Inyección de combustible

La inyección de combustible funciona pulverizando combustible a presión en el motor. Por lo tanto, se necesita un dispositivo para presurizar el combustible, como una bomba de combustible.

El sistema debe determinar la cantidad adecuada de combustible que se debe suministrar y controlar el flujo de combustible para suministrar dicha cantidad.

Los primeros sistemas de inyección mecánica utilizaban bombas de inyección helicoidales relativamente sofisticadas que dosificaban el combustible y generaban la presión de inyección. Desde la década de 1980, se han empleado sistemas electrónicos para controlar la dosificación del combustible. Los sistemas más recientes utilizan una unidad de control electrónico del motor que dosifica el combustible y controla el momento del encendido y otras funciones del motor.

El inyector de combustible es, en esencia, una boquilla pulverizadora que realiza la etapa final del suministro de combustible al motor. El inyector se encuentra en la cámara de combustión , el colector de admisión o , con menos frecuencia , en el cuerpo de la mariposa .  

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 .

Durante el siglo XX, la mayoría de los motores de gasolina utilizaban carburador o inyección indirecta de combustible. El uso de la inyección directa en los motores de gasolina se ha vuelto cada vez más común en el siglo XXI.

En un sistema common-rail, el combustible del depósito se suministra a un colector común (denominado acumulador ) y, a través de tuberías, se envía a los inyectores, que lo inyectan en las cámaras de combustión. El acumulador dispone de una válvula de alivio de alta presión para mantener la presión y devolver el exceso de combustible al depósito. El combustible se pulveriza mediante una boquilla que se abre y se cierra con una válvula de aguja accionada por solenoide . ^{[ 5 ]} 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 psi . ^{[ 6 ]}  

Los tipos de sistemas common-rail incluyen la inyección guiada por aire ^{[ 7 ]} y la inyección guiada por pulverización . ^{[ 7 ]}

Estos sistemas, utilizados por los motores diésel, incluyen:

• Bomba-Düse ^{[ 8 ]}
• Sistema de bomba-riel-boquilla ^{[ 8 ]}

Este método de inyección se utilizaba anteriormente en muchos motores diésel. Los tipos de sistemas incluyen:

• Inyección directa de Lanova ^{[ 9 ]}
• Inyección en la cámara posterior ^{[ 10 ]}
• Sistema G ( cámara de combustión esférica ) ^{[ 11 ]}
• Sistema Gardner (cámara de combustión hemisférica) ^{[ 11 ]}
• Sistema Saurer ( cámara de combustión toroidal ) ^{[ 11 ]}
• Pistón plano (cámara de combustión entre el pistón y la culata)

El sistema M , utilizado en algunos motores diésel desde la década de 1960 hasta la de 1980, rociaba el combustible sobre las paredes de la cámara de combustión, ^{[ 12 ]} a diferencia de la mayoría de los demás sistemas de inyección directa que rocían el combustible en el centro de la cámara.

Los sistemas de inyección múltiple son comunes en 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, de modo que la mezcla resultante es aspirada hacia el motor. Los principales tipos de sistemas de inyección múltiple son la inyección multipunto y la inyección monopunto .

Estos sistemas utilizan un diseño de inyección continua o intermitente . ^{[ 13 ]} En un sistema de inyección continua, el combustible fluye constantemente desde los inyectores, pero a un caudal variable. El sistema de inyección continua automotriz más común es el sistema multipunto Bosch K-Jetronic , introducido en 1974 y utilizado hasta mediados de la década de 1990 por diversos fabricantes de automóviles. Los sistemas de inyección intermitente pueden ser secuenciales , en los que la inyección se sincroniza con la carrera de admisión de cada cilindro; por lotes , en los que el combustible se inyecta en los cilindros en grupos, sin una sincronización precisa con la carrera de admisión de ningún cilindro en particular; simultáneos , en los que el combustible se inyecta al mismo tiempo en todos los cilindros; o individuales por cilindro , en los que la unidad de control del motor puede ajustar la inyección para cada cilindro individualmente. ^{[ 13 ]}

Inyección multipunto

La inyección multipunto (también llamada «inyección en el 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 del colector de admisión. ^{[ 14 ]} Por lo general, los sistemas de inyección multipunto utilizan varios inyectores de combustible, ^{[ 15 ]} pero algunos sistemas, como el sistema de inyección en el puerto central de GM, utilizan tubos con válvulas de asiento alimentadas por un inyector central en lugar de varios inyectores. ^{[ 16 ]}

En los motores diésel de inyección indirecta (así como en los motores Akroyd), existen dos cámaras de combustión: la cámara principal y una precámara (también llamada antecámara) ^{[ 18 ]} conectada a la principal. El combustible se inyecta únicamente en la precámara (donde comienza la combustión) y no directamente en la cámara principal. Por lo tanto, este principio se denomina inyección indirecta . Existen varios sistemas de inyección indirecta ligeramente diferentes que presentan características similares. ^{[ 19 ]}

Los tipos de inyección indirecta utilizados por los motores diésel incluyen:

• Inyección en la cámara de precombustión ^{[ 19 ]}
• Inyección en cámara de celda de aire ^{[ 20 ]}

Sistema de inyección de aire comprimido para un motor diésel de 1898.

Sistema de inyección mecánica en el puerto de un motor Antoinette 8V de 1906.

En 1872, George Bailey Brayton obtuvo una patente para un motor de combustión interna que utilizaba un sistema de inyección neumática de combustible, también inventado por Brayton: la inyección de aire a presión . ^{[ 21 ] : 413} En 1894, Rudolf Diesel copió el sistema de inyección de aire a presión de Brayton para el motor diésel, pero también lo mejoró. ^{[ 22 ] : 414} Aumentó la presión del aire a presión de 390–490 kPa (57–71 psi) a 6400 kPa (920 psi) . ^{[ 23 ] : 415} Mientras tanto, el primer sistema de inyección de colector fue diseñado por Johannes Spiel en 1884, mientras trabajaba en Hallesche Maschinenfabrik en Alemania. ^{[ 24 ]}    

En 1891, el motor de aceite británico Herbert-Akroyd se convirtió en el primer motor en utilizar un sistema de inyección de combustible presurizado. ^{[ 25 ] [ 26 ]} Este diseño, llamado motor de bulbo caliente, utilizaba una «bomba de aceleración» para dispensar combustible a alta presión a un inyector. Otro desarrollo en los primeros motores diésel fue la cámara de precombustión, inventada en 1919 por Prosper l'Orange ^{[ 27 ]} para evitar los inconvenientes de los sistemas de inyección por chorro de aire. La cámara de precombustión hizo posible producir motores de tamaño adecuado para automóviles y MAN Truck & Bus presentó el primer motor diésel de inyección directa para camiones en 1924. ^{[ 20 ]} Bosch introdujo 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 ^{[ 28 ]} con inyección en el colector. El motor de avión Antoinette 8V de 1906 (el primer motor V8 del mundo) fue otro de los primeros motores de cuatro tiempos que utilizaban inyección en el colector. El primer motor de gasolina con inyección directa fue un motor de avión de dos tiempos diseñado por Otto Mader en 1916. ^{[ 29 ]} Otro de los primeros motores de encendido por chispa que utilizaba inyección directa fue el motor Hesselman de 1925 , diseñado por el ingeniero sueco Jonas Hesselman. ^{[ 30 ] [ 31 ]} Este motor podía funcionar con una variedad de combustibles (como aceite, queroseno, gasolina o gasóleo) ^{[ 32 ]} y utilizaba un principio de carga estratificada en el que el combustible se inyecta hacia el final de la carrera de compresión y luego se enciende con una bujía .

El motor diésel para camiones Cummins Modelo H se introdujo en Estados Unidos en 1933. ^{[ 33 ]} En 1936, el motor diésel Mercedes-Benz OM 138 (que utilizaba una cámara de precombustión) se convirtió en uno de los primeros motores de inyección de combustible utilizados en un automóvil de pasajeros de producción en masa. ^{[ 34 ]}

Durante la Segunda Guerra Mundial , varios motores de gasolina para aeronaves 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 basaban en los sistemas de inyección diésel utilizados por Bosch, Deckel, Junkers y l'Orange. ^{[ 35 ]} Hacia 1943, el Rolls-Royce Merlin y el Wright R-3350 habían cambiado de los carburadores tradicionales a la inyección de combustible (llamada "carburadores de presión" en ese momento), sin embargo, estos motores utilizaban inyección en el colector del cuerpo del acelerador , en lugar de los sistemas de inyección directa de los motores alemanes. Desde 1940, el motor Mitsubishi Kinsei serie 60 utilizó un sistema de inyección directa, al igual que el motor Mitsubishi Kasei relacionado desde 1941. En 1943, se añadió un sistema de inyección de combustible de baja presión al motor radial Nakajima Homare Modelo 23. ^{[ 36 ]}

El primer sistema de inyección directa de gasolina producido en masa fue desarrollado por Bosch y se utilizó inicialmente en pequeños motores de gasolina de dos tiempos para automóviles. Introducido en el pequeño sedán Goliath GP700 de 1950 , también se añadió 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 una válvula de mariposa de admisión. ^{[ 37 ]} Un sistema de inyección directa mecánica de Bosch también se utilizó en el motor de ocho cilindros en línea utilizado en el coche 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 . ^{[ 38 ]} Sin embargo, el motor sufrió problemas de lubricación debido a que la gasolina diluía el aceite del motor, ^{[ 39 ] [ 40 ]} y los motores Mercedes-Benz posteriores se cambiaron a un diseño de inyección en el colector. Asimismo, la mayoría de los sistemas de inyección de gasolina anteriores a la década de 2000 utilizaban el diseño de inyección en el colector, que era menos costoso.

Sistema de inyección mecánica de puerto Rochester Ramjet de la década de 1950 (en un motor Chevrolet 283 )

Sistema de inyección mecánica en puerto Kugelfischer de la década de 1970 (en un motor BMW M88 )

Componentes de un sistema de inyección electrónica de puerto K-Jetronic de la década de 1970.

A lo largo de la década de 1950, varios fabricantes introdujeron sus sistemas de inyección de colector para motores de gasolina. Lucas Industries había comenzado a desarrollar un sistema de inyección de combustible en 1941, y para 1956 se utilizaba en los coches de carreras de Jaguar. ^{[ 41 ]} En las 24 Horas de Le Mans de 1957 , los coches que ocuparon del 1.º al 4.º puesto fueron Jaguar D-Type que utilizaban un sistema de inyección de combustible Lucas. ^{[ 42 ]} También en 1957, General Motors introdujo la opción Rochester Ramjet , que consistía en un sistema de inyección de combustible para el motor V8 del Chevrolet Corvette. Durante la década de 1960, Hilborn , ^{[ 43 ]} SPICA ^{[ 44 ]} y Kugelfischer también produjeron sistemas de inyección de combustible .

Hasta ese 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, problemas de fiabilidad hicieron que no se ofreciera la opción de inyección de combustible. ^{[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]} En 1958, el Chrysler 300D , el DeSoto Adventurer , el Dodge D-500 y el Plymouth Fury ofrecieron el sistema Electrojector, convirtiéndose en los primeros automóviles conocidos en utilizar un sistema de inyección electrónica de combustible (EFI). ^{[ 50 ]}

Las patentes del Electrojector fueron vendidas posteriormente a Bosch, quien lo desarrolló hasta convertirlo en el Bosch D-Jetronic . ^{[ 51 ]} El D-Jetronic se fabricó entre 1967 y 1976 y se utilizó por primera vez en el VW 1600TL/E . El sistema era de velocidad/densidad, y utilizaba la velocidad del motor y la densidad del aire del colector de admisión para calcular la cantidad de combustible a inyectar. En 1974, Bosch introdujo el sistema K-Jetronic , que utilizaba un flujo continuo de combustible desde los inyectores (en lugar del flujo pulsado del sistema D-Jetronic). El K-Jetronic era un sistema de inyección mecánica, que utilizaba un émbolo accionado por la presión del colector de admisión que controlaba el flujo de combustible a los inyectores. ^{[ 52 ]}

También en 1974, Bosch presentó el sistema L-Jetronic , un sistema de flujo pulsado que utilizaba un caudalímetro para calcular la cantidad de combustible necesaria. El L-Jetronic se popularizó en los automóviles europeos durante las décadas de 1970 y 1980. Al emplear inyectores de combustible controlados electrónicamente que se abren y cierran para regular la cantidad de combustible que ingresa al motor, el sistema L-Jetronic se basa en los mismos principios que los modernos sistemas de inyección electrónica de combustible (EFI).

Antes de 1979, la electrónica en los sistemas de inyección de combustible utilizaba electrónica analógica para el sistema de control. El sistema de inyección de combustible multipunto Bosch Motronic (también entre los primeros sistemas donde el sistema de encendido es controlado por el mismo dispositivo que el sistema de inyección de combustible) fue el primer sistema producido en masa en utilizar electrónica digital . El sistema de inyección de combustible monopunto Ford EEC-III , introducido en 1980, fue otro de los primeros sistemas de inyección de combustible digital. ^{[ 53 ] [ 54 ]} Estos y otros sistemas electrónicos de inyección en el colector (utilizando inyección en el puerto o inyección en el cuerpo de la mariposa ) se generalizaron a lo largo de 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 para motores de gasolina de turismos —excepto el Mercedes-Benz 300 SL de 1954-1959— utilizaban inyección en el colector (es decir, los inyectores ubicados en los puertos de admisión o en el cuerpo de la mariposa, en lugar de dentro de la cámara de combustión). Esto comenzó a cambiar cuando el primer sistema de inyección directa de gasolina producido en masa para turismos fue un sistema common rail introducido en el motor Mitsubishi 6G74 V6 de 1997. ^{[ 55 ] [ 56 ]} El primer sistema common rail para un motor diésel de turismo fue el motor Fiat Multijet de cuatro cilindros en línea, ^{[ 57 ]} introducido en el modelo Alfa Romeo 156 1.9 JTD de 1999. Desde la década de 2010, muchos motores de gasolina han cambiado a la inyección directa (a veces en combinación con inyectores separados en el colector para cada cilindro). De manera similar, muchos motores diésel modernos utilizan un diseño common rail.   

La inyección de carga estratificada se utilizó en varios motores de gasolina a principios de la década de 2000, como el motor Volkswagen 1.4 FSI presentado en el año 2000. Sin embargo, a finales de la década de 2010, los sistemas de carga estratificada prácticamente habían dejado de utilizarse debido al aumento de las emisiones de gases NO _x y partículas, así como al incremento del coste y la complejidad de los sistemas.