Sistemas de inyección para motores diesel



Sistemas de inyección para motores diesel.

Introducción

Una de las claves para el éxito de los motores diesel ha sido el desarrollo del equipo de inyección capaz de proporcionar los muchos requerimientos demandados. De hecho el desarrollo de un sistema satisfactorio no se alcanzó hasta 20 años después de que Rudolf Diesel demostró por primera vez los conceptos del sistema de combustión diesel. Entre los requerimientos básicos que diferencian los sistemas de suministro de combustible en motores diesel de otros sistemas están:

• Presión de inyección muy alta, requerida para alcanzar un periodo corto de inyección con una aceptable atomización y mezcla de combustible.

• Alta precisión en el control del inicio y duración de la inyección, requerida para controlar el consumo de combustible, el pico máximo de presión y las emisiones.

• Alta precisión en la medición del combustible a inyectar para controlar la potencia de salida, el límite de humos, y asegurar que los cilindros desarrollen igual potencia.

• Capacidad de utilización de un amplio rango de combustibles diesel, con variaciones de densidad, viscosidad y lubricidad.

• Corte instantáneo de la inyección para prevenir emisiones, humos y ensuciamiento de las toberas.

• Control de la velocidad inicial de la inyección para prevenir ruidos y emisiones.

• Capacidad de proporcionar mezclas ricas para el arranque en frío.

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Un sistema tradicional de inyección con bomba en línea se muestra en la fig. 1. Es importante señalar que la parte del sistema de baja presión es común a todos los motores diesel.

En general el tanque de combustible esta siempre por debajo del nivel de la bomba de inyección, por lo que se hace necesario una bomba impelente que suministre el combustible a presión constante a la bomba del inyector. El filtro secundario contiene la válvula de regulación de presión y también elimina el aire y otras impurezas del combustible, para la bomba de inyección mida de forma correcta la cantidad de combustible a inyectar. La bomba de inyección se acopla directamente al motor (a mitad de velocidad para un motor 4T), y controla la cantidad y momento de inicio de la inyección del combustible fig 2. La cantidad de combustible inyectado dependerá de la carga fig 3.

Fig.2. Avance típico de la inyección con la carga y la velocidad.

Fig.3. Mapa de suministro de combustible.

La cantidad máxima que puede inyectarse antes de que en el escape haya exceso de humo dependerá de la velocidad, y en el caso de los motores sobrealimentados también variara con la presión de soplado. El inicio de la inyección varía con la velocidad, y con la carga bajo determinadas circunstancias. Cuando incrementa la velocidad del motor, se debe adelantar el inicio de la inyección para mantener casi aproximadamente constante el tiempo de retraso de la ignición. Cuando la carga incrementa, el tiempo de retraso se reduciría para un inicio de inyección fijo, o para un mismo tiempo de retraso el combustible puede inyectarse antes. Esto asegura que la inyección y la combustión se completan pronto durante la carrera de expansión.

En motores policilíndricos, se deben inyectar cantidades iguales de combustible en cada cilindro. A carga máxima la variación entre ellos no debe superar el 3%. A ralentí la variación puede ser mayor (15%), ya que la cantidad de combustible inyectado suelen ser muy pequeña (1 mm3 por ciclo).

En cuanto a la forma y tipo de la cámara de combustión en la que se inyecta el combustible, la inyección indirecta fue durante medio siglo la técnica mas usada en los motores diesel rápidos para vehículos ligeros. El termino “indirecta” viene del hecho que el combustible no se inyecta directamente sobre el pistón, sino en la cámara de turbulencia (o en la precámara) de una cámara

de combustión dividida en dos partes Fig.xx

Fig. xx.- Tipos de cámaras de combustión diesel. Cámaras abiertas o de inyección directa: (a) sin turbulencia. (b) turbulencia media. (c)alta turbulencia. Cámaras divididas o inyección indirecta: (d) con cámara de turbulencia. (e) con precámara.

Las perdidas dinámicas en el conducto entre cámaras y las perdidas térmicas por una transferencia de calor relativamente elevada debida a superficies grandes de pared, impiden el rendimiento adecuado de este concepto. Por esta razón los fabricantes buscaron la manera de adaptar el sistema de inyección directa, (implementado desde tiempos atrás en los motores de vehículos pesados, marinos y estacionarios de gran tamaño), a los motores diesel pequeños de automoción. Se consiguió después de mucha investigación y desarrollo para lograr un incremento de presión suficientemente gradual en las cámaras de combustión abiertas (no divididas) de los motores girando a velocidades altas.

En un motor diesel de inyección directa, el inyector se coloca directamente encima del pistón, en el cual esta labrada la cámara de combustión. La formación de una buena mezcla se encomienda a inyectores con varios orificios de pequeño diámetro con presiones de inyección muy altas (al menos 700 bares) en en vez de confiarla solo a la turbulencia generada por el aire comprimido, como en el caso de motores con cámara de turbulencia o precámara donde una presión de inyección entre 125 y 150 bares es suficiente.

Hoy en día la presión de inyección ha superado los 1600 bares gracias a los sistemas rail común e inyector bomba, ambos con regulación electrónica, reemplazando a los sistemas mecánicos convencionales.

Los equipos de inyección diesel usados actualmente pueden separarse en cuatro grupos:

• Sistema convencional que consta de una bomba de inyección ( en línea o rotativa) común para todos los cilindros y líneas de combustible a alta presión a cada inyector.

• Bombas individuales (movidas por el cigüeñal del motor) y líneas de combustible a alta presión para cada cilindro.

• Bomba-inyector en el que se integra la bomba y el inyector en el mismo cuerpo para cada cilindro, con lo que se suprimen las líneas de alta presión.

• Conducto común (common-rail) en el que una bomba suministra combustible a muy alta presión a un conducto común o acumulador, con inyectores controlados electrónicamente y accionados por actuadores electromagnéticos o piezoeléctricos

El esquema siguiente es un intento de clasificar los sistemas de inyección diesel de acuerdo a los conceptos de actuación y diseño hidráulico. Todos los sistemas actuados por levas han sido producidos bajo control mecánico o con alguna forma de control electrónico. Los actuados hidráulicamente (rail común) están parte en producción (HEUI) y parte han alcanzado un alto nivel de desarrollo.

Inyectores de combustible

Directamente fijados a la culata del cilindro por medio de los portainyectores, los inyectores o toberas, introducen el combustible en el motor en la mejor forma posible para una combustión optima. Esto requiere la fragmentación del combustible en gotas muy pequeñas, entre 20 y 100 micras de diámetro, y su dispersión uniforme por toda la cámara de combustión

La tobera, debe estar adaptada al procedimiento de combustión (precámara, cámara de turbulencia o inyección directa), y geometría de la cámara de combustión. Su diseño es decisivo para que haya precisión en los puntos de apertura y cierre, con el fin de medir la cantidad de combustible a inyectar y la forma como se inyecta (numero, forma y atomización de los chorros). El caudal de inyección se determina esencialmente por las aberturas de las toberas y la duración de la inyección. Hay dos tipos básicos de toberas: de orificio ciego y taladro en asiento o VCO. Ambos se muestran en las figs. 4 y 5

Fig 4. Izd: Tobera redondeada y orificio ciego cilíndrico. Permite gran libertad con respecto al numero de orificios, su longitud y ángulo de dispersión del chorro. Dch: Tobera y orificio ciego cónicos. El volumen del orificio ciego cónico es menor que el cilíndrico

Fig. 5.Tobera VCO. Aquí el volumen del orificio ciego se ha reducido de tal manera que se puedan cerrar los orificios y no se vaporice el combustible residual. Desde los puntos de vista mecánico y fluídico, este tipo de toberas es el mas adecuado para automoción ligera.

Otro tipos de toberas se muestran en la fig. 6. Todas ellas tienen una aguja que se cierra bajo la carga de un muelle cuando no esta pulverizando. La apertura se produce por la fuerza axial que ejerce el combustible presurizado sobre la superficie cónica de la aguja. Las válvulas de aguja se usan para prevenir el goteo después de que la inyección haya finalizado, con el fin de controlar la emisión de hidrocarburos.

La tendencia actual de usar cuatro válvulas por cilindro, (incluso en motores diesel pequeños), mejora el rendimiento volumétrico, centra la posición del inyector dando un mejor control de la combustión reduciendo las emisiones, pero reduce el nivel de turbulencia. Un bajo nivel de turbulencia significa, que las toberas de los inyectores, deben disponer de un mayor número de orificios para dispersar el combustible lo más ampliamente posible en el seno del aire. Cuanto mas alta sea la presión de inyección conseguida, el tamaño de los orificios debe ser el menor posible (de 0.15 a 0.1 mm. de diámetro). Un problema que se presenta según el tipo de tobera y relacionado con el volumen de combustible que ocupa la cavidad aguas abajo del asiento de la aguja (agujero ciego), es que, una vez que la inyección finaliza, el combustible se calienta debido a la combustión, favoreciendo la creación de depósitos en la tobera y combustión parcial de parte de este al entrar a destiempo en la cámara de combustión provocando un aumento de emisiones. Una forma de evitar este problema es utilizar toberas VCO como la mostrada en la fig. 5. en las que la aguja se asienta sobre los orificios de salida y así se reduce la cantidad de combustible que puede salir del inyector una vez finalizado el proceso de inyección.

En la figura xxx se muestra la combinación de portainyector e inyector para uso con los sistemas clásicos de bomba en línea o distribuidor rotativo con control mecánico o electrónico. Los portainyectores se pueden combinar con diversas toberas. Hay dos tipos: estandar o de un muelle fig. xxx), y portainyector de dos muelles (fig xx). En los sistemas de inyección de alta presión de rail comun e inyector-bomba, la tobera se encuentra integrada en el inyector, por lo que en estos equipos no se requiere portainyector.

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El funcionamiento del inyector es como sigue: Antes de que la bomba de inyección comience a suministrar combustible, la válvula de la tobera esta cerrada por la presión que ejerce el muelle sobre la aguja. Una vez la bomba comienza su carrera de bombeo, el combustible entra a alta presión en el inyector y es conducido a través de la varilla-filtro en el cuerpo del soporte hacia el disco intermedio y desde allí a traves del cuerpo del inyector hasta el asiento del cuerpo de la tobera. La presión del combustible aumenta hasta un valor preseleccionado forzando el levantamiento de la válvula de aguja, y el combustible es inyectado por los orificios de inyección en la cámara de combustión en forma de chorro finamente pulverizado. La inyección concluye cuando la presión de inyección cae hasta un valor en que el muelle de compresión presiona la aguja del inyector contra su asiento. El combustible sobrante se evacua por el canal (14) hacia el conducto de retorno (13).

Para minimizar el nivel de ruido de combustión en los motores diesel y mantener baja la carga mecánica, es necesario que el aumento de presión en la cámara de combustión se produzca de manera suave.

En el caso de los motores de inyección indirecta esto se logra, primero, por la inyección gradual del combustible usando inyectores de tetón en la precámara o en la cámara de turbulencia.

Para los motores de inyección directa se ha desarrollado un inyector de dos muelles con diferente grosor, posibilitando que la inyección se realice en dos etapas. Los muelles han sido calibrados de tal manera que la aguja de la tobera se separa de su asiento (carrera 1, usualmente menos de 0,1 mm) contra la fuerza del primer muelle cuando comienza la inyección. Una pequeña cantidad de combustible entre 1 y 2 mm3 ( la inyección típica en un motor de automoción es del orden de 70 mm3/ciclo) es inyectada a baja presión. Esta preinyección conocida como inyección piloto produce un aumento suave de la presión y crea las condiciones para la autoignición de la cantidad principal de combustible.

Como la bomba suministra mas combustible del que puede fluir por la abertura de preinyección, la presión aumenta. La fuerza del segundo muelle es sobrepasada y la aguja de la tobera se levanta una distancia H2 produciendose la inyección principal del ciclo a alta presión.

Predecir de forma precisa el comportamiento del combustible dentro del sistema de inyección requiere modelos hidraúlicos muy sofisticados. Sin embargo, la cantidad de combustible inyectada a través de la tobera del inyector se puede estimar de forma aproximada si se conoce la presión de inyección (estimada o medida), y asumiendo que el flujo en la tobera es cuasi estacionario, incompresible, y monodimensional. Así el flujo másico de combustible inyectado esta dado por

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donde Af es el área de flujo de la tobera por orificio, Cd el coeficiente de descarga, ρf la densidad del combustible, y ΔP caida de presión a traves de la tobera.

El diámetro de los orificios de la tobera estan entre 0.15 y 1 mm. con relaciones de aspecto (longitud/diámetro) de 2 a 8. El incremento de la relación de aspecto provoca un chorro que diverge menos y penetra mas. La presión diferencial, la cual es invariablemente superior a 300 bar. produce un chorro de alta velocidad (mayor de 250 m/s) el cual se vuelve turbulento y se extiende arrastrado por el aire que lo rodea con el cual se mezcla descompuesto en gotas del orden de 10 micras de diámetro. El chorro diverge por la entrada de aire en su seno y la velocidad decrece. La fig 10.19 muestra la estructura de un chorro de combustible pulverizado en un motor diesel de inyección directa y los parámetros que lo definen: la distancia de penetración (S) y la distribución de tamaños de gota (Dd).

Muchas correlaciones basadas en datos experimentales y en la teoría de chorro de gas turbulento, han sido propuestas para predecir la penetración de un chorro atomizado a través de la cámara de combustión sin turbulencia, (como ocurre en los grandes motores diesel) en función del tiempo. Una correlación típica dada por Dent para la penetración es:

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donde t es el tiempo después del inicio de la inyección, y dn el diámetro del orificio de la tobera.

Un trabajo mas reciente de Arcomanis ha dividido la penetración del chorro en dos etapas: antes de la descomposición del chorro en gotas (trotura) en donde se comporta como liquido

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y después de la descomposición que se comporta como gas

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con el tiempo de rotura o descomposición dado por

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el efecto de la turbulencia del aire de combustión sobre la penetración del chorro se muestra en la figura 10-27a. Se aprecia que la forma, localización y penetración del chorro varían con el aumento de la turbulencia. Se reduce la penetración del chorro pero se dispersa de forma mas rápida. En 10-27b se muestran los datos obtenidos de la correlación entre penetración con turbulencia SS y sin turbulencia S

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donde RS es la relación entre la turbulencia en revoluciones por minuto dividida por la velocidad de giro del motor N (rpm), y vj la velocidad inicial del chorro de combustible (m/s)

Hemos visto hasta aquí que si la distribución del combustible via trayectoria del chorro a través de la cámara de combustión es importante, la atomización del combustible liquido en pequeñas gotas es también necesaria para crear una gran superficie a través de la cual pueda evaporarse.

Durante el periodo de inyección, las condiciones en las que se lleva a cabo tales como la presión de inyección, área del orificio de la tobera, y ley de inyección, pueden variar. Consecuentemente, la distribución de tamaños de gota en un punto determinado del chorro puede cambiar con el tiempo durante el periodo de inyección. Además, los detalles del proceso de atomización no son iguales en el núcleo del chorro y en el contorno del mismo, la trayectoria de cada gota depende de su tamaño, de la velocidad inicial y de su localización, con lo que la distribución variará también con la posición dentro del chorro. Ninguna de estas variaciones han sido todavía adecuadamente cuantificadas. La mayor parte de los resultados obtenidos provienen de los estudios de la inyección de combustible en cámaras de volumen constante llenas de aire en reposo a temperatura ambiente.

La teoría aerodinámica de que el chorro de combustible se dispersa como resultado de ondas de superficie, permite la predicción de que el diámetro medio inicial [pic]de las gotas es proporcional a la longitud de la onda superficial mas inestable

[pic] [pic]

donde [pic]es la tensión superficial del combustible liquido (N/m), vj la velocidad inicial del chorro de combustible (m/s), y C una constante entre 3 y 4.5

Una forma conveniente de caracterizar el chorro de combustible es el diámetro medio de Sauter, que es el diámetro de una gota que tiene la misma relación superficie/volumen que la del total del chorro.

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donde n es el numero de gotas en cada grupo con diámetro medio D.

La elección del tipo de inyector y el numero y tamaño de los orificios son factores críticos que condicionan el buen funcionamiento del motor en todas las condiciones de operación. Los motores con inyección indirecta y los pequeños con inyección directa tienen un solo inyector. Los motores grandes con inyección directa pueden tener varios inyectores distribuidos alrededor del cilindro.

Bombas en línea

Después de muchos intentos para desarrollar un sistema fiable y duradero, la tecnología original que surgió fue la de bomba pulsante o en línea que utiliza el principio esquematizado en la fig.10, en la cual un embolo movido por levas, es usado para bombear el combustible (previamente suministrado por una bomba de transferencia de baja presión que llena la cavidad delante del embolo) a los inyectores a través de líneas de alta presión. Así, la masa inyectada es la variable independiente y la presión del combustible se ajusta convenientemente.

Fig. 10. Características esenciales de un sistema de inyección con bomba pulsante.

El comienzo y final de la inyección está determinado por la relación de el borde superior del embolo y la ranura helicoidal inferior con los orificios de llenado y rebose practicados en el cilindro en el que el embolo se desplaza con movimiento alternativo. La información del momento de la inyección y la cantidad de combustible suministrado estaba contenida en la a menudo intrincada forma del embolo, en combinación con otras características de diseño, tales como el perfil de la leva, flujo en la tobera del inyector y la configuración de la válvula de descarga.

El embolo se desplaza hacia arriba, cierra el orificio de entrada, y, como el combustible es incompresible, rápidamente aumenta la presión de este. Se crea un desequilibrio de presiones sobre la aguja de la tobera del inyector causando su apertura y permitiendo que el combustible descargue en el interior del cilindro. Una vez que la presión cae a un valor determinado, un muelle fuerza a la aguja a bajar cerrando el inyector.

Fig. 11. Uso de un corte helicoidal en el émbolo de bombeo de una bomba pulsante para variar la carrera efectiva. La cremallera rota el embolo con respecto al orificio para medir el combustible inyectado

La masa de combustible inyectado se controla variando el desplazamiento del embolo. El corte helicoidal del embolo abre el orificio de entrada en una posición intermedia de la carrera de este. A través de un piñón y una cremallera se varia la carrera efectiva rotando el embolo y de esta manera la posición en la cual se permite la salida del combustible con la consiguiente caída de presión y fin de la inyección.

Hasta que los sistemas de combustible con control electrónico empiezan a estar disponibles, las características de suministro estaban determinadas para todo el rango de operación del motor (carga, velocidad, altitud, estado estacionario o transitorio, etc.) por elementos hidromecánicos relativamente simples. Por ejemplo la curva de par podía ser manipulada cambiando la válvula de descarga, la tobera de inyector, y la geometría del embolo. Similarmente, la programación del inicio de la inyección se determinaba a través del borde de ataque y del perfil helicoidal del embolo, presión de apertura de la tobera, y el volumen de la línea de alta presión. Como las demandas sobre el motor se hacen más restrictivas, por ejemplo, operación libre de humos con sobrealimentación, o una mejor conducción, se añadieron controles adicionales más allá de las características básicas de la bomba de inyección. Ejemplos de esto incluyen compensación de la altitud y presión de soplado, y reforma de la curva de par.

A pesar de estas limitaciones, tales sistemas han sido fabricados para dar un funcionamiento aceptable, y son usados ampliamente hoy en día en motores de entre 20 y 100 Kw. por cilindro que equipan vehículos de transporte medios y pesados, maquinaria agrícola y de construcción, etc. Sin embargo, la incapacidad de este tipo de inyección para cumplir con los más exigentes requerimientos de emisiones de finales de los años 90, ha llevado al desarrollo de sistemas de combustible mas sofisticados con control electrónico

Bombas rotativas

Las bombas rotativas o distribuidor tienen un único elemento para medir y bombear el combustible. El embolo de bombeo describe un movimiento combinado de rotación y de desplazamiento longitudinal (carrera) debido al giro de un plato excéntrico. El combustible es medido con precisión y distribuido sucesivamente a cada inyector por este embolo. Estas unidades son mas compactas y mas baratas que las bombas en línea con varios elementos de medición y bombeo. Tienen un número menor de partes en movimiento y se evitan de esta forma problemas de calibración. Sin embargo no podían alcanzar la misma presión de inyección que las bombas en línea, por lo que su uso se hizo popular durante muchos años en aplicaciones sensibles al costo, donde no se requería altos niveles de funcionamiento al sistema de inyección, por ejemplo en motores marinos ligeros, agricultura, generación de energía. Posteriormente han sido desarrolladas para ser utilizadas en los motores diesel de inyección directa, que equipan los vehículos de pasajeros en el mercado europeo desde mediados de los 80 hasta hoy. Para alcanzar las prestaciones necesarias para su aplicación a los vehículos de pasajeros, estas bombas mecánicas se han tornado muy complejas, al realizar funciones de control con simples elementos hidromecánicos. Características típicas de control mecánico incluyen reguladores de marcha lenta y alta velocidad, compensación de temperatura motor/ambiente, incluyendo exceso de combustible para el arranque en frió, control de la relación aire-combustible en periodos transitorios, y del momento de la inyección.

Con la introducción de los estándares de emisiones de la Unión Europea para los vehículos diesel ligeros al inicio de los 90, se demandaron mejores prestaciones en los motores que los equipan. En consecuencia, los fabricantes de sistemas de combustible desarrollaron versiones avanzadas de bombas rotativas con control electrónico y mejora del funcionamiento hidráulico. Típicamente la inyección continúa siendo controlada por lumbreras y émbolos pero la actuación ya no es mecánica. Válvulas de solenoide se usan para controlar la presión del combustible en el cuerpo de la bomba y esto indirectamente, controla la cantidad y momento de su inyección, como se ve en la fig 12. Las válvulas de solenoide están bajo el control de una unidad central que monitoriza una serie de sensores distribuidos por el motor y el sistema de combustible, tales como, velocidad del motor, presión de soplado del turbo, temperatura del aire de admisión y del refrigerante, etc., proporcionando un control total del motor incluyendo la recirculación de gases de escape. Por ejemplo, un sensor permite que los cambios en el momento de ignición sean detectados, y la unidad de control puede entonces optimizar el momento adecuado de inyección

Fig. 12. Válvulas de solenoide son usadas para controlar las presiones del combustible en el cuerpo de la bomba rotativa, y estas indirectamente controlan el inicio y duración de la inyección

Esta generación de bombas rotativas incremento la presión desde valores típicos de 600 bares hasta alrededor de 900 bares. A velocidades altas la presión en las toberas de inyección puede superar los 1000 bar.

Futuros sistemas de inyección, capaces de adaptarse a la normativa de emisiones EURO-IV incrementaran la presión en el sistema y el control electrónico de la inyección. Válvulas de solenoide de actuación más rápida, operaran directamente sobre el combustible a alta presión para controlar el comienzo y final de la inyección, reduciendo los tiempos de respuesta para ambos eventos(figura 2xx). Se espera alcanzar en la bomba presiones superiores a 1000 bar, permitiendo que en las toberas de los inyectores se consigan los 1500 bar a velocidades altas.

Interconexión de bombas tradicionales e inyectores

La conducta de un sistema completo de inyección esta influenciado por la longitud y diámetro de los conductos de conexión y por la compresibilidad del combustible.

Entre la apertura de la válvula de suministro en la bomba y el comienzo de la inyección en el cilindro, habrá un retraso de alrededor de 1 milisegundo por metro de longitud del conducto. Para mantener este tiempo de retraso en todos los cilindros, la longitud de todos los conductos debe ser la misma.

La compresibilidad del combustible es tal que un incremento en la presión de 180 bar causa la reducción del 1% en volumen. Incidentalmente, un aumento de temperatura de 10 K provoca un aumento de volumen de 1%, y como el combustible se mide volumétrica mente, esto llevaría a una perdida de potencia. Al ser los conductos delgados, el cambio en el volumen es pequeño comparado con los efectos debidos a la compresibilidad del combustible. Ondas de presión (compresión y rarefacción) se forman y desplazan a la velocidad del sonido entre la bomba y el inyector, provocando variaciones en la presión que influencian el periodo de inyección, la presión de inyección, e incluso causar una inyección secundaria, dando lugar a que aumenta el consumo de combustible, se forme carbón en la tobera del inyector y haya exceso de humos en el escape.

Las ondas de compresión pueden ser total o parcialmente reflejadas en la tobera como ondas de compresión si esta está cerrada, o como onda de rarefacción si esta abierta. Durante los pocos milisegundos que dura el periodo de inyección, las ondas viajaran desde la bomba al inyector varias veces, pudiendo aumentar la presión en la línea de suministro y por lo tanto la presión de inyección, provocando que esta se prolongue hasta un 50% mas.

La figura 5.30 muestra la variación de la presión en la línea de suministro del combustible en la cual hay una onda de presión después de la inyección principal que es suficiente para abrir el inyector y provocar una segunda inyección. La inyección secundaria puede evitarse incrementando la longitud del conducto o variando los volúmenes de combustible en la bomba o en el inyector.

Otro problema en los sistemas de inyección es el goteo posterior a la inyección.

Fenómeno que provocan las ondas de presión cuando el inyector debería estar cerrado. Al no ser así, algo de combustible entra en la tobera a una presión demasiado baja par formar su propio chorro.

Estos problemas de interconexión desaparecen utilizando inyectores unitarios, ya que están combinados el inyector y la bomba en un único elemento, especialmente útiles en los motores grandes, donde los conductos de gran longitud pueden ser eliminados.

Sistemas electrónicos de rail común e inyector bomba.

Los sistemas de inyección de combustible de rail común e inyector bomba eliminan los problemas asociados a la conexión de la bomba y los inyectores en los sistemas tradicionales (con bomba en línea o rotativa). Estos también tienen la capacidad de proporcionar una inyección piloto (con el fin de controlar la cantidad de combustible inyectado durante el retraso de la ignición), y mejores características en la presión de inyección. La fig. 3 muestra como la presión de inyección varia significativamente con la velocidad del motor en los sistemas con bomba en línea, y como para bajas velocidades solo son posibles presiones bajas de inyección, con lo que limitan la cantidad de combustible que se puede inyectar debido a la mala utilización del aire disponible en el cilindro, con la consiguiente disminución del par a baja velocidad. Con los sistemas de inyección de rail común el control de la presión es independiente del régimen de giro del motor.

La figura 13 ilustra las diferencias del rail común con respecto a un sistema de baja presión. En este caso el embolo se sustituye por una válvula de aguja que es elevada mas que forzada hacia abajo. Esto abre la tobera por donde el combustible, el cual ya está a alta presión, descarga en el interior del cilindro.

Fig 13. Inyector de un sistema de rail común de alta presión

Asumiendo flujo cuasi estacionario de un fluido incomprensible para el combustible, la masa inyectada sera:

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con [pic] expresado en términos del ángulo girado por el cigüeñal durante el tiempo de inyección.

Está claro en esta ecuación que para mantener [pic] constante cuando la velocidad del motor varía, debe incrementar o disminuir la presión de inyección para mantener [pic]constante. De hecho, como la presión de inyección es grande comparada con la del cilindro, debe variar con el cuadrado de la velocidad del motor.

[pic]

Este es un problema básico que hay que resolver cuando se diseña un motor diesel que debe operar en un amplio rango de velocidades:

si Nmax/Nmin=5 entonces Pf,max/Pf,min= 25

Así, si a baja velocidad Pf,min = 5 MPa, para una buena atomización y penetración del combustible a alta velocidad se necesitará Pf,max = 125 MPa. Hoy en día con los nuevos desarrollos en los sistemas de inyección diesel controlados electrónicamente se pueden alcanzar presiones que rondan los 200 MPa, a la vez que actúan sobre el área efectiva alterándola con la velocidad de giro

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La alteración se consigue variando el levantamiento de la aguja del inyector. Un ejemplo de un inyector controlado electrónicamente se muestra en la fig. 14a. La medición es iniciada por la actuación de una válvula operada por solenoide. El cierre de la válvula inicia la presurización y la inyección del combustible. La duración del cierre de la válvula determina la cantidad de combustible inyectado. La figura 14 b es un esquema del levantamiento de la aguja como función del ángulo girado por el cigüeñal. La presión de inyección es alrededor de 50 MPa cuando la aguja abre, e incrementa hasta un máximo de 85 MPa justo antes de que la aguja cierre.

Fig. 14. (a) Inyector unitario diesel controlado electrónicamente. b) Presión de inyección y levantamiento de la válvula de aguja

Sistemas con inyector bomba.

Inyectores bomba con control electrónico fueron introducidos en los motores de vehículos pesados al final de los años 80. Aunque existe un determinado numero de implementaciones con características distintas, el principio fundamental de operación y las ventajas inherentes con respecto a los sistemas en línea son las mismas para cualquiera de ellos. Un inyector bomba con control electrónico, es un sistema modular integrado montado directamente en la culata del motor. El elemento de bombeo del combustible y la tobera de suministro están integrados en una única pieza, y el embolo es movido desde el cigüeñal, usualmente por una palanca oscilante. En los inyectores de medición directa, el espacio entre el embolo y la tobera se abre o cierra por medio de una válvula de solenoide de actuación muy rápida (periodos de inyección del orden de 1 ms.). La válvula se cierra para iniciar la inyección y se abre para finalizarla, de ese modo se controla el momento de la inyección y la cantidad de combustible inyectado.. Normalmente, la presión de inyección esta relacionada con el momento de inicio de esta, ya que el perfil de la leva no permite que la cantidad inyectada se mantenga constante en todo el rango de la distribución. El éxito de los inyectores bomba radica en que el volumen muerto entre el embolo y la tobera de inyección es muy pequeño. Esto permite operar a muy altas presiones con un rendimiento relativamente alto.

Ya están en servicio inyectores con capacidad para alcanzar presiones de hasta 1600 bares, y se ha probado que podrían alcanzar hasta 2400 bar. Su utilización predomina en los grandes vehículos de trasporte, al alcanzar la mejor relación entre un bajo consumo y bajas emisiones de partículas sólidas y NOx.

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