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Inyección directa de gasolina

Motor GDI de un automóvil BMW que muestra un inyector de combustible (ubicado encima del triángulo rojo) colocado para rociar gasolina directamente en la cámara de combustión. L...

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Motor GDI de un automóvil BMW que muestra un inyector de combustible (ubicado encima del triángulo rojo) colocado para rociar gasolina directamente en la cámara de combustión.

La inyección directa de gasolina ( GDI ), también conocida como inyección directa de petróleo ( PDI ), [ 1 ] es un sistema de inyección de combustible para motores de combustión interna que funcionan con gasolina . Inyecta el combustible directamente en la cámara de combustión , a diferencia de los sistemas de inyección en el colector , que inyectan el combustible en el colector de admisión para que se mezcle con la corriente de aire entrante antes de llegar a la cámara de combustión.

El uso de GDI puede mejorar la eficiencia del motor y la potencia específica, y también puede reducir las emisiones de escape de los vehículos. [ 2 ]

El primer motor de producción en utilizar GDI fue el motor sueco Hesselman , un diseño de encendido por chispa multifuel de baja compresión que era más eficiente que los motores tradicionales con carburador. También podía funcionar con diésel , queroseno , etanol y aceite de alquitrán . Dado que la gasolina era más cara que los combustibles menos refinados, generalmente solo se usaba para el arranque; una vez en marcha, el motor cambiaba a un combustible más económico.

Introducido en 1925, el motor Hesselman fue utilizado por fabricantes de camiones y maquinaria pesada en Suecia, y por fabricantes de motores estacionarios y vehículos pesados ​​en Estados Unidos durante la década de 1940. El primer motor GDI producido en serie que utilizó el sistema de inyección mecánica de combustible de Bosch (el mismo tipo que se usa en las precámaras de los motores diésel) fue el DB601 V12 para el Messerschmitt Bf 109 en 1936.

El uso del sistema de inyección mecánica de combustible Bosch en una configuración de inyección directa permitió a los alemanes emplear relaciones de compresión extremadamente altas y una sobrealimentación de muy alta presión para producir una gran potencia de forma fiable a partir de gasolina de baja calidad con un índice de octano de tan solo 87. Además, el motor del caza no se calaba en giros con fuerzas G negativas, a diferencia de los motores con carburador como el Rolls-Royce Merlin .

Los motores de carga convencional no solo requerían gasolina de aviación de 100 a 200 octanos para alcanzar los mismos niveles de potencia que el DB601 y el posterior DB605 , sino que los cazas que utilizaban el Merlin y otras soluciones con carburador eran vulnerables a tácticas que obligaban al piloto a realizar un giro con fuerzas G negativas para evitar ser derribados. La consiguiente pérdida de potencia del motor podía provocar la pérdida del avión en tales situaciones. Rolls-Royce logró corregir este problema a finales de la guerra, alrededor de 1943.

Varios automóviles alemanes utilizaron un sistema GDI mecánico de Bosch en la década de 1950. Sin embargo, el uso de esta tecnología siguió siendo poco común hasta 1996, cuando Mitsubishi introdujo un sistema GDI electrónico para sus vehículos de producción en serie.

Desde entonces, la GDI ha sido ampliamente adoptada por la industria automotriz, aumentando en los Estados Unidos del 2,3% de la producción para los vehículos del año modelo 2008 a aproximadamente el 50% para el año modelo 2016. [ 3 ] [ 4 ]

Principio de funcionamiento

Modos de carga

El "modo de carga" de un motor de inyección directa se refiere a cómo se distribuye el combustible en la cámara de combustión:

  • En el modo de carga homogénea , el combustible se mezcla uniformemente con el aire en toda la cámara de combustión, de forma similar a la inyección en el colector de admisión.
  • En el modo de carga estratificada , existe una zona con mayor densidad de combustible alrededor de la bujía y una mezcla más pobre (menor densidad de combustible) más alejada de la bujía.

Modo de carga homogénea

En el modo de carga homogénea , el motor funciona con una mezcla homogénea de aire y combustible (λ=1{\displaystyle \lambda =1}), lo que significa que hay una mezcla (casi) perfecta de combustible y aire en el cilindro. El combustible se inyecta al comienzo de la carrera de admisión para darle el máximo tiempo para mezclarse con el aire, de modo que se forme una mezcla homogénea. [ 5 ] Este modo permite el uso de un catalizador convencional de tres vías para el tratamiento de los gases de escape. [ 6 ]

En comparación con la inyección en el colector, la eficiencia del combustible aumenta solo ligeramente, pero la potencia específica es mejor, [ 7 ] por lo que el modo homogéneo es útil para la reducción del tamaño del motor . [ 6 ] La mayoría de los motores de gasolina de inyección directa para turismos utilizan el modo de carga homogénea. [ 8 ] [ 9 ]

Modo de carga estratificada

En el modo de carga estratificada , se crea una pequeña zona de mezcla de combustible y aire alrededor de la bujía, rodeada de aire en el resto del cilindro. Esto significa que se inyecta menos combustible en el cilindro en general, lo que da lugar a relaciones aire-combustible muy altas.λ>8{\displaystyle \lambda >8}, [ 10 ] con relaciones aire-combustible medias deλ=3...5{\displaystyle \lambda =3...5}a carga media, yλ=1{\displaystyle \lambda =1}a plena carga. [ 11 ] Idealmente, la válvula de mariposa permanece abierta tanto como sea posible para evitar pérdidas por estrangulamiento. El par se controla entonces únicamente cambiando la cantidad de combustible inyectado (control de par de calidad), en lugar de variar la cantidad de aire de admisión. El modo de carga estratificada también mantiene la llama alejada de las paredes del cilindro, reduciendo las pérdidas térmicas. [ 12 ]

Dado que las mezclas demasiado pobres no pueden encenderse con una bujía (debido a la falta de combustible), la carga debe estratificarse, es decir, debe crearse una pequeña zona de mezcla de combustible y aire alrededor de la bujía. [ 13 ] Para lograr esto, un motor de carga estratificada inyecta combustible durante las últimas etapas de la carrera de compresión. A menudo se utiliza una "cavidad de remolino" en la parte superior del pistón para dirigir el combustible hacia la zona que rodea la bujía . Esta técnica permite el uso de mezclas ultradelgadas que serían imposibles con carburadores o inyección de combustible convencional en el colector. [ 14 ]

El modo de carga estratificada (también llamado modo de "combustión ultra pobre") se utiliza a bajas cargas para reducir el consumo de combustible y las emisiones de escape. A cargas más altas, se desactiva y el motor cambia al modo homogéneo con una relación estequiométrica aire-combustible deλ=1{\displaystyle \lambda =1}a cargas moderadas, y una mezcla más rica a cargas más altas. [ 15 ]

En teoría, el modo de carga estratificada puede mejorar aún más la eficiencia del combustible y reducir las emisiones de escape. [ 16 ] Sin embargo, en la práctica, no ha mostrado ventajas de eficiencia significativas sobre un concepto de carga homogénea convencional. Su combustión pobre inherente forma niveles más altos de óxidos de nitrógeno , [ 17 ] a veces requiere un adsorbente de NOx en el sistema de escape para cumplir con las regulaciones de emisiones. [ 18 ] Los adsorbentes de NOx pueden requerir combustibles con bajo contenido de azufre, ya que el azufre impide que funcionen correctamente. [ 19 ] Los motores GDI con inyección de combustible estratificada también pueden producir mayores cantidades de material particulado que los motores de inyección en el colector, [ 20 ] a veces requiere filtros de partículas en el escape (similar a un filtro de partículas diésel ) para cumplir con las regulaciones de emisiones de vehículos. [ 21 ] Como resultado, varios fabricantes de automóviles europeos han abandonado el concepto de carga estratificada o nunca lo adoptaron. Por ejemplo, el motor de gasolina Renault 2.0 IDE ( F5R ) del año 2000 nunca utilizó el modo de carga estratificada. [ 22 ] Los motores BMW N55 de 2009 y Mercedes-Benz M256 de 2017 abandonaron el modo de carga estratificada utilizado por sus predecesores. El Grupo Volkswagen utilizó la inyección estratificada de combustible en motores de aspiración natural denominados FSI , pero estos motores recibieron una actualización de la unidad de control del motor que deshabilitó el modo de carga estratificada. [ 23 ] Los motores turboalimentados de Volkswagen denominados TFSI y TSI siempre han utilizado el modo homogéneo. [ 24 ] Al igual que estos motores de Volkswagen, la mayoría de los motores de gasolina de inyección directa más nuevos (a partir de 2017) utilizan el modo de carga homogénea junto con la distribución variable de válvulas para lograr una buena eficiencia. Los conceptos de carga estratificada se han abandonado en su mayoría. [ 25 ]

Modos de inyección

Las técnicas más comunes para lograr la distribución deseada de combustible en la cámara de combustión son la inyección guiada por pulverización , la inyección guiada por aire y la inyección guiada por pared . Existe una tendencia hacia la inyección guiada por pulverización, ya que actualmente ofrece una mayor eficiencia de combustible.

Inyección directa guiada por la pared

Cavidad de remolino empotrada en la parte superior de un pistón en el motor Ford EcoBoost de 3.5 L de 2010 a 2017.

En los motores de inyección guiada por pared, la distancia entre la bujía y la boquilla de inyección es relativamente grande. Para que el combustible llegue cerca de la bujía, se pulveriza en una cavidad de remolino en la parte superior del pistón (como se ve en la imagen del motor Ford EcoBoost), que lo guía hacia la bujía. Unos conductos de admisión especiales con remolino o turbulencia facilitan este proceso. El momento de la inyección depende de la velocidad del pistón; por lo tanto, a velocidades más altas, el momento de la inyección y del encendido debe ajustarse con mucha precisión. A bajas temperaturas del motor, parte del combustible que incide sobre el pistón relativamente frío se enfría tanto que no puede combustionar correctamente. Al pasar de una carga baja a una carga media del motor (y, por lo tanto, adelantar el momento de la inyección), parte del combustible puede acabar inyectándose detrás de la cavidad de remolino, lo que provoca una combustión incompleta. [ 26 ] Por consiguiente, los motores con inyección directa guiada por pared pueden presentar altas emisiones de hidrocarburos . [ 10 ]

Inyección directa guiada por aire

En los sistemas de inyección guiada por aire, al igual que en los sistemas guiados por pared, la distancia entre la bujía y la boquilla de inyección es relativamente grande. Sin embargo, el combustible no entra en contacto con las partes relativamente frías del motor, como las paredes de los cilindros y los pistones. En lugar de ser rociado contra una cavidad de remolino, el combustible es guiado hacia la bujía únicamente por el aire de admisión. Por lo tanto, el aire de admisión debe tener un movimiento de remolino o volteo específico para dirigir el combustible hacia la bujía, y este movimiento debe mantenerse el tiempo suficiente para empujar todo el combustible hacia la región de la bujía. Este requisito reduce la eficiencia de carga del motor y, por consiguiente, su potencia. En la práctica, se suele utilizar una combinación de inyección guiada por aire y guiada por pared. [ 27 ] Solo se conoce un motor que dependa exclusivamente de la inyección guiada por aire. [ 28 ]

Inyección directa guiada por pulverización

En los motores con inyección directa guiada por pulverización, la distancia entre la bujía y la boquilla de inyección es relativamente pequeña. Ambas se encuentran entre las válvulas del cilindro. El combustible se inyecta durante las últimas etapas de la carrera de compresión, lo que resulta en una formación de mezcla muy rápida e inhomogénea. Esto crea grandes gradientes de estratificación, con una región central que tiene una relación aire-combustible muy baja y regiones exteriores con una relación aire-combustible muy alta. El combustible solo puede encenderse en la zona intermedia entre estas dos regiones. La ignición ocurre casi inmediatamente después de la inyección, lo que mejora la eficiencia del motor. La bujía debe colocarse de manera que se encuentre ubicada precisamente en la zona donde la mezcla es inflamable. Como resultado, las tolerancias de producción deben ser muy estrictas, ya que pequeñas desalineaciones pueden reducir drásticamente la calidad de la combustión. El combustible enfría la bujía inmediatamente antes de que se exponga al calor de la combustión, por lo que la bujía debe soportar importantes choques térmicos. [ 29 ] A bajas velocidades del pistón (y del motor), la velocidad relativa aire-combustible es baja, lo que puede impedir una vaporización adecuada y resultar en una mezcla muy rica. Las mezclas ricas no se queman correctamente y provocan acumulación de carbono. [ 30 ] A altas velocidades del pistón, el combustible se dispersa más dentro del cilindro, lo que puede alejar tanto las partes inflamables de la mezcla de la bujía que esta ya no puede encenderla. [ 31 ]

Tecnologías complementarias

Otras tecnologías utilizadas para complementar la GDI en la creación de una carga estratificada incluyen la sincronización variable de válvulas , la elevación variable de válvulas y el colector de admisión de longitud variable . [ 32 ] La recirculación de gases de escape también puede utilizarse para reducir las altas emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) que pueden resultar de una combustión ultradelgada. [ 33 ]

Desventajas

La inyección directa de gasolina no proporciona la acción de limpieza de válvulas que se produce cuando el combustible se introduce antes del cilindro. [ 34 ] En los motores que no son de inyección directa de gasolina (GDI), la gasolina que pasa por el puerto de admisión actúa como agente limpiador de contaminantes como el aceite atomizado. La falta de esta acción limpiadora puede provocar un aumento de los depósitos de carbono en los motores GDI. Algunos fabricantes venden depósitos de recuperación de aceite diseñados para prevenir o reducir estos depósitos.

La capacidad de generar la máxima potencia a altas revoluciones (RPM) es más limitada en los motores GDI, ya que se dispone de menos tiempo para inyectar la cantidad de combustible necesaria. En los sistemas de inyección en el colector de admisión (así como en los carburadores y la inyección de combustible en el cuerpo de la mariposa), se puede añadir 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 RPM, cuando cada ciclo de combustión es más corto. Para superar esta limitación, algunos motores GDI (como el Toyota 2GR-FSE V6 y el Volkswagen EA888 I4 ) también cuentan con inyectores de combustible en el colector de admisión para proporcionar combustible adicional a altas RPM. Estos inyectores también ayudan a limpiar los depósitos de carbono del sistema de admisión.

La gasolina no proporciona el mismo nivel de lubricación para los componentes del inyector que el diésel, lo que puede limitar las presiones de inyección utilizadas en los motores GDI. Por lo tanto, la presión de inyección en un motor GDI se limita normalmente a aproximadamente 20 MPa (2,9 ksi) para evitar un desgaste excesivo del inyector. [ 35 ]  

Impactos climáticos y sanitarios adversos

Aunque se le atribuye a la tecnología GDI el aumento de la eficiencia del combustible y la reducción de las emisiones de CO₂ , los motores GDI producen más aerosoles de carbono negro que los motores tradicionales de inyección de combustible en el puerto. El carbono negro absorbe fuertemente la radiación solar y tiene importantes propiedades de calentamiento global. [ 36 ]

En un estudio publicado en enero de 2020 en la revista Environmental Science and Technology , un equipo de investigación de la Universidad de Georgia (EE. UU.) predijo que el aumento de las emisiones de carbono negro provenientes de vehículos con tecnología GDI incrementará el calentamiento global en las zonas urbanas de EE. UU. en una magnitud que supera significativamente el enfriamiento asociado a la reducción de las emisiones de CO₂ . Los investigadores también concluyeron que el cambio de los motores tradicionales de inyección de combustible en el puerto (PFI) a la tecnología GDI prácticamente duplicará la tasa de mortalidad prematura asociada a las emisiones vehiculares, pasando de 855 muertes anuales en Estados Unidos a 1599. Estimaron que el costo social anual de estas muertes prematuras asciende a 5950 millones de dólares. [ 37 ]

Historia

1912

Uno de los primeros inventores en experimentar con la inyección directa de gasolina fue Archibald Low , quien le dio a su motor el nombre engañoso de Motor de Inducción Forzada . Sin embargo, solo se forzaba la admisión del combustible. Reveló detalles de su prototipo a principios de 1912, [ 38 ] y el diseño fue desarrollado posteriormente por el fabricante de motores a gran escala FE Baker Ltd durante 1912. [ 39 ] Los resultados se exhibieron en su stand en la feria Olympia Motor Cycle en noviembre de 1912. El motor era un motor de motocicleta de cuatro tiempos de alta compresión, con gasolina presurizada por separado a 1000 psi y admitida en el cilindro "en el momento de máxima compresión" por una pequeña válvula rotativa, con encendido simultáneo por una bujía y una bobina vibratoria que permitían que la chispa continuara durante toda la combustión. El combustible inyectado se describió como en fase gaseosa, calentado por el cilindro del motor. La presión del combustible se regulaba en la bomba de combustible, y la cantidad de combustible admitido se controlaba mecánicamente en la válvula de admisión rotativa. Este diseño radical no parece haber sido desarrollado posteriormente por FE Baker.

1916–1938

Si bien la inyección directa solo se ha generalizado en los motores de gasolina desde el año 2000, los motores diésel han utilizado la inyección directa en la cámara de combustión (o en una precámara de combustión) desde el primer prototipo exitoso en 1894.

En 1916, se construyó en Alemania un prototipo inicial de motor GDI para un avión Junkers . El motor, diseñado inicialmente como diésel, se rediseñó para funcionar con gasolina después de que el Ministerio de Guerra alemán decretara que los motores de las aeronaves debían funcionar con gasolina o benceno. Debido a su diseño de dos tiempos con compresión en el cárter , un fallo de encendido podía destruir el motor, por lo que Junkers desarrolló un sistema GDI para evitarlo. Se realizó una demostración del prototipo para funcionarios de aviación poco antes de que se detuviera su desarrollo al final de la Primera Guerra Mundial. [ 40 ]

El motor Hesselman es un diseño híbrido que fue fabricado por diversos fabricantes entre 1925 y 1951. [ 41 ] En un motor Hesselman, el combustible no se inyecta durante la carrera de admisión junto con el aire, como en un motor de ciclo Otto convencional, sino que se inyecta durante la carrera de compresión, poco antes de la chispa. [ 42 ] Los motores Hesselman podían utilizar una amplia variedad de combustibles, incluyendo gasolina, pero generalmente funcionaban con diésel convencional. [ 41 ]

1939–1995

Durante la Segunda Guerra Mundial, la mayoría de los motores de aviones alemanes usaban GDI, como el motor radial BMW 801 , los motores V12 invertidos Daimler-Benz DB 601 , DB 603 y DB 605 , y los motores V12 invertidos Junkers Jumo 210 G, Jumo 211 y Jumo 213 de disposición similar . Los motores de aviones aliados que usaban GDI incluían el motor radial soviético Shvetsov ASh-82 FNV y el motor radial estadounidense Wright R-3350 Duplex Cyclone de 18 cilindros y 54,9 L. ... La empresa alemana Bosch había estado desarrollando un sistema GDI mecánico para automóviles desde la década de 1930. [ 43 ] En 1952, este sistema se introdujo en los motores de dos tiempos del Goliath GP700 y el Gutbrod Superior. Usaba una bomba diésel de inyección directa de alta presión con una válvula de mariposa de admisión. Estos motores ofrecían un buen rendimiento y un consumo de combustible hasta un 30 % menor que las versiones con carburador, principalmente bajo cargas bajas del motor. [ 43 ] Una ventaja adicional era un depósito separado para el aceite del motor, que se mezclaba automáticamente con el combustible, eliminando la necesidad de que los propietarios prepararan sus propias mezclas de combustible para motores de dos tiempos. [ 44 ] El Mercedes-Benz 300 SL de 1954 también utilizó un sistema GDI mecánico Bosch primitivo, convirtiéndose en el primer motor de cuatro tiempos en utilizar GDI.

Durante la década de 1970, los fabricantes estadounidenses American Motors Corporation (AMC) y Ford desarrollaron prototipos de sistemas mecánicos GDI llamados Straticharge y Programmed Combustion (PROCO), respectivamente. [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] El sistema Straticharge respondía automáticamente a las demandas de flujo de aire y carga del motor AMC Hornet I6 modificado utilizando dos presiones de control de combustible separadas suministradas a dos conjuntos de inyectores de flujo continuo. [ 49 ] [ 50 ] Ninguno de los sistemas llegó a la producción. [ 51 ] [ 52 ]

1997–present

... A mediados de 1996, el Mitsubishi Galant del mercado japonés recibió una versión GDI del motor de cuatro cilindros en línea Mitsubishi 4G93 . [ 53 ] [ 54 ] Se llevó a Europa en 1997 en el Carisma . [ 55 ] Mitsubishi también desarrolló el segundo motor GDI de seis cilindros (después del motor M198 introducido en el Mercedes-Benz 300 SL en 1954), el Mitsubishi 6G74 V6, en 1997. [ 56 ] Mitsubishi aplicó esta tecnología ampliamente, produciendo más de un millón de motores GDI en cuatro familias para 2001. [ 57 ] Aunque la tecnología había estado en uso durante muchos años, el 11 de septiembre de 2001 MMC reclamó una marca comercial para el acrónimo "GDI". [ 58 ] Varios otros fabricantes japoneses y europeos introdujeron motores GDI en los años siguientes. La tecnología GDI de Mitsubishi también fue licenciada por Peugeot, Citroën, Hyundai, Volvo y Volkswagen. [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]

El motor Toyota 2GR-FSE V6 de 2005 fue el primero en combinar la inyección directa e indirecta. El sistema (denominado "D-4S") utiliza dos inyectores de combustible por cilindro: un inyector de colector de baja presión tradicional y un inyector directo de alta presión, y se utiliza en la mayoría de los motores Toyota. [ 66 ] ... En la Fórmula Uno, la inyección directa se hizo obligatoria para la temporada 2014 , con la reglamentación 5.10.2 que establece: "Solo puede haber un inyector directo por cilindro y no se permiten inyectores aguas arriba de las válvulas de admisión ni aguas abajo de las válvulas de escape". [ 67 ]

En motores de dos tiempos

La inyección directa de gasolina (GDI) ofrece ventajas adicionales para los motores de dos tiempos relacionadas con la evacuación de los gases de escape y la lubricación del cárter.

La mayoría de los motores de dos tiempos mantienen abiertos tanto el puerto de admisión como el de escape durante la carrera de escape para facilitar la evacuación de los gases de escape del cilindro. Como resultado, parte de la mezcla de combustible y aire que entra en el cilindro sale sin quemar por el puerto de escape. En la inyección directa, solo entra aire (y generalmente algo de aceite) desde el cárter, y el combustible no se inyecta hasta que el pistón sube y todos los puertos están cerrados.

La lubricación del cárter en los motores GDI de dos tiempos se logra inyectando aceite en el cárter, lo que resulta en un menor consumo de aceite que el método anterior de inyectar aceite mezclado con combustible en el cárter. [ 68 ]

En los motores de dos tiempos se utilizan dos tipos de inyección directa de gasolina (GDI): de baja presión asistida por aire y de alta presión. Los sistemas de baja presión, como el que se usaba en la motocicleta Aprilia SR50 de 1992 , utilizan un compresor de aire accionado por el cigüeñal para inyectar aire en la culata. Un inyector de baja presión rocía el combustible en la cámara de combustión, donde se vaporiza al mezclarse con el aire comprimido. Otro ejemplo de inyección directa de baja presión es la gama de motores fueraborda OptiMax de Mercury Marine , que se dejó de fabricar en 2018.

Un sistema GDI de alta presión fue desarrollado por la empresa alemana Ficht GmbH en la década de 1990 e introducido para motores marinos por Outboard Marine Corporation (OMC) en 1997 para cumplir con regulaciones de emisiones más estrictas. Sin embargo, estos motores tuvieron problemas de confiabilidad y OMC se declaró en bancarrota en diciembre de 2000. [ 69 ] [ 70 ] El Evinrude E-Tec es una versión mejorada del sistema Ficht, lanzado en 2003, [ 71 ] que ganó un premio EPA Clean Air Excellence Award en 2004. [ 72 ]

Envirofit International , una organización estadounidense sin fines de lucro, ha desarrollado kits de adaptación de inyección directa para motocicletas de dos tiempos (utilizando tecnología desarrollada por Orbital Corporation Limited ) en un proyecto para reducir la contaminación del aire en el sudeste asiático. [ 73 ] Los aproximadamente 100 millones de taxis y motocicletas de dos tiempos en el sudeste asiático son una fuente importante de contaminación regional. [ 74 ] [ 75 ]

Véase también

Referencias

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