Gestion Del Motor de Gasolina

Serie amarilla Edición 2002 I

Instrucción técn ica I Control del motor de gasolina

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

y

BOSCH

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

§

Técnica del automóvil

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Cred tos

Publicado por:

La reimpresión , reproducción y traducción total o par'

~

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

Robert Bosch GmbH, 2002

Poslfach 30 02 20, 0 ·70442 Stullgart. División Asistencia Técnica Automóvil

rización previa por escrito y con mención de la fuente. Las figuras, descripciones, esquemas y otros datos sirven exclusivamente para explicar y representar los

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Ing. dipl. (FH) Horst 8auer.

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Reservado el derecho a modificaciones. Redacción : Ing. dipl. Karl·Heinz Dietsche,

Printed in Germany.

Ing. dipl. (BA) Jürgen Crepin.

Impreso en Alemania.

Autores: Ing. dipl. Michael Oder

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

(Fundamentos, mando del motor de gasolina,

febrero 2001 .

inyección directa de gasol ina), Ing. dipl. Georg Mallebrein (Sistemas de control del llenado, fases variables de distribución por válvulas), Ing. dipl. Oliver Schlesiger (Realimentación de gases de escape), Ing. dipl. Michael Bauerle (Sobrealimentación), Ing. dipl. (FH) Klaus Joos (Alimentación de combustible, inyección en el tubo de admisión), Ing. dipl. Albert Gerhard (Electrobomba de combustible, regulador de presión, amortiguador de presión), Econ. indo dlpl. Michael Ziegler (Filtro de combustible), In9. dipl. (FH) Eckhard 80denhausen (Distribuidor de combustible), Dr. in9. Dieter Lederer (Sistema de retención de vapores de combustible), Ing. dipl. (FH) Annetle WiUke (Válvulas de inyección), Ing. dipl. (FH) Bernd Kudicke (Tipos de inyección), Ing. dipl. Walter Gollin (Encendido), In9. dipl. Eberhard Schnaibel (Depuración de gases de escape) en cooperación con los departamentos técnicos competentes de nuestra empresa. Si no se indica algo distinto, se trata de empleados de Robert Bosch GmbH, Stullgart.

l ' edición, febrero 2002.

Gestión del motor de gasolina: Fundamentos y componentes Robert Bosch GmbH

4 4 7 8 10 10 12 15 18

Fundamentos del motor de gasolina

Funcionamiento Par motor y potencia

Rendimiento del motor Control del motor de gasolina Exigencias

Control del llenado Formación de la mezcla

Encendido

20 Sistemas de control del llenado 20 Control del llenado de aire 22 Fases variables de distribución por

48 49 50 52 54 55 56 58 59 60 62 63 64

Inyección en el tubo de admisión Funcionamiento Válvulas electromagnéticas de inyección Tipos de inyección

Inyección directa de gasolina Funcionamiento Rail , bomba de alta presión Válvula de control de la presión Sensores de presión de rail Válvula de inyección a alta presión Procedimiento de combustión Formación de la mezcla Modos de funcionamiento

válvulas

25 26 29 30 33

Realimentación de gases de escape Sobrealimentación dinámica Sobrealimentación mecánica

66 Encendido en visión de conjunto 66 Vista general 66 Desarrollo de los sistemas de encendido

Turboalimentación por gases de escape Enfriamiento del aire de sobrealimentación

34 Inyección de gasolina en compendio

34 Formación exterior e interior de la mezcla 36 Alimentación de combustible 37 Alimentación de combustible con inyección en el tubo de admisión

68 68 69 70 71 72 73

Sistema de encendido inductivo Etapa final de encendido Bobina de encendido Distribución de la tensión

Bujia de encendido Medios de unión y antiparasitarios

Tensión de encendido, energia de encendido

75 Punto de encendido

39 Circuito de baja presión de la inyección directa de gasolina

76 Depuración catalitica de los gases de escape

41 Sistema de retenc ión de vapores de combustible

42 Electrobomba de combustibte 44 Filtro de combustible 45 Distribuidor, regulador de presión, amortiguador de presión, depósito,

76 77 80 82 84

Catalizador de oxidación Catalizador de tres vías

Catalizador acumulador de NO, Circuito de regulación lambda Calentamiento del catalizador

tuberias de combustible

85 Indice allabetico 85 Vocabulario tecnico 87 Abreviaturas

Para cumplir con la exigencia de que los nuevos modelos de coches sean bajos de consumo y poco contaminantes pero a la vez de alta potencia son necesarios inmensos esfuerzos en el desarrollo de nuevos conceptos de motor. En un principio, estos esfuerzos se concentraban sobre todo en reducir la cantidad de sustancias nocivas en los gases de escape, dado que las normas legales al respecto se hacían cada vez más severas. La introducción del catalizador de tres vías a mediados de los años ochenta fue un avance decisivo en este campo. Sin embargo, en los últimos años ha incrementado el deseo por automóviles de bajo consumo de combustible. Motores de gasolina de inyección directa prometen hasta un 20 % de ahorro. La presente Instrucción técnica explica, cuales son los conceptos que pueden satisfacer las nuevas ambiciones y cual es su funcionamiento. Está proyectada otra Instrucción técnica sobre la interacción de estos conceptos con Motronic, un moderno sistema electrónico de control y regulación.

4


Funcionamiento

Fundamentos del motor de gasolina El motor de gasolina de Otto l) es un motor de combustión por encendido externo que quema una mezcla de aire y combustible, transformando así la energía química contenida en el combustible en energía cinética. Durante mucho tiempo tuvo e! ca rburador la fun ción de preparar la mezcla de aire y combustible. El carburador forma la mezcla inflamable en el tubo de admisión, que aspira el aire necesario para la combustión.

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

En este proceso, las válvulas del cilind ro (5 y 6) regulan e! intercambio de gases (cambio de ca rga ). Abren y cierran los conductos de admisión y de escape del cilind ro, regulando así la admisión de gases frescos y la expulsión de los gases de escape. 1" tiempo: Adm isión

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

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

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

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

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

La biela (10) convierte este movi miento de va ivén en un movim iento de rotación del cigüelial ( 11 ). Una masa de inercia dispuesta en el cigüelial mantiene estable el movimiento. El régimen de giro del cigüelial se llama también velocidad del motor. 1) En memOria de Nlkolaus Augusl OUo (1832 hasta 1891), qUien en 1878 presento por pnmera vez en la EXpoSICión Universal de Paris un molor de gas a compresión segun el pnnclplo de Irabalo de 4 tiempos.

2' tiempo: Compresión Las válvulas de! cil indro están ahora cerradas. El pistón en movimiento ascendente reduce el volu men de la cámara de combustión y comprime la mezcla. En los motores de inyección en e! tubo de admisión, la mezcla de aire y combustible se encuentra ya al fin de la carrera de aspiració n en la cámara de comb ustión. En el sistema de inyección directa de gasolina, e! combustible no se inyectasegún el modo de funcionamiento - hasta el fin del tiempo de compresión. En el pun to muerto superior ha alca nzado el volumen su tamalio mínimo (volu men de compresión Ve).


y, tiempo: Combustión y trabajo Ya antes de que el pistón haya alcanzado el punto muerto superior (PMS), la bujía de encendido (2) inicia en un momento prefijado (ángulo de encendido) la combustión de la mezcla de aire y combustible (encend ido externo). Antes de que la mezcla se haya inflamado por completo, ha cruzado el pistón el pu nto muerto superior. Las válvulas del cili nd ro siguen estando cerradas. El calor de la comb ustión que queda libre au menta la presión en el cili ndro y empuja el pistón hacia abajo. 4 tiempo: Escape Ya poco antes del punto muerto inferior (P 11 ) se abre la válvula de escape (6). Los gases cal ientes, que se encuentran bajo alta presión, salen del cilin dro. El pistón en movim iento ascendente expulsa los residuos restantes. ada dos vueltas del cigüeñal com ienza un nuevo ciclo de trabajo con la ca rrera de aspiración.

Funcionamiento

5

Fases de distribución por válvulas Las levas dispuestas en el árbol de levas de admi sión (3) yen el árbol de levas de escape ( 1) abren y cierran las válvulas del cilind ro. En los motores con un solo árbol de levas, un mecanismo de balancines transmite el movimiento elevador de las levas a las válvulas del cili nd ro. Las fases de dist ribución determinan los tiempos de apertu ra y cierre de las válvulas con referencia a la posición del cigüeñal. Las fases de distribución se indican por eso en "grados del cigüelial". Para un mejo r llenado y vaciado de la cámara de combustió n se aprovechan corrientes y vibraciones de los gases. Por eso se entrecruZ<1nlas fases de apertura de las válvulas en un determinado sector del cigüelial. El cigüeñal acciona el árbol de levas mediante una correa dentada (o una cadena o ruedas dentadas). Un ciclo de trabajo dura en el proceso de 4 tiempos dos vueltas del cigüelial. El número de revoluciones del árbol de levas es por eso sólo la mitad del número de revoluciones del cigüelial. La relación de desmultiplicación entre cigüeñal y árbol de levas es por tanto de 2: l.

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

1- -- - ,

Fig ura 1

a

Tiempo de admisión

b

Tiempo de compres Ion

e

Tiempo de combuslIOn

d

Tiempo de escape

2-.,,-, 3

Arbol de levas de es·

cape

4

2

BUJia de encendido

3

Arbol de levas de

5 -=~~

admisión

6 --i.,.c=~

11 --i=~» -+

---."\

f-I-~--t

.

.~l-/

/

4

Valvula de inyección

5 6 7 8

Valvula de admlslon Válvula de escape

Camara de combusllon Plslon

9

CIlindro

10

Biela

11 Clgueñal

\/ (1

Par molor Angulo de clgLieñal Carrera del plslon

\ ¡, Volumen de carrera \ c Volumen de compresión

Fundamentos del motor de gasoli na

6

Funcionamiento

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

La compresión del motor tiene una influencia deCISiva e n

• • • •

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

Según ejecución de motor y tipo de inyección (inyección en el tubo de admisión o inyección directa), la relación de compresión E en el motor de gasoli na es de E =7 ... 13. En este motor no son posibles valores como los del motor Diesel (E= 14 ... 24), puesto que co n una alta compresión y la alta temperatura que de ahi resulta en la cámara de combustión, se enciende la mezcla de ai re y combustible por sí sola y de modo incontrolado a causa de la limitada resistencia de la gasolina a la detonación. De ello se origina la detonación perjudicial para e! motor. Relación entre aire y combustible Para una combustión completa de la mezcla de aire y combustible, las propo rciones de la mezcla han de enco ntrarse dentro de la relación estequiométrica. Este es el caso si para la combustión de I kg de combustible haya disposición 14,7 kg de aIre.

Distribución de la mezcla en la cámara de combustión.

a

I

b

I

La relación de masas entre aire y combustible se designa lambda (letra griega },). También se le puede llamar coefi ciente de aire. En e! fun cionamiento estequiométrico, Atiene el valor de 1,0. Un enriquecim iento de la mezcla con combustible ocasiona valores A menores de l. En caso de un empobrecim iento existe aire en exceso, siendo e! valor }, mayor de l. A partir de un valor determinado (2 > 1,6) la mezcla topa en el límite de funcionamiento pobre y deja de ser inflamable. Distribución de la mezcla en la cámara de combustión Distribución homogénea En los motores de inyección en e! tubo de adm isión, la mezcla de aire y combustible se encuentra distribuida homogénea mente en toda la cámara de combustión con el mismo coefi ciente de aire A(figura 2a). También motores de concepto pobre que trabaja n con exceso de aire en determ inados má rgenes de servicio se hacen funcionar con una distribución homogénea de la mezcla.

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

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

Figura 2 a

DistribuCión homogénea de la mezcla

b

Carga estratificada

Par motor y polencia


Par motor y potencia La biela transforma el movi miento de vaivén del pistón en un movim iento de rotación del cigüeiial, por el acodado de éste. La fuerza con que la mezcla de ai re y combustible en expansión empuja el pistón hacia abajo se transforma en un par. Además de la fuerza, otra magnitud significativa del par motor es el brazo de palanca. En el motor, el brazo de palanca está determinado por el pronunciado acodado del cigüeñal. El par motor es en general el resultado de multiplicar la fuerza por el brazo de palanca. El brazo de palanca activo para el par motor es el componente de la palanca que se encuentra vertical a la fuerza. En el punto muerto superior la fuerza y la palanca son paralelas. Por eso el brazo de palanca activo es igual a cero. A un ángulo del cigüeñal de 90· después del PMS, la palanca se encuent ra vertical a la fuerza generada. El brazo de palanca - y por consiguiente el par motor - es aquí el máxi mo. El ángulo de encendido ha de estar dimensionado por tanto de manera que la inflamación de la mezcla tenga lugar en el sector del cigüeñal en que asciende el brazo de palanca. Así, e1motor puede generar el par máximo posible. El par motor máxi mo alca nzable M que puede suministrar el motor está determinado por su diseño (p.ej. tamaiio de la cilindrada, geometría de la cá mara de combustión). La adaptación del par motor a las exigencias de la marcha normal se efectúa en lo esencial regulando la calidad y canti dad de la mezcla de aire y combustible.

7

La figura I muestra el transcurso del par motor y de la potencia en funció n del número de revoluciones que es típico para un motor de gasolina de inyección en el tubo de admisión. Estos diagramas se presentan en los informes de pruebas en mu chas revistas del automóvil. El pa r motor aumenta hasta el par máximo Mmiu a med ida que sube el número de revoluciones. A números de revoluciones muy altos, el par motor disminuye de nuevo. El desarrollo en la técnica del motor aspira a poner a disposición el par máximo ya a números de revoluciones bajos en el margen de 2000 min-', puesto que en este margen de régimen el consumo de combustible es el más ventajoso. Los motores de turbosobrealimentación por gases de esca pe pueden satisfacer esta exigencia. La potencia del motor aumenta con el número de revoluciones, hasta alcanzar su valor máxi mo al número de revoluciones nominal/lnom con la potencia nominal pnom. La característica de la potencia y la del par del motor de combustión hacen necesario un ca mbio de velocidades para la adaptación a las exigencias de la marcha normal.

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

Cigüeñal,--------,----,

80

..

"-

80

.~

,f 40

La potencia Psuministrada por el motor aumenta a medida que se incrementa el par M y el número de revoluciones /l. Tiene validez la relación: P = 2 ·j¡ · II ·M

20 1000

3000

5000

Número de revoluciones del motor 11

min-' , "-

"-

Figura 1

~ ~

M-,w Par molor máximo

~

"'"

p-

Polencla nominal

~

'......

Numero de revoluclo-

:2 1000

3000

5000

Número de revoluciones del motor 11

,

min-!

"-

nes nominal

8

Fundamentos del motor de gasoli na

Rendimiento del motor

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

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

Proceso ideal de cámara homogénea La figura 2 (curva A) muestra los tiempos de compresión y de combustión de un proceso ideal, como se describe según las leyes de Boyle/Mariotte y Gay-Lussac. El pistón se mueve del PMI al P IS (punto I hacia 2), la mezcla de aire y combustible se comprime sin aportación de calor (Boyle/Mariotte). A conti nuación se quema la mezcla aumentando la presión (pu nto 2 hacia 3), permaneciendo constante el volumen (Gay-Lussac). Del PMS (punto 3) se mueve el pistón en dirección hacia el PMI (punto 4). El volumen de la cámara de combustión aumenta. La presión del gas quemado disminuye sin que se ceda calor (Boyle/Mariotte). A continuación se enfría de nuevo la mezcla quemada permaneciendo constante el volumen (Gay-Lussac), hasta alcanzarse otra vez el estado inicial (punto 1). La superficie limitada por los puntos 1 - 2 - 3 - 4 indica el trabajo conseguido durante un ciclo de trabajo. En el punto 4 se abre la válvula de escape y el gas que se encuentra todavía bajo presión se evade del cilindro. Si el gas se pudiera expandir por completo hasta el punto 5, la superficie abarcada por los puntos I - 4 - 5 sería energía útil. Con un turbosobrealimentador por gases de escape se puede aprovechar todavía en parte la zona que se encuentra enci ma de la línea atmosférica (1 bar) (I -4-5' ).

Diagrama p- 11 real Como en el fu ncionam iento real del motor no se pueden cumplir las condiciones básicas para el proceso ideal de cámara homogénea, el diagrama p- 11 efectivo (figura 2, curva B) se diferencia del diagrama p- 11 ideal. Medidas para aumentar el rendim iento térmico El rendimiento térmico aumenta con la compresión de la mezcla de aire y combustible. Con una comp resión más alta es mayor la presión en el cilindro al fin de la fase de compresión, aumenta ndo también la superficie abarcada en el diagrama p- 11. Esta superficie declara la energía generada por el proceso de combust ión. Al fijar la compresión hay que tener en cuenta la resistencia del combustible a la detonación. Los motores de inyección en el tubo de admisión inyectan el combustible delante de la válvula de admisión cerrada, depositándolo por tanto con antelación. Al form arse la mezcla de ai re y combustible, se evaporan las finas gotitas de gasolina. Para este proceso se requiere energía, que se retira del ai re y de las paredes del tubo de admisión en forma de calor. Con la inyección directa de gasolina se inyecta el combustible en la cámara de combustión. La energía necesaria para la evaporación se retira en este caso del ai re encerrado en la cámara de combustión, que entonces se enfría. De ese modo, la mezcla de aire y combustible compri mida tiene una temperatura más baja co mparada con la de la inyección en el tubo de admisión y puede ser comprimida en mayor grado. Pérdidas de calor El calor producido por la combustión cal ienta las paredes del cilindro. Una parte de la energía térmica es radiada, perdiéndose. En la inyección directa de gasolina la nube de la carga estratificada está rodeada de una envoltura de gases que no participan en la combustión. Esta envoltura de gases impide la transmisión del calor a las paredes del cilindro y reduce de ese modo las pérdidas de calor. Se producen pérdidas adicionales debidas a la combustión incompleta del combustible condensado en las paredes del cilind ro. Por razón del efecto aislante de la envoltura, en el funcionamiento con ca rga estratificada esas pérdidas son

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

9

Rendimiento del molor


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

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

TrabajO ¡¡tll

accionamIento

Pérdidas por fricción, grupos secundarios

2 = 1. 45%

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

Pérdidas por A:: 1 Pérdidas de calor en el cilindro,

por una combustión no Ideal y por los gases de escape

Pérdidas termodinámicas

enel proceso ideal (rendimiento térmiCO)

Desarrollo del proceso de trabajo del motor en el diag rama p. V.

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3

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Figura 2

A

Proceso ideal de

B

Diagrama p- \1 real

cámara homogénea

1 bar

5 Volumen V

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a

AdmiSión

a.

b

Compresión

~

e

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Expulsión de los gases

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Z2 Punto de encendido AÓ Escape se abre

10

Control del motor de gasolina

Exigencias

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

Exigencias Un objeti vo en el desarrollo de motores para automóviles es, con una potencia lo más alta posible, mantener mu y bajos el consumo de combustible y las emisiones de gases, cumpliendo así las disposiciones de la legislación relativas a los gases de escape. La reducción del consumo de combustible sólo es posible mediante un au mento del rendimiento del motor. Particularmente en ralentí y a régimen de carga parcial, el motor convencional de gasolina de inyección en el tubo de admisión trabaja con un rendimiento bajo. Pero precisam ente en esos márgenes de servicio se hace funcionar el motor con más frecuencia. Por eso hay que mejorar el renoim iento del motor especialmente en ralentí y en el régimen de carga pa rcial, sin influir no obs-

tante negativamente en el rendimiento ya favora ble en el régimen superior de carga de los motores actua les. Esta exigencia se puede satisfacer con la inyección directa de gasol ina. Otra exigencia formulada al motor es la de que ponga a disposición ya a bajos números de revoluciones un alto par motor, para poder acelerar el vehículo en breve tiempo. El par motor es por tan to la magnitud central en el control del motor de gasolina. Pares en el motor de gasolina

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

Pares molor en la cadena cinemática.

1

Masa de alfe llenado de nas frescal Masa de combustible Figura 1

1

Grupos secundariOS

(alternador. compresor del acondicionador de aire, etc.) 2

Motor

3

Embrague

4

CambiO de velocidades

Angula de encendido (momento de encendido)

2

I ~r generado

r la Motor combustlon

Cambio de carga y rozamiento Gnuoos secundarios Pérdides v transmisión del embraaue Pérdidas y transmisión del cambio de velocidades

3

4

Par disponible en Par motor el embrague I _ - IEmbrague -

-

Par Camb" ldisponible ele ve!. lpara a propulsión o-

'" ,;, ~ ~

o

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• la masa de aire que está a disposición para la combustión después de cerrarse las válvulas de admisión) • la masa de combustible dispo nible en el mismo momento y • el momento en el que la chispa de encend ido inicia la combustión de la mezcla de ai re y combustible.

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

Una tarea del control del motor es la de ajustar el par motor generado. Para ello se controlan en los diferentes subsistemas (control del llenado, formación de la mezcla, encendido) del control del motor todas las magnitudes que inAu)'en en el par motor. El objeto de este control es poner a disposición el par motor exigido por el conductor y satisfacer al mismo tiempo las aitas exigencias relativas a la emisión de gases, consumo de combustible, potencia, confo rt y seguridad . Estos problemas sólo se pueden resolver con electrónica. Con el fin de que estas condiciones se cumplan también en el servicio de larga duración, el control del motor realiza constantemente un diagnóstico)' muestra al conductor comportamientos errÓneos detectados. Esta es otra importante tarea del control del motor. El diagnóstico hace posible además un mantenimiento más sencillo del sistema en el taller.

Exigencias

Subsistema de cont rol del ll enado Mediante el accionam iento del acelerador, en los sistemas de inyección convencionales el conductor regula directamente la apertu ra de la mariposa . Así determ ina el caudal de ai re fresco aspi rado por el motor. En los sistemas de control del motor con pedal acelerador electrónico (EGAS) el conductor en el fondo prefija con la posición del acelerador un "deseo de par motor", p.ej. cuando quiere acelerar. El sensor del pedal acelerador mide para ello la posición del acelerador. El llenado de aire de los cilindros necesario para el deseo de par motor prefijado se determ ina en el subsistema de "control del llenado"y la mariposa) activada eléctricamente) se abre correspondientemente. Subsistema de forma ción de la mezcla En el subsistema de formación de la mezcla, en el fu ncionamiento homogéneo con relación aire/combustible), defi nida se calcula la masa de combustible correspondiente al llenado de aire y a base de el lo se determina el tiempo de inyección necesario y el momento de inyección óptimo. Para la inyección directa de gasolina rigen otras condiciones en los modos de funcionamie nto pobre, entre los que cuenta en lo esencial el fu ncionamien to con carga estratificada. Aquí la masa de combusti ble que debe ser inyectada no la determi na la masa de aire aspirado, sino el par motor solicitado por el conductor. Subsistema de encendido En el subsistema de encend ido se determina fin almente el ángulo del cigüeñal en el que la chispa de encendido procura la inAamación de la mezcla de ai re y combustible a su debido tiempo.

"

12


Control del llenado

Control del llenado La tarea del control del llenado es coordina r los sistemas que influyen en la proporción de gas en el llenado del cilindro. Componentes del llenado de los ci lindros La mezcla de gas que se encuentra en el cilind ro después de cerrarse las válvulas de admisión se denomina llenado del cilindro. Se compone del ai re fresco aportado y del gas residual. Para disponer de una magnitud independiente de la cili ndrada del motor, se ha introducido el concepto de "llenado de ai re relativo r! ': Este se ha defin ido como la relación entre el llenado act ual y el llenado en una condición normalizada (Po = 1013 hl'a, To =273 K). Figura 1 1

Vapores de aire y combustible (del sistema

de relenClon de vapores de combustible)

2

Válvula de regeneraClcn con secClon vana-

ble de apertura 3

Unión al sistema de relenClón de vapores

de

combustible 4

Gas de escape retroaJ¡·

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

La parte esencial del aire fresco pasa con el flujo de masa de aire (6, 7) a través de la mariposa (13 ) al cilindro. Una parte ad icional de gas fresco en form a de aire fresco y vapores de combustible puede ser sum inistrada a través del sistema de retención de vapores de combustible (3). El aire sumin istrado a través de la mariposa yex istente en el cilindro después de cerrarse las válvulas de admisión (11) es para el funcionamiento con mezcla homogénea de A~ 1 la magnitud decisiva para el trabajo realizado sobre el pistón durante la combustión y por lo tanto para el par entregado por el motor. Aquí el llenado corresponde al par motor o respectivamente a la ca rga del motor. Por el cont rario, en el funciona miento pob re (fu ncionamiento con carga estratificada) el par motor (ca rga del motor) resu lta directamente de la masa de combustibl e inyectada.

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

mentado 5

Valvula de realimenta-

Ción de gases de es· cape (valvula AGR) con secclon variable de

llenado del cilindro en el motor de gasolina.

-

aperlura 6

Flujo de masa de aire

7

FluJo de masa de aire

(presloo ambiente 1'.. )

(presión dellubo de admlSlon rJ

8

Llenado de gas fresco (presIÓn en la camara de combuShón rs)

9

Llenado de gas residual (presión en la cámara

~=EJ=:= 3

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

de combustión f~)

10 Gases de escape (contrapreslón de los

gases de escape !I"') 11

Válvula de admlsion

12 Válvula de escape 13 Mariposa 11

Angula de la mariposa

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


El gas residual se compone de gas inerte 1) Y- en funcionam iento con exceso de aire - de ai re no quemado. La parte de gas inerte en el gas residual no participa directamente en la combustión durante el siguiente tiempo de trabajo, pero influye en la in flamación y en el tra nscurso de la combustión. Una pa rte de gas residual aplicada encauzadamente puede red ucir por ello la emisión de óxidos de nitrógeno r O,). Para consegu ir un par motor exigido hay que compensa r el llenado de gas fresco impedido por el gas inerte mediante una mayor apertu ra de la mariposa. Con ello dismi nuyen las pérdidas por bombeo del motor. El resultado es una reducción del consumo de combustible. Control del llenado con gas fresco Inyección en el tubo de admisión El par motor generado por un motor de gasolina de inyección en el tubo de admisiól) es proporcional al llenado de gas fresco. El control del par motor se efectúa mediante la mariposa, que regula la corriente de aire aspi rado por el motor. Si la mariposa no está totalmente abierta, se estra ngula el aire aspirado por el motor y se reduce así el pa r motor generado. Este efecto de estrangulación depende de la posición y, con ello, de la sección de apertura de la mari posa. El par máximo del motor se consigue con la mariposa totalmente abierta.

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

1) Componentes en la camara de combust ión que se comportan de modo Inerte. es decir, que no participan ya en la combustión .

Control del llenado

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

Mariposa totalmente abierta

t

mín.

Ralenlí

Número de revoluciones -

máx.

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

13

14


Control del llenado

Cambio de carga El cambio de la carga del cil indro co nsumida (gases de escape) por otra de gas fresco se realiza mediante una apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape coordinada en el tiempo. Las levas del árbol de levas determinan los momentos de apertura y cierre de las válvulas (fases de distribución), así como el transcurso de la elevación de las válvulas. De esta form a se infl uye en el proceso de cambio de carga y, por consiguiente, también en el caudal de gas fre~ i sponibl e para la combustión. La in tersección de las válvulas, es decir, la solapadura de los tiempos de apertura de las válvulas de adm isión y escape, in flu ye decisivamente sobre la masa de gas residual que permanece en el cilindro. Con ello está fijada también la parte de gas inerte del llenado del cili ndro para el siguiente ciclo de trabajo. En este caso se habla de una realimentación "interna"de gases de escape. La masa de gas inerte en el llenado del cilindro puede aumenta rse mediante una realimentación "externa" de gases de escaye. Una válvula de realimentación une el tubo de adm isión con el tubo de escape. El control de esta válvula puede ajustar así la parte de gas inerte en el llenado del cilindro, en función del punto de funcionamiento. Rendimiento volumétrico Mientras que en el caudal de aire (aire empleado) toda la carga aplicada durante un ciclo de trabajo es referida a la carga teórica prefijada por el desplazamiento del pistón, con el rendimiento volumétrico se considera sólo la carga de gas fresco efectivamente restante. El gas fresco aspirado que durante la intersección de las válvulas fluye directamente al conducto de escape y no está a disposición para la combustión, no se toma en consideración.

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

Sobrealimentación El par motor alcan zable con una distribución homogénea de la mezcla de A~ 1 es proporcional al llenado de gas fresco. Por eso se puede aumentar el par motor máximo comprimiendo el aire antes de su entrada en el cilindro (sobrealimentación). Con la sobrealimentación se puede aumentar el rend imiento volu métrico hasta valores mayores de 1. Sobrealimentación dinámica Una sobrea limentación puede conseguirse ya simplemente aprovechando efectos dinámicos en el tubo de adm isión. El grado de sobrealimentación depende de la configuración del tubo de admisión, así como del punto de funcionamiento (esencialmente depende del número de revoluciones, pero también del llenado). Con la posibilidad de modifi car la geometría del tubo de admisión durante la marcha (geometría variable del tubo de adm isión), la sobrealimentación dinámica puede procurar, en un amplio margen de funcionamiento, un aumento del llenado máximo. Sobrealimentación mecánica Otro aumento de la densidad del aire se consigue mediante compresores accionados mecánicamente por el cigüeñal del motor. El aire comprim ido es bombeado a través del tubo de admisión al interior de los cilindros.

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


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

Formación de la mezcla

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

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

Modos de func ionamiento Homogéneo (A ~ J): En los motores de inyección en e! tubo de ad misión, la mezcla de ai re y combustible es aspi rada en la carrera de aspi ración a través de la válvula de admisión abierta. De ello resulta una distribución ampl iamente homogénea en la cámara de combustión. Este modo de funcionamiento es posible también con la inyección directa de gasolina. El combustible se inyecta durante la carrera de aspiración.

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

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

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

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

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

Estratificado: Este y los siguientes modos de fu ncionamiento sólo son posibles con la inyección directa de gasolina. El combustible no se inyecta hasta poco antes del momento de encendido. Se encuentra en fo rma de nube de mezcla en la zona alrededor de la bujía de encend ido. Homogéneo-estratifi cado: Adicionalmente a la ca rga estratificada se encuentra en toda la cámara de combustión una mezcla homogénea, pobre. Esta distribución de la mezcla se consigue mediante una inyecció n doble. HOlllogétreo-al1lidetonan/e: Igual mente mediante una doble inyección se consigue una distribució n de la mezcla que prácticamente impide combustiones detonantes. Estratificado-calentamiento de! catalizador: Unas inyecciones ad icionales activadas con retardo proporcionan un rápido calentamiento del ca talizador.

15

16



Influencia del coeficiente de aire ). sobre la potencia P

y el consumo específico de combustible ve' con una distribución homogénea de la mezcla.

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

co

~.r-~a__~~b~

Figura 1 a

••; : (

Mezcla rica

(falta de aire) b

Mezcla pobre

(exceso de aire)

, I

l

0,8

1,0

1,2

Coeficiente de aire A.

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

Para el tratamiento catalítico ulterior de los gases de escape mediante un catalizador de tres vías es absolutamente necesario cum plir exactamente con un coefi ciente A= 1 teniendo el motor la temperatura de servicio. Para conseguirlo es necesario determinar exactamente la masa de aire aspirada y aportar una masa de combustible exactamente dosificada. Para un desarrollo lo mejor posible de la combustión, además de un caudal de inyección exacto es necesaria también una mezcla homogénea. Para ello se requiere una buena pulverización del combustible. Si no se cumple esta condición, se precipitan grandes gotas de combustible en el tubo de admisión o en la pared de la cá mara de combustión. Estas gran -

0,6

0,8

1,0 1,2 Coeficiente de aire f..

1,4

---------des gotas no pueden quemarse totalmente yocasionan elevadas emisiones de He. Inyección directa de gasolina Con la inyección directa de gasolina, en el funcionamiento con mezcla homogénea de A~ I rigen las mismas condiciones que con la inyección en el tubo de admisión. En el fun cionamiento con carga estratificada, por el contrario, la mezcla de aire y combustible está compuesta de modo ampliamente estequiométrico sólo en la nube de carga estratifi cada que se encuentra alrededor de la bujía de encendido. Fuera de esta zona, el cilindro está lleno de aire fresco y gas inerte. Considerando toda la cámara de combustión, la relación de aire y combustible es muy alta (J, > 1). Como en este modo de funcionamiento no toda la cámara de combustión está llena con una mezcla inflamable, el par motor y la potencia entregada son también reducidos. Para una potencia máxima ha de existir una mezcla homogénea en toda la cámara de combustión, como con la inyección en el tubo de admisión. En dependencia del procedimiento de combustión y de la distribución de la mezcla en la cámara de combustión, en el funcionam iento pobre se producen emisiones de NO, que no pueden ser reducidas por el catalizador de tres vías sino que requieren medidas adicionales para la depuración de los gases de escape con un catalizador acumu lador de NO,.


Estados de funcionamiento del motor En algunos estados de funcionamiento, la demanda de combustible difi ere considerablemente de la demanda estacionaria del motor caliente a la temperatura de servicio, siendo necesarias intervenciones correctoras en la fo rmación de la mezcla. Arranque y calentamiento Al arrancar en frío se empobrece la mezcla de aire y combustible aspi rada. Esto es debido a un ent remezclado insuficiente del ai re aspirado con el combustible, a una red ucida evaporación del combustible y a una gran humectación (condensación del combustible) de las paredes aún frías del tubo de admisión (sólo con inyección en el tubo de admisión) y de los cil indros. Para compensar este efecto y fac ili tar el "arranque)) del motor frío, es necesario aporta r combustible adicional en el momento del arranque. Mientras el motor no haya alcanzado aún su temperatu ra de servicio, es necesario también un enriqueci miento de la mezcla después del proceso de arranque. Eso rige también para la inyección directa de gasolina. El fu ncionamiento pobre con carga estrati ficada no es posible, según el disello del motor y el proced imiento de combustión, hasta haber alcanzado el motor la temperatura de servicio.

Ralentí y carga parcial Después de alcanzar la temperatura de servicio, los motores usuales de inyección en el tubo de admisión fun cionan en ralent í y a carga parcial exclusivamente COI1 mezcla estequ iométrica. En los motores de inyección directa de gasolina en cambio, el objetivo es hacer funcionar el motor con carga estratificada lo más frec uentemente posible. Eso es posible en ralentí y a carga parcial. En esos estados de fu ncionamiento radica el mayor potencial de ahorro; mediante el funcionamiento pobre se puede ahorrar aquí hasta un 40 % de combustible. Plena carga Para este estado de servicio, las condiciones en los motores de inyección en el tubo de admisión yen los de inyección directa de gasolina son esencial men te las mismas. Al estar totalmente abierta la mari posa, puede ser necesario un enriquecimiento


de la mezcla. Como se desprende de la figura 1, se puede conseguir así el máximo par motor o la máxi ma potencia posibles. Aceleración y deceleración La tendencia del combustible a la evaporación, en los motores de inyección en el tubo de admisión, depende en alto grado de la presión existente en el tubo de admisión. Por ello, en la zona de las válvulas de admisión se fo rma una película de combustible en las paredes del tubo de admisión. Las rápidas variaciones de la presión en el tubo de adm isión, como se producen en las variaciones rápidas de la abertura de la mariposa, dan lugar a una modificación de la película en la pared. Al acelerar fu ertemente, aumenta la presión en el tubo de ael misión, la tendencia del combustible a la evaporación empeora y se vuelve más gruesa la pel ícula en la pared. Como una parte del combustible inyectado se pierde incrementando la película en la pared, se empobrece brevemente la mezcla en el motor, hasta que se estabiliza de nuevo la película en la pa red. Una deceleración rápiela ocasiona análogamente un enriquecimiento del motor, ya que, por disminuir la presión en el tubo de admisión , se desintegra la película en la pared y es aspirada por los cilindros. Una función de corrección en fu nción de la temperatura ("compensación de tra nsición") corrige la mezcla para consegui r un comportamiento de marcha óptimo y ga ran tizar la relación de aire y combustible constante, necesaria para el catalizador. Se producen efectos adicionales por la for mación de una película en las paredes de los cilindros. Teniendo el motor la temperatura de servicio, esos efectos son sin embargo muy reducidos. Por eso en los motores de inyección directa de gasolina que han alcanzado ya la temperatura de servicio esos efectos por fo rmación de una película en las paredes de los cilindros no tienen ninguna importancia.

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

17

18



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

soli na se inflama mediante una chispa eléctrica que salta entre los electrodos de la bujía de encendido. Los sistemas de encendido inductivos empleados predomina ntemente en motores de gawlina acumulan en la bobina de encendido la energía eléctrica necesaria para la chispa. Esta energía determina el tiempo durante el cual ha de cargarse la bobina de encendido bajo corriente (ángulo de cierre). La interrupción de la corriente de la bobina a un ángulo definido del cigüeIlal (ángulo de encendido) ocasiona la chispa de encendido y con ella la inflamación de la mezcla de aire y com busti ble. Los procesos que conducen al encendido de la mezcla, en los sistemas de encendido actuale, son controlados electrón icamente. Momento de encendido

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

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

-'

mento de encendido ha de elegirse de manera que el pun to esencial de la combustión y con él la punta de presión en el cilindro se encuentren poco después del punto muerto superior. Por eso ha de desplazarse el ángulo de encendido hacia avance a medida que au menta el número de revoluciones. Otra infl uencia en el transcurso de la combustión la tiene el llenado del cilind ro. El fre nte de llamas se extiende más lentamente si el llenado del cilindro es reducido. Por eso ha de desplazarse el ángulo de encendido hacia avance cuando es reducido el llenado del cilindro. Influencia del ángulo de encendido El ángulo de encendido tiene una influencia decisiva en el funcionamiento del motor. Determina • el par motor entregado, • las emisiones de gases y • el consumo de combustible. El ángulo de encendido se prefija de manera que se cumplan todas las exigencias lo mejor posible. Durante el funcionamiento no se debe prod ucir un picado sostenido del motor. Adaptación básica del ángulo de encendido En los sistemas de encendido de control electrónico, el diagrama ca racterístico del ángulo de encendido (figu ra I) toma en cuenta la infl uencia del número de revoluciones y del llenado del cil indro en el ángulo de encendido. Este diagrama característico está al macenado en la memoria de datos del control del motor. Constituye la adaptación básica del ángulo de encen dido. Sobre los dos ejes se ha trazado el número de revoluciones y el llenado relativo de aire. Una determinada cantidad de valores, típicamente 16 en cada caso, forman los puntos de apoyo del diagra ma característico. Pa ra cada par de valores hay almacenado un ángulo de encendido. El diagrama característico contiene por tanto 256 valores de ángulos de encendido aj ustables. Med iante una interpolación lineal entre dos puntos de apoyo, la cantidad de valores de ángulos de encend ido aumenta a 4096. El control electrónico del ángulo de encendido mediante diagramas característicos hace posible prefijar el ángulo de encendido mejor posible en cada punto de fu ncionam iento del motor. Estos


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

f ormación de la mezcla

ción del motor. En caso de producirse detonaciones durante largo tiempo, las ondas de presión y la elevada carga térmica pueden ocasionar daños mecánicos en el moCorrecciones adit ivas del ángulo de encendido tor. Para evitarlo con seguridad en los motores acUna mezcla pobre está menos dispuesta al encentuales de alta compresión, tanto de inyección en el dido, de modo que transcurre más tiempo hasta tubo de admisión como de inyección directa de alcanzarse el punto esencial de la combustión . Por gasolina, la regulación contra la detonación fo rma eso una mezcla pobre ha de ser encendida más temprano. Por eso la relación de aire y combustiparte de la extensión estándar de un control del motor. Con ella, indicios de combustiones detoble A influye en el ángulo de encendido. nantes detectados por sensores de picado ocasioLa temperatura del líquido refrigerante influye ~n a n una variación del punto de encendido hacia retardo sólo en el cilindro afectado. Para lograr el también en la elección del ángulo de encendido. rend imiento máximo posible del motor, se puede Por eso han de efectuarse correcciones del ángulo situar la adaptación básica del ángulo de encende encendido en función de la temperatura. Estas dido (diagrama característico del ángulo de encencorrecciones están almacenadas en la memoria de datos como valores fijos o como curvas caracterísdido) directamente junto al límite de detonación. ticas (p.ej. corrección en fun ción de la temperatura). Desplazan el ángulo de encendido básico en Combustiones detonantes en los motores de inyección di recta de gasol ina se producen sólo en el el valor prefijado. La corrección del ángulo del enfun cionamiento con mezcla homogénea. En funcendido puede constituir una va riación hacia avance o una variación hacia retardo. cionamiento con carga estratificada el motor no tiende a detonar, puesto que con la carga estrati ficada no se encuentra mezcla inflamable alguna en Angulos de encendido particulares Determinados estados de fu ncionamiento, p.ej. ralas zonas marginales de la cámara de combustión. lentí o corte en marcha por empuje, requieren ánAngulo de cierre gulos de encendido divergentes de los del diagrama característico. Para ello hay almacenadas en La energía acumulada en la bobina de encendido la memoria de datos curvas características de ándepende de la duración de conexión de la bobina. El tiempo preciso para establecer la energía de engulos de encendido particulares, de las que se hace uso. cendido necesaria en la bobina ha de observa rse exactamente, para no someter la bobina de encenRegulación contra la detonación dido a sobrecargas térmicas. El ángulo de cierre, La detonación es un fenómeno que se presenta en que se refi ere al cigüeñal, depende por eso del núcaso de estar demasiado avanzado el momento de mero de revoluciones. encendido. En este caso, después de iniciarse la La corriente de la bobina de encendido depende de combustión regular, a causa del alto aumento de la presión en la cámara de combustión se produce un la tensión de la batería. Por eso hay que tener preautoencend ido de la mezcla residual (gas fi nal) sin sente también la tensión de la batería al calcular el ángulo de cierre. quemar todavía no alcanzada por el fre nte de llamas. La subsiguiente combustión del gas fi nal que se realiza de repente ocasiona localmente un inLos valores para el ángulo de cierre están almacenados en un diagrama característico sobre cuyos tenso aumento de la presión. La onda de presión ejes están esbozados la tensión de la batería y el producida de ese modo se propaga, da en las paredes del cilindro y por consiguiente se puede percinúmero de revoluciones. bir también como combustión detonante, por lo menos a bajos números de revoluciones y reducido ruido del motor. A nú meros de revoluciones más altos, los ruidos del motor cubren la detona-

19

20

Sistemas de control del llenado

Control del llenado de aire

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

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

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

Figura 1 1

2

Pedal acelerador Cable de traCCIón Ovarillaje

3

Manposa

4

Conducto de admiSión

5

FlUJO de aire aspirado

6

FlUJO de aire de derivaCión

7

Actuador de ralenli (actuador de aire de derivación)

8

Unidad de control

9

Magnitudes de entrada (señales eléctricas)

, 5. --- • 2

I

4

J.

8

9 -

o

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,.'=>" ~

Ql>

Sistemas convencionales En los sistemas convencionales (figu ra 1), la mari posa (3) es accionada mecánicamente. Un cable de tracción o un vari llaje (2 ) transmite el movimiento del acelerador (I ) a la mariposa. El ángulo variable de ajuste de la mariposa inA uye en la sección de abertura del conducto de admisión (4) Y controla así el flujo de aire (5) aspirado por el motor y con ello el par motor entregado. Cuando está frío, el motor requiere una mayor masa de aire y una mayor cantidad de combustible, para compensar el momento de fricción incrementado. También al conectar adicionalmente p.ej. un compresor de aire acondicionado se requiere más aire aspirado para compensar la pérdida de par. Estas informaciones se transmiten a la unidad de control (8) como seliales eléctricas (9). La necesidad de ai re adicional se cubre mediante un actuador de aire de derivación (7) que hace pasar una corriente de aire de derivación (6) por delante de la mariposa, o mediante un actuador de mariposa que modifica el tope mínimo de ésta. En ambos casos, sin embargo, en la corriente de aire requerida por el motor sólo se puede inAuir electrónicamente en una extensión lim itada, como por ejemplo para una regulación del ralentí.


21

Control del llenado de aire

El sistema EGAS (acelerador electrónico).

Sensores

Actuadores

~c Figura 2 Sensor del pedal acelerador

Módulo de supervisión

2

Unidad de control del motor

3

Sensor del ángulo de la matlposa

&

4

ACCionamiento de la mariposa

Módulo del pedal acelerador

Unidad de oonlrol del motor

Sistemas con EGAS En el con trol electrónico de la potencia del motor (EGAS), una unidad de control electrónica (fi gura 2, pos. 2) se hace cargo de la activación de la mariposa (5). Esta está reunida con el accionamiento de la mariposa (4) -un motor de corriente continua - y el sensor del ángulo de la mariposa (3), for mando una unidad. A ésta se le da el nombre de disposit ivo de mariposa. Para act ivar el dispositivo de mariposa se detecta la posición del acelerado r con ayuda de dos potenciómetros de movimiento opuesto (sensor del pedal acelerador, 1). La apertura de la mariposa requerida para el deseo del conductor la calcula entonces la unidad de control del motor tomando en cuenta el estado actual de funcionamiento del motor (número de revoluciones, temperatura del motor, ete.) y la transforma en sella les de activación para el accionam iento de la ma riposa. El sensor del ángulo de la mariposa suministra una confirmación de la posición actual de la mariposa y hace posible así el cumplim iento exacto de la posición deseada para la mariposa. Los pOlenciómetros existentes en doble ejecución por motivos de redundancia en el pedal acelerador yen el dispositivo de mariposa son parte inte-

+------+1

(motor de comente

Dispositivo de mariposa

conllnua) 5

grante del concepto de supervisión EGAS. Para el caso de que se detecten anomalías en la parte del sistema que determi na la potencia, la mariposa inmediatamente toma una posición fijada (funcionam iento de emergencia). En sistemas actuales de gestión del motor, la activación EGAS ha sido integrada en la unidad de control del motor, que regula el encendido, la in yección y otras funciones adicionales. Se ha sup rimido la unidad de control EGAS especial. Con el EGAS es posible una mejor composición de la mezcla, pudiéndose cu mplir las exigencias cada vez más severas de la legislación relativa a los gases de escape. Para atender todas las exigencias que la inyección directa de gasolina formula al sistema total, EGAS es imprescindible.

Mariposa

22

Sistema de control del llenado

Fases variables de distribución por válvulas

Fases variables de distribución por válvulas Además de la estrangulación mediante la mariposa de la corriente de gas fresco aspirada por e! motor, existen otras posibilidades de influir en e! llenado de los cilindros. Con fases variables de distribución por válvulas se puede influir tanto sobre la parte de gas fresco como sobre la de gas residual. Para las fases de distribución por válvulas es importante que se modifique inten sa m~te el comportamiento de las columnas de gas que afluyen al cilindro y salen de él, p.ej. en función de! número de revoluciones o de la apertura de la mariposa. Con fases de distribución fijas e! cambio de ca rga sólo puede estar adaptado óptimamente para un margen de funcion amiento determinado. Fases de distribución variables permiten la adaptación a diferentes números de revoluciones y llenados de los cilindros. De este modo se obtienen las siguientes ventajas: • potencia más alta, • transcurso más favorable del par motor en un amplio margen de régi men, • reducción de las emisiones de contaminantes, • menor consumo de combustible y • red ucción de los ruidos del motor.

Variación de las fases del árbol de levas

El cigüeñal y el árbol de levas de un motor convencional están unidos fijam ente de modo mecánico mediante una correa dentada o una cadena. En motores con va riación de! árbol de levas, por lo menos el árbol de levas de admisión pero en medida creciente también el árbol de levas de escape, es girado variando su posición respecto a la de! cigüeñal. Con la variación del árbol de levas, por tanto, se puede modificar la intersección de las válvulas. La va riación de las fases del árbol de levas no influye si n embargo en la duración de apertura y la ca rrera de las válvulas. Eso significa que "admisión abre" y "adm isión cierra" están ligadas fijamente entre sí. La variación de los árboles de levas es posible mediante el empleo de actuadores áccionados eléctrica O e1ectrohidráulica mente. Mandos sencillos sólo hacen posible dos posiciones diferentes para la variación. El control variable del árbol de levas permite dentro de un margen un giro con progresión continua de los árboles de levas cambiando su posición respecto a la del cigüelial. La figura I muestra cómo varia la "posición" o respectivamente la ca rrera de la válvula de admi sión abierta (referido al punto muerto superior), cuando es desplazado en su giro el árbol de levas de admisión. Variación del árbol de levas de admisión hacia retardo

Giro del árbol de levas de admisión.

t ~

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

u

l'! ~

'"

ü

Figura 1 1

0,-:-,,_

Retardo

:2

Normal

3

Avance

A

Intersección de válvulas

Angulo del cigüeñal

-----

- -

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


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

Va riación del árbol de levas de adm isión hacia avance En el ma rgen medio de régimen la velocidad de flujo del gas fresco a través de la válvula de admi sión es reducida. El efecto de sobrealimentación que se presenta a altos números de revoluciones no existe, pues, aquí. El cierre avanzado de la válvula de admisión ya poco después del PMI impide a números medios de revoluciones que el pistón en movimiento ascendente empuje el aire fresco aspirado otra vez al tubo de admisión a través de la válvula de admisión. La va riación del árbol de levas de ad misión hacia avance procura aquí e1l1enado mejor posible y con él un buen transcurso del par motor. La variación del árbol de levas de adm isión hacia avance ocasio na una mayor intersección de las válvulas. La apertura avanzada de la válvula de admi sión da lugar a que los gases de escape no expulsados aún por completo a través de la válvula de escape sean empujados poco antes del punto muerto superior (PMS) por el pistón en movimiento aún ascendente, pasando por la válvula de admisión abierta al tubo de admisión. Esos gases de escape a continuación son asp irauos ue nuevo )' aumentan

la parte de gas residual del llenado del cilindro. La parte de gas residual aumentada por la va riación del árbol de levas de admisión hacia ava nce y contenida en la mezcla aspirada (realimentación de gases de escape interna) influye en la combustión y reduce, por las menores temperaturas punta, la fo rmación de NO,.

23

Fases variables de distribuCión por válvulas

La alta parte de gas inerte contenida en el llenado del cilindro exige una mayor sección de apertura de la mariposa. Con ello se reducen las pérdidas por estrangulación . Así con la intersección de vá lvulas también se puede conseguir una reducción del consumo de combustible. Va riación del árbol de levas de escape Con sistemas que pueden regular también el árbol de levas de escape se puede variar la parte de gas residual no sólo gi rando el árbol de levas de admi sión, sino también el árbol de levas de escape. Con ello e pueden regular el llenado total (determinado por"admisión cierra") y la parte de gas residual (por la influencia de "admisión abre" y"escape cierra") por separado. Conmutación del árbol de levas

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

Conmutación del árbol de levas,

Admisión (regulable)

Esca (regulable)

I I I I

1

I

I

1;-'\ \

\ \ \

\

I

Figura 2

Angulo del cigüeñal

1

l eva estándar

2

l eva adicional

24


Fases variables de distribución por válvulas

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

Figura 3

a

Carrera mlnlma

b

Carrera máxima

En los márgenes de régimen inferior y medio, pequeñas carreras de válvula con la consiguiente sección reducida de apertura proporcionan una mayor velocidad de nujo y con ella una mejor turbulencia del aire fresco (con inyección directa de gasolina) o respectivamente de la mezcla de ai re y combustible (con inyección en el tubo de admisión) en el cil indro. Con ello está ga rantizada a ca rga parcial una preparación muy buena de la mezcla. A alto número de revoluciones y con alta demanda de par motor (a plena carga) es necesario el llenado máximo, por razó n de la alta potencia exigida del motor. Para ello se ajusta la ca rrera de válvula gra nde. La conmutación a diferentes forma s de leva se obtiene p.ej. posicionando la leva adicional en fun ción del número de revoluciones mediante el acoplamiento de un balancín de brazo único, que estaba oscilando libremente, a los balancines está ndar. Otra posibilidad de conmutación la ofrecen unos taqués huecos de conexión.

Distribución por válvulas completamente variable con árbol de levas Se califica de completamente variable una distribución por válvulas en la que so n va riables tanto la ca rrera de las válvulas como las fa ses de distribu ción de éstas. Perfiles de levas espaciales y p.ej. un árbol de levas desplazable en sentido longi tud inal hacen posibles grados de libertad aún mayores du rante el funcionam iento del motor (fi gura 3). Con esta regulación del árbol de levas, con progresión continua se pueden variar ta nto las carreras de válvula (sólo en el lado de admisión) y con ellas el ángulo de apertura de las válvulas como también la posición de la fase entre el árbol de levas y el cigüeñal. Esta regulación completamente va riable del árbol de levas hace posible, mediante un cierre ava nzado de la válvula de admisión, un control de la carga con el que se puede suprimir notablemente la estrangulación del tubo de admisión. De este modo se puede reducir aún un poco el consumo de combustible en comparación con una variación sencilla de las fases mediante árbol de levas. Distribución por válvulas completamente variable sin árbol de levas El mayor grado de libertad de una distribución por válvulas y el mayor potencial de una reducción del consumo los ofrecen sistemas co n una distribución por válvulas sin árbol de levas. En esta distribución por válvu las, éstas son movidas p.ej. mediante actuadores accionados electromagnéticamente. Una unidad de control ad icional se hace cargo de la activación. El objetivo de estos accionamientos de las válvulas completamente variables sin árbol de levas es una amplia supresión de la estrangulación del tubo de admisión, con pérdidas por cambios de carga muy pequeñas. Se pueden obtener otras ven tajas de consumo mediante una desconexión de válvulas y cil indros. Estos sistemas completamente variables hacen posible además un llenado óptimo y, con ello, un par motor máximo) así C0 l11 0 una mejor preparación de la mezcla con las consiguientes menores concentraciones de elementos nocivos en los gases de escape.


Realimentación de gases de escape En la masa de gas residua l en el cilindro - y con ella en la parte de gas inerte del llenado del cil indro - se puede influir mediante fases de distribución variables. En este caso se habla de una realimentación de gases de escape (AG R) "i nterna". Es posible una mayor va riación de la parte de gas inerte med iante una realimen tación de gases de escape "externa': en la que a través de una tubería se conducen otra vez al tubo de admisión gases de escape ya expu lsados (figura 1, pos. 3). El sistema AG R da luga r a menores emisiones de óxido de nitrógeno (NO,) y a un consumo más reducido de combustible. limitación de la emisión de NO, La AGR es un medio eficaz para dismi nuir las emisiones de óxido de ni trógeno. Añad iendo a la mezcla de aire y combust ible gases de escape ya quemados, se baja la temperatura punta de la combustión. Esta medida red uce la emisión de óxido de nitrógeno, que depende en gran med ida de la temperatura. Reducción del consumo de combustible Con la AGR se au menta el llenado total sin que varie el llenado de aire fresco. Por eso hay que estrangula r menos el motor med iante la ma riposa (2) pa ra consegui r un par motor determ inado. El resultado es un consumo de combustible más bajo.

25

Realimentación de gases de escape

AGR en la inyección directa de gasolina También en motores de inyección directa de gasolina se aprovecha la AGR para reducir el consumo y disminuir el NO,. En efecto, la AG Res indispensable, puesto que de este modo disminuyen las emisiones de NO, en los modos de funciona miento pobre hasta tal punto que pueden reduci rse otras medidas para el tratamiento ulterior de los gases de escape (p. ej. funcionamiento con mezcla homogénea rica para "desacumular" el NO, del catalizador acumulador de NO,). Eso también repercute positivamente en el consumo de combustible. Pa ra que se puedan aspirar gases de escape a través de la válvula AG R, ha de reinar una caída de presión entre tubo de admisión y conducto de gases de escape. Los motores de inyección directa, sin embargo, se hacen funcionar también a carga parcial casi sin estrangulación. Además, en funcionamiento pobre se introduce en el tubo de admisión un caudal no insignifica nte de oxígeno a través de la AGR. Un funcionam iento sin estrangulación y la in troducción de oxígeno en el tubo de admisión a través de la AG R requieren por eso una estrategia de mando que coordine tanto la mariposa como también la válvula AGR. De ello resultan elevadas exigencias para el sistema AGR: ha de trabajar de modo preciso y fiable, y ha de ser rob usto frente a las incrustaciones que se forman en piezas que conducen gases de escape a causa de la menor temperat ura de éstos.

[ Realimentación de gases de escape (AGR).

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

-----+rI _ _ 11

F~ 4

11& I:'J

Figura 1 1

Aire fresco aspirado

2

Mariposa

3

Gases de escape retro'

4

Umdad de control del

alimentados motor 5

Válvula de realimentación de gases de es· cape (vál . . ula AGR)

6

Gases de escape

11

Numero de re . . olu· Clones

rI

llenado relativo de aire

26


Sobrealimentación dinamica

Sobrealimentación dinámica

Sobrealimentación por tubo oscilante de admisión

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

Los tubos de admisión para instalaciones de inyección individual se componen de los tubos oscilantes individuales y de un depósito colector (colector). Con la sobrealimentación por tubo oscilante de adm isión (fi gura 1), cada cilindro tiene un tubo oscilante particular (2 ) de determinado largo, que está unido casi siempre a un depósito colector (3). En esos tubos oscilantes se pueden expandir las ondas de presión independ ientemente unas de

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

Figura 1 1

Cilindro

2

Tubo oscilante

3

Depósito colector

4

Mariposa

Individual

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

otras.

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

Principio de sobrealimentación por tubo oscilante de admisión .

3

11


Sobrealimentación por resonancia A determ inado número de revoluciones del motor, las oscilaciones de los gases en el tubo de admisión entran en resonancia, excitadas por el movimiento periódico del pistón. Eso ocasiona un aumento adicional de la presión y un efecto adicional de sobrealimentación. En los sistemas de tubos de admisión de resonancia (figura 2), los grupos de cilindros (1) que tienen iguales intervalos de encendido se unen med iante tu bos de admisión cortos (2) a un depósito de resonancia (3) pa ra cada grupo. Estos depósitos comun ican con la atmósfera o con un depósito colector (5) a través de tubos de admisión de resonancia (4) Yactúan como resonadores de Helmholtz. La separación en dos gru pos de cili ndros con dos tubos de admisión de resonancia impide una solapadura de los fenóm enos de nujo de dos cilindros vecinos en el orden de encendido. El margen de régimen al que debe ser grande el efecto de sobrealimentación por la resonancia que se origina determina la longit ud de los tubos de ad misión de resonancia y el tamaño del depósito de resonancia. Los grandes volúmenes de los colectores necesarios en parte pueden, sin embargo, causar defectos dinámicos a causa de su efecto acumulador, al tener lugar rápidas modificaciones de carga.

27


Geometria variable del tubo de admisión El llenado adicional por la sobrealimentación dimímica depende del punto de funcionamiento del 111 0 tOT. Los dos sistemas antes mencionados aumentan el llenado máximo obtenible (rendim iento volumétrico) ante todo en el margen de régimen inferior (fi gura 3). Un transcurso casi ideal del par motor lo hace posible una geometría variable del tu bo de ad misión (sistemas de admisión conmutables), con la que son posibles por ejemplo di ferentes variaciones media nte válvulas de mari posa en fu nción del punto de funcionamiento del motor: • Variación de la longitud del tubo oscilante de admisión, • conmutación entre diferentes longitudes de tubo oscilante o dife rentes diámetros de tubos oscilantes, • desconexión opcional de un tubo individual por cilind ro en el caso de tubos oscilantes múlt iples y , conmutación a distintos volúmenes de colector. Para con mutar esos sistemas de adm isión sirven por ejemplo válvulas de mariposa accionadas eléctrica o e1ectro neumáticamente.

Principio de sobrealimentación por resonancia.

Aumento del llenado de aire máximo (rendimiento

volumétrico) por sobrealimentación dinámica. Figura 2

I

Cilindro

2

Tubo de admisión corto

3

DepóSito de

4

TUM de admiSión de

resonancia

1

resonanCia

~ 8

ill ~

'i1

~--- A ----~I

IL -___ B____~

"=>

@

I

l

DepóSito colector

6

Mariposa

A

Grupo de cilindros A

'" ·C "E o"Q)

B

Grupo de CIlindros B

~~

Figura 3

'i5 E <= =>

,.

5

1

4"

1

"2

1

1

Sistema con sobreali-

mentación por

4

resonanCia

Número de revoluciones del motor

:2

Sistema con tubo de admiSión normal

28



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

a

Geomelria del tubo de

admisión estando

a

2

1

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

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

cerrada la válvula de conmutación

b

Sistema combinado de tubos de admisión oscilantes y de resonancia Existe una combinación de los sistemas de tubo de resonancia y de tubo oscilante cuando la válvula de conmutación abierta (figura 5, pos. 7) puede unir los dos depósitos de resonancia (3) fo rmando un solo volumen. Entonces se origina un colector de aire para los tubos oscilantes de admisión cortos (2) con una alta frecuen cia propia. A números de revoluciones bajos y medios la válvula de conmutación está cerrada. El sistema actúa como sistema de adm isión de resonancia. La baja frecuencia propia está determinada por e! tubo de admisión de resonancia largo (4).

Geometría dellubo de admiSión estando

abierta la válvula de conmutación Válvula de conmuta-

ción

2 3

Depósito coleclor

3

Tubo de admisión largo y delgado estando

b

2 4 1

cerrada la valvula de conmutación

4

Tubo de admisión corto

y ancho estando abierta la valvula de conmutación

Figura 5 1

Cilindros

2

Tubo oscilante (tubo de admisión

corto)

3

Depósito de resonancia

4

Sistema combinado de tubos de admisión oscilantes y de resonancia.

Tubo de admisión de resonanCia

5

Depósito colector

6

Mariposa

7

Mariposa de conmutación

A Grupo de cilindros A B

Grupo de cilindros B

a

Condiciones del tubo de admisión estando cerrada la válvula de conmutaCión

b

Condiciones dellubo de admisión estando

abierta la válvula de conmutación

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

IJ


Sobrealimentación mecánica Estructura y funcionamiento

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

29

Sobrealimentación mecánica

Ventajas y desventajas

Por su ligazón directa con el cigüeñal, el compresor mecánico se acelera sin demora cua ndo aumenta el número de revoluciones. En comparación con la tu rboal imentación por gases de escape, e ello resul ta un par motor más alto y un mejor comportamiento de respuesta en el fun cionamiento dinámico. Pero COIllO la potencia necesaria para el accionamiento del compresor no puede estar a disposición como potencia efectiva del motor, se opone a esta ventaja - en comparación con la turboalimentación por gases de escape - un consumo algo mayor de combustible. Se mitiga esta desven taja si, a bajas cargas del motor, se puede desconectar el compresor mediante un acoplamiento conectado por el cont rol del motor.

Control de la presión de sobrealimentación

La presión de sobrealimentación puede controlarse en el compresor mecánico mediante un con-

ducto de derivación. Una parte del flujo de masa de aire comprimido llega a los cilindros y determina el llenado; la otra parte refluye por el conducto de derivación al iado de admisión. De la activación de la válvula de derivación se hace cargo el control del motor. Principio de funcionamiento del compresor helicoidaL

. · ~04

.0/

t Figura 1 1

Aire aspirado

2

Aire comprimido

30


Turboahmenlación por gases de escape

Turboalimentación por gases de escape De los procedimientos conocidos para la sobrealimentación de motores de combustión, el de turboalimentación por gases de escape es el que halla la más amplia aplicación. La turboalimentación por gases de escape hace posible ya en motores de pequeña cilindrada altos pares motor y potencias, con buenos rend imientos del motor. ~ Si la turboalimentación por gases de escape hace pocos años se aplicaba ante todo para aumentar el peso por unidad de potencia, hoy día se utiliza en medida creciente para aumentar el par motor máximo a números de revoluciones bajos y medianos. Eso rige particularmente en unión con la regulación electrón ica de la presión de sobrealimentación.

Estructu ra y funcionamiento

El turbosobreal imentador por gases de escape (figura 1) se compone, en sus elementos de construcción principales, de una turbina impulsada por los gases de escape (3) y de un compresor (1), cuyas ruedas están dispuestas sobre un árbol común (2). La energía para accionar la turbina se toma en su mayor parte de los gases de escape. Se aprovecha la energía contenida en los gases de escape calien tes que se encuentran bajo presión. Po r otra parte, si n embargo, hay que gastar también energía para retener en mayor grado los gases de escape al aba ndonar el motor y obtener así la potencia de CO I11 presión necesaria. Los gases de escape cal ientes (fi gura 2, pos. 7) soplan contra la turbina (4) en sentido radial y la someten a un rápido movimiento de giro. Los álabes de la rueda de la turbina orientados hacia adentro dirigen los gases hacia el centro, del que salen luego de nuevo en sentido axial.

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

-------1

Figura 1 1

Rueda de compresor

2 3

Turbina de gases de

ArtxJl escape

4

Entrada del fluJo

~

M

masico de gases de

escape

5

Salida del aire comprimido

~ ~

o

1

2

3

:> :>

'"

~


En el compresor (3), que gira conjuntamente con la turbina, las condiciones de! Aujo son inversas. El aire fresco (5) entra por el centro del compresor en sentido axial y es proyectado por los álabes en sentido radial hacia afuera, siendo a la vez comprimido. El tu rbosobreal imentador por gases de escape está si tuado en un tramo caliente del sistema de escape.) Por eso ha de ser de materiales de alta resistencia al calor. Tipos de turbosobrealimentadores por gases de escape

Sobrealimentador Wastegate Los motores deben alcanzar un alto par ya a bajos números de revoluciones. Por eso la caja de la turbina se dimensiona para un pequeño caudalmásico de gases de escape, p.ej. plena carga a n $ 2000 min-'. Con el fin de que con mayores caudales másicos de gases e! turbosobrealimentador no sobrecargue el motor, en este margen hay que evacuar UIl flujo parcial al sistema de escape a través de una válvula de deri vación, el Wastegate (fi gura 2, pos. 8), haciéndolo pasa r delante de la turbina. Normalmente esta válvula de derivación, en fo rma de mariposa, está integrada en la caja de la turbina.

31

Turboalimentación por gases de escape

ción abre el Wastegate y se reduce la parte del caudalmásico de gases que pasa por la turbina. Sobrealimentador vr G Las tu rbinas regu lables (VrG) ofrecen otra posibilidad de limitar e! Aujo másico de gases de escape a un alto número de revoluciones del motor (fi gura 3, página siguiente). En motores Diese! el sobreali mentador VrG constituye el estado actual de la técnica. En los motores de gasol ina todavía no ha podido imponerse, entre otras razones por el alto esfu erzo térm ico debido a los gases de escape muy calientes. Mediante una variación de la geometría, los álabes regulables (3) adaptan la sección de flujo y con ella la presión de gas que actúa sobre la turbina a la presión de sobrealimentación requerida. A bajo número de revoluciones dejan libre una pequeña sección de flujo, de manera que el flujo másico de gases alcanza una alta velocidad en la turbina y hace girar ésta a un alto número de revoluciones (figura 3a).

Figura 2

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

1

Valvula ritmica

2

Tuberia de mando neumática

El Wastegate es accionado a través de la válvula regulado ra de la presión de sobrealimentación (6). Esta válvula comunica neumáticamente a través de una tubería de mando (2) con la válvula rítmica (1), que es accionada en función de la presión de sobrealimentación por la unidad de control de! motor mediante una señal eléctrica e inAuye en esta presión. Un sensor de presión de sobrealimentación suministra la información sobre la presión de sobrealimentación actual. Si la presión de sobrealimen tación es demasiado baja, se activa la válvula rítm ica de manera que en la tubería de mando reine una reducida presión. La válvula reguladora de la presión de sobrealimentación cierra el Wastegate y una parte mayor de! caudal másico de gases acciona la turbina. Si la presión de sobrealimentación es demasiado alta) se activa la válvula rítmica de manera que en la tubería de mando reine una presión más alta. La válvula reguladora de la presión de sobrealimenta-

3

Compresor

4

Turbina de gases de

5

Flujo del aire de

5

escape admisión (aire fresco) 6

Válvula reguladora de la presión de sobre· alimentación

7

6

Comente de gases de escape

8

Wastegate

9

Conducto de derivación

...flJ1.I1..

Señal de activación para vál . . ula ritmlca

7

\',

FlUJO volumétrico a

\ 'WG

FlUJO . . olumétrico a

p,

Presión de sobre·

lb

Presión en la

través de la turbina

8 ~ 9 ¿, N

M

'<

--

.. -

""

través del Wastegate

,

alimentaCión membrana

32


Turboalimentación por gases de escape

A alto número de revoluciones del motor los álabes deja n libre una gran sección de fluj o que puede dar entrada al gran caudal de gases sin acelerar la turbina hasta altas velocidades (figura 3b). De este modo se lim ita la presión de sobrealimentación. Por el movimiento de giro de un anillo de regulación (2) se produce una sencilla va riación del ángulo de los álabes. Con ella se ajustan los álabes al ángulo deseado, o bien directamente a través de palancas individuales de regulación fijadas a los álabes (4) o a través de levas de regulación. El giro del anillo de regulación se efectúa neumáticamente mediante depresión o sobrepresión, a través de una cápsula de regulación (5) . El control del motor activa este meca nismo de regulación. De este modo se puede ajustar óptimamente la presión de sobrealimentación en función del estado de funcionamiento del motor. Figura 3 a

Sobreal imentador VST En el sobrealimentador con turbina variable de corredera (VST) se adapta el "tamaiio de la turbina)) abriendo sucesivamente dos conductos de flujo (figu ra 4, pos. 2 y 3) con ayuda de una corredera de regulación (4). Primero está ab ierto sólo el primer conducto de flujo. La pequeña sección de apertura ocasiona una alta velocidad de flujo de los gases de escape y con ella un alto número de revoluciones de la turbina (!). Al alca nzarse la presión de sobrealimentación ad misible, la corredera de regulación abre de modo continuo el segundo conducto de flujo, reduciéndose la velocidad de flujo de los gases y con ella la presión de sobrealimentación. Con ayuda del conducto de derivación (5) integrado en la caja de la turbina también es posible conducir partes del flujo másico de gases por delan te de la turbina. El ajuste de la corredera de regulación lo efectúa el control del motor mediante una cápsula neumática de presión.

POStClón de Jos álabes para alta preSión de sobrealimentación

b

PosICión de los álabes para baja presión de

Geometría de la turbina del sobrealimentador VST.

Geometría variable de la turbina del sobreallmentador VTG . I

...!

sobrealimentaCión Turbina de gases de

a

escape 2

Anillo de regulaCión

3

Alabes

4

Palanca de regulación

5

Cápsula de regulaCión

6

Comente de gases de

1 2

3

....

4

5

a

2

3

4

5

6

6

escape ... Alta velocidad de fluJo ~

Ba¡a velocidad de fluJo

Figura 4

a

Sólo un conducto de fluJO está abierto

b

b

b

Ambos conductos de fluJo están abiertos Turbina de gases de escape

2

1. conducto de fluJo

3

2. conducto de fluJo

4

Corredera de regulación

5

Conducto de derivaClon

6

Horquilla de regulaCión

~

~

~ ~

o

~

" ~ ~

;:¡ ;:¡

~ ;:¡

'"

Q!>

'"


33

Turboalimentación por gases de escape, enfriamiento del aire de sobrealimentación

Ventaja s y desventajas de la turbosobrealimentaci ón por gases de escape

En comparación con un motor de aspi ración de igual potencia, el peso menor y el reducido espacio constructivo hablan en pro del turbomotor (" Downsizing"). A lo largo de! margen de régimen út il se evidencia un mejor transcurso del par motor (figura 5, curva 4 en comparación con la cu rva 3). De ello resulta a determinado número de revoluciones una mayor potencia (A..... B). La potencia exigida (Bo C) en e! ejemplo de la figura 51a pone a disposición el motor de sobrealimentación ya a bajos números de revoluciones, por el transcurso más favora ble del par motor a plena ca rga. A carga parcial la mariposa ha de estar más abierta. Así, e! punto de trabajo se desplaza a un margen en el que las pérdidas por fr icción yestrangulación son menores (C..... B). De ello resulta un menor consumo de combustible, si bien los motores sobreali mentados presentan un rendimiento en el fo ndo algo peor, a causa de su menor compresión.

Como desventaja del turbosobrealimentador hay que citar el par motor menor a números de revoluciones muy bajos. En este margen la energía existente en los gases de escape no es suficiente para acciona r la turbi na. En funcionamiento no estacionario el transcurso del par motor es también más desfavorable a números de revoluciones med ianos, en comparación con el motor de asp iración (curva 5). Eso se debe a que el flujo másico de gases se establece con retardo. Al acelerar partiendo de bajos números de revoluciones resulta por consiguien te el "vacío pro pio del turbosobrealimen tador". El vacío propio del turbosobrealimen tador puede aminorarse aprovechando la sobrealimentación dinámica. Esta ayuda al comportamiento de aceleración del sobrealimentador. Otras variantes representan turbosobrealimentadores con electromotor adicional o con un compresor adicional accionado eléctricamente. Estos aceleran la rueda del compresor o respectivamente el flujo másico de aire independientemente del flujo másico de gases de escape y evitan el mencionado vacío del turbosobreal imentador.

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

l

jI

Igual potencia a bajo Qúmero de revolllciones

Más

Figura 5

1.3 Molor de aspiraCión 4

,

¡1

.

en serviCIO estacionariO

2. 4 Molar sobrealimen· tado en serVicio

o:

estacionariO

a.

114

112

Número de revoluciones del motor

314 ItllI l'I()m

~

m

~

:1

Enfriamiento del aire de sobrealimentación El aire en el sobrealimentador se calienta durante su compresión. Como el aire caliente tiene menor densidad que e! ai re frío, el calentamiento repercute desventajosa mente en e! llenado de los cilin dros. Un refrigerador del aire de sobrealimentación enfría de nuevo el aire comprimido y calentado. El enfriamiento del aire de sobrealimentación pro porciona por eso un aumento adicional del llenado del cilindro y con él un aumento del par motor y de la potencia. El descenso de la temperatura de! aire de combustión ocasiona también temperaturas más bajas del llenado del cilindro en e! tiempo de compresión. De ello resultan otras ventajas: • menor tendencia a la detonació n, • mejor rendimiento térmico y por tanto menor consumo de combustible, • menor carga térm ica de los pistones, así como • menor emisión de NO,.

5

Transcurso del par motor del molar sobrealimentado en servicio no estaciona" nn (dinámico)

34

Invección de gasolina en compend io

Vista general

Inyección de gasol ina en compendio Los sistemas de inyección o carburadores tienen la función de preparar una mezcla de aire y combustible adaptada lo mejor posible al respectivo estado de funcionami ento del motor. Los sistemas de inyección, particularmente los electrónicos, son más adecuados que los carbura· dores para el cumplimiento de los estrechos lím ites preestablecidos respecto a la composición de la mezcla. De ello resultan ventajas en lo referente al consumo de combustible, comportamiento de marcha y potencia. Las exigencias de la legislación cada vez más estricta sobre gases de escape han dado lugar en el campo de aplicación del automóvil a que la inyección desplazara completamente al ca rburador. En la actualidad se emplean aún predominantemente sistemas en los que la formación de la mezcla tiene lugar fu era de la cá mara de combustión (inyección en el tubo de admisión). Los sistemas con formación interna de la mezcla, o sea, de inyección directamente en la cámara de combustión

(inyección directa de gasolina), ganan cada vez más en importancia por ser extraordi nariamente adecuados para reducir aún más el consumo de combustible.

Instalación de inyección individual.

4

Vista general Formación externa de la mezcla

Los sistemas de inyección de gasolina con forma ción externa de la mezcla se caracterizan por producirse la mezcla de aire y combustible fuera de la cámara de combustión, en el tubo de admisión. Han ido siendo continuamente desarrollados, para que correspondieran a las crecientes exigencias. Hoy día sólo tienen importancia los sistemas de inyección individual de cont rol electrónico. Instalaciones de inyección individual En las instalaciones de inyección individ ual está asignada a cada cilindro una válvula de inyección (inyección en múltiples puntos) que inyecta el combust ible di rectamente dela nte de la válvula de admisión del cilindro (figura 1). Las instalaciones de inyección individual reúnen los requisitos ideales para satisfacer las exigencias descritas que se plantean a un sistema de preparación de la mezcla. Sistema de inyeccióf¡ I1ICCáflico El sistema K-Jetronic trabaja sin accionamiento e inyecta el combustible de forma continua '). La masa de combustible inyectada no es determinada por la válvula de inyección, sino que es preestablecida por un distribuidor-dosificado r. Sistema de inyección cOf1lbillado mecállico-electrómeo La KE-Jetronic tiene su fundamento en el sistema básico mecánico de la K-Jetronic. Med iante un registro de datos de servicio ampliado, hace posible func iones adicionales controladas electrónicamente, para adaptar con más exactitud el caudal de inyección a los variables estados de servicio del motor.

Figura 1 1

Combustible

2

Aire

3

Mariposa

4

Tubo de admiSión

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

5

Válvulas de Inyección

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

6

Motor

Inyección de gasolina en compendio

35

Vista general

Formación interna de la mezcla En los sistemas de inyección directa, el combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión mediante válvulas de inyección accionadas electromagnética mente. A cada cilindro hay asignada una válvula de inyección (fi gura 3). La formación de la mezcla tiene lugar dentro de la cámara de combustión. La forma ción de la mezcla en la cámara de comi bustión permite dos modos de fun cionamiento Ejemplos: L-jetronic, LH-jetronic y Motronic como sistema de gestión del motor integrado (Mtotalmente diferentes: Al fun cionar con mezcla Motronic y ME-Motronic). homogénea existe, igual que en la formación externa de la mezcla, una mezcla homogénea en toda la cámara de combustión; todo el ai re fresco disInyección central ponible en la cámara de combustión toma parte en En el sistema de inyección central hay dispuesta una válvula de inyección electromagnética en un el proceso de combustión. Por eso este modo de pu nto central delante de la mari posa (inyección en funcionamiento se emplea cuando se exige un alto un punto único, Single Point lnjection) e inyecta par motor. Al funcionar con carga estratificada, la mezcla ha de ser inflamable sólo en la zona alredeinterm itentemente el combustible en el tubo de dor de la bujía de encendido. En el resto de la cáadmisión (figura 2). Los sistemas de inyección central Bosch se denom inan Mono- jetronic y -mara de combustión se halla sólo gas fresco y gas Mono-Motronic. residual, sin combustible por quemar. Eso produce, en ralentí ya ca rga parcial , una mezcla en total muy pobre y, por tanto, una red ucción del consumo de combustible. Para el control de los motores de inyección directa de gasolina se aplica el sistema MED- Motronic.

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

Sistema de inyección central.

Sistema de inyección directa.

Figura 2

3 4

4

C;

C] I

I

,

n

1

Combustible

2 3

Manposa

4

Tubo de admiSión

5

Válvula de Inyección

6

Motor

C] I

I

~ 5

Figura 3 1

r

¡:;

M

iD

":g w

6

"" I

""" ~

~

---

6

-- ---

Aire

Combusllble

2

Aire

3

Mariposa

4

lEGAS) Tubo de admisión

5


6

Motor

36

Alimentación de combustible

Vista general

Alimentación de combustible Las válvulas de inyección de un sistema de inyección de gasolina inyectan el combustible en el tubo de admisión (inyección en el tubo de admisión ) o directamente en la cámara de combustión (inyección directa de gasolina ). Para ello el combustible ha de ser impu.lsado con una presión definida hacia las válvulas de inyección. Este capítulo describe los componentes que cuidan de la alimentación del combustible, del depósito de combustible hasta la válvula de inyección o, en la inyección directa, hasta la bomba de alta presión.

Vista general Los siguientes componentes son los que esencialmente toman parte en la alimentación de combustible (fi gura 1): • Depósito de combustible (1), • e1ectrobomba de combustible (2), • filtro de combustible (3), • regulador de presión de combust ible (4) y • tuberías de combustible (6 y 7). En el caso de la inyección en el tubo de admisión, el combustible impelido por la electrobomba Aure a través del dist ribuidor de combustible (5) a la válvula de inrección (8 ). En los motores de inrección directa de gasolina, el combustible impulsado al circu ito de alta presión llega a través de la bomba de alta presión. La electrobomba de combustible en sistemas antiguos se encuentra fuera del depósito de combustible, en la tubería de combustible ("in line"). En los sistemas modernos está montada dentro del depósito ("in tank"). Puede estar integrada también ju nto con otros componentes (p.ej. filtro previo, sensor de nivel de llenado del depósito) en una unidad de montaje en el depósito.

La e1ectrobomba impele el combustible continuamente del depósito a través del fi ltro de combusti ble hacia el moto r. El regulador de presión del combustible cuida de que exista una presión definida en el circuito de combustible. La magnitud de la presión depende del sistema de inyección. Para mantener la presión del combustible necesa ria en todas las condiciones de servicio, el caudal impelido por la electrobomba de combustible es mayor que el requerimiento de combustible del motor. El combustible excedente reAuye al depósito. La electrobomba de combustible se pone en marcha inmediatamente cuando se acciona el interruptor de encendido y arranque, para asegura r la generación de presión al arrancar. Se para de nuevo después de un segundo aproxiada mente, si no se arranca el motor.

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


Alimentación de combustible con inyección en el tubo de admisión Para la alimentación de combustible existen dos sistemas, que se diferencian en el modo del retorno de! combustible. Sistemas de alimentación de combustible con retorno El combustible excedente que la válvula de inyección (figuras 1 y 2, página siguiente, pos. 8) no inyecta, reO uye a través de! regulador de presión (4a ) al depósito de combustible (1). El regulador de presión de combustible generalmente está adosado al distribuidor de combust ible (5). Como referencia para la regulación de la presión del sistema sirve la presión reinante en el tubo de admisión. Por estar próximo el regulador de presión de combustible al tubo de admisión , es posible disponer aquí la conexión de referencia al tubo de admisión . Con esta presión de referencia

37

Inyección en el tubo de admisión

se produce una diferencia constante entre la presión en e! sistema de combustible y la presión en el tubo de adm isión. Eso ofrece la ven taja de que el ca udal de combustible inyectado sólo depende de la duración de inyección, siendo al mismo tiempo independiente de la presión en e! tubo de admi sión y, por tanto, del llenado del cilindro. Versiones Para los sistemas de alimentación de combustible con retorno son posibles distintas versiones. La figura 2a muestra e! sistema estándar con distribu idor de combustible recorrido por e! Oujo. El regulador de presión de combustible, sin emba rgo, puede enco ntrarse también delante de él, no siendo recorrido el distribuidor por e! Oujo de combustible. Presión del sistema En los sistemas con retorno actualmente em pleados, la presión es de aproximadamente 0,3 MPa (3 bares).

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

Figura 1

DepoSito de combustible

2

Eleclrobomba de combustible (integrada aqui en la Unidad de montaje en el depOSito)

3 4

Filtro de combustible Regulador de presión de combustible

5 ~

1

2

DistribUidor de combustible

6

Tubena de combustible

7

Tubena de relorno de combustible

8

Valvula de Inyección

38



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

Figura 2

,

b

Con rctorno

Sin retorno Deposito de

a

b

combUS1!ble

2

Electrobomba de

6

combustible

3

Filtro de combustible

4, Regulador de preSIón de combustible (pre-

Slon del tubo de adm," slón como relerencla)

4b Regulador de presión

1

de combustible (presión ambiente como referencia)

5

DistribUidor de combustible

6 7

Tuberla de combustible Tubcria de retorno de combustible

8

Valvulas de inyecCIÓn

Sistema de alimentación de combustible exento de retorno Normalmente, en el sistema de alimentación de combustible exento de retorno, el regulador de presión de combustible (figura 2b, pos. 4b) está dispuesto en el depósito de combust ible o cerca de él. También puede estar integrado en la unidad de montaje en el depósito. De este modo en estos sistemas se puede suprimir la tubería de retorno del distribu idor de combustible al depósito. El caudal excesivo impel ido por la electrobomba de combustible es conducido a través de una tubería de retorno corta, del regulador de presión directamente al depósito de combustible. Al distribuidor de combustible es impelido sólo el caudal de combustible proyectado por las válvulas de inyección. Además del ahorro de costes, la renuncia a la tubería de retorno ofrece también la ven taja de que al depósito no refluye combustible calentado en el compartimiento del motor, haciendo subir allí la temperatura del combustible. Esto proporciona una reducción de las emisiones de hidrógeno carbonado en el depósito de combustible y por tanto una descarga del sistema de retención de vapores de combustible.

Ve rsiones Para los sistemas exentos de retorno son posibles di ferentes versiones: • filtro de combustible y regulador de presión fuera del depósito de combustible, • filtro de combustible fuera del depósito, regulador de presión dentro del depósito, • fi ltro de combustible y regulador de presión integrados en la unidad de montaje en el depósito (módulo de alimentación ). Presión del sistema Práctica mente no es posible disponer de una conexión de referencia al tubo de admisión en el regulador de presión de combustible, a ca usa de la distancia a que se encuentra el tubo de admisión. Por eso el regulador de presión de combustible regula la presión del sistema manteniéndola a una diferencia constante respecto a la presión ambiente. El caudal de inyección depende por consiguiente de la presión en el tubo de admisión. Eso se tiene presente en el cálculo de la duración de inyección. La presión en los sistemas exentos de retorno es de aproximadamente 0,35 ... 0,4 MPa (3,5 ... 4 bares).


Circuito de baja presión de la inyección directa de gasolina El sistema de alimentación de combustible de la inyección di recta de gasolina se puede subdividir en • circuito de baja presión y • circuito de alta presión. El circuito de alta presión está descrito en el capítulo "Inyección directa de gasolina". El circuito de baja presión puede estar proyectado de muy disti nta manera en esas instalaciones de inyección, según los requerim ientos del fabricante del vehículo. Como en la inyección en el tubo de adm isión) también aquí existen variantes: • con retorno del combustible y • sin retorno del combustible. Ejemplo de una instalación La fi gura 1 muestra un sistema de combustible con retorno y conmu tación de presión previa . La presión en el circuito de baja presión (presión previa) puede aj ustarse aquí a dos valores.

39

Circuito de baja presión de la inyección directa de gasolina

Presión previa elevada En caso de tener el combustible una alta temperatura, al arrancar y durante el subsiguiente funcionamiento en ralentí (ralentí caliente) hay que tomar medidas para impedir la formación de burbujas de vapor en la bomba de alta presión (7). El aumento de la presión previa constituye un medio adecuado. La válvula de bloqueo (3) permanece para ello cerrada, actuando así la válvula limi tadora de presión integrada en la electro bomba de combustible (2) y ajustando la presión previa por breve tiempo al valor de 0,5 MPa (5 ba res) . La válvula limitadora de presión en este lugar no sólo protege los componentes contra sobrepresión, sino que se hace cargo también de una fu nción reguladora de la presión. Presión previa baja Después de 30 ... 60 segundos ha sido barrida la bomba de alta presión y está enfriada hasta el punto de que no existe ya el peligro de que se formen burbujas de vapor. La válvula de bloqueo se abre y el regulador de presión (4) se hace cargo de la tarea de regular la presión. Ajusta la presión previa a 0,3 MPa (3 bares). El regulador de presión se encuentra aquí en el compartimiento del motor; en este ejemplo se trata, pues, de un sistema de combustible con retorno. Figura 1 OrCUllo de baja presión con: 1

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

Depósito de combustible

2

Electrobomba de combustible con válvula li-

11

mltadora de presión y

7

filtro de combustible integrados 3

9

5

3

Válvula de cierre

4

Regulador de presión

5

Tubería de combuSllble

6

Tuberia de retorno de combustible

6

CirCUito de alta presión con:

7

Bomba de alta presión

8

Rall

9

Válvulas de inyección de alta presión

>

i':

10 Válvula de control de la

=>

11

~

-------

<11> ~

presión Sensor de presión de combustible

40


Integración en el vehlculo : unidad de montaje en el depósito

Integración en el vehlculo unrdad de montSje en el depósllo

Mientras que en los comienzos de la inyección elec-

Este recipiente está lleno generalmente -de modo

trónica de gasolina la electrobomba de combustible

activo" por un eyector O una etapa previa separada

estaba dispuesta exclusivamente "in line" en la tubería de combustible fuera del depósito, hoy en dia

de la electrobomba de combustible. En los sistemas de combustible exentos de re-

predomina el montaje de la electrobomba de com-

torno a menudo también está Integrado el regulador

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

de presión de combustible, que cUIda del retorno

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

dentro de la unidad de montaje en el depósito. El

llamada también módulo de alimentación. Esta uni-

filtro fino de combustible en el lado de presión

dad contiene un número creciente de otros elemen-

puede estar asimismo desplazado a la unidad de

tos:

montaje en el depósito.

• un filtro previo, • un sensor de nivel de llenado del depósIto,

En el futuro se integrarán otras funciones en el mó-

• conexiones eléctricas e hidráulicas, así como

dulo de alimentación, por ejemplo dispositivos de

• un recipiente como reserva de combustible para

diagnosis para fugas del depósito o el módulo de

la marcha por curvas.

cadencia para el mando de la electrobomba de com-

bustible.

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

1

Filtro de combushble

2

Electrobomba de combustible

3

Eyector (regulada)

4

Regulador de presión de combustible

5

Sensor de nivel de llenado del depósito

6

Filtro prevIo

~ ~

M

~

;¡

" ~

@


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

Formación de vapores de combustible Hay que co ntar con una evaporación incrementada del combustible que se encuentra en el depósito • cuando se cal ienta el combustible en e! depósito, sea a causa de una alta temperatura ambiente, sea por e! retorno de combustible calentado en el compartimiento de! motor que no es requerido para la combustión, así como • en caso de una disminución de la presión ambiente, por ejemplo al viaja r monte arriba. Estructura y funcionamiento El sistema de retención de vapores de combustible (fi gura 1) se compone de un depósito de ca rbón activo (3) en e! que desemboca la tubería de ventilación (2) procedente del depósito de combustible (1), así como de una válvula regeneradora (5) que comunica tanto con e! depósito de carbón activo como con el tubo de admisión (8). El carbón activo absorbe el combustible contenido en el vapor y sólo deja salir aire a la atmósfe ra. Cuando la válvula regeneradora deja abierta la tubería (6) entre el depósito de carbón activo y el tubo de admisión, a causa del vacío reina nte en éste se aspira ai re fresco (4) a través del ca rbón activo. El aire fresco toma de nuevo el combustible absorbido y lo conduce a la combustión (regeneración del depósito de carbón activo). El cont rol del sistema reduce el caudal de combustible inyectado en la ca ntidad de combustible aportada a través de la válvula regeneradora. La regeneración se efectúa de modo regulado, para lo cual se ca\cula con tinuamente la concentración de combustible en el Aujo de gas de regeneración, observando las variaciones del coefi ciente de aire'\ ocasionadas por ello.

41

Sistema de retención de vapores de combustible

El caudal de regeneración se controla en función de puntos de trabajo y puede ser dosificado finamente con la válvula regeneradora. A fin de que e! depósito de ca rbón act ivo esté en condiciones de absorber los nuevos vapores formados por el combustible, la regeneración ha de tener lugar periódicamente. Particularidades con inyección directa de gasolina Con sistemas de inyección directa de gasolina, la regeneración del depósito de carbón activo está limitada en funcionam ien to con carga estratifi cada a causa de la reducida depresión reinante en el tubo de admisión (debida a la casi inexistencia de estrangulación), así como por no ser completa la combustión del gas de regeneración homogéneamente distribuido. Eso tiene por consecuencia un Aujo de gas de regeneración dismi nuido, en comparación con el del funcionamiento con mezcla homogénea. Si este Aujo no es suficiente, por ejemplo en caso de una alta evaporación del combustible, hay que marchar en el funcio namiento con mezcla homogénea el tiempo necesario hasta que haya descendido de nuevo la concentración de combustible, de momento alta, en e! Aujo de gas de regeneración.

Sistema de retención de vapores de combustible.

1 Figura 1 DepÓSito de combustible 2

Tubena de ventilación del depóSito de combustible

3

DepoSito de carbón activo

4

Aire fresco

5 6

Tubena haCia ellubo

7

Mariposa

B

Tubo de admlslon

Vátvula regeneradora de admlSlon

42



Electrobomba de combustible Función

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

• presión en el sistema de combust ible entre 300)' 450 kPa (3 ... 4,5 bares), • generación de la presión del sistema a partir del 50 hasta el 60 % de la tensión nominal, siendo determinante al respecto el func ionamiento du rante el arranque en frío. La e1ectrobo mba de combustible sirve además en med ida creciente como bomba previa de alimentación para modernos sistemas de inyección directa, tanto para motores de gasolina como Diesel. Para sistemas de inyección directa de gasolina, en caso de estar caliente el combustible de al imentación deben ponerse a disposición, por lo menos temporalmente, presiones de hasta 700 kPa.

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

1 2--

Í\' :

3

' 11/. .•

A

1:1;

l~

4

¡--( f Figura 1 1

Conexión eléctrica

2

Empalme hidráulico

5

JDO

(salida de combustible) 3

Válvula de relenClón

4

Escobillas de carbón

5

InduCido del motor con

6

Rodete de la

7

6-

Empalme hidráulico (afluencia de combusll·

blel

B

I

Iman permanente bomba hidrodinámica

I~

7

E

':::

~

e

Estructura

La electrobom ba de combustible se compone de: • tapa de conexión (figura 1, A), en la que dado el caso pueden estar integrados también elementos antiparasitarios, • electromotor (B) y • elemento de bomba (C), en la versión de bomba de desplazamiento o bomba hidrodinámica (descripción en el apartado "Tipos de construcción"). Tipos de construcción

Bombas de desplazamiento En una bomba de desplazamiento se aspira combustible, se comprime por la rotación del elemento de la bomba en una cámara cerrada y se transporta aliado de alta presión. Como electrobomba de com bustible se emplean la bomba celular de rodillos y la bomba de rueda dentada interior (figuras 2a, 2b). Las bombas de desplazamiento son ventajosas para altas presiones del sistema (400 kPa o más) y tienen un buen comportamiento a baja tensión, es deci r, una curva característica de caudal relativamente "plana" en función de la tensión de servicio. El rendimiento puede ser de hasta un 25 %. Según ejecución de detalles y situación de montaje, las inevitables pulsaciones de la presión pue· den causa r ruidos. Otra desventaja que se presenta en ocasiones puede ser la disminución del caudal en caso de estar calien te la gasolina) por suministrarse burbujas de gas en luga r de gasolina. Por eso las bombas de desplazam iento usuales tienen integradas etapas previas periféricas adicionales para la desgasificación . Mientras que para la clásica función de la electrobomba en los sistemas electrónicos de inyección de gasolina la bomba de desplazamiento ha sido sustituida en gran parte por la bomba hid rodinámica, se abre para la bomba de desplazamiento un nuevo campo de aplicación en la prealimentación para sistemas de inyección directa con su demanda de presión considerablemente acrecentada.


Bombas hid rodinámicas Un rodete provisto de numerosas aletas (figura 2c, pos. 6) en su periferia gira dentro de una cámara compuesta de dos pa rtes inmóviles del cuerpo. Estas partes del cuerpo presenta n en la zona de las aletas del rodete cada una un canal (7). Los canales comienza n a la altura de la abertu ra de aspiración (A) y terminan allí donde el combustible abandona el elemento de bomba con presión del sistema (B). El "interruptor" (8) entre el comienzo y el fin al del canal impide una fuga interna. Para mejorar las propiedades de alimentación al estar cal iente el combustible) a cierta distancia angular de la abertura de aspiración se encuentra un pequeño orificio de desgasificación que hace posible la salida de event uales burbujas de gas, habiendo que aceptar una fuga mínima (no es necesario en la bomba pa ra Diesel). La presión se genera a lo largo del canal por el intercambio de impulsos entre las aletas del rodete y las partículas de líquido. El resultado es una rotación espiral del volumen de líquido que se encuentra en el rodete y en los canales. En la bomba periférica (figura 2c), el canal circunda las aletas del rodete en toda su perife ria. En la bomba de canales laterales los dos canales se encuentran a ambos lados del rodete, lateralmente junto a las aletas. Las bombas hid rodinámicas son silenciosas, ya que la generación de presión se efectúa de modo continuado y casi sin pulsaciones. El rendimiento se encuentra elllre un 10 y aprox. un 20%. Su diseño sin embargo es claramente simplificado, comparado con el de las bombas de desplazamiento. Se pueden alcanzar presiones del sistema de hasta 450 kPa ta mbién con bombas de una sola etapa. Con bombas hidrodinám icas son también posibles presiones del sistema más altas en períodos de fun cionamiento breves) como en el futuro serán necesarias por breve tiempo para motores altamente sobreal imentados así como para motores de inyección di recta de gasolina.

43


Principios funcionales de la eleclrobomba de combustible.

a

1

2

~

A

f~

A

3

b

B

4

A

B

Figura 2

a

Bomba celular de

rodillos

b

Bomba de rueda dentada interior

e

8

5

6

7

7 57 6 B

e

Bomba periférica

A

Abertura de aspiración

B

Salida DISCO de ranuras (excéntrico)

2 3

Rodillo Rueda Interior de aCCionamiento

~

'" ~

~

4

Rotor (excéntriCO)

5

Rodete

~

o

~

6

Aletas del rodete

=>

"

7

Canal (periferlco)

di>

8

"Interruptor

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

44




partículas. El medio filtrante está ajustado a ello.

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

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

Vista en corte de un filtro de combustible.

t

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

1 -~=

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

2 -~

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

3 - -!!==:

4 -~=

Figura 1

1 2

Tapa Cuerpo

3

Elemento filtrante

4

Placa de apoyo

L_._

Para sistemas de inyección en el tubo de admisión, el elemento filtrante tiene un diámetro de poro medio de 10 ~m. Para la inyección directa de gasolina se requiere una filtración mucho más fina. Partículas de un tamaño de más de 5 ~m han de separarse hasta el 85 %. Además de ello, para la inyección directa de gasol ina la exigencia referente a la suciedad residual del filtro en estado nuevo es un punto importante: no son admisibles part ículas metálicas, minerales ni de plástico así como tampoco fibras de vidrio de un tamaño de más de 200 ~m.

---- -----------

-- -

--


Distribuidor de combustible

45

Distribuidor, regulador de presión del combustible

Regulador de presión de combustible DR2.


El distribuidor de combustible (Fuel Rail ) cumple las siguientes funciones: • Alojamiento y fijación de las válvulas de inyección) • acu mular un volumen de combustible y • asegurar una distribución igual entre todas las válvulas de inyección.

1- - - - 1

~~.~LJ~.~~__ 2

••

,.•=----!+--

3

Figura 1 Empalme al tubo de

4

admlslon

Además de las válvulas de inyección, generalmente está fijado al distribuidor también el regulador de presión de co mbustible y en algunos casos un amortiguador de presión. La coordinación apropiada de las dimensiones del distribuidor impide variaciones locales de la presión del combustible a causa de resonancias al abri rse y cerrarse las válvulas de inyección. Se evitan así irregularidades de los caudales de inyección dependien tes de la carga y del número de revoluciones. En función de las exigencias de los diferentes modelos de vehiculos, el distribuidor de combustible es de acero fi no O de plástico. Para fines de comprobación y para elimi nar la presión al efectuar trabajos de servicio, puede haber integrada una válvula de diagnosis. Inyección directa de gasolina

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

Regulador de presión del combustible Inyección en el tubo de admisión

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

2

Resorte

3

Portaválvula

4

Membrana

5

Válvula

6

Entrada del combusllble

7

para que permanezca constante la diferencia de presión en las válvulas de inyección. Para el barrido completo del distribu idor de combustible, el regulador de presión normalmente está montado en su extremo. El regulador de presión en sistemas exentos de retorno se encuentra en la unidad de montaje den tro del depósito de combustible. La presión del combustible en el distribuidor es regulada a un valor constante fre nte a la presión ambiente. La diferencia de presión respecto a la presión en el tubo de admisión no es por tanto constante y se tiene en cuenta al calcular la duración de la inyección . El regulador de presión de combustible está confi gurado como regulador de rebose mandado por membra na (figura 1). Una membrana de tejido de goma (4) divide el regulador de presión en una cámara de combustible y una cámara de resorte. A través de un portaválvula (3) integrado en la membrana, el resorte (2) empuja una placa de válvula móvil contra un asiento de válvula. Cuando la fuerza ejercida por la presión del combustible sobre la membrana es superior a la fuerza de resorte, se abre la válvula y deja pasa r hacia el depósito justamente la ca ntidad de combustible necesaria para que se establezca un equilibrio de fu erzas en la membrana. En los sistemas de inyección individual la cá mara de resorte comunica neumáticamente con el colec-

7

Retomo del combustible

46


Amortiguador de presión, depósito, tuberias de combustible

tor de admisión detrás de la mariposa. La depresión del colector de adm isión actúa por ello también en la cámara de resorte. De esta forma , en la membrana existe la misma relación de presión que

en las válvulas de inyección. Por eso la diferencia de presión en las válvulas de inyección depende únicamente de la fu erza de! resorte y de la superficie de la membrana, manteniéndose por consiguiente constante. Inyección directa de gasolina

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

Amortiguador de presión de combustible La activación a intervalos de las válvulas de inyec-

ción y la impulsión periódica de combustible en las e!ectrobombas de combustible según el pri ncipio de desplazamiento, ocasionan oscilaciones en la presión de combustible. Estas oscilaciones pueden causar resonancias de presión, perturbando la exactitud de dosificación del combustible. En ciertas circunsta ncias, las oscilaciones pueden transmitirse al depósito de combustible y a la carrocería del vehículo a través de los elementos de fijació n de la e1ectrobomba de combustible, de las tuberías yel distribuidor de combustible, ocasionando ruidos. Estos problemas se evitan med iante una adecuada configuración de los elementos de fijación y el empleo de amortiguadores especiales de presión de combustible. El amortiguador de presión de combustible presenta una estructura similar a la del regulador de presión de combustible. Como en éste, una membrana sometida a la fuerza de un resorte separa las cámaras de combustible y de aire. La fuerza del resorte está dimensionada de manera que la membrana se levanta de su asiento en cuanto la presión

del combustible alcanza su campo de trabajo. La cámara de combustible variable de esta forma puede aceptar combustible al producirse puntas de

presión y entregarlo de nuevo al disminuir la presión. Para trabajar siempre en el margen de funcionamiento más favorab le en caso de fluctuar la presión absoluta del combustible de bido al tubo de admisión, la cá mara de resorte puede estar provista de una conexión al tubo de admisión. Como el regulador de presión de combustible, e! amortiguador de presión puede estar instalado en el distribuidor de combustible o en la tubería de combustible. En la inyección directa de gasolina se ofrece como lugar adicional de montaje la bomba de alta presión.

Depósito de combustible El depósito almacena el combustible. Tiene que ser resistente a la corrosión y estanco a una doble sobrepresión de servicio, o al menos a un mínimo de 0,03 MPa (0,3 bares) de sobrepresión. La sobrepresión que se produzca ha de poder evadirse por sí misma a través de aberturas adecuadas o válvulas de seguridad. En las curvas, en posición inclinada O en caso

de choque no debe salir combust ible alguno por la boca de llenado o los dispositivos de compensación de la presión. El depósito de combustible tiene que estar lo sufici entemente apartado de! motor para que, en caso de accidentes, se evite la inflamación del combustible.

Tuberías de combustible Las tuberías conducen e! combustible del depósito al sistema de inyección. Se pueden montar tubos metálicos flexibl es sin juntas o tubos flexibles resistentes al combustible de materiales difícilmente inflamables. Tienen que estar dispuestos de manera que se impidan daiios de orden mecánico y

en caso de un defecto no se pueda acum ular ni inflamar el combustible que gotee o se evapore. Todas las piezas que conduzcan com busti ble han de estar protegidas contra calor que perturbe el servicio. La alimentación de combustible no debe tener lugar por gravedad.

47

Sistemas de alimentación de combustible


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

a K·/ KE ·Jetronic con electrobomba de combustible para montaje en tuberfa.

S

2

b L· Jetronic/ Motronic

6

4

con electrobomba de combustible para montaje en tubería_

3

S

2

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

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

4

TI

TI

S

Figura 1

6

1

Depósllo de

2

Electrobomba de

combustible combustible

'9 ~

o

3 4

Fillro de combuSllble DislribUldor de combustible

4. Distribuidor-dOSificador de combustible (K- /KE'Jetronic)

5

Válvula de inyección

ro

6

Regulador de presión

~

7

Acumulador de

"'" ~

=>

combustible (K-/K E-Jetronic)

48


Vista general

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

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

A causa de la constante evolución de la legislación sobre gases de escape, estos requerimientos se han ido elevando cada vez más. En consecuencia los sistemas de inyección se han ido desa rrollando sin cesa r. El ni vel ac tual alcanzado por la técnica en la inyección en el tubo de adm isión lo muestra el sistema de inyección individual controlado electrónicamente, en el que el combustible se inyecta individualmente para cada cilindro de modo intermitente (es decir, cesando y prosiguiendo a intervalos) directamente delante de las válvulas de adm isión . No tienen ya ninguna importancia para nuevos desarrollos los sistemas mecánicos de inyección individual continua ni los sistemas de inyección central , que también inyectan el combustible de modo intermitente pero sólo a través de una sola válvula de inyección , delante de la mariposa en el tubo de adm isión.

Inyección en el tubo de admisión.

Figura 1 1

Cilindro con plston

2

Válvulas de escape

3

Bobina y bUjla de encendido

4

Válvulas de admiSión

5

Valvula de Inyección

6

Tubo de admlsion

j


Funcionamiento Los sistemas de inyección de gasol ina en el tubo de adm isión se caracterizan por producirse la mezcla de aire y combustible fu era de la cáma ra de combustión, o sea, en el tubo de admisión (figura 1). La válvula de inyección (5) inyecta el combustible delante de la válvula de admisión (4). En la subsiguiente carrera de aspiración, la mezcla de aire y combustible formada fluye por la válvula de admisión abierta al cilindro (1 ). Por cilindro puede haber también dos o incluso tres válvulas de admisión. Las válvulas de inyección se han seleccionado de manera que se cubra a todo trance - también a plena carga y a alto número de revoluciones - la demanda de co mbustible del motor. Formación de la mezcla Inyección del combustible La electrobomba de combustible impele éste hacia las válvulas de inyección. All í está aplicado el com bustible con la presión del sistema. En los sistemas de inyección individual hay asignada a cada cilindro una válvula de inyección. Las válvulas inyectan el combustible intermitentemente en el tubo de admisión (6) delante de la válvula de admisión. Allí el combustible finamente pulverizado se convierte en su mayor parte en vapor y forma la mezcla de aire y combustible con el aire que afluye a través de la mariposa. A fi n de que exista tiempo suficiente para la formación de esta mezcla, resulta ventajoso que el combustible sea inyectado delante de la válvula de admisión cerrada y sea por tanto "situado con anticipación",

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

Funcionamiento

película de la pared debe mantenerse lo más reducida posible. Eso se consigue mediante una conformación del tubo de admisión y una geometría del chorro de combustible (geometría de pulverización) correspondientes. Como la válvula de inyección está situada directamente delante de la válvula de admisión, el efecto de la película en la pared es en los sistemas de inyección individual muchísimo más pequeño que en los anteriores motores de carburador y sistemas de inyección central. Con una mezcla de aire y combustible estequiométrica (,\ = 1), el catalizador de tres vías puede desintegrar en gran medida los contaminantes originados durante la combustión. Por eso los motores de inyección en el tubo de adm isión se hacen fun cionar con esta composición de la mezcla en la mayoría de los puntos de servicio. Medición de la masa de aire Con objeto de que se pueda ajustar exactamente la mezcla de aire y combustible, a la medición de la masa de aire que participa en la combustión le corresponde una gran importancia. El medidor de masa de aire, situado delante de la mariposa, mide el flujo de masa de aire que entra en el tubo de admisión y transmite una señal eléctrica a la unidad de control del motor. Como alternativa existen también sistemas que con un

sensor miden la presión del tubo de admisión ya base de ella calculan, en combinación con la posición de la mariposa yel número de revoluciones, la masa de aire aspirada. Partiendo de la masa de aire aspirada y del estado actual de funciona miento del motor, la un idad de control determina la masa de combustible necesaria. Tiempo de inyección El tiempo necesario para inyectar la masa de combustible calculada depende de la sección de apertura de la válvula de inyección y de la diferencia existente entre la presión en el tubo de admisión y la presión en el sistema de alimentación de combustible.

49

50


Válvulas electromagnéticas de inyección


se estanqueíza el sistema de alimentación de combustible frente al tubo de admisión. Cuando la bo-

Función

tico que atrae la armadura de electroimán de la aguja de la válvula. La bola de obturación se sepa ra del asiento de válvula y se inyecta el combustible. Cuando se desconecta la corriente de excitación, se cierra de nuevo la aguja de la válvula por la fuerza del muelle.

Estas válvulas de activación eléctrica inyectan en el

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

bina recibe corriente se origina un ca mpo magné-

Salida de combustible La pulverización del combustible se efectúa me-

Estructura y funcionamiento

diante un disco que posee uno O va rios orificios

Las válvulas electromagnéticas de inyección

pulverizadores. Con estos orificios punzonados se consigue una alta constancia del caudal de combustible inyectado. El disco de orificios pulverizadores es insensible a sedimentos del combust ible. La imagen del chorro de combustible saliente resulta de la disposición y cantidad de orificios pulverizadores. La buena estanqueidad de la válvula en la zona del asiento está garantizada por el principio de obturación cono/bola. La válvula de inyección se introduce en la abertura prevista al efecto en el tubo de admisión. El an illo estanqueizante inferior obtura la válvula de inyección hacia el tubo de admisión. El caudal de combust ible inyectado por unidad de tiempo está determinado en lo esencial por • la presión reinante en el sistema de alimentación de combustible, • la contrapresión en el tubo de admisión y • la geometría de la zona de salida del combustible.

(figura 1) se componen en lo esencial • del cuerpo de válvula (9) con conexión eléctrica (8) e hidráulica (1), • de la bobina del electroimán (4), • de la aguja móvil de válvula (6) con armadura del electroimán y bola de obturación, • del asiento de válvula (10) con el disco con orifi cio pulverizador (7), y del • muelle (5). Para garantizar un fun cionamiento sin anomalías) la válvula de inyección es de acero resistente a la corrosión en la zona en que conduce combustible. Un tamiz (3) en la entrada del combustible protege la válvula de inyección contra ensuciamiento. Conex iones

En las válvulas de inyección empleadas actualmente, la entrada de combustible transcurre en

sentido axial a la válvula de inyección, de arriba hacia abajo (Top feed ). La tubería de combustible está fi jada a la conexión hidráulica mediante un dispositivo de sujeción y apriete. Unas pinzas de retención proporcionan una fijación segura. El ani llo obturador (junta toroidal) en la conexión hidráulica (2 ) estanqueíza la válvula de inyección frente al distribuidor de combustible. La conexión eléctrica de la válvula de inyección está unida con la unidad de control del motor. Funcionamiento de la válvula Cuando la bobina está sin corriente, el muelle y la fuerza resultante de la presión del combustible aprietan la aguja de la válvula con la bola de obturación contra el asiento de válvula cónico. Con ello

Formas de construcción

En el curso del tiempo se han ido desarrollando las válvulas de inyección, siendo adaptadas a las crecientes exigencias respecto a la técnica) calidad) fi a-

bilidad y peso. Así se originaron distintas ejecuciones de válvulas de inyección.


Válvula de inyección EV6 La válvula de inyección EV6 es la válvula de inyección estándar para los sistemas actuales de inyección (fi guras 1 y 2a). Se caracteriza por sus peque¡las medidas exteriores y reducido peso. Esta válvula de inyección ofrece así el requisito para la concepción de módulos de admisión compactos. La EV6 presenta además un buen comportamiento frente a gasolina caliente, es decir, la tendencia a la formación de burbujas de vapor cuando el combustible está caliente es reducida. Eso faci lita la apl icación de sistemas de alimentación de combustible exentos de retorno, puesto que en ellos la temperatura del combustible en la válvula de inyección es más alta que en los sistemas con retorno. Gracias a sus superficies resistentes al desgaste, la EV6 presenta también una alta estabilidad a marcha permanente y una larga duración. Por razón de su alta estanqueidad, estas válvulas cum plen todas las exigencias del futuro respecto a "zero evaporation". Es decir, no se evaden de la válvula vapores de combustible en modo alguno. Para una mejor pulverización del combustible se desarrolló la va riante (tEV6 con aire envolvente': También se puede obtener una fina pulverización Estructura de la válvula electromagnética de Inyección EV6.

51


del combustible de otra manera: en el futuro, además de los discos hoy día utilizados de hasta cuatro orificios se emplearán placas de orifi cios múltiples, con diez o hasta doce orificios. Estas válvulas de inyección producen una niebla de combustible muy fi namente pulverizada. Para diferentes campos de aplicación haya disposición válvulas de inyección de diversos largos de montaje, distintas clases de paso y propiedades eléctricas varias. La EV6 también es adecuada para el empleo de combustibles con un contenido de etanol de hasta un 85 %. Válvula de inyección EV 14 El perfeccionamiento de las válvulas de inyección conduce a la EV 14 (figura 2b). Esta válvu la se basa en las características de la EV6. Es de construcción aún más compacta, lo que hace posible su integración en el distribuidor de combustible. La EV14 está disponible en tres largos de montaje (compacta, estándar y larga). Eso hace posible la adaptación individual a la geometría del tubo de admisión del motor.

l

Ejecuciones de válvulas de inyección.

Figura 1

2 3

Conexión hidráulica Anillos estanquelzantes

8

(Juntas toroidales)

4 S

1

2 3

Tamiz

4

Bobina

5

Muelle

6

Aguja de valvula con armadura de electro-

9

.man y bola de obtura· clan

7

DISCO con orificIOde pulvenzaclon

6

8


9

Cuerpo de valvula

10 ASiento de válvu la

2

>

'";;¡" ~

7

> ~

le ;;¡

:> =>

:> =>

~

~

Figura 2

a

EV6 estándar

b

EV 14 compacta

52


Válvulas electromagnéticas de inyección, tipos de inyección

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

exigencias, haya disposición diferentes variantes de la preparación del chorro. La figura 3 muestra las formas de chorro más importantes. Chorro en forma de cordón Con un disco que tiene sólo un único orificio de pulverización se produce un delgado y concentrado chorro de combustible de fuerte impulso que impide considerablemente la humectación de la pared del tubo de ad misión. Estas válvulas de in yección son adecuadas para largos recorridos entre punto de inyección y válvula de adm isión, así como para tubos de admisión estrechos. Por razón de la reducida pulverización del combustible, las válvulas de inyección de chorro en fo rma de cordón se emplean ya sólo en casos excepcionales.

b

Figura 3 a

Chorro doble La preparació n de un chorro doble se emplea con frecuencia en motores con dos válvulas de admisión por cilindro. El chorro doble es imprescindiblemente necesario en caso de cilindros con tres válvulas de admisión. Las aberturas del disco de orifi cios pulverizadores están dispuestas de tal manera que de la válvula de inyección salen dos chorros de combustibleque pueden estar compuestos de varios chorros individuales (dos chorros cónicos) - e inciden delante de las válvulas de admisión o sobre el puentecillo de separación entre las válvulas de ad misión. Angula gamma Este chorro de combustible (de uno y de dos chorros) está inclinado en dete rminado ángulo respecto al eje principal de la válvula de inyección, el llamado ángulo de dirección del chorro. Las válvulas de inyección con esta forma de chorro encuentran aplicación para difíciles condiciones de montaje.

Formas de chorro.

a

Chorro cónico Por los orificios del disco pulverizador salen chorros de combustible individuales. La suma de los chorros forman un cono de chorro. Un campo de aplicación típico de las válvulas de chorro cónico lo constituyen motores con sólo una válvula de admisión por cilind ro. Pero el chorro cón ico también es adecuado para cilindros con dos válvulas de adm isión.

Chorro en forma de

cordón b

Chorro cóniCO

e

Chorro doble

d

Angula gamma

(lao: El 80% del combusti-

Tipos de inyección e

d

ble se encuentra den-

tro del ángulo (l liSO: El 50 % del combustible se encuentra den-

tro del angula ((

11:

El 70 % del combusti-

ble en el chorro indiVIdual se encuentra dentro del angulo 1/ y:

Angula de dirección

del chorro

y

Además del tiempo de inyección correcto, la situación de la inyección respecto al ángulo del cigüe¡jal es otro parámetro para opti mizar los valores de consumo y de gases de escape. En este caso las posibilidades de variación dependen del tipo de in yección empleado (figura 1). Nuevos sistemas de inyección ofrecen la posibi lidad de realizar una inyección secuencial o individual para cada cilindro.


Inyección simultánea En la inyección simultánea, todas las válvulas de inyección son accionadas en el mismo momento. El tiempo disponible para la evaporación del combustible po r tanto es disti nto para los cilindros. A fi n de obtener no obsta nte una buena formación de la mezcla, el caudal de combust ible necesario para la combustión se divide en dos mitades yes inyectado una vez por cada vuelta del cigüelial. Para algunos cil indros, en este ti po de inyección no se coloca el combustible delante de la válvula de admisión, sino que se inyecta en la válvula de admisión abierta. El comienzo de inyección está preestablecido de for ma fija. Inyección en grupo Enla inyección en grupo, las válvulas de inyección están reu nidas en dos grupos. Ambos grupos inyectan todo el cauda l de inyección de modo allerno una vez por cada vuelta del cigüelial. Esta disposición ya hace posible elegir la situación de la inyección en función de los puntos de servicio y evita en amplias zonas del diagrama característico la inyección no deseada en la válvula de

53

Tipos de inyección

admisión abierta. También aquí el tiempo dispon ible para la evaporación del combustible es distinto para los dife rentes cili ndros. Inyección secuencial (SEFI) El combustible se inyecta de modo individual para cada cilindro. Las válvulas de inyección se accionan una tras otra en el orden de encendido. El tiempo de inyección y el comienzo de inyección referido al punto muerto superior del respectivo cilindro - son iguales para todos los cilindros. Por eso se inyecta el combustible situándolo con igual anticipación delante de la válvula de admisión de cada cilindro. El comienzo de inyección se puede programar libremente y adaptar al estado de fu ncionamiento del motor. Inyección individual para cada cilindro (CI FI) Este tipo de inyección ofrece los mayores grados de libertad. Comparado con la inyección secuencial ofrece la ventaja de poderse in fluir aquí de modo individual en el tiempo de inyección para cada cilindro. De ese modo pueden compensarse desigualdades, p.ej. en el llenado de los cil indros.

Tipos de inyección en el lubo de admisión.

-360°

Orden de encendido a eil. 1 eil.3 eil.4 eil. 2 b

abierta

_ Inyección t Encendido

e

:~

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

_ Válvula de admisión eil. 1 eil.3 eil. 4 eil. 2

-

I

t _

ti ...

t

~

-

Figura 1 a

InyeCCión

b

Inyección en grupo

e

InyeCCión secuencial

Simultánea

(SEFI) e Inyección Individual para cada cilind ro (CIFI)

54

Inyección directa de gasolina

Vista general

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

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

J

Figura 1

1 2

Bomba de alta preSión Empalme de baja presIÓn

3 4

Tubena de alta presIÓn Common Rall (tubo dlstnbUldor de combustible, raíl)

5


6

a alla presión Sensor de alla presión

7

Bujía de encendido

B

Válvula de control de la presión

9

Cilindro

Componentes de la inyección directa de gasolina.

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

La construcción de un motor de inyección di recta era para aquel tiempo muy costosa. Además, la técnica planteaba grandes exigencias a los materiales requeridos. La durabi lidad del motor constituía otro problema. Todos estos problemas impidieron dura nte mucho tiempo que la inyección di recta de gasolina pudiera abrirse paso.


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

La e1ectrobomba de combustible impele la gasolina con la presión de prealimentación de 0,3 ... 0,5 MPa (3 ... 5 bares) hacia la bomba de alta presión (figura 1, pos. 1). Esta genera la presión del sistema en función del punto de servicio (par motor y número de revoluciones exigidos). El combustible que se encuentra bajo alta presión llega al raíl (4) y se acumula allí. La presión del combustible se mide con el sensor de alta presión (6) y es ajustado mediante la válvula de cont rol de la presión (8) a valores entre 5 ... 12 MPa. Las válvulas de inyección de alta presión (5) están dispuestas en el raíl , denominado también "Common Rail ': Son activadas por la unidad de cont rol del motor e inyectan el combustible en la cámara de combustión del cilindro (9).

Funcionamiento

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

La masa de combustible inyectada en el fu ncionamiento con carga estratificada es la magn itud determinante del par motor generado. El exceso de aire hace posible ta mbién a régimen de carga parcial un fun cionamiento no estrangulado, con mariposa muy abierta. Esta medida aminora el trabajo de cambio de carga y reduce así el consumo de combustible. En el fu ncionamiento con mezcla homogénea, pobre, de A> 1 Ydistribución homogénea de la mezcla asimismo se obtiene un ahorro de combustible, mediante una supresión de estrangulación. Este ahorro, sin embargo, no es tan alto como en el fun cionamiento con carga estratificada. En el funcionamiento con mezcla homogénea, de A::; 1, el motor de inyección directa de gasolina se comporta en lo esencial del mismo modo que el motor de inyección en el tubo de admisión. Tratamiento posterior de los gases de escape


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

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

55

56


Raíl, bomba de alta presión

Raíl

Bomba de alta presión

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

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

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

Al arrancar el motor, el combustible se inyecta primeramente con la presión de prealimentación. A medida que aumenta la velocidad de giro del motor, se incrementa la alta presión. A la vez, una pul-

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

sación lo menor posible de la corriente de alimentación ocasiona una reducida pulsación en el raíl. La bomba de al ta presión ha de ser refrigerada y lubricada con combustible, para que el combusti ble suministrado no se mezcle con agente lubricante.

,

Bomba de tres cilindros HOPt (sección longitudinal).

Figura 1 1

Excéntrica

2

Palln

3

Cilindro de bomba

4

Embolo de bomba (émbolo hueco, en-

trada del combushblel

5

Bola de cierre

6

Válvula de escape

7

Válvula de admiSIÓn

8

13

Empalme de alta presión hacia el rail

9

Entrada del combustible (baja presión)

10 Anillo elevador

12 ~~~::L

11

11 - - - -j--/

Junla de efecto axial (retén de anillo deslizante)

12

Junta estática

13 Eje de accionamiento

___~

Invección directa de gasolina

57

Bomba de alla presión

Bomba de tres cilindros HDPl (sección transversal).

Figura 2 (Numeras de posicion Iden!leos a los de la figura 1) 1 Excentrica

2 PalIO 3 Cilindro de bomba 4 Embolo de bomba 6 Válvula de escape 7 Valvula de admision 10 Anillo elevador

Bomba de tres cilindros HDP1 Haya disposición diferentes bombas de alta presión. La figura I muestra una sección longitudinal y la fi gura 2 una sección transversal de una bomba de émbolos radiales de tres cilindros HDPI. Impelido por el árbol de levas del motor, el eje de accionamiento (13) gi ra con la excéntrica (1), que origina el movi miento ascendente y descendente del émbolo (4) en el cilindro de la bomba (3). Durante el movim iento descendente del émbolo flu ye combustible con la presión previa de 0,3 ... 0,5 Ml'a de la tubería de combustible por el émbolo hueco de bomba, a través de la válvula de admisión (7), al cilindro de la bomba. Durante el movimiento ascendente del émbolo se comprime este volumen de líquido. Al alcanzarse la presión de raíl , se abre la válvula de escape (6) yel combustible es impelido hacia el empalme de alta presión (8). Mediante el empleo de tres cilindros dispuestos desplazados en 120· se consigue una reducida pulsación residual en el raíl. El caudal de al imentación

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

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

58


Bomba de alta presión, válvula de conlrol de la presión

La cámara de la bomba y la ent rada del combustible comun ica n a través de una válvula de control del caudal activable. Al abrirse la válvula de control del caudal antes de concluir la carrera de alimentación, decae totalmente la presión en la cámara de la bomba y el combustible refluye a la entrada. De ese modo este componente realiza la fun ción de la válvula de control de la presión en sistemas con bomba de tres cilindros HDPI. Para el ajuste del caudal de alimentación, se cierra la válvula de con trol del caudal desde el punto muerto in ferior del émbolo de la bomba hasta una ca rrera determinada. Una vez alcanzada la presión de raíl deseada, la válvula de control del caudal se abre e impide así que siga subiendo la presión en el raíl. El caudal máximo de alimentación (l/h) depende del número de revoluciones, de la cantidad de levas y de la carrera de la leva. El caudal de ali mentación puede ajustarse en fun ción de la demanda mediante la activación de la válvula de control del caudal.

Válvula de control de la presión Función La válvula de control de la presión está dispuesta entre el raíl y el lado de baja presión de la bomba de alta presión HDP l. Ajusta la presión deseada en el raíl mediante una variación de la sección de paso, di rigiendo al circuito de baja presión el combustible suministrado en exceso por la HDPI. Estructura y funcionamiento Una selial modulada de duración de impulsos activa la bobina (figura 1, pos. 3). La bola de la válvula (7) se levanta de su asiento (8) y varía así, según la necesidad) la sección de paso de la válvula.

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

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

Vista en sección de la válvula de control de presión.

3 Figura 1 1


2

Muelle de compresión

3

Bobina

4

Armadura de electro·

5

Anillos estanqueizanles

Imán

&--

(juntas toroidales)

6

7

lIi-- - 5

Orificio de salida Bola de válvula

8

Asiento de válvula

9

Entrada con tamiz

5

I I

d~=~~==: :

~---------

9

¡;

ro

";< ,

-~


Sensores de presión de raíl Aplicación

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

59

Sensores de presión de raíl

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

Sensor de presión de raíl (estructura).

2cm

Los valores de tolerancia para este sensor de presión son muy pequeIios. La precisión de la med ición se encuentra por debajo del 2% en el campo principal de servicio. H-J.~-- 3

Los sensores de presión del raíl se aplican en los siguientes sistemas de motores: • Sistellla de i"yecciól/ de aWlIIlIlador Diesel /(CO",l1lOlI Uníl" La presión de trabajo máxima Pma, (presión nominal ) se encuentra a 160 MPa (1600 ba res). • Il/yecciól/ directa de gasolil/a MED-MotrO/lic La presión de trabajo en la inyección directa de gasolina depende del par y del número de revoluciones. Su valor es de 5 ... 12 MPa (50 ... 120 bares).

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

1

.. ~

{t I'

---

Conexloo eléctrica (enchufel

5

2 3

CIrCUIto de evaluaCión Membrana de acero con resistencias de

~

~

;¡

'=>"

QI)

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

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

Estructura y funcionamiento

Figura 1

4

dllalaclQn

4

Empalme de presión

S

Rosca de fijación

60

Invección directa de gasolina

Válvula de inyección a alla presión

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

Estructura de la válvula de inyección a alla presión.

5-

1

Entrada con tamiz fino

Conexión eléctrica Muelle

4

Bobina

5

Cuerpo

6

--1=

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

6

Aguja del inyector con

,.

armadura de

electroimán

7

ASiento de válvula

8

OnfiCIO de salida de la válvula

7

8

Cuando la bobina es atravesada por corrien te, se genera un ca mpo magnético. A causa de éste se levanta la aguja de la válvula de su asiento contra la presión del muelle y deja li bre el orificio de sal ida de la válvula (8). En virt ud de la diferencia ex istente entre la presión de raíl y la presión de la cámara de combustión, se impele ahora el combustible en la cámara de combustión. Al desconectarse la corriente, la presión del muelle aprieta la aguja contra el asiento de válvula e interrumpe el flujo de combustible. La válvula abre con la mayor rapidez posible, gara ntiza durante su apertura una sección constante de paso y cierra de nuevo contra la presión del raíl. Por tanto el caudal de combustible inyectado depende (con la sección de paso existente) de la presión del raíl, de la contra presión en la cá mara de combustión y de la duración de apertura de la válvula. Gracias a una adecuada geometría del inyector en la pu nta de la válvula, se consigue una pulverización muy buena del combustible. A diferencia de la inyección en el tubo de admisión, en la inyección directa de gasolina es inyectado el combustible con más rapidez, más exactitud y una mejor formació n del chorro.

Figura 1

2 3

Estructura y funcionamiento La válvula de inyección a alta presión (figura 1) consta de los componentes • cuerpo (5), • asiento de válvula (7) , • aguja de válvula con armadura de electroimán (6), • muelle (3) y una • bobina (4).

~ ~

" "'" ~

@


La figura 2 muestra los requisitos que ha de cumpli r la válvula de inyección. En la inyección en el tubo de admisión haya disposición dos vueltas del cigüeI1al pa ra inyectar el combustible en el tubo de adm isión. A un número de revoluciones de 6000 min- 1 eso corresponde a una duración de inyección de 20 ms. 1

En la inyección directa de gasolina haya disposición un tiempo notablemente menor. Para el fun cionamiento con distribución homogénea ha)' que inyectar el combustible durante la ca rrera de admisión. Por consiguiente sólo haya disposición media vuelta del cigüeI1al para el proceso de inyección. A 6000 min-', eso corresponde a una duración de inyección de 5 ms. En la in}'ección directa de gasolina) el requerimiento de combustible en ralentí en relación con el de plena carga es muchísimo menor que en la inyección en el tubo de admisión (factor 1:12 ). De ello resulta una duración de la inyección en ralentí de aproximadamente 0,4 ms.

61

Válvula de inyección a alta presión

reproducible, hay que activar la válvula de inyección a alta presión con un complejo recorrido de la corriente (fi gura 3). El microcontrolador en la unidad de control del motor sólo suministra una se"al digita l de activación (a). Partiendo de esta señal, un elemento especial de excitación genera la señal de act ivación (b) con la que la etapa final de potencia activa la válvula de inyección. Un condensador Booster produce la tensión de activación de 50 ... 90 V. Esta tensión ocasiona una alta corriente al comienzo del proceso de conexión y proporciona así una rápida elevación de la aguja de la válvula (c). Al estar abierta la válvula de in yección (elevación máxima de la aguja), una corriente menor de activación es suficiente para mantener constante la elevación de la aguja de la válvula. Con una elevación consta nte de la aguja de la válvula, el caudal de inyección es proporcional a la duración de la inyección (d). El tiempo de premagnetización durante el cual la válvula de inyección todavía no abre se tiene en cuenta en el cálculo de la duración de la inyección.

Activación de la válvula de inyección a alta presión

Para garantizar un proceso de inyección definido y

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

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

~L I _ __ _ t

i

a --L.._

I

.....I

1,,",-

b

f \ re"",gnetiz¡JCión 1"",.1"", 1,

,......

Figura 2

_ ,""

Caudal de Inyección como

~ ~

~ .~

~5.

wro ü:i~

O

O 0,4

3,5 5 Tiempo de inyección en ms

20

1- tase

~ Ttempode - inyección

+-t

,....

funCión delllempo de

e

\

w

Inyecclon

Figura 3

'desc

a

d

b

Señal de activacion Transcurso de la comente en la válvula de

~

'"~

Inyecclon EV6

~

;<

C

Carrera de la aguja

'" =>

d

Caudal de combustible

:>

Inyectado

62


Procedimientos de combustión

Procedimientos de combustión La manera con que se efectúa la formac ión de la mezcla y la transformación en energía dentro de la cá mara de combustión se denom ina procedimiento de combustión. En fu nción de! procedimiento elegido se forma n co rrientes de aire. Para conseguir la estratifi cación deseada de la carga, la válvula inyecta el combustible en la corriente de aire de tal manera que se eva pora en una zona de! espacio limitada. La corriente de aire transporta la nube de mezcla hasta e! punto de encendido a una zona alrededor de la bujía. Son posibles dos proced imientos de combustión fundamentalmente distintos.

Condiciones del flujo en los diferentes procedim ientos de combustión.

Procedimiento de combustión guiado por el chorro El procedimiento de combustión guiado por e! chorro se caracteriza por inyectarse el combustible en el entorno inmediato de la bujía de encendido, evaporizá ndose allí (figura la). Eso requiere un exacto posicionamiento de la bujía de encendido y de la válvula de inyección, así C0 l110 una precisa orientación del chorro, para poder encender la mezcla en e! momento correcto. En este caso, la ca rga alternativa térmica de la bujía de encendido es muy elevada, puesto que en ciertas circunstancias la bujía es humectada directamente por el chorro de inyección. Procedimiento de combustión guíado por la forma de la pared En el procedimiento de combustión guiado por la forma de la pared se distingue entre dos corrientes de aire posibles, resultantes de una confor mación apropiada de los conductos de admisión y del pistón. La vá lvula inyecta e! combustible en la corriente de aire. La mezcla de aire y combustible que se origina llega con esta corriente como una nube compacta a la bujía de encendido. Corriente de vórtice El aire aspirado por el pistón a través de la válvula de admisión abierta produce una corriente turb ulenta (movimiento de rotación del aire) a lo largo de la pared de! cilindro (figura lb). Este procedimiento de combustión se denomina también procedimiento Swirl (en inglés, s\Virl: torbell ino). Corriente Tumble En este procedimiento se produce una corriente de ai re circular (en inglés, tumble: volteo) que, viniendo de arriba, es desviada por una cavidad característica de! pistón y se mueve de nuevo hacia arriba, en dirección hacia la bujía de encendido (figura Ic).

Figura 1 a

GUiado por el chorro

b

Corriente Swirl guiada

por la forma de la

pared e

Corriente Tumble

guiada por la forma de la pared


Formación de la mezcla Función

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

En el modo de fun cionamiento "homogéneo" (homogéneo A$; I Ytambién homogéneo pobre), esta mezcla debe ser homogénea en toda la cámara de combustión. En el funcio namiento con carga estratifi cada, por el contra rio, la mezcla sólo es ho-


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

mogénea dentro de una zona limitada, mientras

que en el resto de la cá mara de combustión se encuent ra aire fresco o gas inerte.

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

Profundidad de penetración El tamaño de las gotas del combustible inyectado depende de la presión de inyección y de la presión reinante en la cá mara de combustión. Con una presión de inyección en aumento se pueden logra r gotas de tamallOmás pequeño, que se vaporizan con más rapidez. Con una presión invariada en la cá mara de combustión y una presión de inyección en aumento se incrementa la profundidad de pe-

Factores de influencia

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

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

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

63

64


Modos de funcionamiento

Modos de funcionamiento Se conocen seis modos de funcionam iento del sistema de inyección directa de gasoli na (figura I): • func ionamiento con carga estratifi cada, • func ionam iento con mezcla homogénea, • func ionamiento con mezcla homogénea pobre, • func ionamiento con mezcla homogénea)' carga estratificada, • fun cionamiento con mezcla homogénea y carga estratificada antidetonante y • carga estratificada y calentamiento rápido del catalizador.

Figura 1

A

funcionamiento con

mezcla homogénea, de

i. = 1: este modo de funciona-

miento es posible en todos los campos

B

Funcionamiento con

mezcla pobre o funcionamiento con mezcla homogenea i. = 1 con

AGR;

Estos modos de funcionamiento hacen posible una adaptación óptima a cada estado de servicio del motor. La conmutación del modo de fun cionamiento durante la marcha se efectúa si n cambios bruscos del par motor y, por tanto, sin que lo advierta el conductor. Las líneas en el diagrama (fi gura I) muestran qué modos de fun cionamiento son recorridos en una aceleración mu y in lensa (alla variación del par motor sin que de momento varíe el número de revoluciones) y en una aceleración lenta (variación pequeña del par motor y número de revoluciones en aumento).

este modo de funcionamiento también es posible en los campos

CyD C

funCionamiento con carga estratificada con

AGR

Funcionamiento con carga estratificada En el margen inferior del par motor, a números de revoluciones de hasta aproximadamente 3000 min-1 el motor fun ciona co n carga estratificada. Para ello, la válvula de inyección inyecta el Diagrama caraclerislico de modos de funcionamiento de la inyección directa de gasolina.

Modos de funcionamiento con inyección

doble:

C

funcionamiento con carga estratificada y calentamiento rápido

del catalizador; Igual campo que el de funCionamiento con carga

1

'"

Funcionamiento con

~ lE

mezcla homogénea y

a.

estratificada con AG R

D

A B

e

ro

carga estratificada

E

Funcionamiento con mezcla homogénea y carga estratificada antidetonante

Número de revoluciones

11

combustible durante la carrera de compresión, poco antes del mo mento de encendido. Durante el breve tiempo disponible hasta el momento de encendido, la corriente de aire reinante en la cámara de combustión transporta la mezcla de aire y combustible preparada a la bujía de encendido. A causa del retardado momento de inyección la mezcla no se distribuye en toda la cámara de combustión. En funcionamiento con carga estrat ificada la mezcla es muy pobre, considerándola repartida entre toda la cámara de combustión. Con un gran exceso de aire, la emisión bruta de NO, es muy alta. Una alta cuota de realimentación de gases de escape pone remed io a ello. Los gases de escape reconducidos al cilindro reducen la temperatura de combustión y disminuyen las emisiones de NO" dependientes de la temperatura. Las magnitudes "número de revoluciones" y"par motor" limitan el fun cionamiento con carga estratin cada. Si el par motor es elevado, se forma holl ín a causa de una mezcla rica en puntos locales. Si el número de revoluciones es demasiado alto, no se

puede mantener ya la estratincación de la carga ni el transporte ordenado de la mezcla a la bujía de encendido, a causa de la turbulencia excesiva. Funcionamiento con mezcla homogénea Al ser altos el par motor y el número de revoluciones, en lugar de la carga estratificada se hace fun cionar el motor de modo homogéneo con Á = I (en casos excepcionales con), < I}. El comienzo de la inyección de combustible se encuentra en la carrera de aspiración, pudiéndose distribui r la mezcla de aire y combustible en toda la cámara de combustión. La masa de combustible inyectada está dosi fi cada de tal manera que la mezcla de aire y combustible se encuentra en la relación esteq uiométrica o) en casos excepcionales, con un ligero exceso de combustible (), ~ I}. Este modo de funcionamiento es necesa rio en caso de solicitarse un alto par motor, puesto que aprovecha toda la cámara de combustión. Por ser estequiométrica la mezcla de aire y combustible existente, en este modo de fu ncionam iento la emi sión bruta de contaminantes es baja también. La combustión, en el fu ncionamiento con mezcla homogénea corresponde ampliamente a la de la inyección en el tubo de admisión.


Funcionamiento con mezcla homogénea pobre

Durante la transición de funcionamiento con

Modos de funcionamiento

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

carga estratificada a func ionamiento con mezcla

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

mezcla homogénea y carga estratificada. Esta mezcla se forma por la inyecc ión de un reducido caudal de combustible durante la carrera de aspiración .

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

la mezcla homogénea pobre en el resto de la cámara de combustión. El funcionamiento con mezcla homogénea y carga est ratificada se activa por algu nos ciclos duran te la conmutación de fun cionamiento con

ca rga estratifi cada a fun cionamiento con mezcla

homogénea. De esa manera el sistema de mando del motor puede ajustar mejor el par motor du rante la con mutación y por la apl icación de la mezcla básica muy pobre, de '¡ > 2, disminuyen las emisiones de NO,. El factor de repartición entre las dos inyecciones es del 75 % ap rox imadamente. Eso significa que el 75 % del combustible se inyecta en la primera inyección, que proporciona la mezcla básica homogénea. Un fun cionamiento estacionario de la inyección

doble a bajos números de revoluciones durante la transició n de fu ncionamiento con carga estratifi cada a fu ncionamiento con mezcla homogénea re-

duce la emisión de holl ín en comparación con el

Funcionamiento con mezcla homogénea y carga estratificada antidetonante

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

rápido calentamiento del tramo de escape; para ello, si n embargo, el tramo de escape ha de estar optimizado a esta aplicación. En este modo, en funcion amiento con carga estratificada con un alto exceso de aire se inyecta primeramente durante la ca rrera de compresión (como en el modo de "fun cionamiento con carga estrati ficada") y luego otra vez durante la fa se de trabajo. Esta última parte de combustible se quema muy tarde y calienta en alto grado el lado de escape y el colector de escape. Otro caso importante de aplicación es el calentamiento del catalizador de NO, hasta temperaturas superiores a 650 ·C, para iniciar la eliminación del azufre del catalizador. Para ello es fo rzosamente necesaria la inyección doble, puesto que con medidas de calentamiento convencionales no se puede alca nzar esta temperatura tan alta en todos los casos de servicio.

65

66

Encendido en visión de conjunto

Vista general, desarrollo de los sistemas de encendido

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

Vista general Para el proceso de encendido de la mezcla de ai re y combusti ble son factores importantes • el ángulo de encendido y • la energía de encendido. El ángulo de encendido, referido al punto muerto superior (PMS) de la posición del cigüeñal, determina el punto de encendido y, por tanto, la inflamación de la mezcla. Influye considerablemente en la potencia y los gases de escape del motor de gasolina.

Desarrollo de los sistemas de encendido inductivos.

Cooectar. COfrieote E!fi • bOOna

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Sistemas de er
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Variac:iCtI del árY¡uIode

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de tensión

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=-

Para producir una chispa de encendido en la cámara de combustión ha de excederse determinada tensión en la bujía, la "tensión de encendido': Según el punto de funcionamien to del motor y el estado de la bujía, se requieren para ello tensiones de encendido de hasta 30 000 V (p.ej. en turbomotores). Tras el salto de la chispa se inicia el proceso de combustión por transmisión de la energía de la chispa a la mezcla. Para la aplicación en el coche de turismo se ha impuesto el sistema de encendido inductivo (encendido por bobina). En el encendido por bobina, la energía de encendido se acumula transitoriamente en el campo magnético de la bobina yen el momento de encendido, después de haber sido transformada en una tensión de encendido suficiente, se entrega a la mezcla . Para motores de alta potencia y de carreras existen también instalaciones de encendido con acumulador de energía capacitivo. Estas acumulan la energía de encendido en el campo eléctrico de un condensador.

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

Encendido en visión de conjunto

Encendido convencional por bobina (SZ) (1934... 1986) Un contacto mecánico de ruptor regula el flujo de corriente por la bobina de encendido (cargar la bobina y efectuar el encendido). Un variador centrífugo mecánico y una cápsula de depresión determinan el ángulo de encendido en fu nción del número de revoluciones y de la carga (variación mecánica del ángulo de encendido). De la distri bución de la alta tensión entre las bujías de encendido se hace cargo un distribuidor mecánico rotatorio (distribución rotatoria de la alta tensión). Encendido transistorizado (TZ) (1965 ... 1993) El contacto mecánico de ruptor ha sido sustituido por un transistor de potencia exento de desgaste dispuesto en un bloque electrónico, que es activado por un sensor inductivo o un sensor Hall. Así se evitan las anteriores repercusiones negativas por desgaste de los contactos del ruptor.

67

Desarrollo de los sistemas de encendido

Encendido electrónico (EZ) (1983 .. 1998) La distribución de la alta tensión se efectúa todavía mecánicamente, habiéndose suprimido por el contrario la variación mecánica del ángulo de encendido. El número de revol uciones y la carga se detectan electrónicamente y constituyen magnitudes de entrada para un diagra ma característico del ángulo de encendido, depositado en una memoria de semiconductores. Para el mando se precisa una unidad de control del encendido con un microcontrolador. Encendido totalmente electrónico (VZ) (1983 ... 1998) La distribución de la tensión no se efectúa ya mecánicamente) sino de modo exclusivamente electrónico en la unidad de control del encendido (distribución estática de la tensión). Por tanto, este sistema no contiene ya ninguna pieza que pueda ser afectada por desgaste. Desde 1998 para nuevos lanzamientos ya sólo existen unidades de control del motor en las que están combinados el encendido totalmente electrón ico y la inyección de gasolina (Motronic, figura 2).

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

1

2

Figura 2 1

Bobina de encendido de una chispa

2

Bujía de encendido

68

Sistema de encend ido inductivo

Vista general. etapa final de encendido

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

Etapa final de encendido Función

La eta pa fin al de encendido tiene la fu nción de conectar la corriente en la bobi na de encendido. Estructura y funcionamiento

Vista general El circuito de encend ido del sistema de encendido inductivo consta de los componentes • etapa fin al de encendido (fi gura 1, pos. 1), • bobina de encendido (2), • distribuidor de alta tensión, • bujía de encendido (4), así como • medios de unión y ant iparasitarios. El distribu idor de alta tensión se ha suprimido en las instalaciones de encendido modernas con distribución estática de la tensión. La fi gura I muestra la estructura básica del circuito de encendido en el ejemplo de una instalación de encendido por bobi na con distri bución estática de la tensión y bobinas de una chispa.

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

12V

15

3

4

2

Figura 1 Etapa final de encen·

dldo 2

Bobina de encendido

3

Diodo parachlspas

4

BUJia de encendido

15. 1, 4, 4a Designación de bornes ..IL

Señal de activaCión de

la etapa final de encendido

4a

4

Las etapas finales de encendido generalmente están estructuradas como transistores de potencia de tres etapas. Las fun ciones de "limitación de la tensión del primario" y "limitación de la corriente del primario" están integradas de modo monolítico en la etapa fi nal de encendido y protegen los componentes del encendido contra sobreca rga. Durante el funcionamiento se cal ientan la etapa final y la bobina de encendido. Para no exceder las temperaturas de servicio admisibles, hay que evacuar la energía disipada originada al ambiente de modo segu ro mediante medidas corres pondientes, también a elevadas temperaturas de funcionamiento. La li mitación de corriente del primario ya sólo tiene la función de limitar la corriente en caso de un defecto (p.ej. cortocircuito) (función de seguridad). Hay etapas fin ales de encendido internas yexternas. Las etapas finales internas están integradas en la placa de circuitos impresos de la unidad de control del motor. Las etapas fin ales externas están situadas en una caja pro pia fuera de la unidad de control del motor. Por motivos económicos no se emplean ya etapas fina les externas pa ra los nuevos desarrollos. Otra posibilidad, cada vez más uti lizada, es la integración de las etapas finales en la bobina de encendido.

Sistema de encend ido inductivo

Bobina de encendido Función La bobina acumula la energía de encendido nece-

sa ria y genera la alta tensión para el salto de la chispa en el momento de encendido. Estructura

Las bobinas de encendido que corresponden al último estado técnico se componen de dos arrollamientos de cobre acoplados magnética men te (arrollam iento primario y arrollamiento secundario), de un núcleo de hierro compuesto de chapas individuales y de un cuerpo de plástico. Según e! diseño, e! núcleo puede ser de forma cerrada (bobinas compactas) O de forma de barra (bobinas de barra). La disposición y situación de los arrollamientos primario y secundario dependen de la respectiva forma de const rucción. Para aumentar la resistencia de aislamiento, el arrollamiento secu ndario puede esta r realizado como arrollamiento plano O arrolla miento en cá maras. Para el aislamiento de los arrolla mientos entre sí y frente al núcleo, e! cuerpo está relleno de resina epoxi. La estructura y el dimensionamiento de la bobina de encendido están aj ustados al respectivo caso de aplicación.

69

Bobina de encendido

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

La unidad de control de! motor conecta la etapa fina l de encendido dura nte e! tiem po de cierre calculado en las instalaciones de encendido modernas. Dentro de este tiempo sube la corriente primaria de la bobina de encendido hasta su valor teórico, generando ala vez un ca mpo magnético. Las magnitudes de la corriente y de la inductancia del primario de la bobina de encendido determinan la energía acumulada en el campo magnético.

Funcionamiento

El fu ncionam iento de una bobina de encendido se basa en la ley de la inducción. La energía acumulada en el ca mpo magnético del arrollamiento pri mario se transmite por inducción magnética al lado de! secu ndario de la bobina. La corriente y la tensión son trasladadas de! lado primario al secun dario, transformándose en función de la relación del número de espiras (relación de transformació n) (figura 2). En la bobina de encendido de una chispa para sistemas con distribución rotat iva de la alta tensión, una conexión del arrollamiento primario está

Representación esquemática de bobinas de encendido.

a

e

b

4a

15

I Figura 2 Para distribUCión rotatOria

de la alta tenSión :

a

Bobina de encendido de una chispa

B

A

Para distribUCión estatica de

unida con una conexión del secundario, conectán-

la tensión :

dose ambas conjuntamente (circuito económico) al borne 15 (interruptor de marcha). La otra conexión del arrollamiento primario está conectada con la etapa final de encendido (borne 1). La segunda conexión del arrollamiento secundario está unida con e! distribuidor de encendido (borne 4).

b

4

4

4b > ~

Bobina de encendido de una ctllSpa

e

"-

Bobina de encendido de dos chispas

~ ~

o

N

:>

"

A

lado del prlmano

B

lado del secundariO

70

Sistema de encendido inductivo

Bobina de encendido, distribución de la tensión

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

Figura 3

a b

DistribuCión rotatoria

Distribución estática con bobinas de una

chispa

La tensión secundaria en todo caso ha de ser ma)'or que la tensión necesaria (demanda de tensión) para el salto de la chispa en la bujía de encendido. La energía de la chispa tiene que ser lo suficientemente grande para encender la mezcla) también en el caso de producirse chispas sucesivas. Se producen chispas sucesivas cuando la chispa de encendido es desviada por tu rbulencias de la mezcla, efectuándose una ruptura. Al conectarse la corriente en el primario se induce en el arrollamiento secundario tilla tensión no deseada de aprox. I ... 2 kV (tensión de conexión): tiene una polaridad opuesta a la de la alta tensión. Ha de impedi rse entonces un salto de la chispa en la bujía de encend ido (chispa de conexión). La chispa de conexión se impide eficazmente en los sistemas con distribución rotatoria de la alta tensión mediante la distancia disruptiva del distribu idor conectada en serie. En el caso de la distri bución estática de la tensión con bobinas de una chispa, un diodo (diodo parachispas, véase la fi gura 2b) dispuesto en el circuito de alta tensión bloquea la chispa de conexión. Finalmente, en la distrib ución estática de la tensión con bobinas de dos chispas, la chispa de conex ión es impedida por la alta tensión disrupt iva de la conexión en serie de dos bujías de encendido, sin otras medidas adicionales.

Interruptor de

encendido

2 3

Bobina de encendido DlstnbUldor de encendido

4

Cable de encendido

5

Bujia de encendido

6

Unidad de control

7

Balena

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

Distribución de la tensión Función La al ta tensión generada en la bobina de encendido ha de estar aplicada en el momento de encendido a la bujía correcta. Esto lo real iza la distribución de tensión. Distribución rotatoria de la alta tensión La alta tensión generada por una sola bobina de encendido (figura 3a, pos. 2) en la distri bución rotatoria es distribuida de modo mecá nico a las distintas bujías (5) por un distribuidor de encendido (3). Este modo de distribución de la tensión )'a no se aplica en modernos sistemas de gestión del motor.

Principio de la distribución de la tensión.

4

5

1

7 ~


Distribución estática de tensión

En la distribución estática de la tensión si n distribuidor, electrónica, se han suprimido los componentes mecánicos (figura 3 b). Las bobinas de encendido están unidas di rectamente con las bujías y la distribución de la tensión se efectúa en el lado primario de las bobinas de encendido. De este modo es posible una distribución de la tensión exenta de desgaste y de pérdidas. Para este modo de distribución de la tensión existen dos variantes. Instalación con bobi nas de encend ido de una chispa A cada cilindro hay asignada una etapa fi nal y una bobi na de encendido. La unidad de control del motor activa la etapa fi nal con arreglo al orden de encendido. Como ya no hay pérdidas producidas en el distribuidor, estas bobinas de encend ido pueden ser de tamaño muy pequeño. Están asentadas preferentemente directa mente sobre la bujía de encendido. La distribución estática de la tensión con bobinas de encendido de una chispa es apro piada universalmente para molares con cualquier número de cilindros. No existe ninguna limitación del margen de variación del ángulo de encendido. La instalación, sin emba rgo, ha de ser sincronizada adicionalmente con el árbol de levas a través de un sensor. Instalación con bobinas de encendido de dos chispas Una etapa final y una bobina de encend ido están asignadas en cada caso a dos cilindros. Los extremos del arrollamiento secundario están conectados cada uno a una bujía de encendido en cilindros distintos. Los cilindros erstán elegidos de manera que durante la carrera de compresión de un cilindro se encuentre el segundo exactamente en la carrera de escape (con un número de cilindros par). En el momento de encendido tiene lugar un salto de chispa en las dos bujías de encendido. Ha de estar asegurado que a causa de la chispa durante la carrera de escape (chispa de apoyo) no se inflame gas residual o gas fresco aspirado alguno. De ello resulta una limitación del margen posible de variación del ángulo de encendido. En cambio, la instalación no ha de estar sincronizada con el árbol de levas.

71

Distribución de la tensión, bujía de encendido

Bujía de encendido Función

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

La bujía de encendido (figura 4) es un elemento de paso de alta tensión hacia la cámara de combustión, estanco a los gases, que tiene un aislamiento cerámico, un electrodo central (1) Yuno o varios electrodos de masa (2). La posición del (de los) electrodo(s) de masa determina el ti po de chispa. Si el electrodo de masa se encuentra enfrente del electrodo central, se habla de una bujía de chispa en el aire (a, b). Si los electrodos de masa están ajustados a los lados, se habla de buj ías de encendido de chispa deslizante al aire (e) o de genuinas bujías de chispa deslizante (d).

Bujía de encendido (sección parcial) y distancia disruptiva.

r

a

~

b

~

Figura 4 1

ElecttOdo central

2

Electrodo de masa

a

DistanCia dlsruptlva en el aire con electrodo de

e

cubrimiento

b

Distancia disruptlva en el aire con electrodo lateral

e

Distancia dlsrupliva en el aire o de chiSpa deslIZante (es posible

d

chispa al aire o chispa

1

deslizante)

~

o. ~

EA

¡¡

"=>

qt>

d

Distancia dlsruptlva de chispa deslizante

EA

Separación entre electrodos

72

Bujía de encendido, medios de unión y antiparasitarios


Después de la interrupción de la corriente primaria en el momento de encendido aumenta la tensión en el arrollamiento secundario de la bobina dentro de breve tiempo (aprox. 30 ~s, v. fi gura 5) hasta la tensión de encendido. Al sobrepasarse la tensión de encen dido necesaria, la distancia disruptiva de la bujía de encendido entre electrodo central y electrodo de masa se vuelve conductiva. Las capacitancias cargadas hasta la tensión de encend ido en el circuito secundario (bujía, cable y bobina de encendido) se descargan de repen te en fo rma de una cabeza de chispa. A continuación , la energía acumulada de la bobina de encendido se convierte durante una duración típica de la chispa de 1... 2 ms en una descarga lu miniscente (cola de la chispa). En la fa se de oscilación posterior se consume la energía residual contenida en la bobina de encendido. Desgaste de la bujía de encend ido Durante el fu ncionamiento del motor se desgastan los electrodos de la buj ía de encendido a consecuencia de erosión por la corriente de las chispas y corrosión por los gases cal ientes en la cámara de combustión. La dista ncia entre los electrodos se vuelve mayor. A causa de ello aumenta la demanda de tensión de encendido. Hasta el fi n del intervalo previsto para el cambio de las bujías, esta demanda Evolución de la tensión con el tiempo en los electrodos

de una bujía de encendido.

kV

15

K 10

" 5 ~ " ~

O aprox.30~

n.

Figura 5

K

Cabeza de la chispa

S

Cola de la chispa

If

Duración de la chispa

O

1,0

2,0

Tiempo

3,0

ms

'"••

8N

""

~

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

Medios de unión y antiparasitarios Cables de encendido La alta tensión generada en la bobina de encendido ha de ser conducida a la bujía de encendido. En el caso de bobinas de encendido que no están asentadas directamente sobre la bujía, para ello se emplean cables con aisla miento de plástico resistentes a altas tensiones, en cuyos extremos hay dispuestos unos enchufes adecuados para establecer el contacto con los componentes de alta tensión. Dado que toda línea de alta tensión representa una carga capacitiva para la instalación de encendido reduciéndose por ello la oferta de tensión secundaria, los cables tienen que ser lo más cortos posible. Resistencias antiparasita rias, apantallado Cada salto de chispa en la bujía o el distribuidor de encendido (con distribución rotatoria de la alta tensión) es una fuente de perturbaciones a causa de la descarga en forma de im pulso. Mediante resistencias an ti parasitarias dispuestas en el ci rcu ito de alta tensión se limi ta la corriente de punta de la descarga. Para minim izar la radiación perturbadora del circuito de alta tensión, las resistencias anti parasitarias han de estar lo más cerca posible de la fuente de perturbación. Las resistencias antiparasitarias están integradas normalmente en los capuchones de las bujías, los enchufes de conexión y, en caso de distribución rotatoria de alta tensión, también en el rotor del distribuidor de encendido. Además, existen bujías de encendido con resistencia aniparasitaria integrada. Un aumento de la resistencia en el lado del secundario ocasiona, sin embargo, pérdidas adicionales de energía en el circuito de encendido y por tanto una energía menor de la chispa en la bujía de encendido. Se puede consegu ir una reducción adicional de la radiación mediante un apantallado parcial o completo de la instalación de encendido.


Tensión de encendido

Energía de encendido

El valor de tensión con el que se produce el salto de la chispa en los electrodos de la bujía de encendido depende entre otros factores • de la densidad de la mezcla de ai re y combustible en la cámara de combustión y por tanto también del momento de encendido, • de la composición de la mezcla de aire y combustible (coefi ciente de aire, coeficiente lambda), • de la velocidad de flujo y turbulencias, • de la geometría de los electrodos, • del material de los electrodos y • de la separación de los electrodos.

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

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

73

Tensión de encendido, energia de encendido

Balance energético de un encend ido

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

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

mJ

Energ(a disponible

40

'"E"

.'!l I

30

~

"

w

20 Figura 6

Cola de la chispa, descarga ulterior inductiva

10

Los valores energetlcos rigen para una Instalación de encendido ejemplar con una capacidad de la bobina

o

5

10

15

20

25

Tensión de encendido U

30

35

40

de encendido de 35 pF, una carga exlerna de 25 pF Y una Inductlvidad del secundarla de 15 H

74


Energia de encendido

Cola de la chispa La energía restante acumulada en la bobina de encendido (parte inductiva) se libera a continuación. La energía resulta de la diferencia entre la energía total acumulada en la bobi na de encendido y la energía liberada por la desca rga capacitiva. Esto signifi ca: cuanto más alta es la demanda de tensión de encendido, tanto mayor es la parte de la energía total que se halla en la cabeza de la chispa. En caso de una alta demanda de tensión de encendido, por ejemplo a causa de bujías desgastadas, la energía existente en la cola de la chispa no es ya suficiente en ciertas circunstancias para inflamar por completo una mezcla encendida o volver a encender mediante chispas sucesivas una llama que haya sido apagada. En caso de seguir aumentando la demanda de tensión de encendido, se alcanza el límite a partir del cual se producen fallos del encendido. La energía disponible ya no es suficiente para producir un salto de la chispa y comienza a pulsar en una oscilación amortiguada (fallo del encendido). Pérdidas por derivación La figura 6 (pági na anterior) presenta la situación de modo simplificado. A causa de resistencias óhmicas en la bobina y en los cables de encendido, así como de las resistencias antiparasitarias, se producen pérdidas que menoscaban la energía de encendido. Otras pérdidas se producen a causa de resistencias de derivación. Estas pueden ser causadas por suciedad en las conexiones de alta tensión, pero también por incrustaciones y holl ín en la bujía de encendido, den tro de la cámara de combustión. La magnitud de las pérdidas por derivación depende de la demanda de tensión de encendido. Cuanto más alta es la tensión aplicada a la bujía, tanto mayores son las corrientes que fl uyen a través de las resistencias de derivación.

Inflamación de la mezcla Para inflamar una mezcla de aire y combustible mediante chispas eléctricas, en condiciones ideales (p.ej. en una "bomba de combustión") por cada encendido individual se requ iere una energía de aprox. 0,2 m], en tanto la mezcla tenga una com-

posición estacionaria, homogénea yestequiométrica. Mezclas ricas y mezclas pobres requieren en tales condiciones más de 3 m). La energía necesaria para inflamar la mezcla es sólo una parte de la energía total que se halla en la chispa de encendido, la energía de encendido. Para generar una descarga eléctrica de alta tensión en el momento de encendido, con altas tensiones de paso, en las instalaciones de encend ido convencionales se requieren energías de más de 15m). Para mantener determ inada duración de la chispa y para cubrir pérdidas, p.ej. por derivación en la bujía a causa de suciedad, ha de hallarse a disposición más energía. Así, resultan energías de encendido de 30 ... 50 m) como mínimo. Eso corresponde a una energía acumulada en la bobina de encendido de 60 ... 120 m). Turbulencias en la mezcla, como las que se presenta n en el funcionamien to con carga estratificada de la inyección directa de gasoli na, pueden desviar la chispa de encendido hasta su ruptura. Luego, para inflamar la mezcla se requieren chispas sucesivas cuya energía ha de prepararse asimismo en la bobina de encendido.

Con mezclas pobres se requiere una energía particularmente alta para poder cubrir la elevada demanda de tensión de encendido y garantizar al mismo tiempo una duración ventajosamente larga de la chispa, puesto que al existir una mayor cantidad de aire en la mezcla dismi nuye la facilidad de encendido. Si hay demasiado poca energía de encendido a disposición , no se efectúa el encendido de la mezcla. Esta no puede inflamarse entonces y se producen fa llos de la combustión. Por esta razón hay que poner a disposición tanta energía de encendido, que incluso en condiciones extremadamente desfavorables se inflame la mezcla de aire y combustible con seguridad. Puede ser


suficiente que la chispa inRame un pequeño volumen de la mezcla. La mezcla que se inflama junto a la bujía enciende entonces el resto de la mezcla en el cilindro e inicia así el proceso de combustión. Influencias en la calidad del encendido Una buena preparación y fácil acceso de la mezcla a la chispa de encend ido mejoran la calidad del encendido, al igual que una larga duración de la chispa y una gran longitud de ésta, o resp. una gran separación entre los electrodos. Tiene consecuencias favorables también una turbulencia de la mezcla, dando por supuesto que exista suficien te energía para chispas sucesivas posiblemente necesarias. Las turbulencias proporcionan una distribución más rápida del frente de llamas en la cámara de combust ión y, por tanto, una combustión más rápida de la mezcla en toda la cámara de combustión.

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

75

Energia de encendido, punto de encendido

Punto de encendido Desde el momento de la chispa de encendido hasta la combustión completa de la mezcla transcu rren aproximadamente dos milisegundos. Si la composición de la mezcla no varía, este tiempo permanece constante. A medida que aumenta el número de revoluciones se ha de encender la mezcla cada vez más temprano - referido al ángulo del cigüeñal. Si el llenado del cilindro es red ucido, la mezcla de ai re y combustible es menos inflamable. Eso causa un mayor retardo del encendido, por lo que hay que desplazar el ángulo de encendido aún más hacia avance. Para una entrega óptima del par motor hay que elegir el ángulo de encendido de manera que el punto esencial de la combustión y con él la punta de presión se encuentre poco después del punto muerto superior (PM S), evitándose sin embargo combustiones detonantes (figura 7). En fun cionamiento con carga estratificada (inyección directa de gasolina), el margen de variación del punto de encendido está limitado por el fin de la inyección y el tiempo necesario para la preparación de la mezcla durante la carrera de compresión.

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

bar e -o 60 .-r;;;

il E

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E

'I'l .!ll

e

Figura 7

"e

Encendido Za en el

'0 .¡¡;

1! a..

punto correcto

OL-__________ 75 0

500

250

~

__

O"

~

____

_25 0

Angula de encendido az

2 ~_=J

~

-50" -750

(1)

demasiado avanzado (combustión

~

=> @

Encendido Zb

detonante) 3

Encendido

z..

demasiado retrasado

76

Depuración catalítica de los gases de esca pe

Vista general, catalizador de oxidación

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

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

Catalizador de oxidación El catalizador de oxidación co nvierte los hidrocarburos y el monóxido de carbono conlenidos en los gases de escape por ox idación - es decir, combustión - en vapor de agua y dióxido de ca rbono. El oxígeno necesario para la oxidación se obliene de un ajusle pobre de la mezcla (}. > 1) o medianle la insuflación de aire en el sistema de escape delanle del catalizador. Los óxidos de nilrógeno no pueden ser Iransformados por el calalizador de oxidación. Por primera vez se utilizaron catalizadores de oxidación en vehículos en 1975 en EE.UU., para observa r las disposiciones sobre gases de escape entonces válidas. Hoy día, los catalizadores con propiedades exclusivamente ox idan les sólo se uliliza n raramente.

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

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

Figura 1 I

Motor

2

Sonda lambda delante

del catalizador (sonda de dos puntos Osonda lambda de banda ancha, segun el sistema) 3

Catalizador de tres vias

4

Sonda lambda de dos puntos detrás del calalizador (sólo para sistemas con regulación por

dos sondas lambda)

Depuración catalitica de los gases de escape

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

Función El catalizador de tres vías tiene la función de converti r los tres componentes contaminantes HC (hidrocarburos), CO (monóxido de carbono) y NO, (óxidos de nitrógeno) producidos durante la combustión de la mezcla de aire y combustible, en componentes inofensivos. Como productos final es se originan H¡Ü (vapor de agua), CO, (dióxido de ca rbono) y N, (nitrógeno). Funcionamiento La co nversión de los contaminantes (depuración de los gases de escape) se efectúa en dos fases: el monóxido de carbono y los hidrocarburos se transforman por ox idación (ecuae. 1 y 2). El oxígeno necesario pa ra la oxidación o está existente en los gases de escape como oxígeno residual a causa de una combustión incompleta, o se toma de los óx idos de nitrógeno, que de este modo son reducidos a la vez (ecuae. 3, 4).

Las concentraciones de contaminantes en los gases de escape brutos dependen del coeficiente de aire'\ ajustado (figura 2a). La cuota de conversión de hidrocarburos (HC) y de monóxido de carbono se incrementa constantemente a medida que aumenta el coefi ciente de ai re (figura 2b). Con }. =1, la parte de esos componentes contaminantes es todavía muy pequeña. Con un coeficiente de aire (). > 1) más alto, la concentración de esos contaminantes permanece a este bajo nivel. La conversión de los óxidos de nitrógeno ( O,) es buena en el campo de mezcla rica (,\ < 1). La concentración de NO, más baja se encuentra en el funcionamiento estequiométrico (,\ = 1). Pero ya un pequeño aumento de la parte de oxígeno en los gases de escape a causa del funcionami ento con }. > 1 impide la reducción de los óxidos de nitrógeno y hace que su concentración aumente de manera muy pronunciada.

77


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

Ecuaciones de las reacciones en el catalizador de tres vías. (1)

2CO

+ O,

-2C0 2

(2)

2 C2 H,

+ 7 O2

- 4C0 2

+ 6 H20

(3)

2NO

+2CO

- N,

+ 2 CO2

(4)

2 N0 2

+2CO

-N,

+2C02 +0 1

Contaminantes en los gases de escape.

a

Campo de regulación lambda (ventana del catalizador)

b

NO,

Figura 2

e

a

Antes del tratamiento ulterior calahtlco (gases de escape brutos)

b

V).

0,975 ... Mezcla rica

1,0

Q.

tratamiento ulterior

~ 1,025

Coeficiente de aire A

1,05 Mezcla .... pobre

catahtlco

~

~

"" CI>

Después del

e

Curva caracterlstlca de tensión de la sonda lambda de dos puntos

78

Depuración catalítica de los gases de escape


Estructura

El catalizador (fi gura 3) se compone de un recipiente de chapa como cuerpo (6), un soporte (5) y el recubrimiento catalítico activo de metal precioso (4). Soporte Como soporte se ha n impuesto dos sistemas: MOflO/itos cerámicos

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

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

Recubrimiento Los monolitos cerámicos y metálicos requ ieren una capa de soporte de óxido de aluminio (AI,oJ)' el "Washcoat" (4). Esta capa aumenta la superficie act iva del catalizador por el fac tor 7000. La capa catalítica activa apl icada en catalizadores de oxidación contiene los metales preciosos de plati no y/o paladio; en catalizadores de tres vías, adicionalmente contiene rodio. El platino y el paladio aceleran la oxidación de los hidrocarburos y 1110nóxido de carbono; el rodio, la reducción de los óxidos de nitrógeno. El contenido de metales preciosos en un catal izador es de aprox. 1... 3 g. Este valor depende de la cili ndrada del motor.

Catalizador de tres vias con sonda lambda.

Figura 3 I

Sonda lambda

2

Estera de hinchamiento

3

Cubierta doble calonfuga

4

Washcoat (capa soporte de A120 S) con recubrimiento de

metales preciosos

5

Soporte (monolito)

6

Cuerpo

~

"N

~

"'"

~


Condiciones de servicio Temperatura de servicio La temperatura del catalizador tiene muchísima importancia en la depuración de los gases de escape. En el catalizador de tres vías no se in icia una conversión de los contaminantes digna de mención hasta alca nzarse una temperatura de servicio de más de 300 'c. Para altas cuotas de conversión y una larga duración reinan condiciones de servicio ideales en el margen de temperaturas de 400 ... 800 'c. El envejeci miento térmico aumenta notablemente en el margen de 800 ... 1000'C por sinterización de los metales preciosos y de la capa de soporte AI,OJ' lo que ocasiona una reducción de la superficie activa. El tiempo de servicio ta mbién tiene gran influencia en este margen de temperatura. Por encima de 1000 ' C el envejecimiento térmico aumenta enormemente y ocasion a la casi completa ineficacia de! catalizador. Por funcionamiento incorrecto del motor (p.ej. fallos del encendido), puede subir la temperatura en e! catalizador hasta 1400 ' C. Tales temperaturas causan la dest rucción total del catalizador por fusión del material de soporte. Para impedirlo, parti cularmente el sistema de encendido ha de trabajar de modo muy fi able y exento de mantenimiento. Los modernos mandos del motor pueden ide ntificar fa llos del encendido y de la combustión. Estos mandos impiden en caso dado la inyección para el correspondiente cili nd ro, no llegando así mezcla alguna sin quemar al sistema de escape. Combustible sin plomo Otra condición para un servicio fiable de larga duración es el fun cionamiento del motor con combusti ble sin plomo. Los compuestos de plomo se posan en los poros de la superficie activa o se depositan directamente sobre ellos y reducen su cantidad. Pero también residuos del aceite del motor pueden "envenenar" el catalizador, es decir, destruirlo hasta su ineficacia.

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

Catalizador de tres vlas

tos (p.ej. insuflación de aire secundario, variación del ángulo de encendido en dirección hacia "retardo") determinan el lugar de montaje del catalizador. Las propiedades del catalizador de tres vías res pecto a la temperatura de servicio limitan la posibilidad de montaje. Partiendo de las condiciones térmicas necesarias para una alta transformación, es indispensable montar el catalizador de tres vías cerca del motor. Para el catalizador de tres vías se ha impuesto en lo esencial su disposición dividida con un catal izador previo cerca del motor y un catalizador debajo del piso. Los catalizadores dispuestos cerca del motor requieren una optimización del recubrim iento en el sentido de estabilidad respecto a altas temperatu ras; los catali zadores bajo el piso, en el sentido de "Iow light off" (baja "temperatura de arranque))), así como una buena transformación de NO,. Como alternativa existen conceptos con sólo un catalizador total, montado cerca del motor. Efectividad El tratamiento ulterior catalítico de los gases de escape con ayuda del catalizador de tres vías en la actualidad es el procedimiento de depuración de gases de escape más eficaz para el motor de gasolina con distri bución homogénea de la mezcla, de A= l. Una parte integrante es la regulación lambda, que vigila la composición de la mezcla de aire y combustible. Con el catalizador de tres vías se puede impedir casi por completo la expulsión de monóxido de carbono, hidroca rburos y óxidos de nitrógeno, con una distribución homogénea de la mezcla y una composición estequiométrica de ésta. Estas condiciones ideales de servicio, sin embargo, no se pueden mantener siempre. Ello no obstante, se puede partir por término medio de una reducción de los contaminantes de más del 98 %.

79

80


Catalizador acumulador de NO,

Catalizador acumulador de NO, Función

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

El catalizador acumulador de NO, está estructurado de modo similar al catalizador de tres vías. Adicionalmente al recubrimiento con platino, paladio y radio, contiene aditamentos especiales que pueden acumular óxidos de nitrógeno. Típicos materiales acumuladores contienen p.ej. óxidos de potasio, calcio, estroncio, circonio, lantano o bario. El recubrimiento para la acumulación de NO, y el recubrimiento del catalizador de tres vías pueden estar colocados sobre un soporte común. Funcionamiento

Por razón del recubrimiento de metales preciosos, el catalizador acumulador de NO, en el funcionamiento con }, = 1 actúa como un catalizador de tres vías. Adicionalmente transforma los óxidos de nit rógeno no reducidos en los gases de escape pobres. Esta transformación no se efectúa sin embargo de modo continuado como con el monóxido de carbono y los hidrocarburos, sino que transcurre en tres etapas: 1. Acumulación de NO" 2. desacumulación de NO, y 3. transformación.

Acumulación de O ~ Los óxidos de nitrógeno (NO,) son oxidados de modo catalítico en la superficie del recubrimien to de platino convirtiéndose en dióxido de nitrógeno (NO,). A continuación el NO, reacciona con los óxidos especiales de la superficie del catalizador y oxígeno (O,) convirtiéndose en nitratos. Así, p.ej. el NO, forma con el óxido de bario BaO el compuesto químico de nitrato de bario Ba(NOJ ), (ecuac. 1). El catal izador acumulador de 0 , acumu la por consiguiente los óxidos de nit róge no que se originan durante el funcionamiento con exceso de aire.

Ex.isten dos posibilidades de reconocer cuándo el catalizador está saturado y ha terminado la fa se de acumulación: • El procedimiento basado en un modelo calcula la cantidad de NO, acumulado, tomando en cuenta la temperatura del catalizador (fi gura 1, pos. 4). • Un sensor de 0 , (6) dispuesto detrás del catalizador de 10 , mide la concentración de NO, en los gases de escape. Desacul11ulac ión y transformación del NO, A medida que aumenta la ca ntidad de óxidos de nitrógeno acumulados (carga), disminuye la capacidad de seguir ligando óxidos de nitrógeno. A partir de determinada cantidad tiene que efectuarse una regeneración, es decir, los óxidos de nitrógeno acumulados tienen que ser quitados y transformados. Para ello se conmuta por breve tiempo a funcionamiento con mezcla homogénea rica (A < 0,8). Los procesos para la desacumulación del 0 , y la conversión en nitrógeno y dióxido de carbono se desarrollan por separado. Como agentes reductores se emplean H" HC y CO. La velocidad de reacción de la reducción con HC es la más lenta; con H" la más rápida. La desacumulación - representada a continuación con monóxido de ca rbono como agente reductor - se efectúa de manera que el monóxido de carbono reduce el nitrato (p.ej. nitrato de bario Ba(NO J ),) convirtiéndolo en un óxido (p.ej. óxido de ba rio BaO). De ello se originan dióxido de carbono y monóxido de nitrógeno (ecuac. 2). A continuación el recub rimiento de rodio reduce los óxidos de nitrógeno mediante monóxido de carbono convir-


Ecuaciones de las reacciones en la fase de acumulación de NOx (1), fase de desacumulación (2) y transformación (3). + 4 N02 + O2

....

(2) Ba(N0:J)

+ 3 CO

.... 3e0 2 +BaO+2NO

(3) 2NO

+2 CO

(1)

2 BaO

2 Ba(N0:Jz

tiéndolos en nitrógeno y dióxido de carbono (ecuac. 3). Existen dos procedimientos diferentes para reconocer el fi n de la fase de desacumulación: • El procedimiento basado en un modelo calcula la cantidad de NO, todavía existente en el catalizador acumulador de NO,. • Una sonda lambda (6) dispuesta detrás del catali zador mide la concen tración de oxígeno en los gases de escape y señala un salto de la tensión de "mezcla pobre)) a"mezcla rica))) cuando ha COIlc1uido la desacumulación. Temperatura de servicio y lugar de montaje La capacidad de acumulación del catalizador acumulador de NO, depende mucho de la temperatura. Alcanza un máx imo en el margen de 300 ... 400 'C. Por tanto, el margen de temperaturas favorable es muchísimo más bajo que el del catalizador de tres vías. Por esta razón, para la depuración

81

Catalizador acumulador de NO,

catalítica de los gases de escape hay que utilizar dos catalizadores separados - un catalizador de tres vías como catalizador previo montado cerca del motor (fi gura 1, pos. 3) Yun catalizador acumulador de NO, (5) como cata lizador principal (catalizador bajo el piso), montado lejos del motor. Carga de azufre El contenido de azufre en la gasol ina constituye un problema para el catalizador acumulador. El azufre contenido en los gases de escape pobres reacciona con el óxido de bario (material de acu mulación ) convirtiéndose en sulfato de bario. La cantidad de material acum ulador disponible para la acumulación de 0 , por tanto disminuye con el tiempo. El sulfato de bario es muy resistente a la temperatura y es desi ntegrado sólo en una pequeIia parte durante la regeneración de NO,. En caso de emplear combustible que con tiene azufre, de tanto en tanto hay que efectuar una desulfuración. Para ello, mediante la aplicación de medidas apropiadas (aj uste del modo de funcionamiento de carga estratificada y calentamiento rápido del catalizador) se calienta el catalizador hasta 600 ... 650 'C y luego se somete durante algunos minutos alternativamente a gases de escape ricos (2 =0,95) Ypobres (,l. = 1,05). Entonces el sulfato de bario se reduce nuevamente a óxido de bario.

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

Figura 1 1

Motor con sistema de reahmentacion de gases de escape

2

Sonda lambda delante del catalizador

3

Catalizador de tres vias (catahzador previo)

> o M

8

~

"

<1>

4

Sensor de temperatura

5

Catalizador acumulador de NOx (catalizador pnnclpal)

6

Sonda lambda de dos puntos. opCional con sensor de NO x mte· grado

62


Circuito de regulación lambda

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


Figura 1 1

Medidor de masa de

2

Motor

3a Sonda lambda delante del catalizador (sonda lambda de dos puntos o sonda lambda de banda ancha)

3b Sonda lambda de dos puntos detrás del

Función Con objeto de que en sistemas que trabajan sólo con un catali zador de tres vías la cuota de transformación sea lo más alta posible para los tres componentes contaminantes) éstos tienen que encontrarse en un equilibrio químico. Eso exige una composición de la mezcla en la relación estequiométrica de l = 1,0. La "ventana" en la que ha de encontrarse la relación entre aire y combustible es por eso muy pequeña. La formación de la mezcla tiene que seguirse por consiguiente en un circuito de regulación lambda. Un control de la dosi fi cación de combustible no es suficiente. Los motores de inyección directa de gasolina se hacen funcionar también con mezclas cuya composición difiere de la relación estequiométrica. También la formación de la mezcla de esos sistemas puede guiarse mediante una regulación.

Funcionamiento Mediante el circuito de regulación formado con ayuda de una o dos sondas lambda pueden identi-

ficarse y corregirse desviaciones de una relación de aire y combustible determinada. El principio de regulación se basa en la medición del contenido de oxígeno residual en los gases de escape. El contenido de oxígeno residual es una medida para la composición de la mezcla de aire y combustible aportada al motor (2). Regulación de dos puntos La sonda lambda de dos puntos dispuesta delante del catalizador suministra en el margen rico (A < 1) una tensión alta yen el margen pobre (), > 1), una tensión baja Us,. En el margen alrededor de A= 1 se produce un pronunciado salto de tensión. La sonda lambda de dos puntos sólo puede distinguir, pues, entre mezcla rica y mezcla pobre.

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

catalizador

(sólo en caso de necesidad ; para inyección

Esquema funciona! de la regulación lambda,

-~---~---"~-----_.

directa de gasolina: con sensor NO, integrado)

4

Catalizador prevIo (ca-

Aire

talizador de tres vías)

5

2

Catalizador principal (para inyección en el

3b

3.

tubo de admisión: catalizador de Ires vias; para Inyección directa de gasolina: catalizador acumulador

de NO,) 6


7

Unidad de control del

VE

I I I I I I

Combuslible

6

tW Uv

U"

motor

8

Señales de entrada

7

_

Tensión de mando de las válvulas

\'E Caudal de inyección

ttt

I I I

__ ______ _ J

~

';!

~ w ;¡

Us Tensión de sonda

Uv

tu..

8

'=>"


La tensión de sonda se transforma en la un idad de cont rol del motor en una señal de dos puntos. Es la magnitud de entrada para la regulación lambda puesta en efecto con ayuda del software. La regulación lambda actúa en la formación de la mezcla y ajusta la relación de aire y combustible adaptando el caudal de combustible inyectado. La magnitud de ajuste, compuesta de un salto y una rampa, varía su dirección de aj uste con cada salto de tensión de la sonda. Es decir, por el salto de la magnitud de ajuste varía la composición de la mezcla primero "de golpe" y a cont inuación en forma de rampa. Si la tensión de la sonda es alta (mezcla rica), la magnitud de ajuste regula en dirección hacia mezcla pobre; si la tensión de la sonda es baja (mezcla pobre), en dirección hacia mezcla rica. Con esta regulación de dos pu ntos se puede regular la mezcla de aire y combustible a valores lambda alrededor dd = 1. La típica "medición errónea" de la sonda lambda, condicionada por la variación de la composición de los gases de escape, se puede compensa r de modo cont rolado conformando la evolución de la magnitud de ajuste select ivamente de modo asimétrico (desplazamiento hacia mezcla rica/mezcla pobre). Reg ulación lambda constante La sonda lambda de banda ancha sum inistra una sellal de tensión constante USa. De este modo se puede medir no sólo el margen lambda (mezcla rica O pobre), sino también las desviaciones de ,¡ = 1. La regulación lambda puede reaccionar así más rápidamente a una divergencia de la mezcla. De ello resulta un mejor comportamiento de regulación, de elevada dinámica. Como sea que con la sonda lambda de banda ancha de'¡ = I se pueden medi r composiciones de la mezcla divergentes, también es posible (al contrario de la regulación de dos puntos) regular tales composiciones. El alcance de regulación comprende valores lambda dentro del margen de ,¡ =0,7 ... 3,0. La regulación lambda constan te por tanto es apropiada para el funcionamiento con


mezclas pobres o ricas de motores de inyección directa de gasolina. Regulación con dos sondas La regulación lambda con la sonda delante del catalizador tiene una precisión lim itada, ya que la sonda está expuesta a notables influ encias med ioambientales. La exposición de una sonda lambda (3b) detrás del catalizador a estas influencias es considerablemente menor. Una regulación lambda con la sonda detrás del catalizador sola sería, sin embargo, demasiado lenta a causa de los largos tiempos de recorrido de los gases. El principio de la regulación con dos sondas se basa en que el desplazamiento controlado hacia mezcla rica o pobre propio de la regulación delante del catalizador es modificado de modo aditivo por un bucle "lento"de regulación correctora. Regulación lambda en la inyección di recta de gasolina El catalizador acumulador de NO, presenta una doble fu nción. Además de la acumulación de 0 , y de la oxidación de HC y CO durante el fu ncionamiento con mezcla pobre, para el funcionamiento con ,¡ = I es necesaria una función estable de tres vías, que requiere un míni mo de capacidad de acumulación de oxígeno. La sonda lambda delante del catalizador vigila la composición estequiométrica de la mezcla. Además de su aportación a la regulación con dos sondas, la sonda de dos puntos detrás del ca talizador acumulador de NO, con el sensor de NO, integrado sirve para la vigilancia del comportamiento combinado de acumulación de 0 , y NO, (identifi cación del fin de la fase de desacum ulaciónde NO,).

83

84

Depuración catalitica de los gases de escape

Calentamiento del catalizador

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

Esta medida empeora el re ndimiento y produce una mayor cantidad de calor en los gases de escape) que calienta el catalizador. Insuflación de aire secundario Mediante una recombustión térmica se pueden quemar posteriormente las partes integrantes no quemadas de la mezcla de ai re y combustible existentes en los gases de escape. El oxígeno necesario para ello ex iste todavía en los gases de escape, si la composición de la mezcla es pobre. Si la mezcla es Influencia de la insuflación de aire secundario en las emisiones de HG.

ca y

,, ,

o o o o o o o

o"

1

Figura 1

1

Sin Insuflación de aire secundario

2

Con insuflación de aire

secundano l'

Velocidad del vehiculo

~I 40

80

Tiempo

120 s

rica) como la que con frecuencia es necesa ria cuando el motor no tiene aún la temperatura de servicio) la aportación de aire al conducto de gases de escape (aire secundario) acelera adicionalmenle el calentamiento. Esla reacción exotérmica por un lado reduce los hid rocarburos)' el monóxido de carbono. Por olro lado, la combustión ulterior también cal ienta el catal izador y hace que alcance rápidamenle su temperatura de servicio. Este proceso aumenta considerablemente la cuota de transformación en la fase de calen tamiento y proporciona una rápida disposición del catalizador para el servicio. La fi gura I mueslra la evolución de la emisión de hidrocarburos y monóxido de carbono duranle los primeros segundos dellest de gases de escape con insuflación de aire secunda rio)' sin ella. La insuflación de aire secundario se efectúa) con arreglo al nivel actual de la técnica) con bombas previstas para tal fin, eléctricas.

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

Indice alfabético

Indice alfabético Compresor helicoidal , 29

F

Compresor, 29, 30

Fases de distribución por válvulas, 5

A

Conmutación del árbol de levas, 23

Fases variables de distribución por

Actuador de aire de derivación , 20

Consumo de combustible, 16. 25

Admisión , 4

Control electrónico de la potencia

Vocabulario técnico

Alimentación de combustible, 36 Amortiguador de presión de combustible, 46

del motor, 21 Corriente de vórtice, 62 Corriente Tumble, 62

válvulas, 22 Filtro de combustible, 36, 44 Funcionamiento con carga estratificada, 64 Funcionamiento con mezcla homogénea pobre, 65

Corte en marcha por empuje, 17

Funcionamiento con mezcla homogénea y

Angulo gamma, 52

o

Funcionamiento con mezcla homogénea y

Angula de cierre, 19

carga estratificada antidetonante. 65

Angula de encendido, 18 Arrollamiento primario, 69

Depósito colector, 26

Arrollamiento secundario, 69

Depósito de carbón activo, 41

Autoencendido, 19

Depósito de combustible, 36. 46 Depuración catalítica de los gases de

B

escape, 76

Bobina de encendido de dos chispas, 69

Detonación, 19

Bobina de encendido de una chispa, 69

Diagrama característico del ángulo de

Bobina de encendido, 69

encendido, 18

Bomba celular de rodillos, 42

Diagrama p·V, 8

Bomba de alta presión , 56

DiÓxido de carbono. 77

Bomba de canales laterales, 43

Disco de orificios pulverizadores, 50

Bomba de desplazamiento, 42

Dispositivo de mariposa, 21

Bomba de rueda dentada interior, 42

Distribución de la mezcla, 6

Bomba de tres cilindros, 57

Distribución de tensión , 70

Bomba de un cilindro. 57

Distribución estática de la tensión. 71

Bomba hidrodinámica, 43

Distribución por válvulas completamente

Bomba periférica, 43

Bomba previa, 42 Bujia de encendido, 71

variable, 24 Distribución rotatoria de la alta tensión, 70 Distribuidor de combustible, 37, 45 Distribuidor de encendido, 70

e

Downsizing, 33

Cabeza de la chispa, 73

Duración de la chispa, 75

Cable de encendido, 72 Carga de azufre, 81 Carga estratificada y calentamiento rápido del catalizador. 65

E Electrobomba de combustible, 36, 42 Electrodo central, 71

Carga estratificada, 6

Electrodo de masa, 71

Catalizador acumulador de NO" 80

Emisión de óxidos de carbono, 25

Catalizador bajo el piso, 79

Encendido convencional por bobina , 67

Catalizador de oxidación , 76

Encendido electrónico. 67

Catalizador de tres vías, 76, 77

Encendido externo, 66

Catalizador previo, 79

Encendido totalmente electrónico, 67

Catalizador, 76

Encendido transistorizado, 67

Chispas sucesivas, 74

Energía de encendido, 73

Chorro cónico, 52

Enfriamiento del aire de

Chorro doble, 52 Chorro en forma de cordón, 52 Cilindro, 4 Circuito de baja presión, 39 Circuito de regulación lambda, 82 Coeficiente de aire, 6, 15 Cola de 'a chispa, 74 Common Rail , 55 Compresor de desplazamiento positivo, 29 Compresor dinámico , 29

sobrealimentación , 33 Etapa final de encend ido, 68

carga estratificada, 65 Funcionamiento con mezcla homogénea. 64

85

86

Indice alfabético

G

p

S

Gas final, 19

Paladio, 78

Sensor de presión de raíl. 59

Gas fresco, 12

Par motor, 7

Sistema de alimentación de

Gas inerte. 13

Película en las paredes, 17

Gas residual, 13

Pérdidas de calor, 9

Sistema de encendido inductivo. 68

Generación de alta tensión, 69

Pérdidas por cambio de carga, 9

Sistema de inyección central , 35

Geometría variable dellubo de

Pérdidas por derivación , 74

Sistema de inyección individual, 34

Pérdidas por estrangulación, 23

Sistema de retención de vapores

admisión, 27

Pérdidas por fricción , 9

combustible, 37

de combustible, 41

H

Platino. 78

Sobrealimentación dinámica, 26

Hidrocarburos, 77

Potencia, 7, 16

Sobrealimentación mecánica. 29

Humectación de las paredes, 17

Preparación del chorro, 52

Sobrealimentación por resonancia, 27

Presión de prealimentación , 56

Sobrealimentación por tubo oscilante de

Presión de sobrealimentación, 29

admisión, 26

Insuflación de aire secundario, 84

Presión del sistema, 37

Sobrealimentador VST, 32

Intersección de las válvulas, 14

Procedimientos de combuslión, 62

Sobrealimentador VTG, 31

Inyección directa de gasolina, 54

Proceso de cuatro tiempos, 4

Sobrealimentador Wastegate, 31

Inyección doble, 65

Punto de encendido, 18. 70, 75

Sonda lambda de banda ancha, 83

Inyección en ellubo de admisión, 48

Punto mueno inferior, 4

Sonda lambda de dos puntos, 83

Inyección en grupo, 53

Punto mueno superior, 4

Sonda lambda, 76, 82

Inyección individual para cada cilindro, 53 Inyección posterior, 84

R

Inyección secuencial, 53

Raíl, 55, 56

Inyección simultánea, 53


l Lambda, 6


Legislación sobre gases de escape, 76

Realimentación exterior de gases de

(AGR), 25

Limitación de la corriente del primario, 68

interna, 14, 23 escape, 25

limite de funcionam iento pobre, 15

Recubrimiento de metales preciosos, 78

Llenado de aire, 12

Regulación con dos sondas, 83

llenado del cilindro, 12

Regulación contra la detonación, 19

Longitud de la chispa, 75

Regulación de dos puntos, 83 Regulación lambda constante, 83

M

Regulación lambda, 83

Marcha con freno motor, 17

Regulador de presión de

Mariposa, 20 Medidor de masa de aire, 49

combustible, 36, 45 Relación de aire y combustible, 15

Mezcla de aire y combustible, 6

Relación de aire, 6

Modos de funcionamiento, 64

Relación de compresión, 6

Monolitos, 78

Relación estequiométrica, 15, 82

Monóxido de carbono, 77

Rendimiento volumétrico, 14 Rendimiento, 8

N

Resistencia aniparasitaria, 72

Nitrógeno, 77

Radio, 78

Nube de mezcla, 63

o Oxidación , 77 Oxidas de nitrógeno, 77

indice de vocabulario

T Tensión de encendido, 72, 73

Abreviaturas

Tiempo de combustión, 5

A

Tiempo de compresión, 4

AGR : Realimentación de gases de escape

Tiempo de escape, 5 Tipos de inyección, 53

e

Tuberías de combuslible, 46

CIFI; Cylinder Individual Fuellnjection

Tubo de admisión, 26

CO; Monóxido de carbono

Turbina de gases de escape, 30

CO 2; Dióxido de carbono

Turboalimentación por gases de escape, 30 Transformación, 77

E EGAS: Pedal acelerador electrónico

U

EV; Válvula de inyección

Unidad de montaje en el depósito, 40

E2; Encendido electrónico

V

H

Vacio delturbosobreafimentador, 33

HC: Hidrocarburos

Válvula AGR, 25

HDP: Bomba de alta presión

Válvula de admisión, 4, 49 Válvula de control de la presión , 55, 58

N

Válvula de control del caudal, 58

NO.; Oxidos de nitrógeno

Válvula de escape. 5

Valvula de inyección a alta presión, 60

p

Válvula de inyección, 49

PMI : Punto muerto inferior

Válvula de retención, 36, 58

PM5: Punto muerto superior

Válvula electromagnética de inyección, 50 Válvula regeneradora. 41

S

Válvulas del cilindro, 4

5EFI : Sequential Fuel lnjection

Variación de las fases del árbol de levas, 22

52: Encendido por bobina

Variación del ángulo de encendido, 84

T W

T2; Encendido transistorizado

Washcoat, 78

V VST: Turbina variable de corredera VTG : Geometría de turbina variable V2: Encendido totalmente electrónico

Abreviaturas

87

I

Núm. de pedido 1 987722420

I

AA/ POT·02.02 -Es

Gestion Del Motor de Gasolina

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