tfg. alejandro castillejo calle
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Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniera de las Tecnologas Indutriales
Sistemas de Inyeccin en Motores Diesel
Autor: Alejandro Castillejo Calle
Tutor: Prof. Dr. D. Toms Snchez Lencero
Dep. de Ingeniera Energtica
Grupo de Mquinas y Motores Trmicos
Escuela Tcnica Superior de Ingeniera
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2014
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Trabajo Fin de Grado
Grado en Ingeniera de las Tecnologas Indutriales
Sistemas de Inyeccin en Motores Diesel
Autor:
Alejandro Castillejo Calle
Tutor:
Prof. Dr. D. Toms Snchez Lencero
Dep. de Ingeniera Energtica
Grupo de Mquinas y Motores Trmicos
Escuela Tcnica Superior de Ingeniera
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2014
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Trabajo Fin de Grado: Sistemas de Inyeccin en Motores Diesel
Autor: Alejandro Castillejo Calle
Tutor: Prof. Dr. D. Toms Snchez Lencero
El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:
Presidente:
Vocales:
Secretario:
Acuerdan otorgarle la calificacin de:
Sevilla, 2014
El Secretario del Tribunal
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RESUMEN
El trabajo fin de grado que se ha desarrollado se enmarca en una de las materias que
siempre ha estado vinculadas al Ingeniero Industrial desde los inicios de esta rama de la
ingeniera. Esta materia, los motores de combustin interna alternativos, ha sido objeto de
estudio desde la especialidad mecnica y la especialidad energtica aunque, actualmente,
los alumnos de Ingeniera Industrial (especialidad Energtica) reciban una formacin
mayor que los otros en torno a dichos motores.
Por tanto, este trabajo fin de grado pretende contribuir a ampliar la formacin del
autor en esta materia, contemplando aspectos que no pueden ser tratados con la
profundidad que aqu se hace durante las clases regladas de la asignatura
correspondiente. Asimismo, se integran aspectos mecnicos que son inseparables del
tema sobre el que versa el trabajo.
En este sentido, en este trabajo fin de grado se analizan los sistemas de formacin de
mezcla de los motores diesel, denominados comnmente sistemas de inyeccin de
combustible. Estos sistemas estn ntimamente ligados al proceso de combustin ya que
el desarrollo de la combustin en estos motores depende fuertemente de los parmetros
fundamentales que caracterizan la inyeccin del combustible. Es necesario tener presente
que en los motores diesel se quema una mezcla heterognea que comienza a formarse
dentro del cilindro desde el momento que penetra la primera gota de combustible pero
que, una vez producido el autoencendido y el perodo de rpida combustin, coexiste,
generalmente durante un tiempo, la formacin de la mezcla con la propia combustin y
por tanto la velocidad con la que sta progresa est condicionada por aqulla.
En el trabajo desarrollado en esta memoria se comienza analizando los principios
bsicos de la inyeccin de combustible, los elementos esenciales que constituyen los
sistemas de inyeccin de combustible y sus tipologas. Posteriormente se analizan cada
uno de los sistemas de inyeccin partiendo de los de bomba en lnea ms tradicionales
hasta los actuales ms sofisticados y precisos como el common rail que permiten
alcanzar el nivel de prestaciones (potencia/litro, consumo especfico, emisiones gaseosas
contaminantes, nivel de ruido, etc.) que el mercado y/o la legislacin actual, cada vez ms
restrictiva, requiere. Este anlisis se hace bajo una misma estructura: aplicaciones,
principio de funcionamiento y sistemas de control.
Finalmente se incluye un apartado a modo de conclusiones y aspectos que a juicio del
autor podran ser motivo de un trabajo fin de grado que completase el aqu realizado y
otro con el listado de referencias bibliogrficas consultadas.
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NDICE
Resumen vii
ndice viii
1 Introduccin 1
1.1 Planteamiento y objetivos del trabajo 1
1.2 Bosquejo histrico del motor Diesel 3
1.3 El motor diesel 5
2 Principios basicos de inyeccin del combustible 5
2.1 Tipos de camara de combustin 7
2.1.1 Motores con cmara abierta (inyeccin directa) 7
2.1.2 Motores con cmara dividida (inyeccin indirecta) 8
2.2 Distribucin de la mezcla 11
2.2.1 Factor de exceso de aire 11
2.2.2 Niveles de lambda en motores Diesel 11
2.3 Parmetros de inyeccin 13
2.3.1 Inicio de la inyeccin y suministro 13
2.3.2 Cantidad de combustible inyectado 16
2.3.3 Duracin de la inyeccin 17
2.3.4 Curva de inyeccin 19
2.3.5 Presin de inyeccin 24
3 Sistemas de inyeccin de combustible 26
3.1 Funcin 26
3.2 Suministro de combustible (etapa de baja presin) 26
3.2.1 Depsito de combustible 27
3.2.2 Lneas de transporte 27
3.2.3 Filtro de combustible 27
3.2.4 Bomba de prealimentacin 29
3.2.5 Bomba de alimentacin 29
3.3 Inyeccin (etapa de alta presin) 31
3.4 Tipos de sistemas de inyeccin 31
3.4.1 Sistemas con bomba de inyeccin en lnea 31
3.4.2 Sistemas con bombas de inyeccin rotativas 32
3.4.3 Sistemas con bombas de inyeccin individuales 33
3.4.4 Sistemas de inyeccin Common-Rail 34
4 Sistemas con bomba de inyeccin en lnea 35
4.1 Aplicaciones de las bombas de inyeccin en lnea 36
4.2 Circuito de combustible 37
4.3 Bombas de alimentacin 38
4.3.1 Bomba de alimentacin de simple efecto 39
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ix
4.3.2 Bomba de alimentacin de doble efecto 40
4.4 Constitucin 40
4.4.1 Elemento de bombeo 42
4.5 Funcionamiento de la bomba de inyeccin en lnea tipo estndar PE 44
4.5.1 Funcionamiento de la regulacin del caudal de combustible 45
4.5.2 Formas de las levas 47
4.6 Vlvulas de descarga 48
4.6.1 Estrangulador de retroceso 49
4.7 Regulador de velocidad 50
4.7.1 Regulador de maxima velocidad 50
4.7.2 Regulador de minima y mxima velocidad 51
4.7.3 Regulador de todas las velocidades 52
4.8 Variador de avance 52
4.8.1 Principio de funcionamiento 54
4.8.2 Variador de avance de excntrica 56
4.9 Lubricacin de la bomba 58
4.10 Puesta a punto de la bomba en el motor 59
5 Sistemas con bomba de inyeccin rotativa 60
5.1 Aplicaciones 60
5.2 Diseos 60
5.2.1 Control del caudal de inyeccin 61
5.2.2 Mtodo de generacin de alta presin 61
5.2.3 Tipo de sistema de control 61
5.3 Etapa de baja presin 63
5.3.1 Bomba de alimentacin de paletas 63
5.3.2 Vlvula reguladora de presin 64
5.3.3 Estrangulador de rebose 64
5.4 Bombas rotativas de mbolo axial VE 65
5.4.1 Diseo y funcionamiento 65
5.4.2 Discos de levas y formas de leva 65
5.4.3 Bomba VE con control de caudal por corredera 66
5.4.4 Bomba VE con control de caudal por electrovlvula 69
5.5 Bombas rotativas de mbolos radiales VR 71
5.5.1 Diseo 71
6 Bombas de inyeccin individuales PF 73
6.1 Aplicaciones 73
6.2 Diseo y operacin 73
6.3 Control 74
7 Sistemas con inyector unitario (UIS) 75
7.1 Instalacin y accionamiento 75
7.2 Diseo y construccin 76
7.3 Mtodo de operacin 78
7.3.1 Inyeccin principal 78
7.3.2 Preinyeccin 80
7.4 Electrovlvula de alta presin 82
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x
7.4.1 Diseo y construccin 82
Principio de operacin 82
8 Sistemas con bomba unitaria (UPS) 84
8.1 Instalacin y accionamiento 84
8.2 Diseo y construccin 85
9 Sistemas de inyeccin con acumulador Common Rail 86
9.1 Aplicaciones 87
9.2 Diseo y estructura 88
9.3 Componentes de la etapa de alta presin 89
9.3.1 Bomba de alta presin 90
9.3.2 Acumulador de alta presin 92
9.3.3 Sensor de presin 93
9.3.4 Vlvula limitadora de presin 94
9.3.5 Vlvula reguladora de presin 95
9.3.6 Inyector con electrovlvula 97
9.3.7 Inyector piezoelctrico integrado en la tubera 100
10 Toberas de inyectores 102
10.1 Toberas de inyector de tetn 103
10.2 Toberas de inyector de orificios 104
11 Regulacin electronica Diesel (EDC) 105
11.1 Sinopsis del sistema 106
11.1.1 Requisitos 106
11.1.2 Funcionamiento 107
11.1.3 Bloques del sistema 108
11.2 Procesamiento de datos 108
11.3 Control de la inyeccin 110
Conclusiones 114
Abreviaturas 115
Bibliografa 117
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1 INTRODUCCIN
1.1 Planteamiento y objetivos del trabajo
En el mbito de los sistemas de produccin de potencia los motores de combustin
interna alternativos encuentran su aplicacin en:
- la generacin de energa elctrica (motores que accionan generadores
elctricos desde potencias de menos de 1 kW hasta potencias de ms de 80 MW),
- los sistemas propulsivos (automocin, vehculos agrcolas y de obras pblicas,
martima, ferroviaria, area),
- otras aplicaciones (motobombas, motosierras, otras herramientas
motorizadas, etc.).
A partir de los aos cincuenta del pasado siglo comienza en el estado de California la
preocupacin por las emisiones gaseosas de los motores de combustin interna
alternativos de automocin y aparecen las primeras normativas para su regulacin en
dicho estado. Posteriormente, estas normativas se extienden al resto de EEUU y otros
pases como Japn y ms tarde a Europa. Las sucesivas crisis del petrleo de 1973 y la de
1979 y la preocupacin asociada por el posible agotamiento del petrleo, as como por la
contaminacin atmosfrica conduce el desarrollo de los motores, no ya slo en el campo
de la automocin si no tambin en otros campos, por el camino de la mejora integral de
todas sus prestaciones no slo de la potencia especfica (kW/l), como haba sido hasta
entonces, si no tambin del consumo especfico y de las emisiones gaseosas y sonoras. As,
la normativa que regula estos parmetros ha ido hacindose cada vez ms restrictiva y ha
supuesto un gran reto para la industria del motor ya que la reduccin conjunta de estos
parmetros (consumo y emisiones gaseosas y sonoras) y aumento de la potencia
especfica es un objetivo difcil de conjugar.
En esta hoja de ruta, la dieselizacin de la potencia instalada con motores alternativos a
nivel mundial ha crecido sobremanera en las ltimas dcadas del pasado siglo y en lo que
va de ste.
Esta dieselizacin, en el contexto expresado anteriormente, ha supuesto un acicate
notabilsimo en el desarrollo y mejora del diseo de estos motores en todas sus
aplicaciones.
Como es sabido, a causa del principio de funcionamiento de los motores diesel, el
proceso de combustin y por ende el sistema de formacin de mezcla, del que depende
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Sistemas de Inyeccin en Motores Diesel
fuertemente aqul, es de vital importancia.
Este trabajo se circunscribe en este contexto y trata de completar e integrar la
formacin del autor en este campo. No trata por tanto de presentar nada nuevo si no de
tratar de manera estructurada los sistemas de inyeccin de los motores diesel recopilando
lo publicado en distintas referencias bibliogrficas e integrndolo en un cuerpo de doctrina
con un hilo conductor. Los objetivos del trabajo pueden resumirse en dos puntos.
- Realizar una revisin ordenada e integral de los sistemas de inyeccin de los
motores diesel (parmetros que los caracterizan, principio de funcionamiento,
elementos esenciales, control) desde los ms simples a los actuales ms
sofisticados y precisos.
- Plasmar esta revisin en un documento que sirva para ampliar el conocimiento
de los alumnos de Grado en el campo de los motores diesel de una manera
sintetizada y estructurada.
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Sistemas de Inyeccin en Motores Diesel
1.2 Bosquejo histrico del motor Diesel
El motor de encendido por compresin nace el 27 de febrero de 1892 cuando el
ingeniero alemn Rudolf Diesel, a quien debe su nombre este motor, presenta en Berln su
patente.
Diesel llevaba aos trabajando en su proyecto de un motor ms eficiente que el
utilizado hasta la poca, la maquina de vapor, cuyo rendimiento energtico era
aproximadamente del 10%. Su idea era crear un motor basado en el ciclo isotrmico que,
de acuerdo a la teora del fsico francs Sadi Carnot, podra operar con una eficencia en
torno al 90%.
As, Diesel desarrollo su motor inicialmete en papel, basado en el modelo de Carnot.
Este nuevo motor sera comparativamente ms pequeo y potente. Diesel estaba
convencido de la potencia y funcionalidad de su motor.
El 23 de febrero de 1893, Diesel recibe el documento oficil de su patente Nuevo motor
trmico racional. Unos meses mas tarde alcanza un convenio con el fabricante de
motores MAN (Maschinenfabrik Augsburg-Nrnberg). Su proyecto requera alcanzar una
presin mxxima de compresin de 250 bar, pero por razones mecnicas tuvo que
reducirse a 30 bar, lo que naturalmente tendra un efecto perjudicial en la combustin. Su
primera idea era utilizar carbn pulverizado como combustible. Ese mismo ao comienzan
la construccin del motor, finalmente utilizando como combustible el queroseno.
En 1897, con su tercer modelo ensayado, consiguieron demostrar la alta eficiencia de
este motor, un 26.2%. En este modelo el combustible se intruduca en el cilindro mezclado
con aire mediante un compresor.
A finales del siglo XIX, el motor de Diesel ya se utilizaba en la industria y en algunas
locomotoras. En 1903 se contruy el primer barco movido por un motor diesel. Sin
embargo, este motor an no se poda utilizar en vehculos por ser demasiado grande,
pesado y ruidoso, debido principalmente a la compleja instalacin que requera el sistema
utilizado para inyectar el combustible.
En 1922, el tcnico alemn Robert Bosh decidi desarrollar su propio sistema de
inyeccin para motores Diesel. En 1925 consigui culminal su proyecto con la bomba de
inyeccin en lnea y en 1927 comenz la fabricacin en serie de sta.
La bomba inyectora diseada por Bosch permiti el uso por primera vez del motor
diesel en vehculos. El primero fue un camin fabricado por MAN. Este llevaba un sistema
de inyeccin directa al cilindro, lo que provocaba que el motor tuviera una mala
combustin con excesivas vibraciones y ruidos.
No fue hasta 1936 cuando se fabric por primera vez un coche propulsado por un
motor diesel, el Mercedes-Benz 260D. Consegua dar una potencia de 33 kW (45 CV) con
un consumo de 9.5 l/100km. Este motor tena como novedad la inyeccin en una cmara
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Sistemas de Inyeccin en Motores Diesel
de precombustin. Con esto se consigui mejorar la combustin y reducir el ruido del
motor, haciendo factible su uso en la automocin.
La bomba de inyeccin en lnea fue el sistema de inyeccin utilizado en los motores
diesel durante muchos aos. A medida que se desarrollaba el campo de la aotomocin se
haca cada vez mas preciso desarrollar un sistema de inyeccin ms avanzado, pues la
bomba en lnea no consegua dar al motor la aceleracin y respuesta suficientes para
poder competir contra los motores de gasolina de la poca. As en 1962 Bosch cre un
nuevo prototipo de bomba inyectora que consegua satisfacer estos requisitos, la bomba
rotativa.
El desarrollo de las bombas rotativas, debido principalmente a la incorporacin de la
electrnica y el aumento de la presin de inyeccin, hizo que los automviles con motor
Diesel fueran ganando cada vez mas peso en el mercado.
El desarrollo de los sistemas de inyeccin ya no solo estaba impulsado por mejorar el
rendimiento del motor. Tambin deba hacer frente a las resticciones sobre emisiones
contaminantes, cada vez ms exigentes.
En la actualidad existen sistemas que son capaces de controlar la inyeccin de forma
totalmente electrnica, con presiones de inyeccin muy elevadas. Solo as se consigue
cumplir la legislacin vigente sobre emisiones.
Con el desarrollo de los sistemas de inyeccin y la incorporacin del uso del
turbocompresor, los automvles con motor Diesel han conseguido prcticamente igualar
en prestaciones a los de gasolina. Por esto y su mayor eficiencia, el Diesel esta cada vez
ms extendido y en los ltimos aos ha llegado a superar en ventas a los automviles con
motor de gasolina.
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Sistemas de Inyeccin en Motores Diesel
1.3 El motor diesel
El motor diesel es un motor de combustin interna alternativo de encendido por
compresin. La combustin de la mezcla se inicia por el autoencendido del combustible
que tras ser inyectado en la cmara de combustin al final de la fase de compresin se ha
evaporado y mezclado con el aire.
Los motores Diesel son los motores de combustin interna alternativos ms eficientes,
pudiendo sobrepasar un rendimiento del 50% en el caso de los grandes motores lentos.
El menor consumo de combustible tiene como resultado un menor nivel de
contaminacin, esto destaca la importancia del motor diesel.
Pueden ser diseados para trabajar con un ciclo de 2 o de 4 tiempos dependiendo de
su aplicacin. En la automocin casi siempre se usa el de 4 tiempos; las principales
aplicaciones del de 2 tiempos son en el campo naval y el ferroviario, y en los motores
estacionarios para la generacin de energa elctrica. El mayor motor de combustin
interna alternativo existente es un motor diesel de 2 tiempos sobrealimentado de 14
cilindros con una potencia que supera los 80 MW y un rendimiento superior al 50%
(Wrtsil RT-flex 96C).
2 PRINCIPIOS BASICOS DE INYECCIN DEL
COMBUSTIBLE
El proceso de combustin en el motor diesel que influye fuertemente en factores tales
como el rendimiento, las emisiones de los gases de escape y el nivel de ruido, depende en
gran medida de cmo se prepara la mezcla aire-combustible.
Los parmetros de la inyeccin ms influyentes en la calidad de la mezcla formada son
principalmente:
Inicio de la inyeccin
Curva de inyeccin y duracin de la inyeccin
Presin de inyeccin
Nmero de inyecciones
En los motores diesel, los gases de escape y el ruido de la combustin, se pueden
reducir en gran parte con medidas dentro del motor, es decir, controlando el proceso de
combustin.
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Sistemas de Inyeccin en Motores Diesel
Hasta la los aos 1980 la cantidad de combustible inyectado y el inicio de la inyeccin
eran controlados nicamente de forma mecnica. Sin embargo, el compromiso con la
limitacin de emisiones requiere una alta precisin de los parmetros de inyeccin (pre-
inyeccin, inyeccin principal, cantidad de combustible inyectada, presin de inyeccin y
comienzo de la inyeccin) adaptados al estado de operacin del motor. Esto slo es
posible utilizando una unidad de control electrnico ECU (Electronic Control Unit) que
calcula los parmetros de inyeccin en funcin de otros parmetros externos como:
temperatura, velocidad del motor, carga, altitud, etc. El control electrnico EDC (Electronic
Diesel Control) se ha extendido de forma general en los motores diesel.
Las normativas sobre emisiones de los gases de escape en el futuro sern cada vez ms
estrictas, por lo que habr que introducir ms medidas para minimizar la contaminacin.
Las emisiones, adems del ruido de la combustin, pueden continuar reducindose
usando presiones de inyeccin ms altas, como las que se consiguen con el sistema
bomba-inyector unitario UIS (Unit Inyector System), y con una curva inyeccin ajustable
independientemente de la presin de acumulacin, como ocurre en el sistema common-
rail.
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Sistemas de Inyeccin en Motores Diesel
2.1 Tipos de camara de combustin
La forma de la cmara de combustin es uno de los factores determinantes en la
calidad de la combustin y, por tanto, del rendimiento del motor y las caractersticas de
los gases de escape. Con el diseo adecuado de la cmara de combustin y el movimiento
del pistn se puede conseguir crear turbulencias en el interior del cilindro y as mejorar la
formacin de la mezcla aire/combustible.
Segn el diseo de la cmara de combustin, los moteres se dividen en dos tipos:
Moteres con cmara de combustin abierta o de inyeccin directa (el
combustible se inyecta directamente en la cmara de combustin).
Motores con cmara de combustin dividida o de inyeccin indirecta (la
inyeccin tiene lugar en la precmara o cmara de turbulencia).
2.1.1 Motores con cmara abierta (inyeccin directa)
Una cmara de combustin abierta es aquella en la que el espacio de combustin no
contiene restricciones suficientemente pequeas como para producir diferencias grandes
de presin entre partes diferentes de la cmara durante el proceso de combustin.
En la cmara abierta la formacin de la mezcla aire/combustible depende unicamente
de las caractersticas del chorro y del movimiento del aire dentro del cilindro. Por este
motivo, este tipo de motores son muy sensibles a la pulverizacin del combustible, que
debe ajustarse con precisin para asegurar una mezcla rpida. La formacin de la mezcla
se ve favorecida por el uso de altas presiones de inyeccin y la subdivisin del chorro. En el
caso de los motores de gran velocidad (cilindros pequeos), se favorece el proceso de
mezcla mediante la creacin de swirl (movimiento de remolino provocado por la inercia
del aire que entra al cilindro (Figura 1, segunda imagen)) y squish (movimiento del aire al
entrar en el hueco del cilindro, donde se reduce el dimetro de la cmara). El movimiento
del aire favorece la homogeneizacin de la mezcla y acelera el proceso de combustin.
En los motores de mayor tamao, la cantidad de movimiento y la energa del chorro
son suficientes para alcanzar una distribucin del combustible y velocidad de mezcla
adecuadas.
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Sistemas de Inyeccin en Motores Diesel
Figura 1. Tipos frecuentes de cmaras de combustin abiertas de motores de encendido por compresin,
(Heywood)
2.1.2 Motores con cmara dividida (inyeccin indirecta)
Una cmara de combustin dividida es aquella en la que el espacio de combustin se
halla dividido en dos compartimentos distintos, entre los que hay un estrechamiento
suficientemente pequeo para que existan diferencias apreciables de presin entre ellos
durante el proceso de compresin y combustin.
A la parte de la cmara en la que se encuentra el pistn se le conoce por el nombre de
cmara principal y a la otra con el nombre de precmara o antecmara.
En este tipo de cmara de combustin la homogeneizacin de la mezcla est
fundamentalmente encomendada al propio fluido, como consecuencia de la importante
turbulencia que aparece durante el trnsito del fluido, a travs del estrechamiento. El
sistema de inyeccin juega en este caso un papel secundario, siendo, en general el
inyector de orificio nico e inyectado el combustible en la precmara a una presin
comparativamente baja.
Durante la compresin el aire se introduce en la precmara, generndose turbulencia a
su paso a travs del orificio de comunicacin entre la cmara principal y la precmara. Al
inyectarse el combustible en la precmara la turbulencia favorece la mezcla.
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9
Sistemas de Inyeccin en Motores Diesel
Figura 2. Cmaras de combustin divididas tpicas de motores de encendido por compresin: a) con
cmara arremolinadota Ricardo Comet; b) con precmara Mercedes, (Heywood)
Las cmaras de combustin divididas han sido muy utilizadas en en los motores de
automvil y maquinaria agrcola e industrial de pequea o media cilindrada, ya que con los
sistemas de inyeccin tradicionales era la nica forma de reducir las emisiones de ruido y
gases contaminantes. Con el desarrollo de los sistemas de inyeccin (mayor presin de
inyeccin y precisin) se ha podido implantar en estos motores la inyeccin directa, que ya
se usaba desde un principio en los motores de gran cilindrada, consiguendo un mejor
rendimiento.
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2.2 Distribucin de la mezcla
2.2.1 Factor de exceso de aire
El factor de exceso de aire (lambda) indica el grado en que la mezcla aire/combustible
se desva de la relacin msica estequiomtrica. Se calcula como la relacin entre la masa
de aire introducida y la masa de aire requerida para la combustin estequiometrica:
= 1: La masa de aire introducida es igual a la masa de aire terica requerida
para la combustin completa de todo el combustible inyectado.
< 1: La masa de aire introducida es menor que la cantidad requerida y por lo
tanto se tiene una mezcla rica.
> 1: La masa de aire introducida es mayor que la cantidad requerida y por lo
tanto se tiene una mezcla pobre.
2.2.2 Niveles de lambda en motores Diesel
Las zonas en las que hay una mezcla rica son las responsables de la formacin de
partculas durante la combustin. Para prevenir esto, en los motores Diesel (al contrario
de lo que ocurre en los de gasolina) tienen que funcionar con un exceso de aire.
Los niveles de lambda en motores sobrealimentados a plena carga se encuentran entre
1,15 y 2,0. En ralent y en vaco, lambda se encuentra por encima de 10.
El factor de exceso de aire es el principal responsable del autoencendido y de la
formacin de gases contaminantes.
Los motores Diesel operan con formacin de mezcla heterognea y autoencendido. No
es posible lograr una mezcla completamente homognea de combustible y aire antes o
durante la combustin. Dentro de esa mezcla heterognea el factor de exceso de aire
puede variar de forma localizada desde =0 (solo combustible) en el chorro cerca del
inyector, hasta = (solo aire) en el otro extremo del chorro. Alrededor una gota de
liquido envuelta en vapor, los niveles de se encuentran entre 0,2 y 1,5 (Figuras 3 y 4).
Por esto, se puede deducir que mejorando la atomizacin (alto nmero de gotas muy
pequeas), con alto exceso de aire y el movimiento adecuado del flujo de aire, se consigue
reducir las zonas localizadas con bajo lambda. Esto da como resultado menos formacin
de partculas durante la combustin.
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Principios basicos de inyeccin del combustible
12
La atomizacin se consigue optimizar con altas presiones de inyeccin de hasta 2200
bar que se consiguen con los sistemas Common Rail y con inyector-bomba.
Por otro lado, se trata de obtener la mxima potencia posible de un motor de un cierto
tamao, o lo que es lo mismo, reducir su tamao para una determinada potencia, y as
reducir su peso y coste. Para esto el motor debe funcionar con el mnimo exceso de aire
posible a plena carga. Esto lleva a buscar el ptimo que cumpla con las emisiones mximas
permitidas por la legislacin vigente obteniendo el mximo rendimiento posible del
motor.
Figura 3. Curva relacin aire/combustible en una
gota esttica (Robert Bosch GmbH)
Figura 4. Curva relacin aire/combustible en una
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Principios basicos de inyeccin del combustible
13
gota en movimiento (Robert Bosch GmbH)
2.3 Parmetros de inyeccin
2.3.1 Inicio de la inyeccin y suministro
Inicio de la inyeccin
El punto en el que se inyecta el combustible dentro de la cmara de combustin tiene
un efecto decisivo sobre el instante en el que se inicia la combustin de la mezcla, y por lo
tanto, sobre el nivel de emisiones, el consumo de combustible y el ruido de la combustin.
Por este motivo, el inicio de la inyeccin juega el papel ms importante en la optimizacin
del rendimiento del motor.
El inicio de la inyeccin especifica la posicin del cigeal, en grados con respecto a la
posicin del mismo en el PMS (Punto Muerto Superior), en la que abre la tobera del
inyector y se inyecta el combustible dentro de la cmara.
La posicin del pistn relativa al PMS en ese momento, adems de la densidad y
temperatura del aire, influye en el flujo de aire dentro de la cmara de combustin. De
acuerdo a esto, el grado de mezcla de aire y combustible depende tambin del inicio de la
inyeccin. Por tanto, el inicio de la inyeccin afecta a las emisiones de elementos como
partculas, xidos de nitrgeno (NOx), hidrocarburos inquemados (HC) y monxido de
carbono (CO).
El punto de inicio de inyeccin vara de acuerdo a la carga, la velocidad y la temperatura
del motor. Para cada motor se determinan unos valores optimizados, teniendo en cuenta
su impacto sobre el consumo de combustible, las emisiones contaminantes y el ruido.
Estos valores se almacenan en un mapa de inicio de inyeccin (Figura 5 ). La variacin del
inicio de inyeccin dependiendo de la carga se controla tambin a travs de dicho mapa.
Comparado con los sistemas controlados por leva, el common-rail ofrece un mayor
grado de libertad para elegir la cantidad, el instante y la presin de inyeccin. Como la
presin del combustible se genera por una bomba de alta presin separada y la inyeccin
se controla por un solenoide o un actuador piezoelctrico, es posible optimizar la
inyeccin para cada punto de operacin con el sistema de control del motor.
Valores estndar para el inicio de la inyeccin
En un mapa de datos de un motor diesel, los puntos ptimos de inicio de la combustin
para reducir el consumo de combustible se encuentran en el rango de 0 a 8 grados del
cigeal antes del PMS. Como resultado, y en base a los lmites legales de emisiones de los
gases de escape, los puntos de inicio de inyeccin se sitan en los siguientes rangos
orientativos:
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Principios basicos de inyeccin del combustible
14
Motores de automvil de inyeccin directa:
En vacio: entre -2 y 4 (2 grados en el cigeal antes del PMS y 4 grados
despus del PMS)
Carga parcial: entre -6 y 4
Plena carga: entre -15 y -6
Motores de vehculos comerciales (sin EGR)
En vaco: entre -12 y -4
Plena carga: entre -6 y 2
Cuando el motor esta fro, el inicio de la inyeccin tanto para motores de automvil
como de vehculos comerciales se adelanta ente 3 y 10. El tiempo de la combustin a
plena carga equivale a un ngulo de giro del cigeal de entre 40 y 60.
Inicio de la inyeccin avanzado
La mayor temperatura alcanzada durante la compresin se da un poco antes del PMS
del pistn. Si la combustin se inicia mucho antes del PMS, la presin crece bruscamente y
acta como una fuerza que se opone a la carrera de ascenso del pistn. La perdida de
calor en el proceso disminuye la eficiencia del motor y, por tanto, aumenta el consumo de
combustible. La elevacin brusca de la presin de compresin hace tambin que la
combustin sea ms ruidosa.
El mayor incremento de temperatura como consecuencia del inicio de inyeccin
avanzado tiene como consecuencia un aumento de los niveles de NOx en los gases de
escape y reduccin de los HC (Figura 6).
Inicio de la inyeccin retardado
En condiciones de baja carga, el inicio de la inyeccin retardado puede dar como
resultado una combustin incompleta y, por tanto, un incremento en las emisiones de
hidrocarburos inquemados y de monxido de carbono, ya que la temperatura en la
cmara de combustin desciende notablemente.
El compromiso para compensar, por un lado, el consumo especifico de combustible y
las emisiones de hidrocarburos, y por el otro, las emisiones de partculas y NOx, hacen que
la tolerancia sea muy pequea cuando se modifica el inicio de inyeccin para ajustarlo a
un determinado motor (Figura 6).
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Principios basicos de inyeccin del combustible
15
Comienzo del suministro
Adems del inicio de la inyeccin, el inicio del suministro es otro aspecto que a menudo
hay que considerar. Esto se refiere al punto en el que la bomba de inyeccin comienza a
suministrar combustible al inyector.
En los sistemas de inyeccin antiguos, el inicio del suministro juega un papel
importante a la hora de ajustar una bomba en lnea o rotativa a un determinado motor. La
sincronizacin entre la bomba y el motor se fija al inicio del suministro, ya que ste es ms
fcil de definir que el punto real de inicio de inyeccin, el cual tiene lugar con un cierto
retraso con respecto al inicio del suministro (injection lag). Se puede fijar de esta forma
porque hay una relacin definida entre ambos, que se puede medir por tiempo o por el
ngulo barrido por el cigeal.
El retraso de la inyeccin es el resultado del tiempo que tarda la onda de presin en
recorrer el trayecto entre la bomba de alta presin y la tobera del inyector, y por lo tanto,
depende de la longitud de la lnea. Para distintas velocidades del motor, el retraso de la
inyeccin medido en ngulos del cigeal es distinto.
Adems del retaso en la inyeccin tambin existe un retraso en el autoencendido
despus del instante en que se inyecta el combustible (ignition lag). Tambin se hace
mayor, medido en ngulo barrido por el cigeal, a medida que aumenta la velocidad de
giro del motor.
Figura 5. Inicio de la inyeccin en funcin de la
velocidad del motor y la carga, (Robert Bosch
GmbH)
Figura 6. Emisiones de NOx y HC en funcin del
inicio de inyeccin, (Robert Bosch GmbH)
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Principios basicos de inyeccin del combustible
16
Para compensar ambos efectos el sistema de inyeccin debe ser capaz de ajustar el
inicio del suministro en respuesta a la velocidad, la carga y la temperatura del motor.
2.3.2 Cantidad de combustible inyectado
La masa de combustible, , que requiere un cilindro del motor por cada carrera de
trabajo (una cada dos revoluciones en el caso de los motores de 4 tiempos) se calcula
usando la siguiente ecuacin:
donde:
P = potencia del motor [kW]
= consumo especifico de combustible del motor [g/kWh]
n= velocidad de giro del motor [rpm]
= numero de cilindros del motor
El volumen correspondiente (cantidad de combustible inyectado), , medido en
o se calcula con la ecuacin:
es la densidad del combustible en , que depende de la temperatura.
La potencia del motor, asumiendo que el rendimiento es constante ( ) es
directamente proporcional a la cantidad de combustible inyectado.
La masa de combustible inyectado depende de los siguientes parmetros:
Dosificacin de combustible a travs de la seccin de la tobera del inyector
Duracin de la inyeccin
La variacin temporal de la diferencia entre la presin de inyeccin y la presin
en la cmara de combustin
La densidad del combustible
La desviacin entre la cantidad de combustible de referencia programada en el mapa y
la cantidad real inyectada, influye directamente sobre el rendimiento y las emisiones
contaminantes. En los sistemas de inyeccin de alta precisin controlados
electrnicamente, la cantidad requerida de combustible a inyectar se puede medir con un
alto grado de precisin.
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Principios basicos de inyeccin del combustible
17
2.3.3 Duracin de la inyeccin
Uno de los principales parmetros de la curva inyeccin es la duracin de la inyeccin.
Durante este periodo, la tobera del inyector est abierta y el combustible fluye dentro de
la cmara de combustin. Este parmetro se especifica en grados del cigeal o del rbol
de levas, o en milsimas de segundo. Diferentes procesos de inyeccin requieren
diferentes duraciones de la inyeccin, como por ejemplo:
En automviles con motores de inyeccin directa la duracin es de
aproximadamente 32-38 de giro del cigeal
En automviles con motores de inyeccin indirecta, aproximadamente 35-40
En vehculos comerciales con motores de inyeccin directa, aproximadamente
entre 25-36
Un ngulo de 30 en el cigeal equivale a 15 en el rbol de levas (motores de 4
tiempos). Una velocidad de 2000 rpm en la bomba inyectora, equivale a una duracin de
la inyeccin de 1,25 ms.
Con el objetivo de minimizar el consumo de combustible y las emisiones, la duracin de
la inyeccin debe ser definida en funcin del punto de operacin y del inicio de la
inyeccin. En la Figura 7 se muestra aproximadamente el efecto de el inicio y la duracin
de la inyeccin sobre el consumo de combustible y las principales emisiones
contaminantes.
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Principios basicos de inyeccin del combustible
18
Figura 7. Consumo de combustible y principales emisiones en funcin del la duracionn y el inicio de la
inyeccin, (Robert Bosch GmbH)
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Principios basicos de inyeccin del combustible
19
2.3.4 Curva de inyeccin
La curva de inyeccin representa grficamente el flujo msico de combustible frente al
tiempo en el que es inyectado en la cmara de combustin (Figura 8).
Figura 8. Curvas de inyeccin de un sistema de convencional (izquierda) y de un sistema Common Rail (derecha),
(Robert Bosch GmbH)
Sistemas controlados por leva
En los sistemas de inyeccin de combustible controlados por leva, la presin se genera
continuamente a lo largo del proceso por la bomba inyectora. As, la velocidad de la
bomba repercute directamente en la tasa de suministro de combustible y, por tanto, en la
presin de inyeccin.
Las bombas inyectoras en lnea y las bombas rotativas controladas mecnicamente no
permiten realizar una preinyeccin. Sin embargo, con un montaje de tobera y porta
inyector con dos muelles, se puede reducir el caudal al inicio de la inyeccin para mejorar
el ruido de la combustin.
S es posible la preinyeccin en las bombas rotativas controladas por electrovlvulas.
Tambin hay sistemas con unidad bomba-inyector equipados con control hidrulico y
mecnico que permiten la preinyeccin, pero con un lmite de tiempo.
En todo caso, en estos sistemas, la generacin de presin y el suministro de la cantidad
de combustible inyectado estn vinculados con la leva y la bomba inyectora. Esto
repercute en las caractersticas de la inyeccin en:
Al aumentar la velocidad del motor, se incrementa la presin de inyeccin y la
cantidad de combustible inyectado, hasta alcanzar la presin mxima.
La presin se eleva al inicio de la inyeccin, pero antes del final de la inyeccin,
en el instante en que termina el suministro, desciende hasta llegar al valor en el
que cierra la tobera.
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Principios basicos de inyeccin del combustible
20
Eso tiene las siguientes consecuencias:
Se inyectan pequeas cantidades de combustible a baja presin.
La curva de inyeccin tiene una forma aproximadamente triangular.
La curva triangular favorece la combustin en rgimen de carga parcial y baja velocidad
del motor, ya que la elevacin de la presin en la cmara de combustin es menos
pronunciada y esto hace que la combustin sea ms silenciosa; sin embargo esta curva no
favorece la combustin a plena carga, donde se consigue un funcionamiento ms eficiente
con una curva con forma ms cuadrada.
En los motores de inyeccin indirecta (con pre-cmara), se utilizan inyectores de tetn
para producir un nico chorro y definir la curva de inyeccin. Este tipo de toberas de
inyeccin controla la seccin transversal de salida en funcin de la elevacin de una aguja.
Esto provoca un incremento de presin gradual y, por tanto, una combustin algo ms
silenciosa.
Sistemas common-rail
En estos sistemas una bomba genera la presin necesaria en el combustible
independientemente del ciclo de inyeccin. Esta presin se mantiene prcticamente
constante durante el proceso de inyeccin. En un sistema con una determinada presin, la
cantidad de combustible inyectado es proporcional al tiempo que el inyector permanece
abierto, y esto es independiente de la velocidad del motor o de la bomba.
Esto tiene como resultado una curva de inyeccin casi cuadrada con inyecciones de
corta duracin y casi constantes, con altas velocidades de pulverizacin a plena carga que
permiten incrementar la potencia especifica del motor.
Sin embargo, un alto caudal al principio de la inyeccin (durante el retraso de
encendido) no es beneficioso, en el sentido en que hace que la presin en la cmara de
combustin crezca bruscamente y el proceso de combustin sea ms ruidoso. Por eso,
como la inyeccin se puede controlar de forma precisa, se pueden realizar hasta dos
preinyecciones. Con esto se consigue preacondicionar la cmara de combustin, haciendo
que la presin crezca de forma ms progresiva, reduciendo el tiempo de retraso de la
inyeccin y, por tanto, consiguiendo reducir al mnimo el ruido de la combustin y la
formacin de NOx.
Esto es posible debido al control electrnico sobre los inyectores que permite variar la
curva de inyeccin en funcin de las condiciones de operacin.
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Principios basicos de inyeccin del combustible
21
Funciones de la inyeccin
Dependiendo de la aplicacin para la que est destinado el motor, se requieren las
siguientes funciones (Figura 9):
Pre-inyeccin (1): reduce el ruido de la combustin y las emisiones de NOx,
especialmente en los motores de inyeccin directa.
Gradiente positivo de inyeccin durante la inyeccin principal (3): reduce
emisiones de NOx en motores sin vlvula EGR.
Gradiente de presin en dos etapas (4): durante la inyeccin principal reduce
las emisiones de NOx y partculas en motores sin EGR.
Alta presin constante durante la inyeccin principal (3,7): reduce las emisiones
de partculas durante la operacin en motores con EGR.
Inyeccin secundaria avanzada (8): reduce las emisiones de partculas.
Inyeccin secundaria avanzada (9).
Figura 9. Patrones de inyeccin (Robert Bosch GmbH)
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Principios basicos de inyeccin del combustible
22
Pre-inyeccin
Consiste en la inyeccin de una pequea cantidad de combustible (aprox. 1 mg), que se
quema durante la fase de compresin. Con esto se consigue que aumente la presin y la
temperatura en el punto en el que se produce la inyeccin principal, con lo cual se reduce
el retardo de encendido de la inyeccin principal. Se reduce el aumento de la presin de
combustin y los picos de presin, lo que se traduce en una combustin ms suave y
menos ruido del motor. Esto adems tiene un efecto positivo sobre la reduccin del
consumo y de las emisiones contaminantes (NOx fundamentalmente).
La inyeccin previa contribuye indirectamente, a la generacin de par motor, mediante
la reduccin del retardo de encendido. En funcin del comienzo de la inyeccin principal y
de la separacin entre la inyeccin previa y la inyeccin principal, puede aumentar o
disminuir el consumo especfico de combustible.
Por otro lado, las altas temperaturas en la cmara de combustin son favorables para
el arranque en frio y cuando el motor trabaja en el rango de baja carga, ya que estabilizan
la combustin y reducen las emisiones de HC y CO.
De nuevo se presenta un compromiso entre la reduccin de ruido y de las emisiones de
NOx, lo que hace que haya que ajustar el intervalo entre pre-inyeccin e inyeccin
principal, y la cantidad de combustible pre-inyectado en funcin del punto de operacin.
Figura 10. Efecto de la preinyeccin en la presion de la cmara de
combustin, (Robert Bosch GmbH)
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Principios basicos de inyeccin del combustible
23
Inyeccin secundaria retardada
Esta fase trascurre tras la inyeccin principal, durante la carrera de expansin o de
escape (hasta 200 del cigeal despus del PMS). Se inyecta una cantidad precisa de
combustible en los gases de escape. El combustible inyectado en esta etapa no
combustiona, pero se evapora por el calor residual de los gases de escape. La mezcla
resultante se expulsa durante la carrera de escape.
La combustin de los hidrocarburos de esta mezcla genera tambin un incremento de
la temperatura de los gases de escape por la oxidacin en el acumulador cataltico. Esta
medida tiene como objetivo regenerar el filtro de partculas y el acumulador de NOx.
Inyeccin secundaria avanzada
En los sistemas common-rail, la inyeccin secundaria
transcurre directamente despus de la inyeccin
principal cuando an se est produciendo la
combustin. Esto hace que se quemen las partculas de
holln, consiguiendo reducir estas emisiones entre un
20 y un 70%.
Caractersticas del timing de los sistemas de inyeccin
La figura 11 representa un ejemplo de una bomba
rotativa de mbolos radiales. La posicin de la leva
determina el inicio del suministro, cuando el
combustible sale desde la bomba hacia el inyector. Se
observa que la presin y los parmetros de inyeccin
varian notablemente entre la bomba y el inyector.
Estos parmetros estn determinados por las
caractersticas de los componentes que controlan la
inyeccin (leva, bomba, vlvula de alta presin, tuberas
y toberas). Por este motivo, el sistema de inyeccin
debe ser ajustado con precisin a cada motor.
Estas caractersticas son similares en todos los
simtemas de inyeccin en los que la presin es
generada por un mbolo (bombas de inyeccin en
lnea, inyectores unitarios y bombas unitarias).
Figura 11. Patrones de inyeccin en sistemas de accionamiento por leva
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Principios basicos de inyeccin del combustible
24
Volumen perjudicial en sistemas de inyeccin convencionales
El trmino volumen perjudicial se refiere al volumen en el lado de alta presin de los
sistemas de inyeccin (lado de alta presin de la bomba inyectora, tuberas de alta presin
y el volumen del inyerior de la tobera y el portainyector. En cada inyeccin, este volumen
es comprimido y descomprimido. Como resultado de esto, hay una prdida de compresin
y por lo tanto retraso de la inyeccin. El combustible que se encuentra en las tuberas es
comprimido por el proceso dinmico generado por la onda de presin. En la Figura 11,
representa el tiempo que tarda el combustible en pasar a travs de la lnea.
Cuanto mayor sea este volumen, peor ser la eficiencia hidrulica del sistema de
inyeccin. Por eso, cuando se disea un sistema de inyeccin la principal consideracin es
reducir el volumen perjudicial lo mximo posible. Los sistemas con inyector unitario o
inyector-bomba son los que tienen menor volumen perjudicial, ya que se elimina el
volumen de la tubera entre a bomba y el inyector.
Para garantizar el control uniforme del motor, el volumen perjudicial debe ser igual
para todos los cilindros.
2.3.5 Presin de inyeccin
La presin generada en el sistema de inyeccin tiene como finalidad que el combustible
salga del inyector en forma de chorro. Un sistema con alta presin de inyeccin consigue
que el chorro salga ms pulverizado. La colisin del combustible pulverizado con el aire en
el interior de la cmara de combustin causa la atomizacin del combustible. As, cuanto
mayor sea la velocidad relativa entre el combustible y el aire, y mayor sea la densidad del
aire, mejor ser la atomizacin del combustible. La presin de inyeccin en la tobera
puede ser mayor que a la salida de la bomba, debido que en el tramo de tubera se refleja
la onda de presin.
Motores de inyeccin directa (DI)
En los motores Diesel de inyeccin directa, la velocidad del aire en la cmara de
combustin es relativamente lenta, ya que slo se mueve a causa del momento de inercia
de su masa. Esto genera un movimiento en forma de remolino dentro del cilindro (swirl).
La carrera de compresin del pistn intensifica el moviento del aire dentro del cilindro al
forzarlo a entrar en el hueco del pistn, de menor dimetro que el cilindro (squish). A
pesar de esto, en movimiento del aire el menor que en los motores con cmara dividida.
Debido al menor flujo de aire, el combustible debe ser inyectado a mayor presin (la
presin mxima de pico puede estar entre 1000 y 2200 bar). Sin embargo, a excepcin de
los sistemas Common Rail, esa presin mxima de pico slo se alcanza a altos regmenes
-
Principios basicos de inyeccin del combustible
25
de giro del motor.
Un factor decisivo para obtener una curva de par ideal con bajo nivel de emisiones de
partculas, es conseguir inyectar el combustible a alta presin cuando el motor funciona a
baja velocidad y plena carga. Como la densidad del aire a baja velocidad es relativamente
baja, se debe limitar la presin mxima de inyeccin para evitar la deposicin del
combustible en las paredes del cilindro. Por encima de las 2000 rpm aproximadamente se
llega a la mxima presin del aire de entrada, y la presin de inyeccin se puede
incrementar.
Para obtener la mxima eficiencia del motor, el avance de la inyeccin de debe ajustar
en funcin de la velocidad del motor. A altas velocidades del motor se requiere una
presin de inyeccin alta para poder acortar la duracin de la inyeccin.
Figura 12. Influencia del inicio y de la presin de inyeccin en el consumo
de combustible y en las emisiones de partculas y NOx, (Robert Bosch
GmbH)
Motores con inyeccin indirecta (IDI)
En los motores diesel con cmara de combustin dividida, la elevacin de presin
durante la combustin expulsa la carga fuera de la precmara o cmara de turbulencia,
asemejndose a una inyeccin neumtica. Este proceso transcurre a alta velocidad en la
cmara de turbulencia y en su salida a la cmara de combustin principal.
-
26
3 SISTEMAS DE INYECCIN DE
COMBUSTIBLE
3.1 Funcin
El sistema de inyeccin es el responsable de suministrar el combustible al motor. Se
compone de una etapa de baja presin y otra de alta, en la que se encuentra la bomba
inyectora; sta genera la presin de inyeccin requerida y suministra el combustible al
circuito de alta presin. A su vez, la bomba inyectora es alimentada a travs del circuito de
baja presin, encargado de transportar el combustible desde el depsito y filtrarlo para
garantizar que entre en el circuito de alta presin libre de impurezas y humedad.
3.2 Suministro de combustible (etapa de baja presin)
La funcin del sistema de suministro de combustible (tambin denominado sistema de
alimentacin) es almacenar y filtrar el combustible requerido y abastecer de ste al
sistema de inyeccin a la presin de operacin requerida. Adems se encarga del retorno
del combustible sobrante al depsito de combustible y, en algunos casos, la refrigeracin
de ste antes de devolverlo al depsito.
El sistema de alimentacin puede variar dependiendo del tipo de sistema de inyeccin
y las caractersticas de la bomba inyectora. A continuacin de relacionan los componentes
esenciales del sistema, que ms adelante sern descritos detalladamente.
- Depsito de combustible
- Bomba de prealimentacin (opcional, puede ir en el interior del depsito de
combustible)
- Filtro preliminar (situado en el interior del depsito de combustible, por donde se
aspira el combustible)
- Unidad de refrigeracin del combustible de retorno (opcional)
- Filtro principal de combustible
- Bomba de alimentacin de combustible (baja presin)
- Vlvula limitadora de presin (suele ir integrada en la bomba de alimentacin)
- Conductos de baja presin
- Unidad de control
En sistemas de inyeccin con bomba rotativa y en algunos casos en sistemas Common
Rail, la bomba de alimentacin de combustible est integrada en la bomba de alta presin.
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Sistemas de inyeccin de combustible
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Figura 13. Sistema de inyeccin de combustible con bomba de inyeccin en lnea, (Robert Bosch GmbH)
3.2.1 Depsito de combustible
El depsito de combustible debe ser resistente a la corrosin, adems de a prueba de
fugas para presiones superiores al doble de la de operacin y de al menos 0.3 bar de
sobrepresin y disponer de vlvulas de seguridad para el escape de los gases en caso de
que haya sobrepresin. El diseo debe tener en cuenta que no se produzcan fugas cuando
el vehculo, en su caso, se incline y en caso de sacudidas y de impactos. Por ltimo, debe ir
separado del motor, en un lugar en el que se prevenga la ignicin del combustible en caso
de accidente.
3.2.2 Lneas de transporte
Compuestos por tubos de metal, flexibles e ignfugos. As mismo tienen que estar
preparados para no sufrir daos ante movimientos de torsin del bastidor, movimientos
del motor o similares.
Todos los elementos del sistema de transporte de combustible deben estar previstos
para evitar daos en operacin provocados por incrementos de temperatura.
3.2.3 Filtro de combustible
Su funcin es garantizar un nivel pureza del combustible que evite daos en el sistema
de inyeccin. Su diseo depende del tipo de sistema de inyeccin y de las condiciones de
operacin, es ms exigente para sistemas que trabajen a presiones ms elevadas como el
common-rail.
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Sistemas de inyeccin de combustible
28
El sistema completo de filtrado se compone de:
- Filtro preliminar:
Situado en el interior del depsito, filtra el combustible antes de su entrada en la
bomba de alimentacin previa. Est formado por una malla capaz de filtrar
partculas de hasta 300 m.
- Filtro principal:
Las pequeas partculas slidas presentes en el combustible quedan atrapadas en
el filtro, por eso tiene un elemento fcilmente extrable que debe ser sustituido
peridicamente.
Este elemento est constituido por una espiral en forma de v capaz de filtrar
elementos de distintas formas. Es posible montar ms de uno, en paralelo
(aumenta la capacidad de almacenamiento) o en serie (filtros multietapa para
mejorar la eficiencia de filtracin).
- Separador de humedad:
Este dispositivo, normalmente integrado en el filtro principal, evita que el agua,
libre o emulsionada con el combustible, entre en el equipo de inyeccin.
El agua es el contaminante ms comn; entra al sistema de suministro de
combustible cuando el aire hmedo y caliente entra al depsito del vehculo o
equipo, y despus condensa en las paredes fras. El agua reduce la lubricidad del
combustible, causando desgaste o atascamiento de piezas con poca tolerancia.
- Precalentador de combustible:
Este componente, integrado en el filtro principal, calienta el combustible
elctricamente, mediante el agua de refrigeracin o mediante el combustible de
retorno.
En invierno o en climas de bajas temperaturas, las parafinas presentes pueden
precipitar formando cristales. Al aumentar la temperatura del combustible antes de
su paso por el filtro, se evita la presencia de esos cristales de parafina que
obstruiran los poros del filtro.
- Bomba manual:
La bomba manual ayuda a llenar y purgar el aire contenido en el sistema de
inyeccin despus de cambiar el filtro o de cualquier otra operacin de
mantenimiento. Suele ir integrado en la cubierta del filtro.
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Sistemas de inyeccin de combustible
29
3.2.4 Bomba de prealimentacin
Puede ser una bomba elctrica (Figura 14) o de accionamiento mecnico. Esta bomba
aspira el combustible del depsito a travs del filtro y lo enva por el circuito de baja
presin, pasando por el filtro principal, hasta la bomba de alta presin.
3.2.5 Bomba de alimentacin
Bomba elctrica
(Figura 14)
Se compone de un motor elctrico que acciona un elemento de bombeo (disco de
rodillos). Se usa en los siguientes sistemas:
Sistemas con bomba rotativa (opcional, slo como bomba de prealimentacin)
En sistemas de inyector unitario (UIS)
En sistemas Common Rail
Figura 14. Esquema de una bomba elctrica de combustible, (Robert Bosch GmbH)
Bomba de engranajes
(Figura 15)
La bomba de engranajes se usa en los siguientes
casos:
Para todos los sistemas con bombas
individuales en vehculos industriales (unidad
inyector-bomba, unidad bomba-tubera-
inyector y bombas de inyeccin individuales
PF)
Parcialmente en sistemas Common Rail en
vehculos industriales y automviles
La bomba de inyeccin de engranajes est fijada
directamente al motor o, en el caso del Common Rail,
est integrada en la bomba de alta presin. Se acciona Figura 15. Esquema de una bomba de
engranajes, (Robert Bosch GmbH)
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Sistemas de inyeccin de combustible
30
mecnicamente por medio de un acoplamiento, una rueda dentada o una correa de
distribucin.
Sus componetes principales son dos ruedas dentadas que engranan entre s y que
tienen sentido de giro opuesto, que impelen el combustible de los huecos entre dientes y
la carcasa impulsndolo del lado de aspiracin al lado de presin. En el engranaje entre las
dos ruedas se produce un cierre hermtico entre ambos lados.
Bomba de paletas
Estas bombas van integradas dendro del cuerpo de las bombas rotativas.
(Ver cpitulo 5, apartado 5.3.1)
Bomba de paletas de bloqueo
(Figura 16)
Su principal uso son sistemas con
bomba-inyector para automviles.
En la bomba de paletas de bloqueo,
unos muelles presionan dos paletas de
bloqueo contra el rotor. Cuando este gira,
el volumen aumenta en el lado de
aspiracin y el combustible se aspira hacia
el interior de la cmara. En el lado de
compresin, el volumen disminuye e
impulsa al combustiblea salir de la cmara.
Estas bombas pueden aspirar el
combustible velocidades de giro bajas.
Figura 16. Esquema de una bomba de paletas de
bloqueo, (Robert Bosch GmbH)
-
Sistemas de inyeccin de combustible
31
3.3 Inyeccin (etapa de alta presin)
El sistema de inyeccin se encarga de inyectar la cantidad adecuada de combustible a
alta presin dentro de la cmara de combustin en el momento adecuado.
Los principales componentes son la bomba de inyeccin, encargada de dar al
combustible la presin adecuada, y los inyectores; ambos estn unidos por la lnea de alta
presin (excepto en los sistemas con bombas de inyeccin individuales). En todos los casos
la tobera de cada inyector sobresale dentro de la cmara de combustin de cada cilindro.
En la mayora de los sistemas, la tobera o boquilla del inyector deja pasar el
combustible cuando se alcanza una determinada presin de apertura, y cierra cuando la
presin cae por debajo de este valor. Slo se controla de forma externa, mediante un
controlador electrnico, en el caso de los sistemas common-rail.
En el captilo 10 se detallan los dos tipos de toberas principales que existen.
En los siguientes captulos se explica el funcionamiento, de forma general, de todos los
tipos de bombas inyectoras.
3.4 Tipos de sistemas de inyeccin
3.4.1 Sistemas con bomba de inyeccin en lnea
El elemento principal de bombeo de este tipo de bombas se compone de un cilindro y
un mbolo. ste se encarga de comprimir el combustible para que sea inyectado a una
determinada presin. La bomba tiene tantos elementos de bombeo como cilindros el
motor. El movimiento de sube y baja de cada embolo lo provoca un rbol de levas,
accionado por el motor, y un muelle que provoca el descenso.
Los elementos de bombeo estn dispuestos en lnea dentro de la bomba. Su carrera no
puede variar, por lo que necesitan un sistema que vare la cantidad de combustible
bombeado. Para ello el mbolo tiene una serie de ranuras inclinadas y mediante un
mecanismo que lo hace girar, permite la variacin de la carrera til en funcin de la carga y
el nmero de revoluciones del motor. El funcionamiento de este sistema es algo
complicado de resumir, por lo que se tratar con detalle en el prximo punto.
Otro de los elementos principales de estas bombas es la vlvula de descarga. Se
encuentra situada entre el elemento de bombeo y la tubera de alta presin que conduce
el combustible al inyector. Estas vlvulas hacen que la inyeccin se corte bruscamente.
-
Sistemas de inyeccin de combustible
32
Bomba de inyeccin en lnea tipo PE estndar
Este fue el primer tipo de bomba inyectora. Su invencin permiti el uso por primera
vez del motor diesel en vehculos.
El comienzo de la inyeccin est determinado por una lumbrera de admisin situada en
la parte inferior del cilindro, que es cerrada por el mbolo cuando este empieza a subir. La
ranura del mbolo y su ngulo de giro determinan el fin de la carrera til y, por tanto, el
caudal de inyeccin. El giro de los mbolos lo efecta una cremallera o varilla de
regulacin que puede ser controlada por un regulador mecnico de fuerza centrifuga (este
fue el primer sistema diseado) o, en el caso de las bombas ms modernas, con un
mecanismo actuador elctrico (EDC).
Bomba de inyeccin en lnea con vlvula de corredera
Esta bomba se diferencia de la de inyeccin en lnea estndar PE en que puede variar
con facilidad la carrera del mbolo. Tiene un elemento mvil (corredera) que se desliza
sobre el mbolo de la bomba mediante un eje actuador convencional, con lo que puede
modificarse la carrera, y con ello tambin el comienzo de la inyeccin. La posicin de la
vlvula corredera se ajusta en funcin de diversos parmetros para optimizar el proceso
de combustin. En comparacin con la bomba de inyeccin en lnea estndar, la bomba
de inyeccin en lnea con vlvula de corredera tiene un grado de libertad de adaptacin
adicional.
3.4.2 Sistemas con bombas de inyeccin rotativas
Estas bombas tienen, al igual que las bombas en lnea, un regulador mecnico que
ajusta el caudal de inyeccin, adems de un regulador de avance de inyeccin que puede
ser hidrulico o electrnico. Tambin pueden tener un nico elemento de control
electrnico que realiza ambas funciones. En stas, los elementos mecnicos se sustituyen
por actuadores electrnicos.
Las bombas rotativas solo tienen un elemento de bombeo de alta presin que
distribuye el combustible a todos los inyectores.
Bomba de inyeccin rotativa de embolo axial (VE)
Lleva integrada una bomba de alimentacin de paletas que aspira combustible del
depsito y lo suministra al interior de la cmara de la bomba de inyeccin. Un nico
mbolo distribuidor central, que gira mediante un disco de levas, se encarga de la
generacin de presin y la distribucin a los diversos cilindros. Durante una vuelta del eje
de accionamiento, el mbolo realiza tantas carreras como cilindros del motor a abastecer.
Los resaltes de leva en el lado inferior del disco de leva se deslizan sobre los rodillos del
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anillo de rodillos y originan as en el mbolo distribuidor un movimiento de elevacin
adicional al movimiento de giro.
Las bombas rotativas de mbolo axial convencionales disponen de un regulador de
revoluciones mecnico (por fuerza centrifuga), o con mecanismo actuador regulado
electrnicamente. Tienen una corredera de regulacin que determina la carrera til y
dosifica el caudal de inyeccin. El comienzo de suministro de la bomba puede regularse
mediante un anillo de rodillos (variador de avance). En la bomba rotativa de mbolo axial
controlada por electrovlvula, existe una electrovlvula de alta presin controlada
electrnicamente, que dosifica el caudal de inyeccin, en lugar de la corredera de
inyeccin. Las seales de control y regulacin son procesadas en dos unidades de control
electrnicas ECU (unidad de control de bomba y unidad de control de motor).
Bomba de inyeccin rotativa de mbolos radiales
Esta bomba rotativa utiliza mbolos radiales accionados por un anillo de levas, pueden
ser dos o cuatro. Una electrovlvula de alta presin dosifica el caudal de inyeccin. El
comienzo de la inyeccin se regula mediante el giro del anillo de levas, con el variador de
avance. Igual que en la bomba de mbolo axial controlada por electrovlvula, todas las
seales de control y regulacin se procesan en las unidades de control electrnicas ECU.
Mediante la activacin apropiada del elemento actuador se regula el nmero de
revoluciones.
3.4.3 Sistemas con bombas de inyeccin individuales
Bombas de inyeccin individuales PF
Estas bombas tienen diversas aplicaciones: motores pequeos, locomotoras diesel,
motores navales, maquinaria de construccin, etc. El sistema que utilizan para conseguir la
presin de inyeccin es el mismo que el del elemento de bombeo de la bomba de
inyeccin en lnea estndar PE.
No tienen rbol de levas propio, sino uno comn a todas se encuentra sobre el rbol
de levas correspondiente al control de vlvulas del motor. Por este motivo no es posible la
variacin del avance mediante un giro del rbol de levas. Aqu puede conseguirse un
ngulo de variacin de algunos grados mediante la regulacin de un elemento intermedio
(por ejemplo situando un balancn entre el rbol de levas y el impulsor de rodillo). En
motores grandes, el regulador mecnico-hidrulico o electrnico est integrado en el
cuerpo del motor.
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Unidad bomba-inyector UIS
La bomba de inyeccin y el inyector son una nica pieza. Cada cilindro lleva una unidad,
montada en la culata del motor. Al igual que las bombas de inyeccin individuales son
accionadas por un rbol de levas montado sobre el bloque del motor; bien directamente
mediante un empujador, o indirectamente mediante balancn.
Debido a la supresin de las tuberas de alta presin, se puede conseguir una presin
de inyeccin de hasta 2000 bar (mayor que en los sistemas con bomba inyectora comn).
Con esta elevada presin de inyeccin y mediante la regulacin electrnica del comienzo y
fin de inyeccin es posible mejorar el proceso de combustin, reduciendo notablemente el
consumo de combustible y las emisiones contaminantes del motor diesel.
Unidad bomba-tubera-inyector UPS
Este sistema trabaja segn el mismo procedimiento que la unidad de bomba-inyector,
pero est dividido en mdulos (bomba individual, tubera e inyector). Tambin dispone de
una unidad de inyeccin por cada cilindro del motor, accionada por un rbol de levas.
En este caso, debido a la regulacin electrnica, tambin se consigue una reduccin del
consumo y las emisiones.
3.4.4 Sistemas de inyeccin Common-Rail
Este sistema, como su nombre indica, dispone de un ral o acumulador comn para
todas las lneas de inyeccin. En l se acumula el combustible suministrado por la bomba
de alta presin. Esta presin es independiente del rgimen de giro del motor y del caudal
de inyeccin.
El acumulador suministra el combustible a alta presin a todos los inyectores, que
abren y cierran por medio de electrovlvulas. La unidad de control electrnica ECU, en
funcin de unos parmetros almacenados, del rgimen del motor y de la carga gestiona la
inyeccin actuando sobre las electrovlvulas.
Al igual que en los sistemas de unidad bomba-inyector, el preciso control de la
inyeccin, consigue reducir notablemente el consumo de combustible y las emisiones
contaminantes.
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4 SISTEMAS CON BOMBA DE INYECCIN EN
LNEA
Como ya se haba mencionado, este tipo de bomba fue diseada por Robert Bosch a
principios del siglo XX; desde entonces la compaa Robert Bosch GmbH, fundada por l
mismo, ha sido el principal fabricante de este tipo de bombas.
Ha sido la ms utilizada y lo sigue siendo en vehculos pesados; en turismos lo fue
hasta la dcada de los 60 cuando se vio sustituida por las bombas rotativas, ms pequeas
y aptas para motores rpidos.
Este tipo de bombas son de constitucin muy robusta y de una fiabilidad mecnica
contrastada. Sus inconvenientes son su tamao, peso y que estn limitadas a un nmero
de revoluciones, lo que las hacen aptas para vehculos pesados pero no para turismos.
Los principales elementos que la componen son:
- Elementos de bombeo colocados en lnea, uno por cada cilindro del motor.
- Un regulador de velocidad que puede ser centrifugo, neumtico o hidrulico.
- Un variador de avance automtico de inyeccin acoplado al sistema de arrastre de
la bomba.
- Vlvulas de descarga
- Adems, suele llevar acoplada la bomba de alimentacin.
Figura 17. Bomba de inyeccin en lnea PE, (Robert Bosch GmbH)
1. Carcasa de la bomba
2. Regulador de velocidad mecnico
3. Bomba de suministro
4. Dispositivo de avance
5. LDA
6. Vlvulas de descarga
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Sistemas con bomba de inyeccin en lnea
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4.1 Aplicaciones de las bombas de inyeccin en lnea
Las bombas de inyeccin en lnea se utilizan en motores con potencias que van desde
10 hasta 200 kW/cilindro; esto es posible gracias a la extensa gama de modelos que existe
de estas bombas.
Actualmente se utilizan sobre todo en motores diesel instalados en camiones,
autobuses, tractores y otra maquinaria de uso agrcola y de construccin. Otros campos
de aplicacin son los motores navales y los estacionarios, desde grandes motores
industriales hasta los ms pequeos utilizados en grupos electrgenos.
Existen bombas de distintos tamaos que se adaptan a la potencia del motor que van
alimentar. Los tipos de bombas se renen en series cuyos rendimientos se solapan en los
mximos y mnimos. Dentro de las bombas de inyeccin en lnea PE existen dos
construcciones distintas. Por un lado tenemos las denominadas "M" y "A" y por el otro las
"MW" y "P".
A continuacin se muestra una clasificacin de las bombas de inyeccin ms comunes
usadas en vehculos, con los valores mximos de presin de inyeccin y potencia por
cilindro de cada tipo:
Clasificacin de la bombas de inyeccin en linea PE
Caractersticas: Tipos:
M A MW P3000 P7100
Presin de inyeccin (bar)
550 750 1100 950 1300
Aplicacin Turismos y
vehculos de transporte
Camiones ligeros y medianos, tractores, motores industriales
Camiones de gran tonelaje, motores
industriales
Potencia por cilindro (kW/cilindro)
20 27 36 60 160
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4.2 Circuito de combustible
La bomba de inyeccin se acompaa de un circuito de alimentacin que le suministra
combustible (Ver cpitulo 3, apartado 3.2). A travs de l la bomba de alimentacin aspira
el combustible del depsito y lo bombea hacia la bomba de inyeccin a una presin
conveniente, que oscila entre 1 y 2 bar. El sobrante de este combustible tiene salida a
travs de la vlvula de descarga situada en la bomba de inyeccin, retornando al depsito.
Esta vlvula de descarga controla la presin del combustible en el circuito.
En vehculos donde la distancia y la altura del depsito con respecto a la bomba de
inyeccin estn muy alejados, se instala una bomba de alimentacin, normalmente sta se
encuentra acoplada a la bomba de inyeccin. Segn las condiciones de funcionamiento del
motor y de sus caractersticas constructivas, se requieren distintos sistemas de
alimentacin de la bomba de inyeccin (Figura 18).
Si el filtro de combustible est en las proximidades inmediatas del motor, pueden
formarse burbujas de gas dentro del sistema de tuberas. Para evitar esto resulta
necesario "barrer" la cmara de admisin de la bomba de inyeccin. El combustible
sobrante vuelve al depsito de combustible a travs de la vlvula de descarga y de la
tubera de retorno.
En algunos casos, especialmente cuando se prev que en el entorno de operacin del
motor hay una temperatura ambiente elevada, puede utilizarse un circuito de
alimentacin como el representado en la figura 18 (derecha). En este circuito el filtro de
combustible lleva tambin instalada una vlvula de descarga a travs de la cual una parte
del combustible retorna al depsito durante el funcionamiento, arrastrando eventuales
burbujas de gas o vapor. Las burbujas de gas que se forman en la cmara de admisin de
la bomba de inyeccin son evacuadas por el combustible a travs de la tubera de retorno.
El barrido continuo de la cmara de admisin refrigera la bomba de inyeccin e impide
que se formen burbujas de gas.
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Sistemas con bomba de inyeccin en lnea
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Figura 18. Esquemas de un sistema de inyeccin con bomba en lnea
4.3 Bombas de alimentacin
(Figura 19)
El combustible tiene que llegar a la cmara de admisin de la bomba de inyeccin con
una presin de aproximadamente 1 bar para garantizar el llenado de la cmara de
admisin. Esta presin se puede conseguir utilizando un depsito de combustible
instalado por encima de la bomba de inyeccin (alimentacin por gravedad), o bien
recurriendo a una bomba de alimentacin. Este es el caso de la mayora de los vehculos,
donde el depsito de combustible se instala por debajo y alejado de la bomba de
inyeccin. La bomba de alimentacin se encarga de aspirar combustible del depsito y
suministrarlo a presin a la cmara de admisin de la bomba de inyeccin a travs de un
filtro de combustible.
La bomba de alimentacin es generalmente una bomba mecnica de mbolo fijada a la
bomba de inyeccin y accionada por el rbol de levas de esta. Adems la bomba puede
venir equipada con un cebador o bomba manual que sirve para llenar y purgar el lado de
admisin del sistema de inyeccin para la puesta en servicio o tras efectuar operaciones
de mantenimiento.
Existen bombas de alimentacin de simple y de doble efecto. Segn el tamao de la
bomba se acoplan en la misma una o dos bombas de alimentacin.
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Sistemas con bomba de inyeccin en lnea
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Figura 19. Estructura interna de una bomba de alimentacin, (Robert Bosch GmbH)
4.3.1 Bomba de alimentacin de simple efecto
(Figura 20)
Esta bomba est constituida por dos cmaras separadas por un mbolo mvil. El
mbolo es empujado por una leva excntrica a travs del impulsor de rodillo y un perno
de presin. Durante la carrera intermedia, el combustible se introduce en la cmara de
presin a travs de la vlvula de retencin instalada en el lado de alimentacin. Durante la
carrera de admisin y alimentacin, el combustible es impulsado desde la cmara de
presin hacia la bomba de inyeccin por el mbolo que retrocede por efecto de la fuerza
del muelle. Al mismo tiempo, la bomba de alimentacin aspira tambin combustible
desde el depsito a travs de la vlvula de retencin del lado de admisin, hacindolo
pasar por un pre-purificador.
Si la presin en la tubera de alimentacin sobrepasa un determinado valor, la fuerza
del muelle del mbolo deja de ser suficiente para que se realice una carrera de trabajo
completa. Con esto se reduce el caudal de alimentacin, pudiendo llegar a hacerse cero si
la presin sigue aumentando. De este modo, la bomba de alimentacin protege el filtro de
combustible contra presiones excesivas.
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Figura 20. Esquema de funcionamiento de una bomba de alimentacin de simple efecto, (Robert Bosch GmbH)
4.3.2 Bomba de alimentacin de doble efecto
Esta bomba cuenta con dos vlvulas de retencin adicionales que convierten la cmara
de admisin y la cmara de presin de la bomba de alimentacin de simple efecto, en una
cmara de admisin y de presin combinadas, es decir al mismo tiempo que hace la
admisin, hace tambin la alimentacin. La bomba no realiza carrera intermedia. A cada
carrera de la bomba de alimentacin de doble efecto, el combustible es aspirado hacia
una cmara, siendo impulsado simultneamente desde la otra cmara hacia la bomba de
inyeccin. Por lo tanto, cada carrera es al mismo tiempo de alimentacin y de admisin. Al
contrario de lo que ocurre en la bomba de simple efecto, el caudal de alimentacin nunca
puede hacerse cero. Por lo tanto, en la tubera de impulsin o en el filtro de combustible
tiene que preverse una vlvula de descarga a travs de la cual pueda retornar al depsito
el exceso de combustible bombeado.
4.4 Constitucin
(Figura 21)
En la figura 21 se puede ver la seccin de una bomba de inyeccin en lnea en la que
aparecen todos los elementos que componen la unidad de bombeo.
Se puede ver que dispone de un crter o cuerpo, de aleacin de aluminio-silicio, que
aloja en su parte inferior o crter inferior, al rbol de levas, que tiene tantas levas como
cilindros el motor. En el lateral del crter inferior de bomba, se encuentra la bomba de
alimentacin, que recibe movimiento del mismo rbol de levas de la bomba de inyeccin,
por medio de una excntrica labrada en l.
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Cada una de las levas acciona un elemento llamado empujador o taqu. Este posee un
rodillo que, debido a la accin del muelle, se encuentra en contacto con la leva. El
empujador a su vez da movimiento al mbolo, que se desliza en el interior del cilindro, que
se comunica por medio de unos orificios laterales llamados lumbreras con la canalizacin,
por donde le llega el combustible procedente de la bomba de alimentacin.
Adems del movimiento de subida y bajada del pistn, ste puede girar un cierto
ngulo sobre su eje vertical, ya que la parte inferior tiene un saliente, que encaja con el
manguito cilndrico, que a su vez rodea la parte inferior del cilindro y que, en su parte
superior, lleva adosada la corona dentada, que engrana con la barra cremallera. El
movimiento de esta barra cremallera hace girar a la corona dentada, quien comunica su
giro al pistn, por medio del manguito cilndrico y el saliente de la parte inferior del
pistn.
La parte superior del cilindro, est cerrada por la vlvula de retencin, que ajusta sobre
su asiento, por la accin del muelle.
Cuando el saliente de la leva acciona el empujador, este acciona el pistn, hacindolo
subir. Tras quedar tapadas las lumbreras que comunican el cilindro con la canalizacin el
pistn comienza a comprimir el combustible encerrado en el cilindro hasta que se alcanza
una determinada presin en el cilindro, que provoca la apertura de la vlvula, venciendo la
accin del muelle antagonista, en ese momento el combustible sale por el cilindro hacia el
inyector correspondiente.
Cuando ha pasado el saliente de la leva, el impulsor baja por la accin del muelle,
haciendo bajar a su vez el mbolo, que vuelve a ocupar la posicin representada en la
figura 21, permitiendo de nuevo el llenado del cilindro a travs de sus aberturas laterales.
Mientras tanto, la vlvula ha bajado y cerrado el paso de combustible al inyector.
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Figura 21. Seccin de una bomba de inyeccin en lnea, (Robert Bosch GmbH)
4.4.1 Elemento de bombeo
(Figura 22)
La bomba de inyeccin tiene tantos elementos de bombeo como cilindros el motor.
Cada elemento de bombeo, est constituido por un cilindro y un pistn. Cada cilindro se
comunica con la tubera de admisin por medio de las lumbreras, y con el conducto de
salida al inyector por medio de una vlvula de retencin que se mantiene cerrada, por la
accin del muelle antagonista, hasta que el combustible alcanza la presin de inyeccin.
El pistn se ajusta en el cilindro con una precisin del orden de varias micras. Tiene una
forma peculiar que permite variar la cantidad de combustible que se inyecta; en su parte
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inferior el pistn tiene un rebaje circular que se comunica con la cara superior del pistn
por medio de una rampa helicoidal y una ranura vertical.
En la parte inferior, el pistn lleva un dedo de mando o saliente, que encaja en un
manguito cilndrico, sobre el que se fija la corona dentada, que engrana con la cremallera.
El movimiento de la cremallera, puede hacer girar el pistn un cierto ngulo sobre su eje
vertical.
En ciertos tipos de bombas, la cremallera es reemplazada por una barra corredera, que
lleva unas escotaduras en las que encaja el dedo de mando que forma el pistn en su
parte inferior.
Figura 22. Esquema del elemento de bombeo, (Robert Bosch GmbH)
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Figura 23. Embolo de la unidad de bombeo, (Robert Bosch GmbH)
4.5 Funcionamiento de la bomba de inyeccin en lnea tipo
estndar PE
(Figura 24)
El mbolo o pistn realiza un movimiento de sube y baja en el interior del cilindro. El
movimiento de descenso se produce debido a la accin del muelle cuando el saliente de la
leva, en su giro, deja de actuar sobre el empujador. La subida del pistn se produce
cuando la leva acta sobre el empujador, venciendo el empuje del muelle.
Cuando el pistn desciende crea una depresin en el interior del cilindro que permite la
entrada de combustible cuando el pistn ha destapado las lumbreras de admisin. Debido
a la presin del combustible en el conducto de alimentacin, provocada por la bomba de
alimentacin, el cilindro se llena completamente. Al comienzo de esta subida, las
lumbreras no estn tapadas y por ello, parte del combustible es devuelto al conducto de
alimentacin.
Si la ranura vertical del pistn, est situada frente a la lumbrera de admisin, el interior
del cilindro comunica con el conducto de alimentacin, por lo que, aunque suba el pistn,
no se comprime el combustible en el cilindro y, por lo tanto, no hay inyeccin. Esta
posicin del pistn, corresponde al suministro nulo de la bomba de inyeccin.
Si la ranura vertical no est frente a la lumbrera de admisin se produce la inyeccin.
Tras cerrar la lumbrera de admisin, en la subida del pistn, la presin del combustible en
el interior del cilindro va aumentando hasta que el valor de esta presin es superior a la
fuerza que ejerce el muelle de la vlvula de retencin. En ese momento sta se abre
venciendo la fuerza de su muelle, con lo cual, el combustible pasa al conducto de
inyeccin que comunica el elemento de inyeccin con el inyector. El comienzo de la
inyeccin, se produce siempre en el mismo instante o, mejor dicho, para la misma
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posicin del pistn. Mientras el combustible no salga por el inyector, la presin en todo el
circuito ir aumentando a medida que el pistn vaya subiendo. En el momento que esta
presin es superior a la del tarado del inyector, este permite el paso del combustibles al
cilindro del motor, comenzando en este momento la inyeccin.
El final de la inyeccin depende de la posicin de la rampa helicoidal. Llegado el pistn
a cierta altura, sta pone en comunicacin el cilindro con el conducto de alimentacin, con
lo cual, desciende bruscamente la presin en el interior del cilindro.
El cierre de la vlvula de readmisin, debido a la accin conjunta de su muelle y de la
presin existente en el conducto de salida, mantiene en esta canalizacin una cierta
presin, llamada residual, que permite en el siguiente ciclo una subida de presin ms
rpida y un funcionamiento mejor del inyector.
Figura 24. Fases de funcionamiento del elemento de bombeo, (Robert Bosch GmbH)
4.5.1 Funcionamiento de la regulacin del caudal de combustible
(Figuras 25 y 26)
A diferencia del motor de gasolina, donde la variacin de la carga se obtiene
modificando la cantidad de mezcla aire-gasolina que entra en el cilindro; en el motor
Diesel, esta variacin se obtiene actuando nicamente sobre la cantidad de gasleo
inyectado en el cilindro, es decir, modificando la duracin de la inyeccin.
La cantidad de combustible inyectado depende de la longitud de la carrera efectuada
por el pistn, desde el cierre de la lumbrera de admisin, hasta la puesta en comunicacin
de sta con el cilindro, por medio de la rampa helicoidal.
El fin de la inyeccin depende de la posicin de la rampa helicoidal con respecto a la
lumbrera de admisin. Esta posicin puede ser modificada haciendo girar el pistn sobre
su eje vertical, por medio de una cremallera que engrana sobre la corona dentada fijada
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sobre el casquillo cilndrico, que a su vez mueve al pistn. La cremallera es movida por el
pedal del acelerador, o automticamente por medio de un regulador, y da movimiento
simultneamente a todos los elementos de inyeccin de la bomba.
Figura 25. Esquema regulacin de elementos de bombeo, (Robert Bosch GmbH)
Moviendo la cremallera en uno u otro sentido, pueden conseguirse carreras de
inyeccin ms o menos largas que corresponden:
- Inyeccin nula
- Inyeccin parcial
- Inyeccin mxima
Figura 26. Posibles posiciones de la cremallera, (Robert Bosch GmbH)
En un motor Diesel para provocar su paro debemos cortar el suministro de combustible
que inyectamos en sus cilindros, para ello es necesario desplazar a la cremallera hasta su
posicin de suministro nulo. Para esto, los motores dotados con bomba de inyeccin en
lnea llevan un dispositivo de mando accionado, por un tirador y