Inyección directa de gasolina
Inyección directa de gasolina (GDI), también conocida como inyección directa de gasolina (PDI), es un Sistema de formación de mezcla para motores de combustión interna que funcionan con gasolina (gasolina), donde se inyecta el combustible a la cámara de combustión. Esto se diferencia de los sistemas de inyección múltiple, que inyectan combustible en el colector de admisión (colector de admisión).
El uso de GDI puede ayudar a aumentar la eficiencia del motor y la potencia específica, así como a reducir las emisiones de escape.
El primer motor GDI que llegó a producción se introdujo en 1925 para un motor de camión de baja compresión. Varios automóviles alemanes utilizaron un sistema GDI mecánico de Bosch en la década de 1950; sin embargo, el uso de la tecnología siguió siendo poco común hasta que Mitsubishi introdujo un sistema GDI electrónico en 1996 para los automóviles producidos en masa. GDI ha experimentado una rápida adopción por parte de la industria automotriz en los últimos años, aumentando en los Estados Unidos del 2,3% de la producción para vehículos del año modelo 2008 a aproximadamente el 50% para el año modelo 2016.
Principio de funcionamiento
Modos de carga
El 'modo de carga' de un motor de inyección directa se refiere a cómo se distribuye el combustible por la cámara de combustión:
- "Modo de carga homogénea" tiene el combustible mezclado uniformemente con el aire en toda la cámara de combustión, según la inyección múltiple.
- El modo de carga estratificada tiene una zona con una mayor densidad de combustible alrededor del enchufe de chispa, y una mezcla de inclinación (la menor densidad de combustible) más lejos del enchufe de chispa.
Modo de carga homogénea
En el modo de carga homogénea, el motor funciona en una mezcla homogénea de aire / combustible (λ λ =1{displaystyle lambda =1}), es decir, que hay una (casi) mezcla perfecta de combustible y aire en el cilindro. El combustible se inyecta en el comienzo mismo de la ingestión para dar el combustible inyectado más tiempo para mezclarse con el aire, de modo que se forme una mezcla homogénea de aire/combustible. Este modo permite utilizar un catalizador convencional de tres vías para el tratamiento de gases de escape.
En comparación con la inyección múltiple, la eficiencia del combustible aumenta sólo muy ligeramente, pero la potencia específica es mejor, por lo que el modo homogéneo es útil para la llamada reducción del tamaño del motor. La mayoría de los motores de gasolina de turismos con inyección directa utilizan el modo de carga homogénea.
Modo de carga estratificada
El modo de carga estratificada crea una pequeña zona de mezcla de combustible/aire alrededor del bujía, que está rodeada de aire en el resto del cilindro. Esto resulta en que se inyecta menos combustible en el cilindro, lo que da lugar a una elevada proporción de combustible de aire en general 8}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">λ λ ■8{displaystyle lambda >}8}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/22607f6b49ed4307b9316e793b568729cf6e78c5" style="vertical-align: -0.338ex; width:5.616ex; height:2.176ex;"/>, con relación media de combustible de aire λ λ =3...5{displaystyle lambda =3...5} a carga media, y λ λ =1{displaystyle lambda =1} a toda carga. Idealmente, la válvula de trineo permanece abierta tanto como sea posible para evitar pérdidas de trineo. El par se establece solamente por medio de control de torque de calidad, lo que significa que sólo la cantidad de combustible inyectado, pero no la cantidad de aire de ingesta se manipula para establecer el par del motor. El modo de carga estratificada también mantiene la llama lejos de las paredes del cilindro, reduciendo las pérdidas térmicas.
Dado que las mezclas demasiado pobres no se pueden encender con una bujía (debido a la falta de combustible), es necesario estratificar la carga (por ejemplo, es necesario crear una pequeña zona de mezcla de aire y combustible alrededor de la bujía). Para lograr tal carga, un motor de carga estratificada inyecta el combustible durante las últimas etapas de la carrera de compresión. Una "cavidad de remolino" en la parte superior del pistón se utiliza a menudo para dirigir el combustible hacia la zona que rodea la bujía. Esta técnica permite el uso de mezclas ultrapobres que serían imposibles con carburadores o inyección de combustible múltiple convencional.
El modo de carga estratificada (también llamado modo "ultra lean-burn") se utiliza a bajas cargas, con el fin de reducir el consumo de combustible y las emisiones de escape. Sin embargo, el modo de carga estratificada está desactivado para cargas más altas, con el conmutador del motor al modo homogéneo con una relación de combustible de aire estoquiométrico de λ λ =1{displaystyle lambda =1} para cargas moderadas y una relación de combustible de aire más rico en cargas más altas.
En teoría, un modo de carga estratificada puede mejorar aún más la eficiencia del combustible y reducir las emisiones de escape; sin embargo, en la práctica, el concepto de carga estratificada no ha demostrado tener ventajas de eficiencia significativas sobre un concepto de carga homogénea convencional, pero debido a su inherente esbeltez Al quemarse, se forman más óxidos de nitrógeno, lo que a veces requiere un adsorbedor de NOx en el sistema de escape para cumplir con las regulaciones de emisiones. El uso de adsorbentes de NOx puede requerir combustibles con bajo contenido de azufre, ya que el azufre impide que los adsorbentes de NOx funcionen correctamente. Los motores GDI con inyección de combustible estratificada también pueden producir mayores cantidades de partículas que los motores de inyección múltiple, y a veces requieren filtros de partículas en el escape (similares a un filtro de partículas diésel) para cumplir con las regulaciones de emisiones de vehículos. Por lo tanto, varios fabricantes de automóviles europeos han abandonado el concepto de carga estratificada o nunca lo han utilizado, como el motor de gasolina Renault 2.0 IDE (F5R) de 2000, que nunca vino con un modo de carga estratificada, o el BMW N55 de 2009 y el Mercedes de 2017. -Los motores Benz M256 abandonan el modo de carga estratificada utilizado por sus predecesores. El Grupo Volkswagen había utilizado inyección estratificada de combustible en motores de aspiración natural etiquetados FSI; sin embargo, estos motores han recibido una actualización de la unidad de control del motor para desactivar el modo de carga estratificada. Los motores Volkswagen turboalimentados etiquetados como TFSI y TSI siempre han utilizado el modo homogéneo. Al igual que estos últimos motores VW, los motores de gasolina de inyección directa más nuevos (a partir de 2017) suelen utilizar también el modo de carga homogénea más convencional, junto con la sincronización variable de válvulas, para obtener una buena eficiencia. Los conceptos de carga estratificada se han abandonado en su mayoría.
Modos de inyección
Las técnicas comunes para crear la distribución deseada de combustible en toda la cámara de combustión son guiadas por pulverización, guiadas por aire o guiadas por la pared inyección. La tendencia en los últimos años es hacia la inyección guiada por pulverización, ya que actualmente da como resultado una mayor eficiencia de combustible.
Inyección directa guiada por la pared
En los motores con inyección guiada por la pared, la distancia entre la bujía y el inyector es relativamente grande. Para acercar el combustible a la bujía, se rocía contra una cavidad de turbulencia en la parte superior del pistón (como se ve en la imagen del motor Ford EcoBoost a la derecha), que guía el combustible hacia la bujía. Los puertos especiales de entrada de aire de turbulencia o turbulencia ayudan en este proceso. El tiempo de inyección depende de la velocidad del pistón, por lo tanto, a velocidades más altas del pistón, el tiempo de inyección y el tiempo de encendido deben avanzarse con mucha precisión. A bajas temperaturas del motor, algunas partes del combustible en el pistón relativamente frío se enfrían tanto que no pueden quemar adecuadamente. Al cambiar de carga baja del motor a carga media del motor (y, por lo tanto, avanzar el tiempo de inyección), algunas partes del combustible pueden terminar inyectándose detrás de la cavidad de turbulencia, lo que también resulta en una combustión incompleta. Por ello, los motores con inyección directa guiada por pared pueden sufrir elevadas emisiones de hidrocarburos.
Inyección directa guiada por aire
Al igual que en los motores con inyección guiada por pared, en los motores con inyección guiada por aire la distancia entre la bujía y el inyector es relativamente grande. Sin embargo, a diferencia de los motores de inyección guiada por la pared, el combustible no entra en contacto con piezas (relativamente) frías del motor, como la pared del cilindro y el pistón. En lugar de pulverizar el combustible contra una cavidad de turbulencia, en los motores de inyección guiada por aire el combustible es conducido hacia la bujía únicamente por el aire de admisión. Por lo tanto, el aire de admisión debe tener un movimiento de turbulencia especial para dirigir el combustible hacia la bujía. Este movimiento giratorio o giratorio debe mantenerse durante un período de tiempo relativamente largo, de modo que todo el combustible sea empujado hacia la bujía. Sin embargo, esto reduce la eficiencia de carga del motor y, por tanto, la potencia. En la práctica se utiliza una combinación de inyección guiada por aire y guiada por la pared. Sólo existe un motor que depende únicamente de la inyección guiada por aire.
Inyección directa guiada por pulverización
En motores con inyección directa guiada por pulverización, la distancia entre la bujía y el inyector es relativamente pequeña. Tanto la boquilla de inyección como la bujía se encuentran entre las válvulas del cilindro. El combustible se inyecta durante las últimas etapas de la carrera de compresión, provocando una formación de mezcla muy rápida (y no homogénea). Esto da como resultado grandes gradientes de estratificación del combustible, lo que significa que hay una nube de combustible con una proporción de aire muy baja en el centro y una proporción de aire muy alta en sus bordes. El combustible sólo se puede encender entre estas dos "zonas". El encendido se produce casi inmediatamente después de la inyección para aumentar la eficiencia del motor. La bujía debe colocarse de tal manera que quede exactamente en la zona donde la mezcla es inflamable. Esto significa que las tolerancias de producción deben ser muy bajas, porque una desalineación muy pequeña puede provocar una disminución drástica de la combustión. Además, el combustible enfría la bujía, inmediatamente antes de que quede expuesta al calor de la combustión. Por tanto, la bujía debe poder resistir muy bien los choques térmicos. A bajas velocidades del pistón (y del motor), la velocidad relativa aire/combustible es baja, lo que puede provocar que el combustible no se evapore adecuadamente, dando como resultado una mezcla muy rica. Las mezclas ricas no se queman adecuadamente y provocan la acumulación de carbono. A altas velocidades del pistón, el combustible se esparce más dentro del cilindro, lo que puede alejar tanto las partes inflamables de la mezcla de la bujía que ya no puede encender la mezcla de aire y combustible.
Tecnologías complementarias
Otros dispositivos que se utilizan para complementar el GDI en la creación de una carga estratificada incluyen sincronización variable de válvulas, elevación variable de válvulas y colector de admisión de longitud variable. Además, la recirculación de gases de escape se puede utilizar para reducir las altas emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) que pueden resultar de la combustión ultra pobre.
Desventajas
La inyección directa de gasolina no tiene la acción de limpieza de válvulas que se proporciona cuando se introduce combustible en el motor aguas arriba del cilindro. En los motores que no son GDI, la gasolina que viaja a través del puerto de admisión actúa como agente limpiador de contaminantes, como el aceite atomizado. La falta de una acción limpiadora puede provocar un aumento de los depósitos de carbón en los motores GDI. Los fabricantes externos venden tanques de captura de petróleo que se supone que previenen o reducen esos depósitos de carbono.
La capacidad de producir potencia máxima a altas velocidades del motor (RPM) es más limitada para GDI, ya que hay un período de tiempo más corto disponible para inyectar la cantidad requerida de combustible. En la inyección múltiple (así como en los carburadores y en la inyección de combustible del cuerpo del acelerador), se puede agregar combustible a la mezcla de aire de admisión en cualquier momento. Sin embargo, un motor GDI se limita a inyectar combustible durante las fases de admisión y compresión. Esto se convierte en una restricción a altas velocidades del motor (RPM), cuando la duración de cada ciclo de combustión es más corta. Para superar esta limitación, algunos motores GDI (como los motores Toyota 2GR-FSE V6 y Volkswagen EA888 I4) también tienen un conjunto de inyectores de combustible múltiples para proporcionar combustible adicional a altas RPM. Estos múltiples inyectores de combustible también ayudan a limpiar los depósitos de carbón del sistema de admisión.
La gasolina no proporciona el mismo nivel de lubricación para los componentes del inyector que el diesel, que a veces se convierte en un factor limitante en las presiones de inyección utilizadas por los motores GDI. La presión de inyección de un motor GDI suele limitarse a aproximadamente 20 MPa (2,9 ksi), para prevenir el desgaste excesivo en los inyectadores.
Impactos adversos al clima y la salud
Si bien esta tecnología se acredita con el aumento de la eficiencia de combustible y la reducción de las emisiones de CO 2 , los motores GDI producen más aerosoles de carbono negro que los motores de inyección de combustible de puerto tradicional. Un fuerte absorbedor de radiación solar, el carbono negro posee importantes propiedades de calentamiento climático.
En un estudio publicado en enero de 2020 en la revista Ciencia ambiental y tecnología , un equipo de investigadores de la Universidad de Georgia (EE. UU.) Predijo que el aumento de las emisiones de carbono negro de los vehículos con GDI Aumentará el calentamiento climático en las áreas urbanas de los EE. UU. En una cantidad que excede significativamente el enfriamiento asociado con una reducción en Co 2 . Los investigadores también creen que el cambio de los motores de inyección de combustible de puerto tradicional (PFI) al uso de la tecnología GDI casi duplicará la tasa de mortalidad prematura asociada con las emisiones del vehículo, desde 855 muertes anuales en los Estados Unidos a 1.599. Estiman el costo social anual de estas muertes prematuras en $ 5.95 mil millones.
Historia
1911–1912
Uno de los primeros inventores que probaron la inyección directa de gasolina fue el Dr. Archibald Low, quien le dio a su motor el título engañoso del motor de inducción forzado , mientras que solo fue la admisión del combustible que se forzó. Reveló detalles de su prototipo de motor a principios de 1912, y el diseño fue desarrollado por el constructor de motores a gran escala F. E. Baker Ltd durante 1912 y los resultados mostrados en su stand en el Olympia Motor Cycicle Show en noviembre de 1912. El motor fue un alto Motor de motocicleta de cuatro tiempos de compresión, con el combustible de gasolina presurizado por separado a 1000PSI y admitido en el cilindro ' en el momento de la compresión más alta ' por una pequeña válvula giratoria, con encendido simultáneo por una bujía y una bobina temblorosa que permite que el chirrido continúe durante toda la fase de combustión. Se describió que el combustible que se inyectaba como en la fase de vapor fue calentado por el cilindro del motor. La presión del combustible estaba regulada en la bomba de combustible, y la cantidad de combustible admitido se controlaba por medios mecánicos en la válvula de admisión giratoria. Parece que este diseño radical no fue llevado más lejos por F. E. Baker.
1916–1938
Aunque la inyección directa solo se ha usado comúnmente en los motores de gasolina desde 2000, los motores diesel han usado combustible inyectado directamente en la cámara de combustión (o una cámara de combustión previa) desde el primer prototipo exitoso en 1894.
Un primer prototipo de motor GDI se construyó en Alemania en 1916 para el avión Junkers. El motor fue diseñado inicialmente como un motor diésel, sin embargo, pasó a estar diseñado para gasolina cuando el Ministerio de Guerra alemán decretó que los motores de los aviones debían funcionar con gasolina o benceno. Al ser un diseño de dos tiempos con compresión del cárter, un fallo de encendido podría destruir el motor, por lo que Junkers desarrolló un sistema GDI para evitar este problema. Poco antes de que cesara el desarrollo debido al final de la Primera Guerra Mundial, se realizó una demostración de este prototipo de motor a funcionarios de la aviación.
El motor Hesselman es un diseño de motor híbrido que fue producido por varios fabricantes desde 1925 hasta 1951. En un motor Hesselman, el combustible no se inyecta durante la carrera de succión junto con el aire, como sería el caso en un ciclo Otto convencional. motor, sino que se inyecta durante la carrera de compresión un poco antes de la chispa. Los motores Hesselman podían utilizar una amplia variedad de combustibles, incluida la gasolina, pero generalmente funcionaban con combustibles diésel convencionales.
1939–1995
Durante la Segunda Guerra Mundial, la mayoría de los motores de aviones alemanes utilizaban GDI, como el motor radial BMW 801, los motores alemanes V12 invertidos Daimler-Benz DB 601, DB 603 y DB 605, y el Junkers Jumo 210G de diseño similar. , Motores V12 invertidos Jumo 211 y Jumo 213. Los motores de aviones aliados que utilizaban sistemas de inyección de combustible GDI eran el motor radial Shvetsov ASh-82FNV de la Unión Soviética y el motor radial estadounidense de 18 cilindros Wright R-3350 Duplex Cyclone de 54,9 litros de cilindrada.
La empresa alemana Bosch había estado desarrollando un sistema GDI mecánico para automóviles desde la década de 1930 y en 1952 se introdujo en los motores de dos tiempos del Goliath GP700 y Gutbrod Superior. Este sistema era básicamente una bomba de inyección directa diésel de alta presión con una válvula de mariposa de admisión configurada. Estos motores ofrecían un buen rendimiento y consumían hasta un 30% menos de combustible que la versión con carburador, principalmente con cargas bajas del motor. Un beneficio adicional del sistema era tener un tanque separado para el aceite del motor que se agregaba automáticamente a la mezcla de combustible, eliminando la necesidad de que los propietarios mezclaran su propia mezcla de combustible de dos tiempos. El Mercedes-Benz 300SL de 1955 también utilizó uno de los primeros sistemas mecánicos GDI de Bosch, convirtiéndose así en el primer motor de cuatro tiempos en utilizar GDI. Hasta mediados de la década de 2010, la mayoría de los automóviles con inyección de combustible usaban inyección múltiple, por lo que era bastante inusual que estos primeros automóviles usaran un sistema GDI posiblemente más avanzado.
Durante la década de 1970, los fabricantes estadounidenses American Motors Corporation y Ford desarrollaron prototipos de sistemas mecánicos GDI llamados Straticharge y Combustión Programada (PROCO) respectivamente. Ninguno de estos sistemas llegó a producción.
1997 - presente
El Mitsubishi Galant de 1996 Japanese-Market fue el primer automóvil producido en masa en usar un motor GDI, cuando se introdujo una versión GDI del motor Mitsubishi 4G93 en línea en línea. Posteriormente fue traído a Europa en 1997 en el Carisma. También desarrolló el primer motor GDI de seis cilindros, el motor Mitsubishi 6G74 V6, en 1997. Mitsubishi aplicó esta tecnología ampliamente, produciendo más de un millón de motores GDI en cuatro familias para 2001. Aunque en uso durante muchos años, el 11 de septiembre de 2001 MMC MMC reclamó una marca registrada para el acrónimo ' GDI '. Varios otros fabricantes japoneses y europeos introdujeron motores GDI en los años siguientes. La tecnología Mitsubishi GDI también fue licenciada por Peugeot, Citroën, Hyundai, Volvo y Volkswagen.
El motor Toyota 2GR-FSE V6 2005 fue el primero en combinar la inyección directa e indirecta. El sistema (llamado " D-4S ") utiliza dos inyectores de combustible por cilindro: un inyector de combustible múltiple tradicional (baja presión) y un inyector de combustible directo (alta presión) y se usa en la mayoría de los motores Toyota.
En la carrera de Fórmula Uno, la inyección directa se hizo obligatoria para la temporada 2014, con la regulación 5.10.2 indicando: " puede haber solo un inyector directo por cilindro y no se permiten inyectores aguas arriba de las válvulas de admisión o aguas abajo de las válvulas de escape. "
en motores de dos tiempos
Hay beneficios adicionales de GDI para motores de dos tiempos, relacionados con la eliminación de los gases de escape y la lubricación del cárter.
El aspecto de la eliminación es que la mayoría de los motores de dos tiempos tienen los puertos de admisión y escape abiertos durante la carrera de escape, para mejorar el enjuague de los gases de escape del cilindro. Esto da como resultado parte de la mezcla de combustible/aire que ingresa al cilindro y luego sale del cilindro, sin quemar, a través del puerto de escape. Con la inyección directa, solo el aire (y generalmente algo de aceite) proviene del cárter, y el combustible no se inyecta hasta que el pistón aumenta y todos los puertos están cerrados.
La lubricación del cárter se logra en los motores GDI de dos tiempos inyectando aceite en el cárter, lo que resulta en un consumo de aceite más bajo que el método más antiguo de inyectar aceite mezclado con combustible en el cárter.
Dos tipos de GDI se utilizan en dos etapas: bajo presión de aire asistido y alta presión. Los sistemas de baja presión —como se utiliza en el scooter motor de Aprilia SR50 de 1992— utilizan un compresor de aire impulsado por crankshaft para inyectar aire en la cabeza del cilindro. Un inyector de baja presión luego pulveriza combustible en la cámara de combustión, donde se vaporiza a medida que se mezcla con el aire comprimido. En el decenio de 1990 la empresa alemana Ficht GmbH desarrolló un sistema GDI de alta presión, que fue introducido en 1997 para motores marinos por Outboard Marine Corporation (OMC), a fin de cumplir con normas más estrictas de emisiones. Sin embargo, los motores tenían problemas de fiabilidad y la OMC declaró la quiebra en diciembre de 2000. El Evinrude E-Tec es una versión mejorada del sistema Ficht, que fue lanzado en 2003 y ganó un EPA Clean Air Excellence Premio en 2004.
Envirofit International, una organización estadounidense sin fines de lucro, ha desarrollado kits de modernización de inyección directa para motocicletas de dos tiempos (utilizando la tecnología desarrollada por Orbital Corporation Limited) en un proyecto para reducir la contaminación del aire en el sudeste asiático. Los 100 millones de taxis y motocicletas de dos tiempos en el sudeste asiático son una causa importante de contaminación para la región.