacio constructivo hablan en pro del turbomotor (" Downsizing"). A lo largo de! margen de régimen út il se evidencia un mejor transcurso del par motor (figura 5, curva 4 en comparación con la cu rva 3). De ello resulta a determinado número de revoluciones una mayor potencia (A ..... B).

La potencia exigida (B o C) en e! ejemplo de la figura 51a pone a disposición el motor de sobrealimentación ya a bajos números de revoluciones, por el transcurso más favora ble del par motor a plena ca rga. A carga parcial la mariposa ha de estar más abierta. Así, e! punto de trabajo se desplaza a un margen en el que las pérdidas por fr icción yestrangulación son menores (C ..... B). De ello resulta un menor consumo de combustible, si bien los motores sobrea li mentados presentan un rendimiento en el fo ndo algo peor, a causa de su menor compresión.

Como desventaja del turbosobrealimentador hay que citar el par motor menor a números de revoluciones muy bajos. En este margen la energía existente en los gases de escape no es suficiente para accionar la turbi na. En funcionamiento no estacionario el transcurso del par motor es también más desfavorable a números de revoluciones med ianos, en comparación con el motor de asp iración (curva 5). Eso se debe a que el flujo másico de gases se establece con retardo. Al acelerar partiendo de bajos números de revoluciones resulta por consiguien te el "vacío propio del turbosobrealimen tador".

El vacío propio del turbosobrealimen tador puede aminorarse aprovechando la sobrealimentación dinámica. Esta ayuda al comportamiento de aceleración del sobrealimentador. Otras variantes representan turbosobrealimentadores con electromotor adicional o con un compresor adicional accionado eléctr icamente. Estos aceleran la rueda del compresor o respectivamente el flujo másico de aire independientemente del flujo másico de gases de escape y evi tan el mencionado vacío del turbosobreal imentador.

Transcurso de la potencia y del par de un molor con lurbosobrealimentador por gases de escape, en comparación con un molar de aspiración.

Igual potencia a

jI Más bajo Qúmero de

revolllciones

4

¡ 1 , .

o:

114 112 314

Número de revoluciones ItllI l'I()m

del motor

Enfriamiento del aire de sobrealimentación

l

a. <Q ~ m

~

:1

El aire en el sobrealimentador se calienta durante su compresión. Como el aire ca liente tiene menor densidad que e! ai re frío, el calentamiento repercute desventajosa mente en e! llenado de los cilin dros. Un refrigerador del aire de sobrealimentación enfría de nuevo el aire comprimido y calentado. El enfriamiento del aire de sobrealimentación proporciona por eso un aumento adicional del llenado del cil indro y con él un aumento del par motor y de la potencia.

El descenso de la temperatura de! ai re de combustión ocasiona también temperaturas más bajas del llenado del cilindro en e! tiempo de compresión. De ello resultan otras ventajas: • menor tendencia a la detonació n, • mejor rendimiento térmico y por tanto menor

consumo de combustible, • menor carga térm ica de los pistones, así como • menor emisión de NO,.

33

Figura 5

1.3 Molor de aspiraCión

en serviCIO

estacionariO

2. 4 Molar sobrealimen·

tado en serVicio

estacionariO

5 Transcurso del par

motor del molar

sobrealimentado en

servicio no estaciona"

nn (dinámico)

34

Figura 1

1 Combustible

2 Aire

3 Mariposa

4 Tubo de admiSión

5 Válvulas de Inyección

6 Motor

Invección de gasolina en compend io Vista general

Inyección de gasol ina en compendio

Los sistemas de inyección o carburadores tienen la función de preparar una mezcla de aire y combustible adaptada lo mejor posible al respectivo estado de funcionamiento del motor.

Los sistemas de inyección, particularmente los electrónicos, son más adecuados que los carbura· dores para el cumplimiento de los estrechos lím ites preestablecidos respecto a la composición de la mezcla. De ello resultan ventajas en lo referente al consumo de combustible, comportamiento de marcha y potencia. Las exigencias de la legislación cada vez más estricta sobre gases de escape han dado lugar en el campo de aplicación del automóvil a que la inyección desplazara completamente al ca rburador.

En la actualidad se emplean aún predominantemente sistemas en los que la formación de la mezcla tiene lugar fu era de la cá mara de combustión (inyección en el tubo de admisión). Los sistemas con formación interna de la mezcla, o sea, de inyección directamente en la cámara de combustión (inyección directa de gasolina), ganan cada vez más en importancia por ser extraordi nariamente adecuados para reducir aún más el consumo de combustible.

Instalación de inyección individual.

4

Vista general

Formación externa de la mezcla Los sistemas de inyección de gasolina con formación externa de la mezcla se caracterizan por producirse la mezcla de aire y combustible fuera de la cámara de combustión, en el tubo de admisión. Han ido siendo continuamente desarrollados, para que correspondieran a las crecientes exigencias.

Hoy día sólo tienen importancia los sistemas de inyección individual de cont rol electrónico.

Instalaciones de inyección individual En las instalaciones de inyección individ ual está asignada a cada cilindro una válvula de inyección (inyección en múltiples puntos) que inyecta el combust ible di rectamente dela nte de la válvula de admisión del cilindro (figura 1). Las instalaciones de inyección individual reúnen los requisitos ideales para satisfacer las exigencias descritas que se plantean a un sistema de preparación de la mezcla.

Sistema de inyeccióf¡ I1ICCáflico

El sistema K-Jetronic trabaja sin accionamiento e inyecta el combustible de forma continua '). La masa de combustible inyectada no es determinada por la válvula de inyección, sino que es preestablecida por un distribuidor-dosificado r.

Sistema de inyección cO f1lbillado mecállico-electrómeo La KE-Jetronic tiene su fundamento en el sistema básico mecánico de la K-Jetronic.

Med iante un registro de datos de servicio ampliado, hace posible func iones adicionales controladas electrónicamente, para adaptar con más exactitud el caudal de inyección a los variables estados de servicio del motor.

1) contlnUUS (lal.): sin cesar, ininterrumpidamente

2) Inlermittere (la!.): haciendo pausas temporales

Sistemas de inyección electrónicos Los sistemas de inyección controlados electrónicamente inyectan el combustible intermitentemente') con válvulas de inyección de accionamiento electromagnético. La masa de combustible inyectada es determinada por el tiempo de apertura de la válvu la (conociéndose la caída de presión sobre la válvula ).

Ejemplos: L-jetronic, LH-jetronic y Motronic como sistema de gestión del motor integrado (MMotronic y ME-Motronic).

Inyección central En el sistema de inyección central hay dispuesta una válvula de inyección electromagnética en un pu nto central delante de la mari posa (inyección en un punto único, Single Point lnjection) e inyecta interm itentemente el combustible en el tubo de admisión (figura 2). Los sistemas de inyección central Bosch se denom inan Mono- jetronic y Mono-Motronic.

Sistema de inyección central.

4

r

" M w :g ~

" 6 " <ID I

Inyección de gasolina en compendio Vista general

Formación interna de la mezcla En los sistemas de inyección directa, el combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión mediante válvulas de inyección accionadas electromagnética mente. A cada cilindro hay asignada una válvula de inyección (fi gura 3). La formación de la mezcla tiene lugar dentro de la cámara de combustión.

La formación de la mezcla en la cámara de com-i bustión permite dos modos de fun cionamiento

totalmente diferentes: Al fun cionar con mezcla homogénea existe, igual que en la formación externa de la mezcla, una mezcla homogénea en toda la cámara de combustión; todo el ai re fresco disponible en la cámara de combustión toma parte en el proceso de combustión. Por eso este modo de funcionamiento se emplea cuando se exige un alto par motor. Al funcionar con carga estratificada, la mezcla ha de ser inflamable sólo en la zona alrededor de la bujía de encendido. En el resto de la cá-

-mara de combustión se halla sólo gas fresco y gas residual, sin combustible por quemar. Eso pro-duce, en ralentí ya ca rga parcial , una mezcla en total muy pobre y, por tanto, una reducción del consumo de combustible.

Para el control de los motores de inyección directa de gasolina se aplica el sistema MED- Motronic.

Sistema de inyección directa.

---

C] C; I I

--

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6 ---

3

4

C] I I ~ 5

¡:; iD

" ~ " " <ID

35

Figura 2

1 Combustible

2 Aire

3 Manposa

4 Tubo de admiSión

5 Válvula de Inyección

6 Motor

Figura 3

1 Combusllble

2 Aire

3 Mariposa

lEGAS)

4 Tubo de admisión


6 Motor

36 Alimentación de combustible Vista general

Alimentación de combustible

Las válvulas de inyección de un sistema de inyección de gasolina inyectan el combustible en el tubo de admisión (inyección en el tubo de admisión ) o directamente en la cámara de combustión (inyección directa de gasolina ). Para ello el combustible ha de ser impu.lsado con una presión definida hacia las válvulas de inyección.

Este capítulo describe los componentes que cuidan de la alimentación del combustible, del depósito de combustible hasta la válvula de inyección o, en la inyección directa, hasta la bomba de alta presión.

Vista general

Los siguientes componentes son los que esencialmente toman parte en la alimentación de combustible (fi gura 1): • Depósito de combustible (1), • e1ectrobomba de combustible (2), • filtro de combustible (3), • regulador de presión de combust ible (4) y • tuberías de combustible (6 y 7).

En el caso de la inyección en el tubo de admisión, el combustible impelido por la electrobomba Aure a través del dist ribuidor de combustible (5) a la válvula de inrección (8 ). En los motores de inrección directa de gasolina, el combustible impulsado al circu ito de alta presión llega a través de la bomba de alta presión.

La electrobomba de combustible en sistemas antiguos se encuentra fuera del depósito de combustible, en la tubería de combustible ("in line"). En los sistemas modernos está montada dentro del depósito ("in tank"). Puede estar integrada también junto con otros componentes (p.ej. filtro previo, sensor de nivel de llenado del depósito) en una unidad de montaje en el depósito.

La e1ectrobomba impele el combustible continuamente del depósito a través del fi ltro de combusti ble hacia el moto r. El regulador de presión del combustible cuida de que exista una presión definida en el circuito de combustible. La magnitud de la presión depende del sistema de inyección.

Para mantener la presión del combustible necesa ria en todas las condiciones de servicio, el caudal impelido por la electrobomba de combustible es mayor que el requerimiento de combustible del motor. El combustible excedente reAuye al depósito.

La electrobomba de combustible se pone en marcha inmediatamente cuando se acciona el interruptor de encendido y arranque, para asegura r la generación de presión al arrancar. Se para de nuevo después de un segundo aproxiada mente, si no se arranca el motor.

La presión que establece la elect robomba de combustible, impide en gran medida la fo rmación de burbujas de vapor en el combustible. Una válvula de retención integrada separa el sistema de combustible del depósito, impidiendo que el combusti ble renuya hacia el depósito. La válvula de reten ción mantiene la presión del sistema todavía algún tiem po después de desconectarse la electrobomba de combustible. Así se im pide la formación de burbujas de vapor en el sistema de combustible después de parar el motor, en caso de alca nzar el combustible altas temperatu ras.

Alimentación de combustible con inyección en el tubo de admisión Para la alimentación de combustible existen dos sistemas, que se diferencian en el modo del retorno de! combustible.

Sistemas de alimentación de combustible con retorno El combustible excedente que la válvula de inyección (figuras 1 y 2, página siguiente, pos. 8) no inyecta, reO uye a través de! regulador de presión (4a ) al depósito de combustible (1). El regulador de presión de combustible generalmente está adosado al distribuidor de combust ible (5).

Como referencia para la regulación de la presión del sistema sirve la presión reinante en el tubo de admisión. Por estar próximo el regulador de presión de combustible al tubo de admisión , es posible disponer aquí la conexión de referencia al tubo de admisión . Con esta presión de referencia

Alimentación de combustible Inyección en el tubo de admisión

se produce una diferencia constante entre la presión en e! sistema de combustible y la presión en el tubo de admisión. Eso ofrece la ven taja de que el ca udal de combustible inyectado sólo depende de la duración de inyección, siendo al mismo tiempo independiente de la presión en e! tubo de admi sión y, por tanto, del llenado del cilindro.

Versiones Para los sistemas de alimentación de combustible con retorno son posibles distintas versiones. La figura 2a muestra e! sistema estándar con distribu idor de combustible recorrido por e! Oujo. El regulador de presión de combustible, sin embargo, puede enco ntrarse también delante de él, no siendo recorrido el distribuidor por e! Oujo de combustible.

Presión del sistema En los sistemas con retorno actualmente em pleados, la presión es de aproximadamente 0,3 M Pa (3 bares).

Alimentación de combustible para un motor de inyección en el lubo de admisión (ejemplo con retomo).

Figura 1

DepoSito de

combustible

37

2 Eleclrobomba de

combustible (integrada

aqui en la Unidad de

montaje en el depOSito)

3 Filtro de combustible

4 Regulador de presión

de combustible

5 DistribUidor de

~ combustible

1 2

6 Tubena de combustible

7 Tubena de relorno de

combustible

8 Valvula de Inyección

38

Figura 2 , Con rctorno

b Sin retorno

Deposito de

combUS1!ble

2 Electrobomba de

combustible

3 Filtro de combustible 4, Regulador de preSIón

de combustible (pre-

Slon del tubo de adm,"

slón como relerencla)

4b Regulador de presión

de combustible (pre-

sión ambiente como re-

ferencia)

5 DistribUidor de

combustible

6 Tuberla de combustible

7 Tubcria de retorno de

combustible

8 Valvulas de inyecCIÓn

Alimentación de combustible Inyección en el tubo de admisión

Sistemas de alimentación de combustible para inyección en el lubo de admisión (ejemplos).

a

Sistema de alimentación de combustible exento de retorno Normalmente, en el sistema de alimentación de combustible exento de retorno, el regulador de presión de combustible (figura 2b, pos. 4b) está dispuesto en el depósito de combust ible o cerca de él. También puede estar integrado en la unidad de montaje en el depósito. De este modo en estos sistemas se puede suprimir la tubería de retorno del distribu idor de combustible al depósito. El caudal excesivo impel ido por la electrobomba de combustible es conducido a través de una tubería de retorno corta, del regulador de presión directamente al depósito de combustible. Al distribuidor de combustible es impelido sólo el caudal de combustible proyectado por las válvulas de inyección.

Además del ahorro de costes, la renuncia a la tubería de retorno ofrece también la ven taja de que al depósito no refluye combustible calentado en el compartimiento del motor, haciendo subir allí la temperatura del combustible. Esto proporciona una reducción de las emisiones de hidrógeno carbonado en el depósito de combustible y por tanto una descarga del sistema de retención de vapores de combustible.

b

6

1

Ve rsiones Para los sistemas exentos de retorno son posibles di ferentes versiones: • filtro de combustible y regulador de presión

fuera del depósi to de combustible, • filtro de combustible fuera del depósito, regula

dor de presión dentro del depósito, • fi ltro de combustible y regulador de presión

integrados en la unidad de montaje en el depósito (módulo de alimentación ).

Presión del sistema Prác tica mente no es posible disponer de una conexión de referencia al tubo de admisión en el regulador de presión de combustible, a ca usa de la distancia a que se encuentra el tubo de admisión. Por eso el regulador de presión de combustible regula la presión del sistema manteniéndola a una diferencia constante respecto a la presión ambiente. El caudal de inyección depende por consiguiente de la presión en el tubo de admisión. Eso se tiene presente en el cálculo de la duración de inyección.

La presión en los sistemas exentos de retorno es de aproximadamente 0,35 ... 0,4 MPa (3,5 ... 4 bares).

Alimentación de combustible Circuito de baja presión de la inyección directa de gasolina

Circuito de baja presión de la inyección directa de gasolina

El sistema de alimentación de combustible de la inyección di recta de gasolina se puede subdividir en • circuito de baja presión y • circuito de alta presión.

El circuito de al ta presión está descrito en el capítulo "Inyección directa de gasolina".

El circuito de baja presión puede estar proyectado de muy disti nta manera en esas instalaciones de inyección, según los requerim ientos del fabricante del vehículo. Como en la inyección en el tubo de adm isión) también aquí existen variantes: • con retorno del combustible y • sin retorno del combustible.

Ejemplo de una instalación La fi gura 1 muestra un sistema de combustible con retorno y conmu tación de presión previa . La presión en el circuito de baja presión (presión previa) puede aj ustarse aquí a dos valores.

Presión previa elevada En caso de tener el combustible una alta temperatura, al arrancar y durante el subsiguiente funcionamiento en ralentí (ralentí caliente) hay que tomar medidas para impedir la formación de burbujas de vapor en la bomba de alta presión (7). El aumento de la presión previa constituye un medio adecuado. La vá lvula de bloqueo (3) permanece para ello cerrada, actuando así la válvula limi tadora de presión integrada en la electrobomba de combustible (2) y ajustando la presión previa por breve tiempo al valor de 0,5 MPa (5 ba res) .

La válvula limitadora de presión en este lugar no sólo protege los componentes contra sobrepresión, sino que se hace cargo también de una fu nción reguladora de la presión.

Presión previa baja Después de 30 .. . 60 segundos ha sido barr ida la bomba de alta presión y está enfriada has ta el punto de que no existe ya el peligro de que se formen burbujas de vapor. La válvula de bloqueo se abre y el regulador de presión (4) se hace cargo de la tarea de regular la presión. Ajusta la presión previa a 0,3 MPa (3 bares).

El regulador de presión se encuentra aquí en el compartimiento del motor; en este ejemplo se trata, pues, de un sistema de combustible con retorno.

Alimentación de combustible de la inyección directa de gasolina (ejemplo con relorno de combustible y conmutación de presión previa).

7

9

5 3

6

11

> i': ~ => <11> ------- ~

39

Figura 1

OrCUllo de baja presión con:

1 Depósito de

combustible

2 Electrobomba de com

bustible con válvula li

mltadora de presión y

filtro de combustible in

tegrados

3 Válvula de cierre


5 Tubería de combuSllble

6 Tuberia de retorno de

combustible

CirCUito de alta presión con:

7 Bomba de alta presión

8 Rall

9 Válvulas de inyección

de alta presión

10 Válvula de control de la

presión

11 Sensor de presión de

combustible

40

1 Filtro de combushble

2 Electrobomba de

combustible

3 Eyector (regulada)


de combustible

5 Sensor de nivel de

llenado del depósito

6 Filtro prevIo

Alimentación de combustible Integración en el vehlculo : unidad de montaje en el depósito

Integración en el vehlculo unrdad de montSje en el depósllo

Mientras que en los comienzos de la inyección elec

trónica de gasolina la electrobomba de combustible

estaba dispuesta exclusivamente "in line" en la tube

ría de combustible fuera del depósito, hoy en dia

predomina el montaje de la electrobomba de com

bustible en el depósito ("in tank"j. Aqui es parte inte

grante de una ' unidad de montaje en el depósito",

llamada también módulo de alimentación. Esta uni

dad contiene un número creciente de otros elemen

tos:

• un filtro previo,

• un sensor de nivel de llenado del depósIto,

• conexiones eléctricas e hidráulicas, así como

• un recipiente como reserva de combustible para

la marcha por curvas.

Unidad de montaje en el depósito: solución completa para un sistema de combustible exento de retomo.

Este recipiente está lleno generalmente -de modo

act ivo" por un eyector O una etapa previa separada

de la electrobomba de combustible.

En los sistemas de combustible exentos de re

torno a menudo también está Integrado el regulador

de presión de combustible, que cUIda del retorno

dentro de la unidad de montaje en el depósito. El

fil tro fino de combustible en el lado de presión

puede estar asimismo desplazado a la unidad de

montaje en el depósito.

En el futuro se integrarán otras funciones en el mó

dulo de al imentación, por ejemplo dispositivos de

diagnosis para fugas del depósito o el módulo de

cadencia para el mando de la electrobomba de com

bustible.

~ ~ M ~

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" ~ @

Alimentación de combustible Sistema de retención de vapores de combustible

Sistema de retención de vapores de combustible Para cumplir con los va lores límite legales para la emisión de vapores de hidrocarburos, los vehículos están equipados con un sistema de retención de vapores de combustible. Este sistema impide que el combustible que se evapora del depósito llegue al medio ambiente.

Formación de vapores de combustible Hay que co ntar con una evaporación incrementada del combustible que se encuentra en el depósito • cuando se cal ienta el combustible en e! depó

sito, sea a causa de una alta temperatura ambiente, sea por e! retorno de combustible calentado en el compartimiento de! motor que no es requerido para la combustión, así como

• en caso de una disminución de la presión ambiente, por ejemplo al viaja r monte arriba.

Estructura y funcionamiento El sistema de re tención de vapores de combustible (fi gura 1) se compone de un depósito de ca rbón activo (3) en e! que desemboca la tubería de ventilación (2) procedente del depósito de combustible (1), así como de una válvula regeneradora (5) que comunica tanto con e! depósito de carbón activo como con el tubo de admisión (8).

El carbón activo absorbe el combustible contenido en el vapor y sólo deja salir aire a la atmósfe ra. Cuando la válvula regeneradora deja abierta la tubería (6) entre el depósito de carbón activo y el tubo de admisión, a causa del vacío reina nte en éste se aspira ai re fresco (4) a través del ca rbón activo. El aire fresco toma de nuevo el combustible absorbido y lo conduce a la combustión (regeneración del depósito de carbón activo). El cont rol del sistema reduce el caudal de combustible inyectado en la ca ntidad de combustible aportada a través de la válvula regeneradora. La regeneración se efectúa de modo regulado, para lo cual se ca\cula con tinuamente la concentración de combustible en el Aujo de gas de regeneración, observando las variaciones del coefi ciente de aire'\ ocasionadas por ello.

El caudal de regeneración se controla en función de puntos de trabajo y puede ser dosificado finamente con la válvula regeneradora. A fin de que e! depósito de ca rbón act ivo esté en condiciones de absorber los nuevos vapores formados por el combustible, la regeneración ha de tener lugar periódicamente.

Particularidades con inyección directa de gasolina Con sistemas de inyección directa de gasolina, la regeneración del depósito de carbón activo está limitada en funcionam ien to con carga estrati fi cada a causa de la reducida depresión reinante en el tubo de admisión (debida a la casi inexistencia de estrangulación), así como por no ser completa la combustión del gas de regeneración homogéneamente distribuido. Eso tiene por consecuencia un Aujo de gas de regeneración dismi nuido, en comparación con el del funcionamiento con mezcla homogénea. Si este Aujo no es suficiente, por ejemplo en caso de una alta evaporación del combustible, hay que marchar en el funcio namiento con mezcla homogénea el tiempo necesario hasta que haya descendido de nuevo la concentración de combustible, de momento alta, en e! Aujo de gas de regeneración.

Sistema de retención de vapores de combustible.

1

Figura 1

DepÓSito de

combustible

41

2 Tubena de ventilación

del depóSito de

combustible

3 DepoSito de carbón

activo

4 Aire fresco

5 Vátvula regeneradora

6 Tubena haCia ellubo

de admlSlon

7 Mariposa

B Tubo de admlslon

42

Figura 1

1 Conexión eléctrica

2 Empalme hidráulico

(salida de combustible)

3 Válvula de relenClón

4 Escobillas de carbón

5 InduCido del motor con

Iman permanente

6 Rodete de la

bomba hidrodinámica

7 Empalme hidráulico

(afluencia de combusll·

blel

Alimentación de combustible Electrobomba de combustible

Electrobomba de combustible

Función La e1ectrobomba de com bustible ha de suministrar al motor combustible suficiente con la presión necesaria para la inyección, en todos los estados de funcionamiento. Las exigencias esenciales son: • caudal de ali mentación entre 60 y 200 l/h a la

tensión nominal, • presión en el sistema de combust ible entre 300)'

450 kPa (3 ... 4,5 bares), • generación de la presión del sistema a partir del

50 hasta el 60 % de la tensión nominal, siendo determinante al respecto el func ionamiento du rante el arranque en frío.

La e1ectrobo mba de combustible sirve además en med ida creciente como bomba previa de alimentación para modernos sistemas de inyección di recta, tanto para motores de gasolina como Diesel.

Para sistemas de inyección directa de gasolina, en caso de estar caliente el combustible de al imentación deben ponerse a disposición, por lo menos temporalmente, presiones de hasta 700 kPa.

Estructu ra de la eleclrobomba de combustible en el ejemplo de una bomba hidrodinámica.

1 2

3

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A

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Estructura La electrobomba de combustible se compone de: • tapa de conexión (figura 1, A), en la que dado el

caso pueden estar integrados también elementos antiparasitarios,

• electromotor (B) y • elemento de bomba (C), en la versión de bomba

de desplazamiento o bomba hidrodinámica (descripción en el apartado "Tipos de construcción").

Tipos de construcción Bombas de desplazamiento En una bomba de desplazamiento se aspira combustible, se comprime por la rotación del elemento de la bomba en una cámara cerrada y se transporta aliado de alta presión. Como electrobomba de com bustible se emplean la bomba celular de rodillos y la bomba de rueda dentada interior (figuras 2a, 2b). Las bombas de desplazamiento son ventajosas para altas presiones del sistema (400 kPa o más) y tienen un buen comportamiento a baja tensión, es deci r, una curva característica de caudal relativamente "plana" en función de la tensión de servicio. El rendimiento puede ser de hasta un 25 %.

Según ejecución de detalles y situación de montaje, las inevitables pulsaciones de la presión pue· den causa r ruidos. Otra desventaja que se presenta en ocasiones puede ser la disminución del caudal en caso de estar calien te la gasolina) por suministrarse burbujas de gas en luga r de gasolina. Por eso las bombas de desplazam iento usuales tienen integradas etapas previas periféricas adicionales para la desgasificación .

Mientras que para la clásica función de la electrobomba en los sistemas electrónicos de inyección de gasolina la bomba de desplazamiento ha sido sustituida en gran parte por la bomba hid rodinámica, se abre para la bomba de desplazamiento un nuevo campo de aplicación en la prealimentación para sistemas de inyección directa con su demanda de presión considerablemente acrecentada.

Bombas hid rodinámicas Un rodete provisto de numerosas aletas (figura 2c, pos. 6) en su periferia gira dentro de una cámara compuesta de dos pa rtes inmóviles del cuerpo. Estas partes del cuerpo presenta n en la zona de las aletas del rodete cada una un canal (7). Los canales comienza n a la altura de la abertu ra de aspiración (A) y terminan allí donde el combustible abandona el elemento de bomba con presión del sistema (B). El "interruptor" (8) entre el comienzo y el fin al del canal impide una fuga interna.

Para mejorar las propiedades de al imentación al estar cal iente el combustible) a cierta distancia angular de la abertura de aspiración se encuentra un pequeño orificio de desgasificación que hace posible la salida de event uales burbujas de gas, habiendo que aceptar una fuga mínima (no es necesario en la bomba pa ra Diesel).

La presión se genera a lo largo del canal por el intercambio de impulsos entre las aletas del rodete y las partículas de líquido. El resultado es una rotación espiral del volumen de líquido que se encuentra en el rodete y en los canales. En la bomba periférica (figura 2c), el canal circunda las aletas del rodete en toda su peri fe ri a. En la bomba de canales laterales los dos canales se encuentran a ambos lados del rodete, lateralmente junto a las aletas.

Las bombas hid rodinámicas son silenciosas, ya que la generación de presión se efectúa de modo continuado y casi sin pulsaciones. El rendimiento se encuentra elllre un 10 y aprox. un 20%. Su diseño sin embargo es claramente simplificado, comparado con el de las bombas de desplazamiento.

Se pueden alcanzar presiones del sistema de hasta 450 kPa ta mbién con bombas de una sola etapa. Con bombas hidrodinám icas son también posibles presiones del sistema más altas en períodos de fun cionamiento breves) como en el futuro serán necesarias por breve tiempo para motores altamente sobreal imentados así como para motores de inyección di recta de gasolina.

Alimentación de combustible Electrobomba de combustible

Principios funcionales de la eleclrobomba de combustible.

a 1 2

~ f-

A ~

A

B -b 3 4

A

B

e 8 5 6 7 7 57 6

B

~

'" ~ ~ ~ o ~

" => di>

Por razones de coste y a causa de las ventajas en la producción de ruido, los sistemas de combustible de los automóviles de nuevo diseño con motor de gasol ina poseen casi exclusivamente bombas hi drodinámicas.

43

Figura 2

a Bomba celular de

rodillos

b Bomba de rueda

dentada interior

e Bomba periférica

A Abertura de aspiración

B Salida

DISCO de ranuras

(excéntrico)

2 Rodillo

3 Rueda Interior de

aCCionamiento

4 Rotor (excéntriCO)

5 Rodete

6 Aletas del rodete

7 Canal (periferlco)

8 "Interruptor

44

Figura 1

1 Tapa

2 Cuerpo

3 Elemento filtrante

4 Placa de apoyo

Alimentación de combustible Filtro de combustible

Filtro de combustible

Los sistemas de inyección en vehículos con motor de gasolina trabajan con máxima precisión. Para no causar dailo a las piezas de precisión, estos sistemas requieren una depuración eficaz del combust ible. Unos filtros en el circuito de combustible retienen las partículas que ocasionan el desgaste. Pueden estar ejecutados como filtros cambiables in line o como filtros "de larga vida útil" integrados en el depósito de combustible (in tank). En la sepa ración de suciedad en forma de partículas sólidas toman parte también, además del efecto de tamiz, efectos de impacto, difusión y bloqueo. La calidad de separación de esos diversos efectos depende del tamaño y de la velocidad de paso de las

Vista en corte de un filtro de combustible.

t

1 -~=

2-~

3 - -!!==:

4 -~=

L_._ ---- ----------- -- - --

partículas. El medio filtrante está ajustado a ello.

Como medio filtrante se han im puesto papeles plegados, en parte con impregnaciones especiales (figura 1, pos. 3). Están integrados en el circui to de combustible de manera que cada parte superficial del medio fi ltrante sea atravesada a ser posible con igual velocidad de Aujo del combustible.

Para sistemas de inyección en el tubo de admisión, el elemento filtrante tiene un diámetro de poro medio de 10 ~m. Para la inyección directa de gasolina se requiere una filtración mucho más fina. Partículas de un tamaño de más de 5 ~m han de separarse hasta el 85 %.

Además de ello, para la inyección directa de gasol ina la exigencia referente a la suciedad residual del filtro en estado nuevo es un punto importante: no son admisibles part ículas metálicas, minerales ni de plástico así como tampoco fibras de vidrio de un tamaño de más de 200 ~m.

La duración (kilometraje ga rantizado) de filtros convencionales in line varía, según el vo lumen del filtro, entre 60000 km y 90 000 km. Para fi ltros in tank se garantizan 160000km. Para sistemas de inyecció n directa de gasolina existen filtros (in tank e in line) cuya duración es mayor de 250000 km.

Los cuerpos de los filtros (2) son a opción de acero, aluminio o plástico (completamente exento de metal). Las hay con racor roscado, con tubuladura para tubo Aexible o con acoplamiento rápido.

El efecto filtrante depende de la dirección de Aujo. Por eso, al cambiar filtros in line hay que observar sin falta la dirección de Aujo indicada con una Aecha sobre el cuerpo.

Alimentación de combustible Distribuidor, regulador de presión del combustible

Distribuidor de combustible

Inyección en el tubo de admisión El distribuidor de combustible (Fuel Rail ) cumple las siguientes funciones: • Alojamiento y fijación de las válvulas de inyec

ción) • acu mular un volumen de combustible y • asegurar una distribución igual entre todas las

válvulas de inyección.

Además de las válvulas de inyección, generalmente está fijado al distribuidor también el regulador de presión de co mbustible y en algunos casos un amortiguador de presión. La coordinación apropiada de las dimensiones del distribuidor impide variaciones locales de la presión del combustible a causa de resonancias al abri rse y cerrarse las válvulas de inyección. Se evitan así irregularidades de los caudales de inyección dependien tes de la carga y del número de revoluciones.

En función de las exigencias de los diferentes modelos de vehiculos, el distribuidor de combustible es de acero fi no O de plástico. Para fines de comprobación y para elimi nar la presión al efectuar trabajos de servicio, puede haber integrada una válvula de diagnosis.

Inyección directa de gasolina El distribuidor de combustible (rail) de un sistema de inyección directa de gasolina está dispuesto detrás de la bomba de alta presión. Por eso el rai l es parte integrante del sector de alta presión.

Regulador de presión del combustible

Inyección en el tubo de admisión El caudal de combustible inyectado por la válvula depende del tiempo de inyección y de la diferencia entre la presión del combustible en el distribuidor de combustible y la contra presión en el tubo de admisión . La influencia de la presión en sistemas con retorno se com pensa manten iendo constante un regulador de presión la diferencia entre presión del combustible y presión en el tubo de admisión. Este regulador de presión deja reflui r al depósito exactamente la can tidad de combustible precisa

Regulador de presión de combustible DR2.

1----1

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4

7

para que permanezca constante la diferencia de presión en las válvulas de inyección. Para el barrido completo del dis tribu idor de combustible, el regulador de presión normalmente está montado en su extremo.

El regulador de presión en sistemas exentos de retorno se encuentra en la unidad de montaje den tro del depósito de combustible. La presión del combustible en el distribuidor es regulada a un valor constante fre nte a la presión ambiente. La diferencia de presión respecto a la presión en el tubo de admisión no es por tanto constante y se tiene en cuenta al calcular la duración de la inyección .

El regulador de presión de combustible está confi gurado como regulador de rebose mandado por membrana (figura 1). Una membrana de tejido de goma (4) divide el regulador de presión en una cámara de combustible y una cámara de resorte. A través de un portaválvula (3) integrado en la membrana, el resorte (2) empuja una placa de válvula móvil contra un asiento de válvula. Cuando la fuerza ejercida por la presión del combustible sobre la membrana es superior a la fuerza de resorte, se abre la válvula y deja pasa r hacia el depósito justamente la ca ntidad de combustible necesaria para que se establezca un equilibrio de fuerzas en la membrana. En los sistemas de inyección individual la cá mara de resorte comunica neumáticamente con el colec-

Figura 1

Empalme al tubo de

admlslon

2 Resorte

3 Portaválvula

4 Membrana

5 Válvula

6 Entrada del

combusllble

7 Retomo del

combustible

45

46 Alimentación de combustible Amortiguador de presión, depósito, tuberias de combustible

tor de admisión detrás de la mariposa. La depresión del colector de adm isión actúa por ello también en la cámara de resorte. De esta forma , en la membrana existe la misma relación de presión que en las válvulas de inyección. Por eso la diferencia de presión en las válvulas de inyección depende únicamente de la fu erza de! resorte y de la superficie de la membrana, manteniéndose por consiguiente constante.

Inyección directa de gasolina En sistemas de inyección directa de gasolina hay que regular la presión tanto en el circui to de alta presión como en el de baja presión. Para la regulación en el circuito de baja presión se emplean los mismos reguladores de presión de combustible que en la inyección en e! tubo de admisión.

Amortiguador de presión de combustible La activación a intervalos de las válvulas de inyección y la impulsión periódica de combustible en las e!ectrobombas de combustible según el pri ncipio de desplazamiento, ocasionan oscilaciones en la presión de combustible. Estas oscilaciones pueden causar resonancias de presión, perturbando la exactitud de dosificación del combustible. En ciertas circunsta ncias, las oscilaciones pueden transmitirse al depósito de combustible y a la carrocería del vehículo a través de los elementos de fijació n de la e1ectrobomba de combustible, de las tuberías yel distribuidor de combustible, ocasionando ruidos.

Estos problemas se evitan med iante una adecuada configuración de los elementos de fi jación y el empleo de amortiguadores especiales de presión de combustible.

El amortiguador de presión de combustible presenta una estructura similar a la del regulador de presión de combustible. Como en éste, una membrana sometida a la fuerza de un resorte separa las cámaras de combustible y de aire. La fuerza del resorte está dimensionada de manera que la membrana se levanta de su asiento en cuanto la presión del combustible alcanza su campo de trabajo. La cámara de combustible variable de esta forma puede aceptar combustible al producirse puntas de

presión y entregarlo de nuevo al disminuir la presión. Para trabajar siempre en el margen de funcionamiento más favorab le en caso de fluctuar la presión absoluta del combustible debido al tubo de admisión, la cá mara de resorte puede estar provis ta de una conexión al tubo de admisión.

Como el regulador de presión de combustible, e! amortiguador de presión puede estar instalado en el distribuidor de combustible o en la tubería de combustible. En la inyección di rec ta de gasolina se ofrece como lugar adicional de montaje la bomba de alta presión.

Depósito de combustible

El depósito almacena el combustible. Tiene que ser resistente a la corrosión y estanco a una doble sobrepresión de servicio, o al menos a un mínimo de 0,03 MPa (0,3 bares) de sobrepresión. La sobrepresión que se produzca ha de poder evadirse por sí misma a través de aberturas adecuadas o válvulas de seguridad. En las curvas, en posición inclinada O en caso de choque no debe salir combust ible alguno por la boca de llenado o los disposi tivos de compensación de la presión. El depósito de combustible tiene que estar lo sufici entemente apartado de! motor para que, en caso de accidentes, se evi te la inflamación del combustible.

Tuberías de combustible

Las tuberías conducen e! combustible del depósito al sistema de inyección. Se pueden montar tubos metálicos flexibl es sin juntas o tubos flexibles resistentes al combustible de materiales difícilmente inflamables. Tienen que estar dispuestos de manera que se impidan daiios de orden mecánico y en caso de un defecto no se pueda acum ular ni inflamar el combustible que gotee o se evapore. Todas las piezas que conduzcan com busti ble han de estar protegidas contra calor que perturbe el servicio. La alimentación de combustible no debe tener lugar por gravedad.

Alimentación de combustible

Desarrollo de los sistemas de alimentación de combustible (ejemplos).

a K·/KE ·Jetronic

b

con electrobomba de combustible para montaje en tuberfa.

L · Jetronic/Motronic con electrobomba de combustible para montaje en tubería_

e L·Jetronic/Motronic con electrobomba de combustible para montaje en el depósito.

6

TI

Sistemas de alimentación de combustible

S

2

4

S 3

2

4

TI

d Mono-Jetronic S 6 con electro bomba de combustible para montaje en el depósito.

'9 ~ o ro

" ~ '" ~ =>

47

Figura 1

1 Depósllo de

combustible

2 Electrobomba de

combustible

3 Fillro de combuSllble

4 DislribUldor de

combustible

4. Distribuidor-dOSificador

de combustible

(K- /KE'Jetronic)

5 Válvula de inyección


7 Acumulador de

combustible

(K-/KE-Jetronic)

48

Figura 1

1 Cilindro con plston

2 Válvulas de escape

3 Bobina y bUjla de

encendido

4 Válvulas de admiSión

5 Valvula de Inyección

6 Tubo de admlsion

Inyección en el tubo de admisión Vista general

Inyección en el tubo de admisión

Los motores de gasolina de inyección en el tubo de admisión forman la mezcla de aire y combustible fuera de la cámara de combustión, en el tubo de admisión. Estos motores y sus sistemas de control se han ido perfeccionando cada vez más en el transcurso del tiempo. Por su mejor dosificación del combustible, han sustituido por completo al motor de carburador, que trabaja también con formación externa de la mezcla.

Vista general

A automóviles que corresponden al último estado de la técnica se les imponen altas exigencias respecto a la suavidad de marcha y al comportamiento en la emisión de gases de escape. De ello resultan altos requerimien tos en la composició n de la mezcla de aire y combustible. Además de la exacta dosificación de la masa de combustible inyectada en conformidad con el aire aspirado por el motor, es también importante que la inyección se efectúe en el momen to exacto.

Inyección en el tubo de admisión.

A causa de la constante evolución de la legislación sobre gases de escape, estos requerimientos se han ido elevando cada vez más. En consecuencia los sistemas de inyección se han ido desa rro llando sin cesa r. El nivel ac tual alcanzado por la técnica en la inyección en el tubo de adm isión lo muestra el sistema de inyección individual controlado electrónicamente, en el que el combustible se inyecta individualmente para cada cilindro de modo intermitente (es decir, cesando y prosiguiendo a intervalos) directamente delante de las válvulas de adm isión .

No tienen ya ninguna importancia para nuevos desarrollos los sistemas mecánicos de inyección individual continua ni los sistemas de inyección central , que también inyectan el combustible de modo intermitente pero sólo a través de una sola válvula de inyección , delante de la mariposa en el tubo de adm isión.

j

Funcionamiento

Los sistemas de inyección de gasol ina en el tubo de adm isión se caracterizan por producirse la mezcla de aire y combustible fu era de la cáma ra de combustión, o sea, en el tubo de admisión (figura 1). La válvula de inyección (5) inyecta el combustible delante de la válvula de admisión (4). En la subsiguiente carrera de aspiración, la mezcla de aire y combustible formada fluye por la válvula de admisión abierta al cil indro (1 ). Por cilindro puede haber también dos o incluso tres válvulas de admisión.

Las válvulas de inyección se han seleccionado de manera que se cubra a todo trance - también a plena carga y a alto número de revoluciones - la demanda de co mbustible del motor.

Formación de la mezcla Inyección del combustible La electrobomba de combustible impele éste hacia las válvulas de inyección. All í está aplicado el combustible con la presión del sistema. En los sistemas de inyección individual hay asignada a cada cilindro una válvula de inyección. Las válvulas inyectan el combustible intermitentemente en el tubo de admisión (6) delante de la válvula de admisión. Allí el combustible finamente pulverizado se convierte en su mayor parte en vapor y forma la mezcla de aire y combustible con el aire que afluye a través de la mariposa. A fi n de que exista tiempo suficiente para la formación de esta mezcla, resulta ventajoso que el combustible sea inyectado delante de la válvula de admisión cerrada y sea por tanto "situado con anticipación",

Una parte del combustible se deposita en la zona de las válvulas de admisión como película en la pared. El grosor de la película en la pared depende de la presión reinante en el tubo de admisión y, por tanto, del estado de carga del motor. Para un buen comportamiento dinámico del motor, la masa de combustible acumulada en la

Inyección en el tubo de admisión Funcionamiento

película de la pared debe mantenerse lo más reducida posible. Eso se consigue mediante una conformación del tubo de admisión y una geometría del chorro de combustible (geometría de pulverización) correspondientes. Como la válvula de inyección está situada directamente delante de la válvula de admisión, el efecto de la película en la pared es en los sistemas de inyección individual muchísimo más pequeño que en los anteriores motores de carburador y sistemas de inyección central.

Con una mezcla de aire y combustible estequiométrica (,\ = 1), el catalizador de tres vías puede desintegrar en gran medida los contaminantes originados durante la combustión. Por eso los motores de inyección en el tubo de adm isión se hacen fun cionar con esta composición de la mezcla en la mayoría de los puntos de servicio.

Medición de la masa de aire Con objeto de que se pueda ajustar exactamente la mezcla de aire y combustible, a la medición de la masa de aire que participa en la combustión le corresponde una gran importancia.

El medidor de masa de aire, situado delante de la mariposa, mide el flujo de masa de aire que entra en el tubo de admisión y transmite una señal eléctrica a la unidad de control del motor. Como alternativa existen también sistemas que con un sensor miden la presión del tubo de admisión ya base de ella calculan, en combinación con la posición de la mariposa yel número de revoluciones, la masa de aire aspirada. Partiendo de la masa de aire aspirada y del estado actual de funcionamiento del motor, la un idad de control determina la masa de combustible necesaria.

Tiempo de inyección El tiempo necesario para inyectar la masa de combustible calculada depende de la sección de apertura de la válvula de inyección y de la diferencia existente entre la presión en el tubo de admisión y la presión en el sistema de alimentación de combustible.

49

50 Inyección en el tubo de admisión Válvulas electromagnéticas de inyección

Válvulas electromagnéticas de inyección Función Estas válvulas de activación eléctrica inyectan en el tubo de admisión el combustible, que se encuentra bajo la presión del sistema. Permiten dosifica r un caudal de combustible exactamente adaptado a la necesidad del motor. Se activan a través de etapas fi nales in tegradas en la unidad de control del motor, con la señal calculada por la gestión del motor.

Estructura y funcionamiento Las válvulas electromagnéticas de inyección (figura 1) se componen en lo esencial • del cuerpo de válvula (9) con conexión eléctrica

(8) e hidráulica (1), • de la bobina del electroimán (4), • de la aguja móvil de válvula (6) con armadura

del electroimán y bola de obturación, • del asiento de válvula (10) con el disco con ori

fi cio pulverizador (7), y del • muelle (5).

Para garantizar un funcionamiento sin anomalías) la válvula de inyección es de acero resistente a la corrosión en la zona en que conduce combustible. Un tamiz (3) en la entrada del combustible protege la válvula de inyección contra ensuciamiento.

Conex iones En las válvulas de inyección empleadas actualmente, la entrada de combustible transcurre en sentido axial a la válvula de inyección, de arriba hacia abajo (Top feed ). La tubería de combustible está fi jada a la conexión hidráulica mediante un disposit ivo de sujeción y apriete. Unas pinzas de retención proporcionan una fijación segura. El ani llo obturador (junta toroidal) en la conexión hidráulica (2 ) estanqueíza la válvula de inyección frente al distribuidor de combustible.

La conexión eléctrica de la válvula de inyección está unida con la unidad de control del motor.

Funcionamiento de la válvula Cuando la bobina está sin corriente, el muelle y la fuerza resultante de la presión del combustible aprietan la aguja de la válvula con la bola de obturación contra el asiento de válvula cónico. Con ello

se estanqueíza el sistema de alimentación de combustible frente al tubo de admisión. Cuando la bobina recibe corriente se origina un ca mpo magnéti co que atrae la armadura de electroimán de la aguja de la válvula. La bola de obturación se sepa ra del asiento de válvula y se inyecta el combustible. Cuando se desconecta la corriente de excitación, se cierra de nuevo la aguja de la válvula por la fuerza del muelle.

Salida de combustible La pulverización del combustible se efectúa mediante un disco que posee uno O va rios orificios pulverizadores. Con estos orificios punzonados se consigue una alta constancia del caudal de combustible inyectado. El disco de orificios pulverizadores es insensible a sedimentos del combust ible. La imagen del chorro de combustible saliente resulta de la disposición y cantidad de orificios pulverizadores.

La buena estanqueidad de la válvula en la zona del asiento está garantizada por el principio de obturación cono/bola.

La válvula de inyección se int roduce en la abertura prevista al efecto en el tubo de admisión. El an illo estanqueizante inferior obtura la válvula de inyección hacia el tubo de admisión. El caudal de combust ible inyectado por unidad de tiempo está determinado en lo esencial por • la presión reinante en el sistema de alimenta

ción de combustible, • la contrapresión en el tubo de admisión y • la geometría de la zona de salida del combusti

ble.

Formas de construcción En el curso del tiempo se han ido desarrollando las válvulas de inyección, siendo adaptadas a las crecientes exigencias respecto a la técnica) calidad) fi abilidad y peso. Así se originaron distintas ejecuciones de válvulas de inyección.

Inyección en el tubo de admisión Válvulas electromagnéticas de inyección

Válvula de inyección EV6 La válvula de inyección EV6 es la válvula de inyección estándar para los sistemas actuales de inyección (fi guras 1 y 2a). Se caracteriza por sus peque¡las medidas exteriores y reducido peso. Esta válvula de inyección ofrece así el requisito para la concepción de módulos de admisión compactos.

La EV6 presenta además un buen comportamiento frente a gasolina caliente, es decir, la tendencia a la formación de burbujas de vapor cuando el combustible está caliente es reducida. Eso faci lita la apl icación de sistemas de alimentación de combustible exentos de retorno, puesto que en ellos la temperatura del combustible en la válvula de inyección es más alta que en los sistemas con retorno. Gracias a sus superficies resistentes al desgaste, la EV6 presenta también una alta estabi lidad a marcha permanente y una larga duración.

Por razón de su alta estanqueidad, estas válvulas cum plen todas las exigencias del futuro respecto a "zero evaporation". Es decir, no se evaden de la válvula vapores de combustible en modo alguno.

Para una mejor pulverización del combustible se desarrolló la va riante (tEV6 con aire envolvente': También se puede obtener una fina pulve rización

2

3

4

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6

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Estructura de la válvula electromagnética de Inyección EV6.

8

9

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del combustible de otra manera: en el futuro, además de los discos hoy día util izados de hasta cuatro orificios se emplearán placas de ori fi cios múltiples, con diez o hasta doce orificios. Estas válvulas de inyección producen una niebla de combustible muy fi namente pulverizada.

Para diferentes campos de aplicación haya disposición válvulas de inyección de diversos largos de montaje, distintas clases de paso y propiedades eléctricas varias. La EV6 también es adecuada para el empleo de combustibles con un contenido de etanol de hasta un 85 %.

Válvula de inyección EV 14 El perfeccionamiento de las válvulas de inyección conduce a la EV 14 (figura 2b). Esta válvu la se basa en las características de la EV6. Es de construcción aún más compacta, lo que hace posible su integración en el distribuidor de combustible.

La EV14 está disponible en tres largos de montaje (compacta, estándar y larga). Eso hace posible la adaptación individual a la geometría del tubo de admisión del motor.

l Ejecuciones de válvulas de inyección.

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51

Figura 1

1 Conexión hidráulica

2 Anillos estanquelzantes

(Juntas toroidales)

3 Tamiz

4 Bobina

5 Muelle

6 Aguja de valvula con

armadura de electro-

.man y bola de obtura·

clan

7 DISCO con orificIO de

pulvenzaclon


9 Cuerpo de valvula

10 ASiento de válvu la

Figura 2

a EV6 estándar

b EV 14 compacta

52

Figura 3

a Chorro en forma de

cordón

b Chorro cóniCO

e Chorro doble

d Angula gamma

(lao: El 80% del combusti

ble se encuentra den

tro del ángulo (l

liSO: El 50% del combusti

ble se encuentra den

tro del angula ((

11: El 70% del combusti

ble en el chorro indiVI

dual se encuentra den

tro del angulo 1/ y: Angula de dirección

del chorro

Inyección en el tubo de admisión Válvulas electromagnéticas de inyección, tipos de inyección

Preparación del chorro La preparación del chorro de las válvulas de inyección, es decir, la fo rma y el ángulo del chorro, así como el tamaño de las got itas, inAuye en la formación de la mezcla de ai re y combustible. Geometrías individuales del tubo de ad misión y de la culata hacen necesarias distintas ejecuciones de la preparación del chorro. Para corresponder a estas exigencias, haya disposición diferentes variantes de la preparación del chorro. La figura 3 muestra las formas de chorro más importantes.

Chorro en forma de cordón Con un disco que tiene sólo un único orificio de pulverización se produce un delgado y concentrado chorro de combustible de fuerte impulso que impide considerablemente la humectación de la pared del tubo de admisión. Estas válvulas de in yección son adecuadas para largos recorridos entre punto de inyección y válvula de adm isión, así como para tubos de admisión estrechos.

Por razón de la reducida pulverización del combustible, las válvulas de inyección de chorro en fo rma de cordón se emplean ya sólo en casos excepcionales.

Formas de chorro.

a b

e d

y

Chorro cónico Por los orificios del disco pulverizador salen chorros de combustible individuales. La suma de los chorros forman un cono de chorro.

Un campo de aplicación típico de las válvulas de chorro cónico lo constituyen motores con sólo una válvula de admisión por cilind ro. Pero el chorro cón ico también es adecuado para cilindros con dos válvulas de adm isión.

Chorro doble La preparación de un chorro doble se emplea con frecuencia en motores con dos válvulas de admisión por cilindro. El chorro doble es imprescindiblemente necesario en caso de cil indros con tres válvulas de admisión.

Las aberturas del disco de ori fi cios pulverizadores están dispuestas de tal manera que de la válvula de inyección salen dos chorros de combustibleque pueden estar compuestos de varios chorros individuales (dos chorros cónicos) - e inciden delante de las válvulas de admisión o sobre el puentecillo de separación entre las válvulas de admisión.

Angula gamma Este chorro de combustible (de uno y de dos chorros) está inclinado en determinado ángulo respecto al eje principal de la válvula de inyección, el llamado ángulo de dirección del chorro. Las válvulas de inyección con esta forma de chorro encuentran aplicación para difíci les condiciones de montaje.

Tipos de inyección

Además del tiempo de inyección correcto, la si tuación de la inyección respecto al ángulo del cigüe¡jal es otro parámetro para optimizar los valores de consumo y de gases de escape. En este caso las posibilidades de variación dependen del tipo de in yección empleado (figura 1).

Nuevos sistemas de inyección ofrecen la posibi lidad de realizar una inyección secuencial o individual para cada cilindro.

Inyección simultánea En la inyección simultánea, todas las válvulas de inyección son accionadas en el mismo momento. El tiempo disponible para la evaporación del combustible po r tanto es disti nto para los cilindros. A fi n de obtener no obstante una buena formación de la mezcla, el caudal de combust ible necesario para la combustión se divide en dos mitades yes inyectado una vez por cada vuelta del cigüelial. Para algunos cil indros, en este ti po de inyección no se coloca el combustible delante de la válvula de admisión, sino que se inyecta en la válvula de admisión abierta. El comienzo de inyección está preestablecido de for ma fija.

Inyección en grupo Enla inyección en grupo, las válvulas de inyección están reu nidas en dos grupos. Ambos grupos inyec tan todo el cauda l de inyección de modo allerno una vez por cada vuelta del cigüelial.

Esta disposición ya hace posible elegir la situación de la inyección en función de los puntos de servicio y evita en amplias zonas del diagrama característico la inyección no deseada en la válvula de

Tipos de inyección en el lubo de admisión.

_ Válvula de admisión abierta

_ Inyección t Encendido

-360° Orden de encendido

a eil. 1

eil.3 eil.4 eil. 2

b eil. 1 eil. 3 eil. 4 eil. 2

e eil. 1

eil.3 eil. 4 eil. 2 -

Inyección en el tubo de admisión Tipos de inyección

admisión abierta. También aquí el tiempo dispon ible para la evaporación del combustible es distinto para los dife rentes cili ndros.

Inyección secuencial (SEFI) El combustible se inyec ta de modo individual para cada cilindro. Las válvulas de inyección se accionan una tras otra en el orden de encendido. El tiempo de inyección y el comienzo de inyección -referido al punto muerto superior del respectivo cilindro - son iguales para todos los cilindros. Por eso se inyecta el combustible situándolo con igual anticipación delante de la válvula de admisión de cada cilindro.

El comienzo de inyección se puede programar libremente y adaptar al estado de fu ncionamiento del motor.

Inyección individual para cada cilindro (CI FI) Este tipo de inyección ofrece los mayores grados de libertad. Comparado con la inyección secuencial ofrece la ventaja de poderse in fluir aquí de modo individual en el tiempo de inyección para cada cilindro. De ese modo pueden compensarse desigualdades, p.ej. en el llenado de los cil indros.

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:~ t

ti ... ~

Figura 1

a InyeCCión

Simultánea

b Inyección en grupo

e InyeCCión secuencial

(SEFI) e Inyección

Individual para cada

cilind ro (CIFI)

53

54

Figura 1

1 Bomba de alta preSión

2 Empalme de baja

presIÓn

3 Tubena de alta presIÓn

4 Common Rall

(tubo dlstnbUldor de

combustible, raíl)


a alla presión

6 Sensor de alla presión

7 Bujía de encendido

B Válvula de control de la

presión

9 Cilindro

Inyección directa de gasolina Vista general

Inyección directa de gasolina

Los motores de inyección directa de gasolina fo rman la mezcla de aire y combustible en la cámara de combustión. A través de la válvula de admisión abierta, durante la carrera de aspiración sólo fluye el ai re de combustión. El combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión mediante válvulas de inyección especiales.

Vista general

La demanda de potentes motores de gasolina cuyo consumo de combustible fuera a la vez bajo condujo al redescubrimiento de la inyección directa de gasolina. El principio no constituye ninguna novedad. Ya en 1937 se puso en fun cionamiento un motor de avión con un sistema mecánico de inyección directa de gasolina. En 1951 por primera vez

J Componentes de la inyección directa de gasolina.

se montó en serie un motor de dos tiempos con un sistema mecánico de inyección directa en un turismo, el "Gutbrod': En 1954 siguió el "Mercedes 300 SL" con un motor de cuat ro tiempos e inyección directa.

La construcción de un motor de inyección di recta era para aquel tiempo muy costosa. Además, la técnica planteaba grandes exigencias a los materiales requeridos. La durabi lidad del motor constituía otro problema.

Todos estos problemas impidieron durante mucho tiempo que la inyección di recta de gasolina pudiera abrirse paso.

Funcionamiento

Los sistemas de inyección directa se ca racteri zan por inyectar a alta presión la gasolina directamente en la cámara de combustión. Como en el motor Diesel, la mezcla de aire y combustible se produce dentro de la cámara de combustión (fo rmación interna de la mezcla).

Generación de alta presión La e1ectrobomba de combustible impele la gasolina con la presión de prealimentación de 0,3 ... 0,5 MPa (3 ... 5 bares) hacia la bomba de alta presión (figura 1, pos. 1). Esta genera la presión del sistema en función del punto de servicio (par motor y número de revoluciones exigidos). El combustible que se encuentra bajo alta presión llega al ra íl (4) y se acumula allí.

La presión del combustible se mide con el sensor de alta presión (6) y es ajustado mediante la válvula de cont rol de la presión (8) a valores entre 5 ... 12 MPa.

Las válvulas de inyección de alta presión (5) están dispuestas en el raíl , denominado también "Common Rail ': Son activadas por la unidad de cont rol del motor e inyectan el combustible en la cámara de combustión del cil indro (9).

Formación de la mezcla El combustible inyectado, finamente pulverizado por la alta presión de inyección, forma con el aire aspirado la mezcla de aire y combustible en la cámara de combustión. Según el es tado de servicio del motor, se inyecta el combustible de tal modo que resulta una mezcla homogénea distribuida en toda la cámara de combustión, de}, ::; 1 (funcionamiento con mezcla homogénea), o una nube de ca rga estratificada de A::; 1 en la zona de la bujía de encendido (funcionamiento con capa estratificada o pobre). El resto de la cámara de combustión en el funcionamiento con carga estratificada está lleno de aire fresco aspirado, del gas inerte reconducido por la realimentación de gases de escape o de una mezcla de ai re y combustible muy pobre. De ello resulta una mezcla de aire y combustible muy pobre en total, de }'total > l. Es tas diferentes posibilidades de hacer funcionar el motor se denominan modos de funcionamiento.

Inyección directa de gasolina Funcionamiento

La elección del modo de funcionamiento se efectúa por una parte en virtud del número de revoluciones y del par motor solicitado, y por otra, en virtud de exigencias fu ncionales tales como p.ej. la regeneración del catalizador acumulador.

Par motor La masa de combustible inyectada en el fu ncionamiento con carga estrati ficada es la magn itud determinante del par motor generado. El exceso de aire hace posible ta mbién a régimen de carga parcial un funcionamiento no estrangulado, con mariposa muy abierta. Esta medida aminora el trabajo de cambio de carga y reduce así el consumo de combustible.

En el fu ncionamiento con mezcla homogénea, pobre, de A > 1 Y distribución homogénea de la mezcla asimismo se obtiene un ahorro de combustible, mediante una supresión de estrangulación. Este ahorro, sin embargo, no es tan alto como en el funcionamiento con carga estratificada.

En el funcionamiento con mezcla homogénea, de A::; 1, el motor de inyección directa de gasolina se comporta en lo esencial del mismo modo que el motor de inyección en el tubo de admisión.

Tratamiento posterior de los gases de escape Los catalizadores tienen la función de eliminar los contaminantes contenidos en los gases de esca pe. El catalizador de tres vías requiere una mezcla de aire y combustible de composición estequiométrica, para desarrollar su mejor efecto posible. Las elevadas emisiones de óxido de nitrógeno que se producen en el funcionamiento con mezcla pobre a causa del exceso de aire, se acumulan provisionalmente en un catalizador acumulador de NO, y son reducidos luego a nitrógeno, dióxido de ca rbono yagua, en un breve funcionamiento con exceso de combustible.

55

56

Figura 1

1 Excéntrica

2 Palln

3 Cilindro de bomba

4 Embolo de bomba

(émbolo hueco, en-

trada del combushblel

5 Bola de cierre


7 Válvula de admiSIÓn

8 Empalme de alta

presión hacia el rail

9 Entrada del combusti-

ble (baja presión)

10 Anillo elevador

11 Junla de efecto axial

(retén de anillo desli-

zante)

12 Junta estática

13 Eje de accionamiento

Inyección directa de gasolina Raíl, bomba de alta presión

Raíl

El ra íl (tubo distribu idor de combustible) tiene la función de acumular el combustible suministrado por la bomba de alta presión y distribuirlo entre las válvulas de inyección a alta presión. El volumen del raíl es suficientemente grande para compensar pulsaciones causadas por la presión en el circuito de combustible.

El raíl es de alumi nio. Las formas de ejecución (volumen, medidas, peso, etc.) son específicas del motor y del sistema.

El raíl tiene emplames para los otros componentes del sistema de inyección (bomba de alta presión, válvula de control de presión, sensor de alta presión, válvulas de inyección a alta presión ). El diseíio garantiza la estanqueidad del raíl mismo y de sus interfaces.

Bomba de tres cilindros HOPt (sección longitudinal). ,

13

Bomba de alta presión

Función La bomba de al ta presión (HDP) tiene la fu nción de comprim ir el combustible sum inistrado por la electrobomba con una presión de prealimentación de 0,3 ... 0,5 MPa, poniéndolo a disposición en cantidad suficiente a la presión de 5 ... 12 MPa necesaria para la inyección a alta presión.

Al arrancar el motor, el combustible se inyecta primeramente con la presión de prealimentación. A medida que aumenta la velocidad de giro del motor, se incrementa la al ta presión. A la vez, una pulsación lo menor posible de la corriente de alimentación ocasiona una reducida pulsación en el raíl.

La bomba de al ta presión ha de ser refrigerada y lubricada con combustible, para que el combusti ble suministrado no se mezcle con agente lubricante.

12~~~::L ___ ~ 11----j--/

Bomba de tres cilindros HDPl (sección transversal).

Bomba de tres cilindros HDP1 Haya disposición diferentes bombas de alta presión. La figura I muestra una sección longi tudinal y la fi gura 2 una sección transversal de una bomba de émbolos radiales de tres cilindros HDPI. Impelido por el árbol de levas del motor, el eje de accionamiento (13) gi ra con la excéntrica (1), que origina el movi miento ascendente y descendente del émbolo (4) en el cilindro de la bomba (3). Durante el movimiento descendente del émbolo flu ye combustible con la presión previa de 0,3 ... 0,5 Ml'a de la tubería de combustible por el émbolo hueco de bomba, a través de la válvula de admisión (7), al cilindro de la bomba. Durante el movimiento ascendente del émbolo se comprime este volumen de líquido. Al alcanzarse la presión de raíl , se abre la válvula de escape (6) yel combustible es impelido hacia el empalme de alta presión (8).

Mediante el empleo de tres cilindros dispuestos desplazados en 120· se consigue una reducida pulsación residual en el ra íl. El caudal de al imentación

Invección directa de gasolina Bomba de alla presión

es proporcional al número de revoluciones. El caudal de alimentación máxi mo de la bomba de alta presión es algo mayor que el volumen de combustible requerido, a fin de poder poner a disposición un ca udal suficiente y mantener reducido el calentamiento del combustible en el raíl. La vá lvula de control de la presión afl oja el combustible sumi nistrado en exceso y lo dirige a la tubería de retorno.

Bomba de un cilindro HDP2 La bomba de un cilindro H DP2 es una bomba de émbolo radial accionada por leva, de caudal de al imentación aj ustable. Durante el movimiento descendente del émbolo fluye combustible con una presión previa de 0,3 ... 0,5 M Pa de la tubería de combustible, a través de la válvula de admisión, al cilindro de la bomba. Durante el movimiento ascenden te del émbolo se comprime este volumen de líquido y, al sob repasarse la presión del raíl , se impele al interior de éste.

57

Figura 2

(Numeras de posicion Iden

!leos a los de la figura 1)

1 Excentrica

2 PalIO

3 Cilindro de bomba

4 Embolo de bomba


7 Valvula de admision

10 Anillo elevador

58

Figura 1


2 Muelle de compresión

3 Bobina

4 Armadura de electro·

Imán

5 Anillos estanqueizanles

(juntas toroidales)

6 Orificio de salida

Bola de válvula

8 Asiento de válvula

9 Entrada con tamiz

Inyección directa de gasolina Bomba de alta presión, válvula de conlrol de la presión

La cámara de la bomba y la ent rada del combustible comun ica n a través de una válvula de control del caudal ac tivable. Al abrirse la válvula de control del caudal antes de concluir la carrera de alimentación, decae totalmente la presión en la cámara de la bomba y el combustible refluye a la entrada. De ese modo es te componente realiza la fun ción de la válvula de control de la presión en sistemas con bomba de tres cilindros HDPI.

Para el ajuste del caudal de alimentación, se cierra la válvula de con trol del caudal desde el punto muerto in ferior del émbolo de la bomba hasta una ca rrera determinada. Una vez alcanzada la presión de raíl deseada, la válvula de control del caudal se abre e impide así que siga subiendo la presión en el raíl.

El caudal máximo de alimentación (l/h) depende del número de revoluciones, de la cantidad de levas y de la carrera de la leva. El caudal de ali mentación puede ajustarse en fun ción de la demanda mediante la activación de la válvula de control del caudal.

Una válvula de retención entre la cámara de la bomba yel raíl impide que decaiga la presión del raíl al abrirse la válvula de control del cauda l.

Válvula de control de la presión

Función La válvula de control de la presión está dispuesta entre el raíl y el lado de baja presión de la bomba de alta presión HDP l. Ajusta la presión deseada en el raíl mediante una variación de la sección de paso, di rigiendo al circuito de baja presión el combustible suministrado en exceso por la HDPI.

Estructura y funcionamiento Una selial modulada de duración de impulsos activa la bobina (figura 1, pos. 3). La bola de la válvula (7) se levanta de su asiento (8) y varía así, según la necesidad) la sección de paso de la válvula.

La válvula de control de la presión está cerrada mientras no recibe corriente, para asegurar la presión de raíl necesaria también en caso de fallar la activación eléctrica. Para proteger los componentes contra una presión de raíl inadmisiblemente alta hay integrada una función limitadora de la presión.

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Vista en sección de la válvula de control de presión.

3

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Sensores de presión de raíl

Aplicación Los sensores de presión de raí l en el Common Rail yen los sistemas MED-Motronic miden la presión del combustible en el acumulador de alta presión, el "raíl ". El cumplim iento exacto de la presión del combustible prescr ita en el raíl es de suma importancia para la composición de los gases de escape y la potencia del motor. La presión del combustible se regula mediante un circuito de regulación. Las posibles va riaciones del valor teórico se compensan med iante una válvula de control de presión o una válvula de regu lación.

Los valores de tolerancia para este sensor de presión son muy pequeIios. La precisión de la med ición se encuentra por debajo del 2 % en el campo principal de servicio.

Los sensores de presión del raíl se aplican en los siguientes sis temas de motores:

• Sistellla de i"yecciól/ de aWlIIlIlador Diesel /(CO",l1lOlI Uníl" La presión de trabajo máxima Pma, (presión nominal ) se encuentra a 160 MPa (1600 ba res).

• Il/yecciól/ directa de gasolil/a MED-MotrO/lic La presión de trabajo en la inyección directa de gasolina depende del par y del número de revoluciones. Su valor es de 5 ... 12 MPa (50 ... 120 bares).

Estructura y funcionamiento El núcleo del sensor fo rma una membrana de acero, sobre la que se han metalizado por evaporación unas resistencias de dilatación en puente (figu ra 1, posición 3). El campo de medición del sensor depende del espesor de la membrana (membrana más espesa para mayores presiones, más delgada para menores presiones). En cuanto la presión que se desea medir actúa a través de la conexión (4) sobre un lado de la membrana, las resistencias de dilatación modifica n su valor de resistencia a causa de la flexión de la membrana (p.ej. aprox. 20 ~m a 1500 bares). La tensión de salida producida por el puente, de

Inyección directa de gasolina Sensores de presión de raíl

0 ... 80 mV, se conduce a un circuito evaluador (2) en el sensor a través de unas conexiones de enlace. El ci rcuito amplifica la señal de puente hasta 0 ... 5 V Y la conduce hacia la unidad de control, que a base de ella calcula la presión con ayuda de una línea característica almacenada (figura 2).

Sensor de presión de raíl (estructura).

2cm

H-J.~--3

4

5

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{t I' .. ~ ~

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---

Curva caracteristica de un sensor de presión de rall (ejemplo).

v ~---------------.

59

Figura 1

1 Conexloo eléctrica

(enchufel

2 CIrCUIto de evaluaCión

3 Membrana de acero

con resistencias de

dllalaclQn

4 Empalme de presión

S Rosca de fijación

60

Figura 1

1 Entrada con tamiz fino


3 Muelle

4 Bobina

5 Cuerpo

6 Aguja del inyector con

armadura de

electroimán

7 ASiento de válvula

8 OnfiCIO de salida de la

válvula

Invección directa de gasolina Válvula de inyección a alla presión

Válvula de inyección a alta presión Función La válvula de inyección a alta presión representa el interfaz en tre el raíl y la cámara de combustión. La función de la válvula de inyección a alta presión es dosificar el combustible y lograr mediante su pulverización una entremezcla encauzada de combustible y ai re en una zona determinada de la cá mara de combustión. En función del estado de servicio deseado se concentra el combustible en la zona alrededor de la bujía de encendido (formando capas) o se pulveriza uniformemente en toda la cámara de combustión (distribución homogénea ).

Estructura de la válvula de inyección a alla presión.

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6

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7 ~

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Estructura y funcionamiento La válvula de inyección a alta presión (figura 1) consta de los componentes • cuerpo (5), • asiento de válvula (7) , • aguja de válvula con armadura de

electroimán (6), • muelle (3) y una • bobina (4).

Cuando la bobina es atravesada por corrien te, se genera un ca mpo magnético. A causa de éste se levanta la aguja de la válvula de su asiento contra la presión del muelle y deja li bre el orificio de sal ida de la válvula (8). En virtud de la diferencia ex istente entre la presión de raíl y la presión de la cámara de combustión, se impele ahora el combustible en la cámara de combustión.

Al desconectarse la corriente, la presión del muelle aprieta la aguja contra el as iento de válvula e interrumpe el flujo de combustible.

La válvula abre con la mayor rapidez posible, gara nt iza durante su apertura una sección constante de paso y cierra de nuevo contra la presión del raíl. Por tanto el caudal de combustible inyectado depende (con la sección de paso existente) de la presión del raíl, de la contra presión en la cá mara de combustión y de la duración de apertura de la válvula. Gracias a una adecuada geometría del inyector en la pu nta de la válvula, se consigue una pulverización muy buena del combustible.

A diferencia de la inyección en el tubo de admisión, en la inyección directa de gasolina es inyectado el combustible con más rapidez, más exactitud y una mejor formació n del chorro.

Requisitos La dife rencia esencial de la inyección directa de gasolina en comparación con la inyección en el tubo de admisión radica en ser más alta la presión del combustible y notablemente más corto el tiempo disponible para introducir el combustible di rectamente en la cámara de combustión.

La figura 2 muestra los requisitos que ha de cumpli r la válvula de inyección. En la inyección en el tubo de admisión haya disposición dos vueltas del cigüeI1al pa ra inyectar el combustible en el tubo de adm isión. A un número de revoluciones de 6000 min-1

1 eso corresponde a una duración de inyección de 20 ms.

En la inyección directa de gasolina haya disposición un tiempo notablemente menor. Para el fun cionamiento con distribución homogénea ha)' que inyectar el combustible durante la ca rrera de admisión. Por consiguiente sólo haya disposición media vuel ta del cigüeI1al para el proceso de inyección. A 6000 min-', eso corresponde a una duración de inyección de 5 ms.

En la in}'ección directa de gasol ina) el requerimiento de combustible en ralentí en relación con el de plena carga es muchísimo menor que en la inyección en el tubo de admisión (factor 1:12 ). De ello resulta una duración de la inyección en ralentí de aproximadamente 0,4 ms.

Activación de la válvula de inyección a alta presión Para garantizar un proceso de inyección definido y

Comparación entre Inyección directa de gasolina e inyección en el tubo de admisión.

i

0,4 3,5 5 20 Tiempo de inyección en ms

Inyección directa de gasolina Válvula de inyección a alta presión

reproducible, hay que activar la válvula de inyección a alta presión con un complejo recorrido de la corriente (fi gura 3). El microcontrolador en la unidad de control del motor sólo suministra una se"al digita l de ac tivación (a). Partiendo de esta señal, un elemento especial de excitación genera la señal de act ivación (b) con la que la etapa final de potencia activa la válvula de inyección.

Un condensador Booster produce la tensión de activación de 50 ... 90 V. Esta tensión ocasiona una alta corriente al comienzo del proceso de conexión y proporciona así una rápida elevación de la aguja de la válvula (c). Al estar abierta la válvula de in yección (elevación máxima de la aguja), una corriente menor de activación es suficiente para mantener constante la elevación de la aguja de la vá lvula. Con una elevación consta nte de la aguja de la válvula, el caudal de inyección es proporcional a la duración de la inyección (d).

El tiempo de premagnetización durante el cual la válvula de inyección todavía no abre se tiene en cuenta en el cálculo de la duración de la inyección.

Transcursos de la señal de activación de la válvula de inyección a alla presión.

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61

Figura 2

Caudal de Inyección como funCión delllempo de

Inyecclon

Figura 3

a Señal de activacion

b Transcurso de la co-

mente en la válvula de

Inyecclon EV6

C Carrera de la aguja

d Caudal de combustible

Inyectado

62

Figura 1

a GUiado por el chorro

b Corriente Swirl guiada

por la forma de la

pared

e Corriente Tumble

guiada por la forma de

la pared

Inyección directa de gasolina Procedimientos de combustión

Procedimientos de combustión

La manera con que se efectúa la formac ión de la mezcla y la transformación en energía dentro de la cá mara de combustión se denom ina procedimiento de combustión.

En fu nción de! procedimiento elegido se forma n co rrientes de aire. Para conseguir la estratifi cación deseada de la carga, la válvula inyecta el combustible en la corr iente de aire de tal manera que se eva pora en una zona de! espacio limitada. La corriente de aire transporta la nube de mezcla hasta e! punto de encendido a una zona alrededor de la bujía.

Son posibles dos proced imientos de combustión fundamentalmente distintos.

Condiciones del flujo en los diferentes procedim ientos de combustión.

Procedimiento de combustión guiado por el chorro El procedimiento de combustión guiado por e! chorro se caracteriza por inyectarse el combustible en el entorno inmediato de la bujía de encendido, evaporizá ndose all í (figura la). Eso requiere un exacto posicionamiento de la bujía de encendido y de la válvula de inyección, así C0l110 una precisa orientación del chorro, para poder encender la mezcla en e! momento correcto.

En este caso, la ca rga alternativa térmica de la bujía de encendido es muy elevada, puesto que en ciertas circunstancias la bujía es humectada directamente por el chorro de inyección.

Procedimiento de combustión guíado por la forma de la pared En el procedimiento de combustión guiado por la forma de la pared se distingue entre dos corrientes de aire posibles, resultantes de una confor mación apropiada de los conductos de admisión y del pistón. La vá lvula inyecta e! combustible en la corriente de ai re. La mezcla de aire y combustible que se origina llega con esta corriente como una nube compacta a la bujía de encendido.

Corriente de vórt ice El aire aspirado por el pistón a través de la válvula de admisión abierta produce una corriente turbulenta (movimiento de rotación del aire) a lo largo de la pared de! cilindro (figura lb). Este procedimiento de combustión se denomina también procedimiento Swirl (en inglés, s\Virl: torbell ino).

Corriente Tumble En este procedimiento se produce una corriente de ai re circular (en inglés, tumble: volteo) que, viniendo de arriba, es desviada por una cavidad característica de! pistón y se mueve de nuevo hacia arriba, en dirección hacia la bujía de encendido (figura Ic).

Formación de la mezcla

Función La función de la fo rmación de la mezcla es poner a disposición una mezcla de aire y combustible in flamabl e, lo más homogénea posible.

Requisitos En el modo de funcionamiento "homogéneo" (homogéneo A$; I Y también homogéneo pobre), esta mezcla debe ser homogénea en toda la cámara de combustión. En el funcio namiento con carga estrati fi cada, por el cont ra rio, la mezcla sólo es homogénea dentro de una zona limitada, mientras que en el resto de la cá mara de combustión se encuent ra aire fresco o gas inerte.

Una mezcla de gas o de gas y vapor sólo puede ser homogénea si está vaporizado todo el combustible. En la vaporización influyen diversos factores: • la temperatura en la cá mara de combustión, • el tamaño de las gotas del combustible y • el tiempo disponible para la vapori zación.

Factores de influencia Influencia de la temperatura Una mezcla con gasolina es inflamable en el margen de A = 0,6 .. . 1,6, en fu nción de la tem peratura, presión y geomet ría de la cámara de combustión del motor. A bajas temperaturas el combustible no se vaporiza por completo. Por eso en estas condiciones hay que inyectar más combustible para obtener ulla mezcla inflamable.

Formación de la mezcla en funcionamiento homogéneo Para lograr un tiempo lo más largo posible para la formación de la mezcla, se inyecta el combustible lo más temprano posible. Por eso en el funcionamiento con mezcla homogénea se inyecta ya durante la carrera de admisión, obteniéndose con ayuda del ai re que afluye una rápida vaporización del combustible y una buena homogeneización de la mezcla.

Inyección directa de gasolina Formación de la mezcla

Formación de la mezcla en func ionamiento con carga estratificada Para el funcionamiento con carga estratificada es decisiva la formación de la nube de mezcla inflamable que en el momento de encendido se encuentra en la zona de la bujía. Para ello el combustible se inyecta durante la fase de compresión de tal manera que se origine una nube de mezcla, que por las corrientes de aire dent ro de la cámara de combustión y por el pistón ascendente es llevada a la zona de la bujía de encendido. El momento de inyección depende del número de revoluciones y del par motor solicitado.

Profundidad de penetración El tamaño de las gotas del combustible inyectado depende de la presión de inyección y de la presión reinante en la cá mara de combustión. Con una presión de inyección en aumento se pueden logra r gotas de tamallO más pequeño, que se vaporizan con más rapidez. Con una presión invariada en la cá mara de combustión y una presión de inyección en aumento se incrementa la profundidad de penetración, es decir, el recorrido que cubre cada gota hasta su vaporización total.

Si este recorrido cubierto es más largo que la distancia de la vá lvula de inyección a la pared de la cá mara de combustión, se humecta la pared del cilindro O el pistón (humectación de la pared). Si este combustible depositado en la pared del cilin dro y el pistón no se vaporiza antes del encendido, no se produce ninguna combustión o ésta es incompleta.

63

64

Figura 1

A funcionamiento con

mezcla homogénea, de

i. = 1:

este modo de funciona-

miento es posible en todos los campos

B Funcionamiento con

mezcla pobre o funcio-

namiento con mezcla

homogenea i. = 1 con

AGR;

este modo de funciona-

miento también es

posible en los campos

CyD

C funCionamiento con

carga estratificada con

AGR

Modos de funciona-

miento con inyección

doble:

C funcionamiento con

carga estratificada y

calentamiento rápido

del catalizador; Igual

campo que el de fun-

Cionamiento con carga

estratificada con AG R

D Funcionamiento con

mezcla homogénea y

carga estratificada

E Funcionamiento con

mezcla homogénea y

carga estratificada anti-

detonante

Inyección directa de gasolina Modos de funcionamiento

Modos de funcionamiento

Se conocen seis modos de funcionam iento del sistema de inyección directa de gasoli na (figura I): • func ionamiento con carga estrat ifi cada, • func ionam iento con mezcla homogénea, • func ionamiento con mezcla homogénea pobre, • func ionamiento con mezcla homogénea)' carga

estratificada, • funcionamiento con mezcla homogénea y carga

estrat ificada antidetonante y • carga estratificada y calentamiento rápido del

catalizador.

Estos modos de funcionamiento hacen posible una adaptación óptima a cada estado de servicio del motor. La conmutación del modo de funcionamiento durante la marcha se efectúa si n cambios bruscos del par motor y, por tanto, sin que lo advierta el conductor.

Las líneas en el diagrama (fi gura I) muestran qué modos de funcionamiento son recorridos en una aceleración muy in lensa (alla variación del par motor sin que de momento varíe el número de revoluciones) y en una aceleración lenta (variación pequeña del par motor y número de revoluciones en aumento).

Funcionamiento con carga estratificada En el margen inferior del par motor, a números de revoluciones de hasta aproximadamente 3000 min-1 el motor funciona co n carga estratificada. Para ello, la válvula de inyección inyecta el

1

'" ~ l E

ro a.

Diagrama caraclerislico de modos de funcionamiento de la inyección directa de gasolina.

e

Número de revoluciones 11

A

B

combustible durante la carrera de compresión, poco antes del mo mento de encendido. Durante el breve tiempo disponible hasta el momento de encendido, la corriente de aire reinante en la cámara de combustión transporta la mezcla de aire y combustible preparada a la bujía de encendido. A causa del retardado momento de inyección la mezcla no se distribuye en toda la cámara de combustión.

En funcionamiento con carga estrat ificada la mezcla es muy pobre, considerándola repartida entre toda la cámara de combustión. Con un gran exceso de aire, la emisión bruta de NO, es muy alta. Una alta cuota de realimentación de gases de escape pone remed io a ello. Los gases de escape reconducidos al cilindro reducen la temperatura de combustión y disminuyen las emisiones de NO" dependientes de la temperatura.

Las magnitudes "número de revoluciones" y"par motor" limitan el funcionamiento con carga estratin cada. Si el par motor es elevado, se forma ho ll ín a causa de una mezcla rica en puntos locales. Si el número de revoluciones es demasiado alto, no se puede mantener ya la estratincación de la carga ni el transporte ordenado de la mezcla a la bujía de encendido, a causa de la turbulencia excesiva.

Funcionamiento con mezcla homogénea Al ser altos el par motor y el número de revoluciones, en lugar de la carga estratificada se hace fun cionar el motor de modo homogéneo con Á = I (en casos excepcionales con), < I}. El comienzo de la inyección de combustible se encuentra en la carrera de aspiración, pudiéndose distr ibui r la mezcla de aire y combustible en toda la cámara de combustión. La masa de combustible inyectada está dosi fi cada de tal manera que la mezcla de aire y combustible se encuentra en la relación esteq uiométrica o) en casos excepcionales, con un ligero exceso de combustible (), ~ I}.

Este modo de funcionamiento es necesa rio en caso de solicitarse un alto par motor, puesto que aprovecha toda la cámara de combustión. Por ser estequiométrica la mezcla de aire y combustible existente, en este modo de fu ncionam iento la emi sión bruta de contaminantes es baja también.

La combustión, en el fu ncionamiento con mezcla homogénea corresponde ampliamente a la de la inyección en el tubo de admisión.

Funcionamiento con mezcla homogénea pobre Durante la transición de funcionamiento con carga estratificada a func ionamiento con mezcla homogénea puede hacerse trabajar el motor con mezcla homogénea pobre (), > 1). El consumo de combustible en funcionamiento con mezcla homogénea pobre es menor que el correspondiente al func ionamiento con mezcla homogénea de }, <:; 1, por ser menores las pérdidas por ca mbios de ca rga al suprimirse la es trangulación.

Funcionamiento con mezcla homogénea y carga estratificada Una mezcla homogénea pobre llena toda la cámara de combustión en el func ionamiento con mezcla homogénea y carga estratificada. Esta mezcla se forma por la inyecc ión de un reducido caudal de combustible durante la carrera de aspiración.

Tiene lugar una segunda inyección (inyección doble) durante la carrera de compresión. De esa manera se fOfma una zona más rica en el sector de la bujía de encendido. Esta carga estratificada se inflama fácilmente y puede encender con la llama - de modo similar a un encendido con antorchala mezcla homogénea pobre en el resto de la cámara de combustión.

El funcionamiento con mezcla homogénea y carga est ratificada se activa por algu nos ciclos durante la conmutación de funcionamiento con ca rga estrati fi cada a funcionamiento con mezcla homogénea. De esa manera el sistema de mando del motor puede ajustar mejor el par motor du rante la con mutación y por la apl icación de la mezcla básica muy pobre, de '¡ > 2, disminuyen las emisiones de NO,.

El factor de repartición entre las dos inyecciones es del 75 % ap rox imadamente. Eso significa que el 75 % del combustible se inyecta en la primera inyección, que proporciona la mezcla básica homogénea.

Un funcionamiento estacionario de la inyección doble a bajos números de revoluciones durante la transición de funcionamiento con carga es trati fi cada a fu ncionamiento con mezcla homogénea reduce la emisión de holl ín en comparación con el

Inyección directa de gasolina Modos de funcionamiento

funcionamiento con carga estratificada y disminuye el consumo de combustible en comparación con el funcionamiento con mezcla homogénea.

Funcionamiento con mezcla homogénea y carga estratificada antidetonante Con el empleo de la inyección doble a plena carga, en este modo de funcionamiento se puede renuncia r a una variación del ángulo de encendido hacia "retardo" para evitar el picado, ya que la ca rga estratificada impide la detonación. Del ángulo de encendido más favorable al mismo tiempo resulta un par motor más alto.

Carga estratificada y calentamiento rápido del catalizador Otro modo de la inyección doble hace posible el rápido calentamiento del tramo de escape; para ello, si n embargo, el tramo de escape ha de estar optimizado a esta aplicación. En este modo, en funcionamiento con carga estratificada con un alto exceso de aire se inyecta primeramente durante la ca rrera de compresión (como en el modo de "fun cionamiento con carga estrati ficada") y luego otra vez durante la fa se de trabajo. Esta última parte de combustible se quema muy tarde y calienta en alto grado el lado de escape y el colector de escape.

Otro caso importante de aplicación es el calentamiento del catalizador de NO, hasta temperaturas superiores a 650 ·C, para iniciar la eliminación del azufre del catalizador. Para ello es fo rzosamente necesaria la inyección doble, puesto que con medidas de calentamiento convencionales no se puede alca nzar esta temperatura tan alta en todos los casos de servicio.

65

66 Encendido en visión de conjunto Vista general, desarrollo de los sistemas de encendido

Encendido en visión de conjunto

El motor de gasoLina es un motor de combustión interna con encendido por chispa. Una chispa enciende La mezcla de aire y combustible comprimida en la cámara de combustión e inicia así su combustión. Esta chispa de encendido se produce por descarga de un arco voltaico entre los electrodos de la bujía, que penetra en la cámara de combustión. La instalación de encendido ha de generar la alta tensión necesaria para el salto de la chispa en la bujía y cuidar de que la chispa se produzca en el instante preCISO.

Vista general

Para el proceso de encendido de la mezcla de ai re y combustible son factores importantes • el ángulo de encendido y • la energía de encendido.

El ángulo de encendido, referido al punto muerto superior (PMS) de la posición del cigüeñal, determina el punto de encendido y, por tanto, la inflamación de la mezcla. Influye considerablemente en la potencia y los gases de escape del motor de gasolina.

Desarrollo de los sistemas de encendido inductivos.

Cooectar. Variac:iCtI del ~ COfrieote E!fi árY¡uIode de tensión • bOOna """"'"" lLL

f

~ Sistemas de a~ er<eróOO f -E"",,"Oo CCJlVefICklnaI por bOOna SZ E""""",, -.torizado TZ

Errcerólo electrónico El -toOarnenle electrónico vz =-

Para producir una chispa de encendido en la cámara de combustión ha de excederse determinada tensión en la bujía, la "tensión de encendido': Según el punto de funcionamien to del motor y el estado de la bujía, se requieren para ello tensiones de encendido de hasta 30 000 V (p.ej. en turbomotores). Tras el salto de la chispa se inicia el proceso de combustión por transmisión de la energía de la chispa a la mezcla.

Para la aplicación en el coche de turismo se ha impuesto el sistema de encendido inductivo (encendido por bobina). En el encendido por bobina, la energía de encendido se acumula transitoriamente en el campo magnético de la bobina yen el momento de encendido, después de haber sido transformada en una tensión de encendido suficiente, se entrega a la mezcla .

Para motores de alta potencia y de carreras existen también instalaciones de encendido con acumulador de energía capaciti vo. Estas acumulan la energía de encendido en el campo eléctrico de un condensador.

Desarrollo de los sistemas de encendido

En el transcurso del tiempo se han ido desarrollando continuamente las instalaciones de encendido por bobina a consecuencia de las elevadas exigencias impuestas a la potencia del motor y a la calidad de los gases de escape. En este desarrollo ha tenido gran importancia la creciente apl icación de la electrónica (figura 1).

Encendido en visión de conjunto Desarrollo de los sistemas de encendido

Encendido convencional por bobina (SZ) (1934 ... 1986) Un contacto mecánico de ruptor regula el flujo de corriente por la bobina de encendido (cargar la bobina y efectuar el encendido). Un variador centrífugo mecánico y una cápsula de depresión determinan el ángulo de encendido en fu nción del número de revoluciones y de la carga (variación mecánica del ángulo de encendido).

De la distribución de la alta tensión entre las bujías de encendido se hace cargo un distribuidor mecánico rotatorio (distribución ro tatoria de la alta tensión).

Encendido transistorizado (TZ) (1965 ... 1993) El contacto mecánico de ruptor ha sido sustituido por un transistor de potencia exento de desgaste dispuesto en un bloque electrónico, que es activado por un sensor inductivo o un sensor Hall. Así se evitan las anteriores repercusiones negativas por desgaste de los contactos del ruptor.

Encendido electrónico (EZ) (1983 .. 1998) La distribución de la alta tensión se efectúa todavía mecánicamente, habiéndose suprimido por el contrario la variación mecánica del ángulo de encendido. El número de revoluciones y la carga se detectan electrónicamente y consti tuyen magnitudes de entrada para un diagra ma característico del ángulo de encendido, depositado en una memoria de semiconductores. Para el mando se precisa una unidad de control del encendido con un microcontrolador.

Encendido totalmente electrónico (VZ) (1983 ... 1998) La distribución de la tensión no se efectúa ya mecánicamente) sino de modo exclusivamente electrónico en la unidad de control del encendido (distr ibución estática de la tensión). Por tanto, este sistema no contiene ya ninguna pieza que pueda ser afectada por desgaste. Desde 1998 para nuevos lanzamientos ya sólo existen unidades de control del motor en las que están combinados el encendido totalmente electrón ico y la inyección de gasolina (Motronic, figura 2).

Dibujo seccional de un motor de cuatro cilindros de inyección directa de gasolina y encendido totalmente electrónico.

1 2

67

Figura 2


de una chispa

2 Bujía de encendido

68

Figura 1

Etapa final de encen·

dldo


3 Diodo parachlspas

4 BUJia de encendido

15. 1, 4, 4a Designación de

bornes

..IL Señal de activaCión de

la etapa final de encendido

Sistema de encend ido inductivo Vista general. etapa final de encendido

Sistema de encendido inductivo

La función del sistema de encendido inductivo de un motor de gasolina es proporcionar el salto de la chispa en la bujía de encendido y poner a disposición energía para una chispa suficientemente larga.

Vista general

El circuito de encend ido del sistema de encendido inductivo consta de los componentes • etapa fin al de encendido (fi gura 1, pos. 1), • bobina de encendido (2), • distribuidor de alta tensión, • bujía de encendido (4), así como • medios de unión y ant iparasitarios.

El distr ibu idor de alta tensión se ha suprimido en las instalaciones de encendido modernas con distribución estática de la tensión.

La fi gura I muestra la estructura básica del circuito de encendido en el ejemplo de una instalación de encendido por bobi na con dis tribución está tica de la tensión y bobinas de una chispa.

Estructura del circuito de encendido en el ejemplo de una instalación de encendido por bobina con distribuciÓn está· tica de la tensión y bobina de encendido de una chispa.

12V 15 3 4

2

4a 4

Etapa final de encendido

Función La etapa fin al de encendido tiene la fu nción de conectar la corriente en la bobi na de encendido.

Estructura y funcionamiento Las etapas finales de encendido generalmente están estructuradas como transistores de potencia de tres etapas. Las fun ciones de "limitación de la tensión del primario" y "limitación de la corriente del primario" están integradas de modo monolítico en la etapa fi nal de encendido y protegen los componentes del encendido contra sobreca rga.

Durante el funcionamiento se cal ientan la etapa final y la bobina de encendido. Para no exceder las temperaturas de servicio admisibles, hay que evacuar la energía disipada originada al ambiente de modo segu ro mediante medidas correspondientes, también a elevadas temperaturas de funcionamiento. La li mitación de corr iente del primario ya sólo tiene la función de limitar la corriente en caso de un defecto (p.ej. cortocircuito) (función de seguridad).

Hay etapas fin ales de encendido internas yexternas. Las etapas finales internas están integradas en la placa de circuitos impresos de la unidad de control del motor. Las etapas fin ales externas están situadas en una caja propia fuera de la unidad de control del motor. Por motivos económicos no se emplean ya etapas fina les externas pa ra los nuevos desarro llos.

Otra posibilidad, cada vez más uti lizada, es la integración de las etapas finales en la bobina de encendido.

Bobina de encendido

Función La bobina acumula la energía de encendido necesa ria y genera la al ta tensión para el salto de la chispa en el momento de encendido.

Estructura Las bobinas de encendido que corresponden al último estado técnico se componen de dos arrollamientos de cobre acoplados magnética men te (arro llam iento primario y arrollamiento secundario), de un núcleo de hierro compuesto de chapas individuales y de un cuerpo de plástico. Según e! diseño, e! núcleo puede ser de forma cerrada (bobinas compactas) O de forma de barra (bobinas de barra). La disposición y situación de los arrollamientos primario y secundario dependen de la respectiva forma de const rucción. Para aumentar la resistencia de aislamiento, el arrollamiento secu ndario puede esta r real izado como arrollamiento plano O arrolla miento en cá maras.

Para el aislamiento de los arrolla mientos entre sí y frente al núcleo, e! cuerpo está relleno de resina epoxi. La estructura y el dimensionamiento de la bobina de encendido están aj ustados al respectivo caso de aplicación.

Funcionamiento El fu ncionamiento de una bobina de encendido se basa en la ley de la inducción. La energía acumulada en el ca mpo magnético del arrollamiento pri mario se transmite por inducción magnética al lado de! secu ndario de la bobina. La corriente y la tensión son trasladadas de! lado primario al secun dario, transformándose en función de la relación del número de espiras (relación de transformació n) (figura 2).

En la bobina de encendido de una chispa para sistemas con distribución rotat iva de la alta tensión, una conexión del arrollamiento primario está unida con una conexión del secundario, conectándose ambas conjuntamente (circuito económico) al borne 15 (interruptor de marcha). La otra conexión del arrollamiento primario está conectada con la etapa final de encendido (borne 1). La segunda conexión del arrollamiento secundario está unida con e! distribuidor de encendido (borne 4).

Sistema de encendido inductivo Bobina de encendido

Los arrollamientos primario y secundario de las bobinas de encendido de una y de dos chispas para sistemas con distribución estática de la tensión no están conectados conjuntamente. En la bobina de encendido de una chispa, un lado del arrollamiento secundario (borne 4a) está aplicado a la masa, e! otro lado está conectado directamente a la bujía de encendido. Las dos conexiones del arrollamiento secundario de la bobina de encendido de dos chispas conducen cada una a una bujía.

Generación de la alta tensión La unidad de control de! motor conecta la etapa fina l de encendido dura nte e! tiem po de cierre calculado en las instalaciones de encendido modernas. Dentro de es te tiempo sube la corriente primaria de la bobina de encendido hasta su valor teórico, generando ala vez un ca mpo magnético.

Las magnitudes de la corriente y de la inductancia del primario de la bobina de encendido determinan la energía acumulada en el campo magnético.

Representación esquemática de bobinas de encendido.

a b e

15 4a

A B

4 4 4b

> ~

"-~ ~ o N :> " <lI>

I

69

Figura 2

Para distribUCión rotatOria

de la alta tenSión:

a Bobina de encendido

de una chispa

Para distribUCión estatica de

la tensión:

b Bobina de encendido

de una ctllSpa

e Bobina de encendido

de dos chispas

A lado del prlmano

B lado del secundariO

70

Figura 3

a DistribuCión rotatoria

b Distribución estática

con bobinas de una

chispa Interruptor de

encendido


3 DlstnbUldor de

encendido

4 Cable de encendido

5 Bujia de encendido

6 Unidad de control

7 Balena

Sistema de encendido inductivo Bobina de encendido, distribución de la tensión

En el momento de encendido la etapa fi nal interrumpe el flujo de corriente. A causa del cambio del campo magnético se induce la tensión secundaria en el arrollamiento secundario de la bobina. La tensión secundaria máxima posible (oferta de tensión secundaria) depende de la energía acumulada en la bobina, de la capacidad interna)' de la relación de transformación de la bobina, de la carga del secundario (bujía de encendido)' de la li mitación de la tensión del primario por la etapa fi nal de encend ido.

La tensión secundaria en todo caso ha de ser ma)'or que la tensión necesaria (demanda de tensión) para el sa lto de la chispa en la bujía de encendido. La energía de la chispa tiene que ser lo suficientemente grande para encender la mezcla) también en el caso de producirse chispas sucesivas. Se producen chispas sucesivas cuando la chispa de encendido es desviada por tu rbulencias de la mezcla, efectuándose una ruptura.

Al conectarse la corr iente en el primario se induce en el arrollamiento secundario tilla tensión no deseada de aprox. I ... 2 kV (tensión de conexión): tiene una polaridad opuesta a la de la alta tensión. Ha de impedi rse entonces un salto de la chispa en la bujía de encend ido (chispa de conexión).

La chispa de conexión se impide eficazmente en los sistemas con distribución rotatoria de la alta tensión mediante la distancia disruptiva del distribu idor conectada en serie. En el caso de la distri bución estática de la tensión con bobinas de una chispa, un diodo (diodo parachispas, véase la fi gura 2b) dispuesto en el circuito de alta tensión bloquea la chispa de conexión. Finalmente, en la distribución estática de la tensión con bobinas de dos chispas, la chispa de conex ión es impedida por la alta tensión disrupt iva de la conexión en serie de dos bujías de encendido, sin otras medidas adicionales.

Al desconectarse la corr iente del primario se origina en el arrollamiento primario una tensión de autoinducción de aprox. 200 ... 400 V.

Distribución de la tensión

Función La al ta tensión generada en la bobina de encendido ha de estar aplicada en el momento de encendido a la bujía correcta. Esto lo real iza la distribución de tensión.

Distribución rotatoria de la alta tensión La alta tensión generada por una sola bobina de encendido (figura 3a, pos. 2) en la distribución rotatoria es distribuida de modo mecá nico a las distintas bujías (5) por un distribuidor de encendido (3).

Es te modo de dis tribución de la tensión )'a no se aplica en modernos sistemas de gestión del motor.

Principio de la distribución de la tensión.

4

5

1

7 ~

Sistema de encendido inductivo Distribución de la tensión, bujía de encendido

Distribución estática de tensión En la dis tr ibución estática de la tensión si n distribuidor, electrónica, se han suprimido los componentes mecánicos (figura 3 b). Las bobinas de encendido están unidas di rectamente con las bujías y la distribución de la tensión se efectúa en el lado primario de las bobinas de encendido. De este modo es posible una distribución de la tensión exenta de desgaste y de pérdidas. Para este modo de distribución de la tensión existen dos variantes.

Instalación con bobi nas de encend ido de una chispa A cada cilindro hay asignada una etapa fi nal y una bobi na de encendido. La unidad de control del motor activa la etapa fi nal con arreglo al orden de encendido.

Como ya no hay pérdidas producidas en el distribuidor, estas bobinas de encend ido pueden ser de tamaño muy pequeño. Están asentadas preferentemente directamente sobre la bujía de encendido.

La distribución estática de la tensión con bobinas de encendido de una chispa es apropiada universalmente para molares con cualquier número de cilindros. No existe ninguna limitación del margen de variación del ángulo de encendido. La instalación, sin emba rgo, ha de ser sincronizada adicionalmente con el árbol de levas a través de un sensor.

Instalación con bobinas de encendido de dos chispas Una etapa final y una bobina de encend ido están asignadas en cada caso a dos cilindros. Los extremos del arrollamiento secundario están conectados cada uno a una buj ía de encendido en cilindros distintos. Los cilindros erstán elegidos de manera que durante la carrera de compresión de un cilindro se encuentre el segundo exactamente en la carrera de escape (con un número de cilindros par). En el momento de encendido tiene lugar un salto de chispa en las dos bujías de encendido. Ha de estar asegurado que a causa de la chispa durante la carrera de escape (chispa de apoyo) no se inflame gas residual o gas fresco aspirado alguno. De ello resulta una limitación del margen posible de variación del ángulo de encendido. En cambio, la instalación no ha de estar sincronizada con el árbol de levas.

Bujía de encendido

Función Con la bujía de encendido se produce una chispa que inflama la mezcla de aire y combustible en la cámara de combustión.

Estructura y funcionamiento La bujía de encendido (figura 4) es un elemento de paso de alta tensión hacia la cámara de combustión, estanco a los gases, que tiene un aislamiento cerámico, un electrodo central (1) Y uno o varios electrodos de masa (2).

La posición del (de los) electrodo(s) de masa determina el tipo de chispa. Si el electrodo de masa se encuent ra enfrente del electrodo central, se habla de una bujía de chispa en el aire (a, b). Si los electrodos de masa están ajustados a los lados, se habla de buj ías de encendido de chispa deslizante al aire (e) o de genuinas bujías de chispa deslizante (d).

Bujía de encendido (sección parcial) y distancia disruptiva.

~ a

~ r

b

e

d

1 ~ o. ~

EA ¡¡ " => qt>

71

Figura 4

1 ElecttOdo central

2 Electrodo de masa

a DistanCia dlsruptlva en

el aire con electrodo de

cubrimiento

b Distancia disruptlva en

el aire con electrodo

lateral

e Distancia dlsrupliva en

el aire o de chiSpa

deslIZante (es posible

chispa al aire o chispa

deslizante)

d Distancia dlsruptlva de

chispa deslizante

EA Separación entre

electrodos

72

Figura 5

K Cabeza de la chispa

S Cola de la chispa

If Duración de la chispa

Sistema de encendido inductivo Bujía de encendido, medios de unión y antiparasitarios

Después de la interrupción de la corriente primaria en el momento de encendido aumenta la tensión en el arrollamiento secundario de la bobina dentro de breve tiempo (aprox. 30 ~s, v. fi gura 5) hasta la tensión de encendido. Al sobrepasarse la tensión de encendido necesaria, la distancia disrupt iva de la bujía de encendido entre electrodo central y electrodo de masa se vuelve conductiva. Las capacitancias cargadas hasta la tensión de encend ido en el circuito secundario (bujía, cable y bobina de encendido) se descargan de repen te en fo rma de una cabeza de chispa. A continuación , la energía acumulada de la bobina de encendido se convierte durante una duración típica de la chispa de 1 ... 2 ms en una descarga lu miniscente (cola de la chispa). En la fa se de oscilación posterior se consume la energía residual contenida en la bobina de encendido.

Desgaste de la bujía de encendido Durante el fu ncionamiento del motor se desgastan los electrodos de la buj ía de encendido a consecuencia de erosión por la corriente de las chispas y corrosión por los gases cal ientes en la cámara de combustión. La dista ncia entre los electrodos se vuelve mayor. A causa de ello aumenta la demanda de tensión de encendido. Hasta el fi n del intervalo previsto para el cambio de las bujías, esta demanda

" ~ " ~

Evolución de la tensión con el tiempo en los electrodos de una bujía de encendido.

kV

15

K

10

5

O

aprox.30~

O 1,0 2,0 3,0 ms Tiempo

n.

'" • • 8 N

" " ~

tiene que ser cubierta en todos los casos de servicio de modo seguro por la oferta de tensión secu ndaria de la instalación de encendido.

Medios de unión y antiparasitarios

Cables de encendido La alta tensión generada en la bobina de encendido ha de ser conducida a la bujía de encendido. En el caso de bobinas de encendido que no están asentadas directamente sobre la bujía, para ello se emplean cables con aisla miento de plástico resistentes a altas tensiones, en cuyos extremos hay dispuestos unos enchufes adecuados para establecer el contacto con los componentes de alta tensión.

Dado que toda línea de alta tensión representa una carga capacitiva para la instalación de encendido reduciéndose por ello la oferta de tensión secundaria, los cables tienen que ser lo más cortos posible.

Resistencias antiparasita rias, apantallado Cada salto de chispa en la bujía o el distribuidor de encendido (con distribución rotatoria de la alta tensión) es una fuente de perturbaciones a causa de la descarga en forma de im pulso. Mediante resistencias an ti parasitarias dispuestas en el ci rcu ito de alta tensión se limi ta la corriente de punta de la descarga. Para minimizar la radiación perturbadora del circuito de alta tensión, las resistencias anti parasitarias han de estar lo más cerca posible de la fuente de perturbación.

Las resistencias antiparasitarias están integradas normalmente en los capuchones de las bujías, los enchufes de conexión y, en caso de distribución rotatoria de alta tensión, también en el rotor del distribuidor de encendido. Además, existen bujías de encendido con resistencia aniparasitaria integrada. Un aumento de la resistencia en el lado del secundario ocasiona, sin embargo, pérdidas adicionales de energía en el circuito de encendido y por tanto una energía menor de la chispa en la bujía de encendido.

Se puede consegu ir una reducción adicional de la radiación mediante un apantallado parcial o completo de la instalación de encendido.

Sistema de encendido inductivo Tensión de encendido, energia de encendido

Tensión de encendido

El valor de tensión con el que se produce el salto de la chispa en los electrodos de la bujía de encendido depende entre otros factores • de la densidad de la mezcla de ai re y combusti

ble en la cámara de combustión y por tanto también del momento de encendido,

• de la composición de la mezcla de aire y combustible (coefi ciente de aire, coeficiente lambda),

• de la velocidad de flujo y turbulencias, • de la geometría de los electrodos, • del material de los electrodos y • de la separación de los electrodos.

Ha de estar asegurado que la demanda de tensión de encendido quede cubierta sin falta por la instalación de encendido.

Energía de encendido

La corriente de desconexión y los parámetros de la bobina de encendido determinan la energía que acumula la bobina y que luego está a disposición como energía de encendido en la chispa. La energía de encendido tiene influencia decisiva en la infl amación de la mezcla. Una buena inflamación de la mezcla es requisito para un fu ncionamiento eficiente del motor y no obstante escaso en anticominantes. Eso impone altas exigencias a la instalación de encendido.

Balance energético de un encendido La energía acumulada en la bobina de encendido se libera tras el disparo de la chispa de encendido. Esta energía se divide en dos partes diferentes.

Cabeza de la chispa La energía E acumulada en la capacitancia C en el lado secundario del ci rcuito de encendido y que se libera de repente en el momento de encendido, aumenta al cuadrado con la tensión U apl icada (E = 1/2 CLP ). La curva representada en la figura 6 muestra por eso un curso de segunda potencia.

Balance energético de un encendido sin pérdidas por derivación , resislencié. e impedancia Zener.

mJ

40

'" .'!l 30 E" I ~

" w

20

10

o 5 10

Energ(a disponible

Cola de la chispa, descarga ulterior inductiva

15 20 25

Tensión de encendido U

30 35 40

73

Figura 6

Los valores energetlcos

rigen para una Instalación

de encendido ejemplar con

una capacidad de la bobina

de encendido de 35 pF, una

carga exlerna de 25 pF Y

una Inductlvidad del

secundarla de 15 H

74 Sistema de encendido inductivo Energia de encendido

Cola de la chispa La energía restante acumulada en la bobina de encendido (parte inductiva) se libera a continuación. La energía resulta de la diferencia entre la energía total acumulada en la bobi na de encendido y la energía liberada por la desca rga capacitiva.

Esto signifi ca: cuanto más alta es la demanda de tensión de encendido, tanto mayor es la parte de la energía total que se halla en la cabeza de la chispa.

En caso de una alta demanda de tensión de encendido, por ejemplo a causa de bujías desgastadas, la energía existente en la cola de la chispa no es ya suficiente en ciertas circunstancias para inflamar por completo una mezcla encendida o volver a encender mediante chispas sucesivas una llama que haya sido apagada.

En caso de seguir aumentando la demanda de tensión de encendido, se alcanza el límite a partir del cual se producen fallos del encendido. La energía disponible ya no es suficiente para producir un salto de la chispa y comienza a pulsar en una oscilación amortiguada (fa llo del encendido).

Pérdidas por derivación La figura 6 (pági na anterior) presenta la si tuación de modo simplificado. A causa de resistencias óhmicas en la bobina y en los cables de encendido, así como de las resistencias antiparasitarias, se producen pérdidas que menoscaban la energía de encendido.

Otras pérdidas se producen a causa de resistencias de derivación. Estas pueden ser causadas por suciedad en las conexiones de alta tensión, pero también por incrustaciones y holl ín en la bujía de encendido, den tro de la cámara de combustión.

La magnitud de las pérdidas por derivación depende de la demanda de tensión de encendido. Cuanto más alta es la tensión aplicada a la bujía, tanto mayores son las corrientes que fl uyen a través de las resistencias de derivación.

Inflamación de la mezcla Para inflamar una mezcla de aire y combustible mediante chispas eléctricas, en condiciones ideales (p.ej. en una "bomba de combustión") por cada encendido individual se requ iere una energía de aprox. 0,2 m], en tanto la mezcla tenga una composición estacionaria, homogénea yestequiométrica. Mezclas ricas y mezclas pobres requieren en tales condiciones más de 3 m).

La energía necesaria para inflamar la mezcla es sólo una parte de la energía total que se ha lla en la chispa de encendido, la energía de encendido. Para generar una descarga eléctrica de al ta tensión en el momento de encendido, con altas tensiones de paso, en las instalaciones de encend ido convencionales se requieren energías de más de 15m). Para mantener determ inada duración de la chispa y para cubrir pérdidas, p.ej. por derivación en la bujía a causa de suciedad, ha de hallarse a disposición más energía. Así, resultan energías de encendido de 30 .. . 50 m) como mínimo. Eso corresponde a una energía acumulada en la bobina de encendido de 60 ... 120 m).

Turbulencias en la mezcla, como las que se presentan en el funcionamiento con carga estratificada de la inyección directa de gasoli na, pueden desviar la chispa de encendido hasta su ruptura. Luego, para inflamar la mezcla se requieren chispas sucesivas cuya energía ha de prepararse asimismo en la bobina de encendido.

Con mezclas pobres se requiere una energía particularmente alta para poder cubrir la elevada demanda de tensión de encendido y garantizar al mismo tiempo una duración ventajosamente larga de la chispa, puesto que al existir una mayor cantidad de aire en la mezcla dismi nuye la facilidad de encendido.

Si hay demasiado poca energía de encendido a disposición , no se efectúa el encendido de la mezcla. Esta no puede inflamarse entonces y se producen fa llos de la combustión.

Por esta razón hay que poner a disposición tanta energía de encendido, que incluso en condiciones extremadamente desfavorables se inflame la mezcla de aire y combustible con seguridad. Puede ser

Sistema de encendido inductivo Energia de encendido, punto de encendido

suficiente que la chispa inRame un pequeño volumen de la mezcla. La mezcla que se inflama junto a la bujía enciende entonces el resto de la mezcla en el cilindro e inicia así el proceso de combustión.

Influencias en la calidad del encendido Una buena preparación y fácil acceso de la mezcla a la chispa de encend ido mejoran la calidad del encendido, al igual que una larga duración de la chispa y una gran longitud de ésta, o resp. una gran separación entre los electrodos. Tiene consecuencias favorables también una turbulencia de la mezcla, dando por supuesto que exista suficien te energía para chispas sucesivas posiblemente necesarias. Las turbulencias proporcionan una dist ri bución más rápida del frente de llamas en la cámara de combust ión y, por tanto, una combustión más rápida de la mezcla en toda la cámara de combustión.

También el ensucia miento de la bujía de encendido tiene importancia. Si las bujías están muy sucias, durante el tiempo en que se genera la alta tensión se evade energía de la bobina de encend ido a través de la derivación de la bujía (incrustaciones). Eso ocasiona una reducción de la alta tensión}' un acortamiento de la duración de la chispa repercutiendo en los gases de escape, y en un caso extremo - con bujías muy sucias o húmectadas - fa llos completos del encendido.

Los fallos del encendido ocasionan fallos de la combustión, que aumentan el consumo de combustible y pueden causar daños en el catalizador.

Punto de encendido

Desde el momento de la chispa de encendido hasta la combustión completa de la mezcla transcu rren aproximadamente dos milisegundos. Si la composición de la mezcla no varía, este tiempo permanece constante. A medida que aumenta el número de revoluciones se ha de encender la mezcla cada vez más temprano - referido al ángulo del cigüeñal.

Si el llenado del cilindro es red ucido, la mezcla de ai re y combustible es menos inflamable. Eso causa un mayor retardo del encendido, por lo que hay que desplazar el ángulo de encendido aún más hacia avance. Para una entrega óptima del par motor hay que elegir el ángulo de encendido de manera que el punto esencial de la combustión y con él la punta de presión se encuentre poco después del punto muerto superior (PM S), evitándose sin embargo combustiones detonantes (figura 7).

En funcionamiento con carga estratificada (inyección directa de gasolina), el margen de variación del punto de encendido está limitado por el fin de la inyección y el tiempo necesario para la preparación de la mezcla durante la carrera de compresión.

e -o .-r;;;

il E

¡ 8 " " !!'

'" E 'I'l .!ll e

" e '0 .¡¡;

1! a..

Evolución de la presión en la cámara de combustión con diferentes ángulos de encendido (punto de encendido).

bar

60

OL-__________ ~ __ ~ ____ ~_=J ~ 750 500 250 O" _250 -50" -750

(1)

Angula de encendido az ~ => @

Figura 7

Encendido Za en el

punto correcto

2 Encendido Zb demasiado avanzado

(combustión

detonante)

3 Encendido z.. demasiado retrasado

75

76

Figura 1

I Motor

2 Sonda lambda delante

del catalizador

(sonda de dos puntos

O sonda lambda de

banda ancha,

segun el sistema)

3 Catalizador de tres vias

4 Sonda lambda de dos

puntos detrás del cala

lizador (sólo para siste

mas con regulación por

dos sondas lambda)

Depuración catalítica de los gases de escape Vista general, catalizador de oxidación

Depuración catalítica de los gases de escape

La legislación sobre gases de escape establece límites para la emisión de contaminantes producidos durante la combustión en el motor de gasolina. Para poder observar estos límites es preciso tomar medidas para el tratamiento ulterior catalítico de los gases de escape.

Vista general

Los gases de escape pasan por el catalizador (fi gura 1, pos. 3) intercalado en el sistema de escape, antes de que lleguen al exterior. En el catalizador, unos recubrim ientos apropiados cuidan de que los contaminantes existentes en los gases de escape sufran una reacción química) siendo convertidos en suslancias inofensivas. Unas sondas lambda (2,4) miden el oxígeno residual con lenido en los gases de escape. De este modo se puede ajustar la mezcla de aire y combustible de manera que el catalizador presente su máxima eficiencia.

En el curso del tiempo han encontrado aplicación diferentes principios de catalizador. El eSlado actual de la técnica para motores con distribución homogénea de la mezcla y funcionamienlo con }. = 1 lo constituye el catalizador de tres vías. Los motores que funcionan con mezcla pobre necesitan adicionalmente un catalizador acumulador de NO,.

Catalizador de oxidación

El catalizador de oxidación co nvierte los hidrocarburos y el monóxido de carbono conlenidos en los gases de escape por ox idación - es decir, combustión - en vapor de agua y dióxido de ca rbono. El oxígeno necesario para la oxidación se obliene de un ajusle pobre de la mezcla (}. > 1) o medianle la insuflación de ai re en el sistema de escape delanle del catalizador. Los óxidos de nilrógeno no pueden ser Iransformados por el calalizador de oxidación.

Por primera vez se ut ilizaron catalizadores de oxidación en vehículos en 1975 en EE.UU., para observa r las disposiciones sobre gases de escape entonces válidas. Hoy día, los catalizadores con propiedades exclusivamente ox idan les sólo se uliliza n raramente.

Tramo del sistema de escape con un calalizador de ¡res vías montado cerca del motor y sondas lambda.

Depuración catalitica de los gases de escape Catalizador de tres vias

Catalizador de tres vías

El catalizador de tres vías es una parte integrante del sistema de depu ración de los gases de escape tanto para motores de inyección en el tubo de admisión C0 l110 también de inyección directa de gasolina.

Función El catalizador de tres vías tiene la función de converti r los tres componentes contaminantes HC (hidrocarburos), CO (monóxido de carbono) y NO, (óxidos de nitrógeno) producidos durante la combustión de la mezcla de aire y combustible, en componentes inofensivos. Como productos final es se originan H¡Ü (vapor de agua), CO, (dióxido de ca rbono) y N, (nitrógeno).

Funcionamiento La co nversión de los contaminantes (depuración de los gases de escape) se efectúa en dos fases: el monóxido de carbono y los hidrocarburos se transforman por ox idación (ecuae. 1 y 2). El oxígeno necesario pa ra la oxidación o está existente en los gases de escape como oxígeno residual a causa de una combustión incompleta, o se toma de los óx idos de nitrógeno, que de este modo son reducidos a la vez (ecuae. 3, 4).

Las concentraciones de contaminantes en los gases de escape brutos dependen del coeficiente de aire'\ ajustado (figura 2a). La cuota de conversión de hidrocarburos (HC) y de monóxido de carbono se incrementa constantemente a medida que aumenta el coefi ciente de ai re (figura 2b). Con }. = 1, la parte de esos componentes contaminantes es todavía muy pequeña. Con un coeficiente de aire (). > 1) más alto, la concentración de esos contaminantes permanece a este bajo nivel.

La conversión de los óxidos de nitrógeno ( O,) es buena en el campo de mezcla rica (,\ < 1). La concentración de NO, más baja se encuentra en el funcionamiento estequiométrico (,\ = 1). Pero ya un pequeño aumento de la parte de oxígeno en los gases de escape a causa del funcionamiento con }. > 1 impide la reducción de los óxidos de nitrógeno y hace que su concentración aumente de manera muy pronunciada.

Para que la cuota de conversión del catalizador de tres vías sea lo más alta posible para los tres componentes contaminantes, éstos deben encontrarse en un equilibrio químico. Eso exige una composición de la mezcla en la relación estequiométrica de }. = 1,0. La "ventana" (campo de regulación lambda) en la que ha de encontrarse la relación de circuito de regulación aire y combustible }" es por eso muy pequeña. La formación de la mezcla tiene que seguirse en un circuito de regulación lambda.

Ecuaciones de las reacciones en el catalizador de tres vías.

(1) 2CO + O, -2C02

(2) 2 C2H, + 7 O2 - 4C02

(3) 2NO +2CO - N,

(4) 2 N02 +2CO -N,

Contaminantes en los gases de escape.

a

b

e

Campo de regulación lambda (ventana del catalizador)

V).

0,975 1,0 1,025

... Mezcla Coeficiente rica de aire A

+ 6 H20

+ 2 CO2

+2C02 +01

NO,

Q.

~ 1,05

~

~ Mezcla .... " " pobre CI>

Figura 2

a Antes del tratamiento

ulterior calahtlco

(gases de escape

brutos)

b Después del

tratamiento ulterior

catahtlco

77

e Curva caracterlstlca de

tensión de la sonda

lambda de dos puntos

78

Figura 3

I Sonda lambda

2 Estera de hinchamiento

3 Cubierta doble

calonfuga

4 Washcoat (capa

soporte de A120 S) con

recubrimiento de

metales preciosos

5 Soporte (monoli to)

6 Cuerpo

Depuración catalítica de los gases de escape Catalizador de tres vias

Estructura El catalizador (fi gura 3) se compone de un rec ipiente de chapa como cuerpo (6), un soporte (5) y el recubrimiento catalí tico activo de metal precioso (4).

Soporte Como soporte se ha n impuesto dos sis temas:

MOflO/itos cerámicos

Los monolitos cerámicos son cuerpos de cerámica at ravesados por va rios miles de pequeños canales. Estos son recorridos por los gases de escape. La cerámica se compone de magnesio-alumin io-sil icato y es resistente a al tas temperaturas. El monolito, que reacciona de modo extremadamente sensible a tensiones mecánicas, está fijado den tro de un cuerpo de chapa. Para ello se emplean esteras minerales de hinchamiento (2), que en el primer calentamiento se expanden permaneciendo en este estado y sirven al mismo tiempo de elemento estanqueizante frente a los gases de escape.

Los monolitos cerámicos actualmente son los soportes de catalizador aplicados con más frecuencIa.

Catalizador de tres vias con sonda lambda.

Monolitos metálicos El catal izador metálico es una alternativa delmonolito cerámico. Consiste en un arrollamiento de una delgada hoja metálica finamente ondulada de 0,05 mm de espesor, habiendo sido soldado en un proceso de alta temperatura. Gracias a las delgadas paredes se pueden disponer más canales sobre una misma superfici e. Eso significa una menor resistencia para los gases de escape, lo que aporta ventajas para la optimización del rendim iento de moto res de alta potencia.

Recubrimiento Los monolitos cerámicos y metálicos requ ieren una capa de soporte de óxido de aluminio (AI,oJ)' el "Washcoat" (4). Esta capa aumenta la superficie act iva del catalizador por el fac tor 7000. La capa catalí tica activa apl icada en catalizadores de oxidación contiene los metales preciosos de plati no y/o paladio; en catalizadores de tres vías, adicionalmente contiene rodio. El platino y el paladio aceleran la oxidación de los hidrocarburos y 1110nóxido de carbono; el rodio, la reducción de los óxidos de nitrógeno.

El contenido de metales preciosos en un catal izador es de aprox. 1 ... 3 g. Este valor depende de la cili ndrada del motor.

~ "-N

~ '" " ~

Depuración catalítica de los gases de escape Catalizador de tres vlas

Condiciones de servicio Temperatura de servicio La temperatura del catalizador tiene muchísima importancia en la depuración de los gases de escape. En el catalizador de tres vías no se in icia una conversión de los contaminantes digna de mención hasta alca nzarse una temperatura de servicio de más de 300 'c. Para altas cuotas de conversión y una larga duración reinan condiciones de servicio ideales en el margen de temperaturas de 400 ... 800 'c.

El envejeci miento térmico aumenta notablemente en el margen de 800 ... 1000'C por sinterización de los metales preciosos y de la capa de soporte AI,OJ' lo que ocasiona una reducción de la superficie activa. El tiempo de servicio ta mbién tiene gran influencia en este margen de temperatura. Por encima de 1000 ' C el envejecimiento térmico aumenta enormemente y ocasion a la casi completa ineficacia de! catalizador.

Por funcionamiento incorrecto del motor (p.ej. fallos del encendido), puede subir la temperatura en e! catalizador hasta 1400 ' C. Tales temperaturas causan la dest rucción total del catalizador por fusión del material de soporte. Para impedirlo, parti cularmente el sistema de encendido ha de trabajar de modo muy fi able y exento de mantenimiento. Los modernos mandos del motor pueden identificar fa llos del encendido y de la combustión. Estos mandos impiden en caso dado la inyección para el correspondiente cili nd ro, no llegando así mezcla alguna sin quemar al sistema de escape.

Combustible sin plomo Otra condición para un servicio fiable de larga duración es el fun cionamiento del motor con combustible sin plomo. Los compuestos de plomo se posan en los poros de la superficie activa o se depositan directamente sobre ellos y reducen su cantidad. Pero también residuos del aceite del motor pueden "envenenar" el catalizador, es decir, destruirlo hasta su ineficacia.

Lugar de montaje Las severas prescripciones sobre gases de escape exigen conceptos especiales para el calentamiento del catalizador al arranca r el motor. Esos concep-

tos (p.ej. insuflación de aire secundario, va riación del ángulo de encendido en dirección hacia "retardo") determinan el lugar de montaje del catalizador. Las propiedades del catalizador de tres vías respecto a la temperatura de servicio limitan la posib il idad de montaje. Partiendo de las condiciones térmicas necesarias para una alta transformación, es indispensable montar el catalizador de tres vías cerca del motor.

Para el catalizador de tres vías se ha impuesto en lo esencial su disposición dividida con un catal izador previo cerca del motor y un catalizador debajo del piso. Los catalizadores dispuestos cerca del motor requieren una optimización del recubrim iento en el sentido de estabilidad respecto a altas temperatu ras; los catali zadores bajo el piso, en el sentido de "Iow light off" (baja "temperatura de arranque))), as í como una buena transformación de NO,.

Como alternativa existen conceptos con sólo un catal izador total, montado cerca del motor.

Efectividad El tratamiento ulterior catalítico de los gases de escape con ayuda del catalizador de tres vías en la actualidad es el procedimiento de depuración de gases de escape más eficaz para el motor de gasolina con distribución homogénea de la mezcla, de A = l. Una parte integrante es la regulación lambda, que vigila la composición de la mezcla de aire y combustible. Con el catalizador de tres vías se puede impedir casi por completo la expulsión de monóxido de carbono, hidroca rburos y óxidos de ni trógeno, con una distribución homogénea de la mezcla y una composición estequiométrica de ésta. Estas condiciones ideales de servicio, sin embargo, no se pueden mantener siempre. Ello no obstante, se puede parti r por término medio de una reducción de los contaminantes de más del 98 %.

79

80 Depuración catalítica de los gases de escape Catalizador acumulador de NO,

Catalizador acumulador de NO,

Función En los modos de funcionamiento con mezcla pobre el catalizador de tres vías no puede transfor mar por completo los óxidos de nitrógeno (NO,) que se producen durante la combustión. En este caso el oxígeno para el proceso de oxidación del monóxido de carbono y de los hidroca rburos no se disocia de los óxidos de nitrógeno, sino que se toma de la alta parte de oxígeno res idual contenida en los gases de escape. El catal izador acu mulador de NO, descompone los óxidos de carbono de otra manera.

Estructura y recubrimiento El catalizador acumulador de NO, está estructurado de modo similar al catalizador de tres vías. Adicionalmente al recubrimiento con plat ino, paladio y radio, contiene aditamentos especiales que pueden acumular óxidos de nitrógeno. Típicos materiales acumuladores contienen p.ej. óxidos de potasio, calcio, estroncio, circonio, lantano o bario.

El recubrimiento para la acumulación de NO, y el recubrimiento del catalizador de tres vías pueden estar colocados sobre un soporte común.

Funcionamiento Por razón del recubrimiento de metales preciosos, el catalizador acumulador de NO, en el funcionamiento con }, = 1 actúa como un catalizador de tres vías. Adicionalmente transforma los óxidos de nit rógeno no reducidos en los gases de escape pobres. Esta transformación no se efectúa sin embargo de modo continuado como con el monóxido de carbono y los hidrocarburos, sino que transcurre en tres etapas:

1. Acumulación de NO" 2. desacumulación de NO, y 3. transformación.

Acumulación de O~

Los óxidos de nitrógeno (NO,) son oxidados de modo catalítico en la superficie del recubrimien to de platino convirtiéndose en dióxido de nitrógeno (NO,). A continuación el NO, reacciona con los - -óxidos especiales de la superficie del catalizador y oxígeno (O,) convirtiéndose en nitratos. Así, p.ej. el NO, forma con el óxido de bario BaO el compuesto químico de nitrato de bario Ba(NOJ),

(ecuac. 1). El catal izador acumulador de 0 , acumu la por consiguiente los óxidos de nit rógeno que se originan durante el funcionamiento con exceso de aire.

Ex.isten dos posibilidades de reconocer cuándo el catalizador está saturado y ha terminado la fa se de acumulación: • El procedimiento basado en un modelo calcula

la cantidad de NO, acumulado, tomando en cuenta la temperatura del catalizador (fi gura 1, pos. 4) .

• Un sensor de 0 , (6) dispuesto detrás del catalizador de 10 , mide la concentración de NO, en los gases de escape.

Desacul11ulac ión y transformación del NO, A medida que aumenta la ca ntidad de óxidos de nitrógeno acumulados (carga), disminuye la capacidad de seguir ligando óxidos de nit rógeno. A partir de determinada cantidad tiene que efectuarse una regeneración, es decir, los óxidos de nitrógeno acumulados tienen que ser quitados y transformados. Para ello se conmuta por breve tiempo a funcionamiento con mezcla homogénea rica (A < 0,8). Los procesos para la desacumulación del 0 , y la conversión en nitrógeno y dióxido de carbono se desarrollan por separado. Como agentes reductores se emplean H" HC y CO. La velocidad de reacción de la reducción con HC es la más lenta; con H" la más rápida. La desacumulación - representada a continuación con monóxido de ca rbono como agente reductor - se efectúa de manera que el monóxido de carbono reduce el nitrato (p.ej. nitrato de bario Ba(NOJ),)

convirtiéndolo en un óxido (p.ej. óxido de ba rio BaO). De ello se originan dióxido de carbono y monóxido de nitrógeno (ecuac. 2). A continuación el recubrimiento de rodio reduce los óxidos de nitrógeno mediante monóxido de carbono convir-

Depuración catalítica de los gases de escape Catalizador acumulador de NO,

Ecuaciones de las reacciones en la fase de acumulación de NOx (1), fase de desacumulación (2) y transformación (3).

(1) 2 BaO + 4 N02 + O2 .... 2 Ba(N0:Jz

(2) Ba(N0:J) + 3 CO .... 3e02 +BaO+2NO

(3) 2NO +2 CO

tiéndolos en nitrógeno y dióxido de carbono (ecuac. 3).

Existen dos procedimientos diferentes para reconocer el fi n de la fase de desacumulación: • El procedimiento basado en un modelo calcula

la cantidad de NO, todavía existente en el catalizador acumulador de NO,.

• Una sonda lambda (6) dispuesta detrás del ca tali zador mide la concen tración de oxígeno en los gases de escape y señala un salto de la tensión de "mezcla pobre)) a "mezcla rica))) cuando ha COIl

c1uido la desacumulación.

Temperatura de servicio y lugar de montaje La capacidad de acumulación del catalizador acumulador de NO, depende mucho de la temperatura. Alcanza un máx imo en el margen de 300 ... 400 'C. Por tanto, el margen de temperaturas favorable es muchísimo más bajo que el del catalizador de tres vías. Por esta razón, para la depuración

catalítica de los gases de escape hay que utilizar dos catalizadores separados - un catalizador de tres vías como cata li zador previo montado cerca del motor (fi gura 1, pos. 3) Y un catalizador acumulador de NO, (5) como cata lizador principal (catalizador bajo el piso), montado lejos del motor.

Carga de azufre El contenido de azufre en la gasol ina constituye un problema para el catalizador acumulador. El azufre contenido en los gases de escape pobres reacciona con el óxido de bario (material de acu mulación ) convirtiéndose en sulfato de bario. La cantidad de material acum ulador disponible para la acumulación de 0 , por tanto disminuye con el tiempo. El sulfato de bario es muy resistente a la temperatura y es desi ntegrado sólo en una pequeIia parte durante la regeneración de NO,.

En caso de emplear combustible que con tiene azufre, de tanto en tanto hay que efectuar una desulfuración. Para ello, mediante la aplicación de medidas apropiadas (aj uste del modo de funcionamiento de carga estratificada y calentamiento rápido del cata lizador) se calienta el catalizador hasta 600 ... 650 'C y luego se somete durante algunos minutos alternativamente a gases de escape ricos (2 = 0,95) Y pobres (,l. = 1,05). Entonces el sulfato de bario se reduce nuevamente a óxido de bario.

Sistema de escape con catalizador de tres vias como catalizador previo, catalizador acumulador de NOx postpuesto y sondas lambda.

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8 ~ " <1>

81

Figura 1

1 Motor con sistema de

reahmentacion de

gases de escape

2 Sonda lambda delante

del catalizador

3 Catalizador de tres vias

(catahzador previo)

4 Sensor de temperatura

5 Catalizador acumulador

de NOx (catalizador

pnnclpal)

6 Sonda lambda de dos

puntos. opCional con

sensor de NOx mte·

grado

62

Figura 1

1 Medidor de masa de

2 Motor

3a Sonda lambda delante

del catalizador

(sonda lambda de dos

puntos o sonda lambda

de banda ancha)

3b Sonda lambda de dos

puntos detrás del

catalizador

(sólo en caso de nece

sidad; para inyección

directa de gasolina: con

sensor NO, integrado)

4 Catalizador prevIo (ca

talizador de tres vías)

5 Catalizador principal

(para inyección en el

tubo de admisión:

catalizador de Ires vias;

para Inyección directa

de gasolina:

catalizador acumulador

de NO,)


7 Unidad de control del

motor

8 Señales de entrada

Us Tensión de sonda

Uv Tensión de mando de

las válvulas

\'E Caudal de inyección

Depuración catalítica de los gases de escape Circuito de regulación lambda

Circuito de regulación lambda

Función Con objeto de que en sistemas que trabajan sólo con un catali zador de tres vías la cuota de transformación sea lo más alta posible para los tres componentes contaminantes) éstos tienen que encontrarse en un equilibrio químico. Eso exige una composición de la mezcla en la relación estequiométrica de l = 1,0. La "ventana" en la que ha de encontrarse la relación entre ai re y combustible es por eso muy pequeña. La formación de la mezcla tiene que seguirse por consiguiente en un circuito de regulación lambda. Un control de la dosi fi cación de combustible no es suficiente.

Los motores de inyección directa de gasolina se hacen funcionar también con mezclas cuya composición difiere de la relación estequiométrica. También la formación de la mezcla de esos sistemas puede guiarse mediante una regulación.

Estructura Una sonda lambda (figura 1, pos. 3a) está dispuesta en el sistema de escape delante del catalizador (4 y 5). La señal de la sonda Us, es conducida a la unidad de con trol del motor (7). Para este fin se puede emplea r una so nda de dos puntos (regulación de dos puntos) o una sonda lambda de banda ancha (regulación lambda permanente).

Detrás del catalizador puede encontrarse otra sonda lambda (3b) (regulación con dos sondas). Esta sonda es siempre una sonda de dos puntos. Suministra la señal de sonda USb.

Funcionamiento Mediante el circuito de regulación formado con ayuda de una o dos sondas lambda pueden identificarse y corregirse desviaciones de una relación de aire y combustible determinada. El principio de regulación se basa en la medición del contenido de oxígeno residual en los gases de escape. El contenido de oxígeno residual es una medida para la composición de la mezcla de aire y combustible aportada al motor (2).

Regulación de dos puntos La sonda lambda de dos puntos dispuesta delante del cata lizador suministra en el margen rico (A < 1) una tensión alta yen el margen pobre (), > 1), una tensión baja Us,. En el margen alrededor de A = 1 se produce un pronunciado salto de tensión. La sonda lambda de dos puntos sólo puede distinguir, pues, entre mezcla rica y mezcla pobre.

Esquema funciona! de la regulación lambda, -~---~---"~-----_.

Aire

2

3. 3b

VE I Combuslible I

6 I

tW I I I

Uv U" tu .. I I

7 I ~ _ __ ______ _ J ';!

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t t t w ;¡

'" 8 => <ro

Depuración catalítica de los gases de escape Circuito de regulación lambda

La tensión de sonda se transforma en la un idad de cont rol del motor en una señal de dos puntos. Es la magnitud de entrada para la regulación lambda puesta en efecto con ayuda del software. La regulación lambda actúa en la formación de la mezcla y ajusta la relación de aire y combustible adaptando el caudal de combustible inyectado. La magnitud de ajuste, compuesta de un salto y una rampa, varía su dirección de aj uste con cada salto de tensión de la sonda. Es decir, por el sa lto de la magnitud de ajuste varía la composición de la mezcla primero "de golpe" y a cont inuación en forma de rampa. Si la tensión de la sonda es al ta (mezcla rica), la magnitud de ajuste regula en dirección hacia mezcla pobre; si la tensión de la sonda es baja (mezcla pobre), en dirección hacia mezcla rica. Con esta regulación de dos pu ntos se puede regular la mezcla de aire y combustible a valores lambda al rededor dd = 1.

La típica "medición errónea" de la sonda lambda, condicionada por la variación de la composición de los gases de escape, se puede compensa r de modo cont rolado conformando la evolución de la magnitud de ajuste select ivamente de modo asimétrico (desplazamiento hacia mezcla rica/mezcla pobre).

Reg ulación lambda constante La sonda lambda de banda ancha sum inistra una se llal de tensión constante USa. De este modo se puede medir no sólo el margen lambda (mezcla rica O pobre), sino también las desviaciones de ,¡ = 1. La regulación lambda puede reaccionar así más rápidamente a una divergencia de la mezcla. De ello resulta un mejor comportamiento de regulación, de elevada dinámica.

Como sea que con la sonda lambda de banda ancha de'¡ = I se pueden medi r composiciones de la mezcla divergentes, también es posible (al contrario de la regulación de dos puntos) regular tales composiciones. El alcance de regulación comprende valores lambda dentro del margen de ,¡ = 0,7 ... 3,0. La regulación lambda constan te por tanto es apropiada para el funcionamiento con

mezclas pobres o ricas de motores de inyección directa de gasolina.

Regulación con dos sondas La regulación lambda con la sonda delante del catalizador tiene una precisión lim itada, ya que la sonda está expuesta a notables influ encias med ioambientales. La exposición de una sonda lambda (3b) detrás del catalizador a estas influencias es considerablemente menor.

Una regulación lambda con la sonda detrás del catal izador sola sería, sin embargo, demasiado lenta a causa de los largos tiempos de recorrido de los gases. El principio de la regulación con dos sondas se basa en que el desplazamiento controlado hacia mezcla rica o pobre propio de la regulación delante del catalizador es modificado de modo aditivo por un bucle "lento" de regulación correctora.

Regulación lambda en la inyección di recta de gasolina El catalizador acumulador de NO, presenta una doble fu nción. Además de la acumulación de 0 , y de la oxidación de HC y CO durante el fu ncionamiento con mezcla pobre, para el funcionamiento con ,¡ = I es necesaria una función estable de tres vías, que requiere un míni mo de capacidad de acumulación de oxígeno. La sonda lambda delante del catalizador vigila la composición estequiométrica de la mezcla.

Además de su aportación a la regulación con dos sondas, la sonda de dos puntos detrás del ca talizador acumulador de NO, con el sensor de NO, integrado sirve para la vigilancia del comportamiento combinado de acumulación de 0 , y NO, (identifi cación del fin de la fase de desacumulaciónde NO,).

83

84

Figura 1

1 Sin Insuflación de aire

secundario

2 Con insuflación de aire

secundano

l' Velocidad del vehiculo

Depuración catalitica de los gases de escape Calentamiento del catalizador

Calentamiento del catalizador

Variación del ángulo de encendido en dirección hacia "retardo" Para mantener reducida la concentración de contaminantes en los gases de escape, el catalizador ha de alcanzar su temperatura de serv icio lo más rápidamente posible, Eso se consigue entre otras medidas variando el ángulo de encendido en dirección hacia "retardo",

Esta medida empeora el rendimiento y produce una mayor cantidad de calor en los gases de escape) que calienta el cata lizador.

Insuflación de aire secundario Mediante una recombustión térmica se pueden quemar posteriormente las partes integrantes no quemadas de la mezcla de ai re y combustible existentes en los gases de escape. El oxígeno necesario para ello ex iste todavía en los gases de escape, si la composición de la mezcla es pobre. Si la mezcla es

Influencia de la insuflación de aire secundario en las emisiones de ca y HG.

, , , o o o o o o o o"

1

~I 40 80

Tiempo 120 s

rica) como la que con frecuencia es necesa ria cuando el motor no tiene aún la temperatura de servicio) la aportación de aire al conducto de gases de escape (aire secundario) acelera adicionalmenle el calentamiento.

Esla reacción exotérmica por un lado reduce los hid rocarburos)' el monóxido de carbono. Por olro lado, la combustión ulterior también cal ienta el catal izador y hace que alcance rápidamenle su temperatura de servicio. Este proceso aumenta considerablemente la cuota de transformación en la fase de calen tamiento y proporciona una rápida disposición del catalizador para el servicio. La fi gura I mueslra la evolución de la emisión de hidrocarburos y monóxido de carbono duranle los primeros segundos dellest de gases de escape con insuflación de aire secunda rio)' sin ella.

La insuflación de aire secundario se efectúa) con arreglo al nivel actual de la técnica) con bombas previstas para tal fin, eléctricas.

Inyección posterior Para motores de gasolina de inyección directa existe otro procedimiento para calentar rápidamenle el calalizador hasta su 1emperatura de servicio. En el modo de funcionamiento "carga estratifi cada y calentamiento rápido del catalizador», funcionando el motor con carga estrat ifica da con elevado exceso de aire se efectúa ot ra inyección duranle la carrera de trabajo. ESle combuslible se quema mu)' tarde y calienta en aho grado el lado de escape y el colector de escape. De esle modo, en los casos en que no se pueden alca nza r los valores límile exigidos para los gases de escape con medidas convencionales (va riación del ángulo de encendido hacia "reta rdo") se puede supri mi r la bomba de aire secundario usual en la inyección en el tubo de admisión.

Indice alfabético

Vocabulario técnico

A

Actuador de aire de derivación , 20

Admisión , 4

Alimentación de combustible, 36

Amortiguador de presión de

combustible, 46

Angula de cierre, 19

Angula de encendido, 18

Angulo gamma, 52

Arrollamiento primario, 69

Arrollamiento secundario, 69

Autoencendido, 19

B

Bobina de encendido de dos chispas, 69

Bobina de encendido de una chispa, 69

Bobina de encendido, 69

Bomba celular de rodillos, 42

Bomba de alta presión , 56

Bomba de canales laterales, 43

Bomba de desplazamiento, 42

Bomba de rueda dentada interior, 42

Bomba de tres cilindros, 57

Bomba de un cilindro. 57

Bomba hidrodinámica, 43

Bomba periférica, 43

Bomba previa, 42

Bujia de encendido, 71

e Cabeza de la chispa, 73

Cable de encendido, 72

Carga de azufre, 81

Carga estratificada y calentamiento rápido

del catalizador. 65

Carga estratificada, 6

Catalizador acumulador de NO" 80

Catalizador bajo el piso, 79

Catalizador de oxidación, 76

Catalizador de tres vías, 76, 77

Catalizador previo, 79

Catalizador, 76

Chispas sucesivas, 74

Chorro cónico, 52

Chorro doble, 52

Chorro en forma de cordón, 52

Cilindro, 4

Circuito de baja presión, 39

Circuito de regulación lambda, 82

Coeficiente de aire, 6, 15

Cola de 'a chispa, 74

Common Rail , 55

Compresor de desplazamiento positivo, 29

Compresor dinámico, 29

Compresor helicoidal , 29

Compresor, 29, 30

Conmutación del árbol de levas, 23

Consumo de combustible, 16. 25

Control electrónico de la potencia

del motor, 21

Corriente de vórtice, 62

Corriente Tumble, 62

Corte en marcha por empuje, 17

o Depósito colector, 26

Depósito de carbón activo, 41

Depósito de combustible, 36. 46

Depuración catalítica de los gases de

escape, 76

Detonación, 19

Diagrama característico del ángulo de

encendido, 18

Diagrama p·V, 8

DiÓxido de carbono. 77

Disco de orificios pulverizadores, 50

Dispositivo de mariposa, 21

Distribución de la mezcla, 6

Distribución de tensión , 70

Distribución estática de la tensión. 71

Distribución por válvulas completamente

variable, 24

Distribución rotatoria de la alta tensión, 70

Distribuidor de combustible, 37, 45

Distribuidor de encendido, 70

Downsizing, 33

Duración de la chispa, 75

E

Electrobomba de combustible, 36, 42

Electrodo central, 71

Electrodo de masa, 71

Emisión de óxidos de carbono, 25

Encendido convencional por bobina , 67

Encendido electrónico. 67

Encendido externo, 66

Encendido totalmente electrónico, 67

Encendido transistorizado, 67

Energía de encendido, 73

Enfriamiento del aire de

sobrealimentación, 33

Etapa final de encend ido, 68

Indice alfabético

F

Fases de distribución por válvulas, 5

Fases variables de distribución por

válvulas, 22

Filtro de combustible, 36, 44

Funcionamiento con carga estratificada, 64

Funcionamiento con mezcla homogénea

pobre, 65

Funcionamiento con mezcla homogénea y

carga estratificada antidetonante. 65

Funcionamiento con mezcla homogénea y

carga estratificada, 65

Funcionamiento con mezcla homogénea. 64

85

86 Indice alfabético

G

Gas final, 19

Gas fresco, 12

Gas inerte. 13

Gas residual, 13

Generación de alta tensión, 69

Geometría variable dellubo de

admisión, 27

H

Hidrocarburos, 77

Humectación de las paredes, 17

Insuflación de aire secundario, 84

Intersección de las válvulas, 14

Inyección directa de gasolina, 54

Inyección doble, 65

Inyección en ellubo de admisión, 48

Inyección en grupo, 53

Inyección individual para cada cil indro, 53

Inyección posterior, 84

Inyección secuencial, 53

Inyección simultánea, 53

l

Lambda, 6

Legislación sobre gases de escape, 76

Limitación de la corriente del primario, 68

limite de funcionam iento pobre, 15

Llenado de aire, 12

llenado del cilindro, 12

Longitud de la chispa, 75

M

Marcha con freno motor, 17

Mariposa, 20

Medidor de masa de aire, 49

Mezcla de aire y combustible, 6

Modos de funcionamiento, 64

Monolitos, 78

Monóxido de carbono, 77

N

Nitrógeno, 77

Nube de mezcla, 63

o Oxidación , 77

Oxidas de nitrógeno, 77

p

Paladio, 78

Par motor, 7

Película en las paredes, 17

Pérdidas de calor, 9

Pérdidas por cambio de carga, 9

Pérdidas por derivación , 74

Pérdidas por estrangulación, 23

Pérdidas por fricción , 9

Platino. 78

Potencia, 7, 16

Preparación del chorro, 52

Presión de prealimentación, 56

Presión de sobrealimentación, 29

Presión del sistema, 37

Procedimientos de combuslión, 62

Proceso de cuatro tiempos, 4

Punto de encendido, 18. 70, 75

Punto mueno inferior, 4

Punto mueno superior, 4

R

Raíl, 55, 56


(AGR), 25


interna, 14, 23

Realimentación exterior de gases de

escape, 25

Recubrimiento de metales preciosos, 78

Regulación con dos sondas, 83

Regulación contra la detonación, 19

Regulación de dos puntos, 83

Regulación lambda constante, 83

Regulación lambda, 83

Regulador de presión de

combustible, 36, 45

Relación de aire y combustible, 15

Relación de aire, 6

Relación de compresión, 6

Relación estequiométrica, 15, 82

Rendimiento volumétrico, 14

Rendimiento, 8

Resistencia aniparasitaria, 72

Radio, 78

S

Sensor de presión de raíl. 59

Sistema de alimentación de

combustible, 37

Sistema de encendido inductivo. 68

Sistema de inyección central , 35

Sistema de inyección individual, 34

Sistema de retención de vapores

de combustible, 41

Sobrealimentación dinámica, 26

Sobrealimentación mecánica. 29

Sobrealimentación por resonancia, 27

Sobrealimentación por tubo oscilante de

admisión, 26

Sobrealimentador VST, 32

Sobrealimentador VTG, 31

Sobrealimentador Wastegate, 31

Sonda lambda de banda ancha, 83

Sonda lambda de dos puntos, 83

Sonda lambda, 76, 82

T

Tensión de encendido, 72, 73

Tiempo de combustión, 5

Tiempo de compresión, 4

Tiempo de escape, 5

Tipos de inyección, 53

Tuberías de combuslible, 46

Tubo de admisión, 26

Turbina de gases de escape, 30

Turboalimentación por gases de escape, 30

Transformación, 77

U

Unidad de montaje en el depósito, 40

V

Vacio delturbosobreafimentador, 33

Válvula AGR, 25

Válvula de admisión, 4, 49

Válvula de control de la presión , 55, 58

Válvula de control del caudal, 58

Válvula de escape. 5

Valvula de inyección a alta presión, 60

Válvula de inyección, 49

Válvula de retención, 36, 58

Válvula electromagnética de inyección, 50

Válvula regeneradora. 41

Válvulas del cilindro, 4

Variación de las fases del árbol de levas, 22

Variación del ángulo de encendido, 84

W

Washcoat, 78

Abreviaturas

A AGR: Realimentación de gases de escape

e CIFI; Cylinder Individual Fuellnjection

CO; Monóxido de carbono

CO2; Dióxido de carbono

E

EGAS: Pedal acelerador electrónico

EV; Válvula de inyección

E2; Encendido electrónico

H

HC: Hidrocarburos

HDP: Bomba de alta presión

N

NO.; Oxidos de nitrógeno

p

PMI: Punto muerto inferior

PM5: Punto muerto superior

S

5EFI : Sequential Fuel lnjection

52: Encendido por bobina

T T2; Encendido transistorizado

V

VST: Turbina variable de corredera

VTG: Geometría de turbina variable

V2: Encendido totalmente electrónico

indice de vocabulario Abreviaturas 87

I Núm. de pedido 1 987722420 I AA/POT·02.02-Es

gestion del motor de gasolina

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