Inyección de combustible
La inyección de combustible es la introducción de combustible en un motor de combustión interna, más comúnmente motores de automóviles, por medio de un inyector. Este artículo se centra en la inyección de combustible en motores rotativos de pistón alternativo y Wankel.
Todos los motores de encendido por compresión (por ejemplo, motores diésel) y muchos motores de encendido por chispa (es decir, motores de gasolina, como Otto o Wankel), utilizan inyección de combustible de un tipo u otro. Los motores diesel producidos en masa para automóviles de pasajeros (como el Mercedes-Benz OM 138) estuvieron disponibles a fines de la década de 1930 y principios de la de 1940, siendo los primeros motores de inyección de combustible para uso en automóviles de pasajeros. En los motores de gasolina de los automóviles de pasajeros, la inyección de combustible se introdujo a principios de la década de 1950 y fue ganando terreno gradualmente hasta que reemplazó en gran medida a los carburadores a principios de la década de 1990. La principal diferencia entre la carburación y la inyección de combustible es que la inyección de combustible atomiza el combustible a través de una pequeña boquilla a alta presión, mientras que un carburador depende de la succión creada por el aire de admisión acelerado a través de un tubo Venturi para atraer combustible a la corriente de aire.
El término "inyección de combustible" es vago y comprende varios sistemas distintos con principios funcionales fundamentalmente diferentes. Por lo general, lo único que tienen en común todos los sistemas de inyección de combustible es la falta de carburación. Hay dos principios funcionales principales de los sistemas de formación de mezcla para motores de combustión interna: formación de mezcla interna y formación de mezcla externa. Un sistema de inyección de combustible que utiliza la formación de una mezcla externa se denomina sistema de inyección múltiple. Existen dos tipos de sistemas de inyección múltiple: inyección multipunto (o inyección de puerto) e inyección de un solo punto (o inyección de cuerpo del acelerador). Los sistemas de formación de mezcla interna se pueden separar en sistemas de inyección directa e indirecta. Existen varias variedades diferentes de sistemas de inyección directa e indirecta; El sistema de inyección de combustible de formación de mezcla interna más común es el sistema de inyección common-rail, un sistema de inyección directa. El término "inyección electrónica de combustible" se refiere a cualquier sistema de inyección de combustible controlado por una unidad de control del motor.
Funciones del sistema
Las funciones fundamentales de un sistema de inyección de combustible se describen en las siguientes secciones. En algunos sistemas, un solo componente realiza múltiples funciones.
Presurización de combustible
Inyección de combustible operada rociando combustible presurizado en el motor. Por lo tanto, se necesita un dispositivo para presurizar el combustible (como una bomba de combustible).
Dosificación de combustible
El sistema debe determinar la cantidad adecuada de combustible que se suministrará y controlar el flujo de combustible para suministrar esta cantidad.
Varios de los primeros sistemas de inyección mecánica usaban bombas de inyección controladas por hélice relativamente sofisticadas que medían el combustible y generaban presión de inyección. Desde la década de 1980, se han utilizado sistemas electrónicos para controlar la medición de combustible. Los sistemas más recientes utilizan una unidad electrónica de control del motor que mide el combustible, controla el tiempo de encendido y controla varias otras funciones del motor.
Inyección de combustible
El inyector de combustible es efectivamente una boquilla rociadora que realiza la etapa final en la entrega de combustible al motor. El inyector está ubicado en la cámara de combustión, el colector de admisión o, con menos frecuencia, en el cuerpo del acelerador.
Los inyectores de combustible que también controlan la dosificación se denominan "válvulas de inyección", mientras que los inyectores que realizan las tres funciones se denominan inyectores unitarios.
Sistemas de inyección directa
La inyección directa significa que el combustible se inyecta en la cámara de combustión principal de cada cilindro. El aire y el combustible se mezclan únicamente dentro de la cámara de combustión. Por lo tanto, solo se aspira aire al motor durante la carrera de admisión. El esquema de inyección es siempre intermitente (ya sea secuencial o cilindro-individual).
Esto se puede hacer con una ráfaga de aire o hidráulicamente, siendo este último método más común en los motores de automóviles. Por lo general, los sistemas de inyección directa hidráulica rocían combustible en el aire dentro del cilindro o la cámara de combustión. La inyección directa se puede lograr con una bomba de inyección convencional controlada por hélice, inyectores unitarios o un sofisticado sistema de inyección common-rail. Este último es el sistema más común en los motores de automóviles modernos.
Inyección directa para motores de gasolina
Durante el siglo XX, la mayoría de los motores de gasolina usaban un carburador o inyección indirecta de combustible. El uso de inyección directa en motores de gasolina se ha vuelto cada vez más común en el siglo XXI.
Sistemas de inyección common-rail
En un sistema de riel común, el combustible del tanque de combustible se suministra a un cabezal común (llamado acumulador) y luego se envía a través de tuberías a los inyectores, que lo inyectan en la cámara de combustión. El acumulador tiene una válvula de alivio de alta presión para mantener la presión y devolver el exceso de combustible al tanque de combustible. El combustible se rocía con la ayuda de una boquilla que se abre y se cierra con una válvula de aguja accionada por solenoide. Los motores diésel common rail de tercera generación utilizan inyectores piezoeléctricos para una mayor precisión, con presiones de combustible de hasta 300 MPa o 44 000 lbf/in2.
Los tipos de sistemas common-rail incluyen inyección guiada por aire e inyección guiada por rociado.
Sistemas de inyectores unitarios
Usados por motores diesel, estos sistemas incluyen:
- Pumpe-Düse
- Pump-rail-nozzle system
Sistemas de bombeo controlados por hélice
Este método de inyección se utilizó anteriormente en muchos motores diésel. Los tipos de sistemas incluyen:
- Inyección directa de Lanova
- Inyección de Afterchamber
- G-System (cámara de combustión de la esfera)
- Sistema Gardner (cámara de combustión hemisférica)
- Saurer system (torus combustion chamber)
- pistón plano (cámara de combustión entre pistón y cabeza)
Sistemas de inyección por chorro de aire
Otros sistemas
El sistema M, utilizado en algunos motores diésel desde la década de 1960 hasta la década de 1980, rociaba el combustible en las paredes de la cámara de combustión, a diferencia de la mayoría de los otros sistemas de inyección directa que rocían el combustible en el centro de la cámara..
Sistemas de inyección indirecta
Múltiple de inyección
Los sistemas de inyección múltiple son comunes en los motores de gasolina, como el motor Otto y el motor Wankel. En un sistema de inyección múltiple, el aire y el combustible se mezclan fuera de la cámara de combustión para que el motor succione una mezcla de aire y combustible. Los principales tipos de sistemas de inyección múltiple son la inyección multipunto y la inyección de un solo punto.
Estos sistemas utilizan un diseño de inyección continua o de inyección intermitente. En un sistema de inyección continua, el combustible fluye en todo momento desde los inyectores de combustible, pero a un caudal variable. El sistema de inyección continua automotriz más común es el sistema Bosch K-Jetronic, introducido en 1974 y utilizado hasta mediados de la década de 1990 por varios fabricantes de automóviles. Los sistemas de inyección intermitente pueden ser secuenciales, en los que la inyección se sincroniza para que coincida con la carrera de admisión de cada cilindro; por lotes, en el que se inyecta combustible a los cilindros en grupos, sin una sincronización precisa con la carrera de admisión de ningún cilindro en particular; simultáneo, en el que se inyecta combustible al mismo tiempo a todos los cilindros; o cilindro-individual, en el que la unidad de control del motor puede ajustar la inyección para cada cilindro individualmente.
Inyección multipunto
La inyección multipunto (también llamada "inyección de puerto") inyecta combustible en los puertos de admisión justo antes de la válvula de admisión de cada cilindro, en lugar de en un punto central dentro de un múltiple de admisión. Por lo general, los sistemas de inyección multipunto usan múltiples inyectores de combustible, pero algunos sistemas, como el sistema de inyección de puerto central de GM, usan tubos con válvulas de asiento alimentadas por un inyector central en lugar de múltiples inyectores.
Inyección de un solo punto
La inyección de un solo punto (también llamada "inyección del cuerpo del acelerador") utiliza un inyector en un cuerpo del acelerador montado de manera similar a un carburador en un colector de admisión. Al igual que en un sistema de inducción con carburador, el combustible se mezcla con el aire antes de ingresar al colector de admisión. La inyección de un solo punto era una forma de costo relativamente bajo para que los fabricantes de automóviles redujeran las emisiones de escape para cumplir con las regulaciones más estrictas al tiempo que proporcionaban una mejor 'capacidad de conducción'. (arranque fácil, funcionamiento suave, motor sin tartamudeos) que el que se podría obtener con un carburador. Muchos de los componentes de soporte del carburador, como el filtro de aire, el múltiple de admisión y el enrutamiento de la línea de combustible, podrían usarse con pocos o ningún cambio. Esto pospuso los costos de rediseño y herramientas de estos componentes. La inyección de un solo punto se usó ampliamente en automóviles de pasajeros y camiones ligeros fabricados en Estados Unidos durante 1980-1995, y en algunos automóviles europeos a principios y mediados de la década de 1990.
Motores diésel
En los motores de inyección indirecta utilizados por los motores diésel (así como los motores Akroyd), hay dos cámaras de combustión: la cámara de combustión principal y una precámara (también llamada antecámara) que está conectada a la principal. uno. El combustible se inyecta solo en la precámara (donde comienza la combustión) y no directamente en la cámara de combustión principal. Por lo tanto, este principio se llama inyección indirecta. Existen varios sistemas de inyección indirecta ligeramente diferentes que tienen características similares.
Los tipos de inyección indirecta utilizados por los motores diésel incluyen:
- Inyección de cámara de precombustión
- Inyección de la cámara de célula aérea
Inyección de bulbo caliente
Historia
1870 - 1930: primeros sistemas
En 1872, George Bailey Brayton obtuvo una patente sobre un motor de combustión interna que utilizaba un sistema de inyección de combustible neumático, también inventado por Brayton: inyección de chorro de aire. En 1894, Rudolf Diesel copió el sistema de inyección por chorro de aire de Brayton para el motor diésel, pero también lo mejoró. Aumentó la presión del chorro de aire de 4–5 kp/cm2 (390–490 kPa) a 65 kp/cm2 (6400 kPa). Mientras tanto, el primer sistema de inyección múltiple fue diseñado por Johannes Spiel en 1884, mientras trabajaba en Hallesche Maschinenfabrik en Alemania.
En 1891, el motor de aceite británico Herbert-Akroyd se convirtió en el primer motor en usar un sistema de inyección de combustible presurizado. Este diseño, llamado motor de bulbo caliente, usaba una 'bomba de tirón' para dispensar fuel oil a alta presión a un inyector. Otro desarrollo en los primeros motores diésel fue la cámara de precombustión, que fue inventada en 1919 por Prosper l'Orange para evitar los inconvenientes de los sistemas de inyección por chorro de aire. La cámara de precombustión hizo factible producir motores de tamaño adecuado para automóviles y camiones MAN Truck & Bus presentó el primer motor diésel de inyección directa para camiones en 1924. Bosch introdujo las bombas de inyección diésel de mayor presión en 1927.
En 1898, la empresa alemana Deutz AG comenzó a producir motores estacionarios de gasolina de cuatro tiempos con inyección múltiple. El motor de avión Antoinette 8V de 1906 (el primer motor V8 del mundo) fue otro de los primeros motores de cuatro tiempos que usaba inyección múltiple. El primer motor de gasolina con inyección directa fue un motor de avión de dos tiempos diseñado por Otto Mader en 1916. Otro de los primeros motores de encendido por chispa que usó inyección directa fue el motor Hesselman de 1925, diseñado por el ingeniero sueco Jonas Hesselman. Este motor podía funcionar con una variedad de combustibles (como aceite, queroseno, gasolina o diésel) y usaba un principio de carga estratificada por el cual el combustible se inyecta hacia el final de la carrera de compresión y luego se enciende con una bujía.
El motor de camión diésel Cummins Modelo H se introdujo en Estados Unidos en 1933. En 1936, el motor diésel Mercedes-Benz OM 138 (que utiliza una cámara de precombustión) se convirtió en uno de los primeros motores de inyección de combustible. utilizado en un automóvil de pasajeros de producción en masa.
Décadas de 1940 a 1950: aviones de la Segunda Guerra Mundial y primeros motores de gasolina de inyección directa
Durante la Segunda Guerra Mundial, varios motores de gasolina para aviones utilizaron sistemas de inyección directa, como el Junkers Jumo 210 europeo, el Daimler-Benz DB 601, el BMW 801 y el Shvetsov ASh-82FN (M-82FN). Los sistemas de inyección directa alemanes se basaron en los sistemas de inyección diésel utilizados por Bosch, Deckel, Junkers y l'Orange. Alrededor de 1943, el Rolls-Royce Merlin y el Wright R-3350 habían cambiado de los carburadores tradicionales a los de inyección de combustible (llamados "carburadores a presión" en ese momento), sin embargo, estos motores usaban inyección múltiple del cuerpo del acelerador, en lugar de los sistemas de inyección directa de los motores alemanes. A partir de 1940, el motor de la serie Mitsubishi Kinsei 60 usó un sistema de inyección directa, junto con el motor Mitsubishi Kasei relacionado de 1941. En 1943, se agregó un sistema de inyección de combustible de baja presión al motor radial Nakajima Homare Modelo 23.
Bosch desarrolló el primer sistema de inyección directa de gasolina producido en serie y se usó inicialmente en pequeños motores de gasolina de dos tiempos para automóviles. Introducido en la berlina pequeña Goliath GP700 de 1950, también se agregó al motor Gutbrod Superior en 1952. Este sistema controlado mecánicamente era esencialmente una bomba de inyección directa diésel de alta presión especialmente lubricada del tipo que se rige por el vacío detrás de un válvula de mariposa de admisión. También se usó un sistema mecánico de inyección directa de Bosch en el ocho cilindros en línea que se usó en el auto de carreras de Fórmula Uno Mercedes-Benz W196 de 1954. El primer motor de gasolina de inyección directa de cuatro tiempos para un automóvil de pasajeros se lanzó al año siguiente, en el automóvil deportivo Mercedes-Benz 300SL. Sin embargo, el motor sufrió problemas de lubricación debido a que la gasolina diluyó el aceite del motor y los motores Mercedes-Benz posteriores cambiaron a un diseño de inyección múltiple. Del mismo modo, la mayoría de los sistemas de inyección de gasolina anteriores a la década de 2000 usaban el diseño de inyección múltiple menos costoso.
Décadas de 1950 a 1970: inyección múltiple para motores de gasolina
A lo largo de la década de 1950, varios fabricantes introdujeron sus sistemas de inyección múltiple para motores de gasolina. Lucas Industries había comenzado a desarrollar un sistema de inyección de combustible en 1941 y en 1956 se utilizó en los autos de carreras Jaguar. En las 24 Horas de Le Mans de 1957, los autos ubicados del 1 al 4 fueron entradas Jaguar D-Type que usaban un sistema de inyección de combustible Lucas. También en 1957, General Motors introdujo la opción Rochester Ramjet, que consiste en un sistema de inyección de combustible para el motor V8 del Chevrolet Corvette. Durante la década de 1960, Hilborn, SPICA y Kugelfischer también produjeron sistemas de inyección de combustible.
Hasta este momento, los sistemas de inyección de combustible habían utilizado un sistema de control mecánico. En 1957, se introdujo el sistema American Bendix Electrojector, que utilizaba electrónica analógica para el sistema de control. El Electrojector estaba destinado a estar disponible para el automóvil mediano Rambler Rebel, sin embargo, los problemas de confiabilidad significaron que no se ofreció la opción de inyección de combustible. En 1958, el Chrysler 300D, DeSoto Adventurer, Dodge D-500 y Plymouth Fury ofrecieron el sistema Electrojector, convirtiéndose en los primeros automóviles conocidos en utilizar un sistema de inyección electrónica de combustible (EFI).
Las patentes de Electrojector se vendieron posteriormente a Bosch, quien desarrolló el Electrojector en Bosch D-Jetronic. El D-Jetronic se fabricó entre 1967 y 1976 y se utilizó por primera vez en el VW 1600TL/E. El sistema era un sistema de velocidad/densidad, que utilizaba la velocidad del motor y la densidad del aire del colector de admisión para calcular la cantidad de combustible que se inyectaría. En 1974, Bosch introdujo el sistema K-Jetronic, que usaba un flujo continuo de combustible de los inyectores (en lugar del flujo pulsado del sistema D-Jetronic). K-Jetronic era un sistema de inyección mecánica que usaba un émbolo accionado por la presión del colector de admisión que luego controlaba el flujo de combustible a los inyectores.
También en 1974, Bosch introdujo el sistema L-Jetronic, un sistema de flujo pulsado que usaba un medidor de flujo de aire para calcular la cantidad de combustible requerida. L-Jetronic fue ampliamente adoptado en los automóviles europeos durante las décadas de 1970 y 1980. Como sistema que utiliza inyectores de combustible controlados electrónicamente que se abren y cierran para controlar la cantidad de combustible que ingresa al motor, el sistema L-Jetronic utiliza los mismos principios básicos que los sistemas modernos de inyección electrónica de combustible (EFI).
1980 – actualidad: electrónica digital e inyección common-rail
Antes de 1979, la electrónica de los sistemas de inyección de combustible utilizaba electrónica analógica para el sistema de control. El sistema de inyección de combustible multipunto Motronic de Bosch (también uno de los primeros sistemas en los que el sistema de encendido está controlado por el mismo dispositivo que el sistema de inyección de combustible) fue el primer sistema producido en serie que utilizó electrónica digital. El sistema de inyección de combustible de punto único Ford EEC-III, presentado en 1980, fue otro de los primeros sistemas digitales de inyección de combustible. Estos y otros sistemas electrónicos de inyección múltiple (que utilizan inyección en el puerto o inyección en el cuerpo del acelerador) se generalizaron durante la década de 1980 y, a principios de la década de 1990, habían reemplazado a los carburadores en la mayoría de los automóviles nuevos con motor de gasolina vendidos en los países desarrollados.
Los sistemas de inyección mencionados anteriormente para motores de turismos de gasolina, excepto el Mercedes-Benz 300 SL de 1954-1959, todos usaban inyección múltiple (es decir, los inyectores ubicados en los puertos de admisión o el cuerpo del acelerador, en lugar del interior de la cámara de combustión). Esto comenzó a cambiar cuando el primer sistema de inyección directa de gasolina para automóviles de pasajeros producido en masa fue un sistema common rail introducido en el motor Mitsubishi 6G74 V6 de 1997. El primer sistema common-rail para un motor diésel de automóvil de pasajeros fue el motor Fiat Multijet de cuatro cilindros en línea, introducido en el modelo Alfa Romeo 156 1.9 JTD de 1999. Desde la década de 2010, muchos motores de gasolina han cambiado a inyección directa (a veces en combinación con inyectores múltiples separados para cada cilindro). De manera similar, muchos motores diésel modernos utilizan un diseño de riel común.
La inyección de carga estratificada se usó en varios motores de gasolina a principios de la década de 2000, como el motor Volkswagen 1.4 FSI presentado en 2000. Sin embargo, los sistemas de carga estratificada ya no se usaban en gran medida a fines de la década de 2010, debido al aumento de las emisiones de escape. de gases y partículas NOx, junto con el aumento del costo y la complejidad de los sistemas.
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