Hispanopedia WikiLa inyección en el colector de admisión es un sistema de formación de mezcla para motores de combustión interna con formación de mezcla externa. Se utiliza comúnmente en motores de encendido por chispa que usan gasolina como combustible, como el motor Otto y el motor Wankel . En un motor con inyección en el colector de admisión, el combustible se inyecta en el colector , donde comienza a formar una mezcla combustible de aire y combustible con el aire. Tan pronto como se abre la válvula de admisión, el pistón comienza a aspirar la mezcla aún en formación. Por lo general, esta mezcla es relativamente homogénea y, al menos en los motores de producción para turismos, aproximadamente estequiométrica ; esto significa que hay una distribución uniforme de combustible y aire en la cámara de combustión, y suficiente aire, pero no más del necesario para la combustión completa del combustible. El momento de la inyección y la medición de la cantidad de combustible se pueden controlar mecánicamente (mediante un distribuidor de combustible) o electrónicamente (mediante una unidad de control del motor ). Desde las décadas de 1970 y 1980, la inyección en el colector de admisión ha estado reemplazando a los carburadores en los turismos. Sin embargo, desde finales de la década de 1990, los fabricantes de automóviles comenzaron a utilizar la inyección directa de gasolina , lo que provocó una disminución en la instalación de sistemas de inyección en el colector de admisión en los automóviles de nueva producción.
Existen dos tipos diferentes de inyección en el colector:
- el sistema de inyección multipunto (MPI) , también conocido como inyección en puerto o sistema de colector seco.
- y el sistema de inyección de un solo punto (SPI) , también conocido como inyección de cuerpo de mariposa (TBI), inyección central de combustible (CFI), inyección electrónica de gasolina (EGI) y sistema de colector húmedo.
En este artículo se utilizan los términos inyección multipunto (MPI) e inyección monopunto (SPI). En un sistema MPI, hay un inyector de combustible por cilindro, instalado muy cerca de la(s) válvula(s) de admisión. En un sistema SPI, hay un único inyector de combustible, generalmente instalado justo detrás de la mariposa de admisión. Los sistemas modernos de inyección en el colector de admisión suelen ser sistemas MPI; los sistemas SPI se consideran obsoletos.
Descripción
En un motor de inyección en el colector de admisión, el combustible se inyecta con una presión relativamente baja (70...1470 kPa) en el colector de admisión para formar un fino vapor de combustible. Este vapor puede luego formar una mezcla combustible con el aire, y la mezcla es aspirada al cilindro por el pistón durante la carrera de admisión. Los motores Otto utilizan una técnica llamada control de cantidad para establecer el par motor deseado , lo que significa que la cantidad de mezcla aspirada al motor determina la cantidad de par producido. Para controlar la cantidad de mezcla, se utiliza una válvula de mariposa , razón por la cual el control de cantidad también se denomina estrangulamiento del aire de admisión. El estrangulamiento del aire de admisión cambia la cantidad de aire aspirado al motor, lo que significa que si una mezcla estequiométrica (Si se desea una mezcla aire-combustible óptima, la cantidad de combustible inyectado debe modificarse junto con la regulación del flujo de aire de admisión. Para ello, los sistemas de inyección en el colector de admisión disponen de al menos un método para medir la cantidad de aire que ingresa al motor. En los sistemas controlados mecánicamente con distribuidor de combustible, se utiliza un pistón accionado por vacío conectado directamente a la cremallera de control, mientras que los sistemas de inyección en el colector de admisión controlados electrónicamente suelen utilizar un sensor de flujo de aire y un sensor lambda . Solo los sistemas controlados electrónicamente pueden formar la mezcla aire-combustible estequiométrica con la precisión suficiente para que un catalizador de tres vías funcione correctamente, razón por la cual los sistemas de inyección en el colector de admisión controlados mecánicamente, como el Bosch K-Jetronic, se consideran obsoletos. [ 1 ]
Tipos principales
Inyección en un solo punto
Como su nombre lo indica, un motor de inyección de un solo punto (SPI) solo tiene un inyector de combustible. Generalmente se instala justo detrás de la válvula de mariposa en el cuerpo de la mariposa. La inyección de un solo punto fue una forma relativamente económica para que los fabricantes de automóviles redujeran las emisiones de escape para cumplir con las regulaciones cada vez más estrictas, a la vez que proporcionaba una mejor "manejabilidad" (arranque fácil, funcionamiento suave, ausencia de vacilaciones) que la que se podía obtener con un carburador. Muchos de los componentes de soporte del carburador, como el filtro de aire, el colector de admisión y el recorrido de la línea de combustible, podían usarse con pocos o ningún cambio. Esto pospuso los costos de rediseño y herramientas de estos componentes. Sin embargo, la inyección de un solo punto no permite formar mezclas muy precisas requeridas por las regulaciones de emisiones modernas y, por lo tanto, se considera una tecnología obsoleta en los automóviles de pasajeros. [ 1 ] La inyección de un solo punto se utilizó ampliamente en automóviles de pasajeros y camionetas ligeras de fabricación estadounidense durante 1980-1995, y en algunos automóviles europeos a principios y mediados de la década de 1990.
La inyección monopunto es una tecnología conocida desde la década de 1960, pero durante mucho tiempo se la consideró inferior a los carburadores, ya que requiere una bomba de inyección y, por lo tanto, es más compleja. [ 2 ] Solo con la disponibilidad de unidades de control del motor (ECU) digitales económicas en la década de 1980, la inyección monopunto se convirtió en una opción razonable para los automóviles de pasajeros. Por lo general, se utilizaban sistemas de inyección intermitente con baja presión de inyección (70-100 kPa) que permitían el uso de bombas de inyección de combustible eléctricas de bajo costo. [ 3 ] Un sistema de inyección monopunto muy común utilizado en muchos automóviles de pasajeros es el Bosch Mono-Jetronic , que el periodista automovilístico alemán Olaf von Fersen considera una "combinación de inyección de combustible y carburador". [ 4 ]
El sistema se denominó Inyección en el cuerpo de la mariposa o Inyección digital de combustible por General Motors , Inyección central de combustible por Ford , PGM-CARB por Honda y EGI por Mazda .
Inyección multipunto
En un motor de inyección multipunto, cada cilindro tiene su propio inyector de combustible, y estos suelen estar instalados cerca de la(s) válvula(s) de admisión. De esta forma, los inyectores inyectan el combustible a través de la válvula de admisión abierta hacia el cilindro, lo que no debe confundirse con la inyección directa. Algunos sistemas de inyección multipunto también utilizan tubos con válvulas de asiento alimentados por un inyector central en lugar de inyectores individuales. Sin embargo, normalmente, un motor de inyección multipunto tiene un inyector de combustible por cilindro, una bomba de combustible eléctrica, un distribuidor de combustible, un sensor de flujo de aire [ 5 ] y, en los motores modernos, una unidad de control del motor [ 6 ] . Las temperaturas cerca de la(s) válvula(s) de admisión son bastante altas, la carrera de admisión provoca un remolino de aire de admisión y hay mucho tiempo para que se forme la mezcla aire-combustible [ 7 ] . Por lo tanto, el combustible no requiere mucha atomización [ 2 ] . La calidad de la atomización es relativa a la presión de inyección, lo que significa que una presión de inyección relativamente baja (en comparación con la inyección directa) es suficiente para los motores de inyección multipunto. Una baja presión de inyección resulta en una baja velocidad relativa aire-combustible, lo que provoca gotas de combustible grandes y de vaporización lenta. [ 8 ] Por lo tanto, el momento de la inyección debe ser preciso para minimizar el combustible sin quemar (y, por consiguiente, las emisiones de HC). Debido a esto, los sistemas de inyección continua como el Bosch K-Jetronic están obsoletos. [ 1 ] Los modernos sistemas de inyección multipunto utilizan en su lugar la inyección intermitente controlada electrónicamente. [ 6 ]
Entre 1992 y 1996, General Motors implementó un sistema llamado Inyección Central de Combustible en Puerto (CPFI). Este sistema utiliza tubos con válvulas de asiento desde un inyector central para rociar combustible en cada puerto de admisión en lugar de en el cuerpo de la mariposa central . La presión del combustible es similar a la de un sistema de inyección de un solo punto. El CPFI (utilizado de 1992 a 1995) es un sistema de inyección por lotes , mientras que el CSFI (desde 1996) es un sistema secuencial. [ 9 ]
Mecanismo de control de la inyección
En los motores con inyección en el colector de admisión, existen tres métodos principales para dosificar el combustible y controlar el momento de la inyección.
Controlado mecánicamente
En los primeros motores con inyección múltiple y sistemas de inyección totalmente mecánicos, se utilizaba una bomba de inyección accionada por engranajes, cadena o correa, con un mapa mecánico analógico del motor. Esto permitía inyectar combustible de forma intermitente y relativamente precisa. Normalmente, estas bombas de inyección cuentan con una leva tridimensional que representa el mapa del motor. Dependiendo de la posición del acelerador, la leva tridimensional se desplaza axialmente sobre su eje. Un mecanismo de captación de rodillos, conectado directamente a la cremallera de control de la bomba de inyección, se desliza sobre la leva tridimensional. Según la posición de la leva, esta empuja o retrae los émbolos de la bomba de inyección accionados por el árbol de levas, controlando así la cantidad de combustible inyectado y el momento de la inyección. Los émbolos de inyección generan la presión de inyección y actúan como distribuidores de combustible. Generalmente, se incluye una varilla de ajuste adicional conectada a una celda barométrica y a un termómetro de agua de refrigeración, para corregir la masa de combustible en función de la presión atmosférica y la temperatura del agua. [ 10 ] Los sistemas de inyección Kugelfischer también tienen un sensor mecánico centrífugo de velocidad del cigüeñal. [ 11 ] Los sistemas de inyección multipunto con control mecánico se utilizaron hasta la década de 1970.
No se controla el momento de la inyección.
En los sistemas sin control de sincronización de inyección, el combustible se inyecta de forma continua, por lo que no se requiere sincronización. La principal desventaja de estos sistemas es que el combustible también se inyecta cuando las válvulas de admisión están cerradas, pero son mucho más sencillos y económicos que los sistemas de inyección mecánica con mapas de motor en árboles de levas tridimensionales. Solo es necesario determinar la cantidad de combustible inyectado, lo cual se puede hacer fácilmente con un distribuidor de combustible bastante simple controlado por un sensor de flujo de aire accionado por vacío en el colector de admisión. El distribuidor de combustible no tiene que generar presión de inyección, ya que la bomba de combustible proporciona la presión suficiente (hasta 500 kPa). Por lo tanto, estos sistemas se denominan autoaccionados y no necesitan ser accionados por cadena o correa, a diferencia de los sistemas con bombas de inyección mecánicas. Además, no se requiere una unidad de control del motor. [ 12 ] Los sistemas de inyección multipunto sin alimentación y sin control de sincronización de inyección, como el Bosch K-Jetronic, se utilizaron comúnmente desde mediados de la década de 1970 hasta principios de la década de 1990 en automóviles de pasajeros, aunque ya existían ejemplos anteriores, como el Rochester Ramjet ofrecido en versiones de alto rendimiento del motor Chevrolet small-block de 1957 a 1965.
Unidad de control electrónico
Los motores con inyección en el colector de admisión y una unidad de control electrónico del motor se conocen comúnmente como motores con inyección electrónica de combustible (EFI). Por lo general, los motores EFI tienen un mapa del motor integrado en componentes electrónicos discretos, como la memoria de solo lectura . Esto es más fiable y preciso que un árbol de levas tridimensional. El circuito de control del motor utiliza el mapa del motor, así como datos del flujo de aire, la válvula de mariposa, la velocidad del cigüeñal y el sensor de temperatura del aire de admisión para determinar tanto la cantidad de combustible inyectado como el momento de la inyección. Normalmente, estos sistemas tienen un único riel de combustible presurizado y válvulas de inyección que se abren según una señal eléctrica enviada desde el circuito de control del motor. El circuito puede ser totalmente analógico o digital. Los sistemas analógicos, como el Bendix Electrojector , eran sistemas de nicho y se utilizaron desde finales de la década de 1950 hasta principios de la de 1970; el circuito digital estuvo disponible a finales de la década de 1970 y se ha utilizado en sistemas de control electrónico del motor desde entonces. Una de las primeras unidades de control digital del motor de uso generalizado fue la Bosch Motronic . [ 13 ]
determinación de masas de aire
Para mezclar correctamente el aire y el combustible y formar una mezcla adecuada, el sistema de control de inyección necesita saber cuánto aire entra al motor para determinar la cantidad de combustible que debe inyectarse. En los sistemas modernos, un medidor de masa de aire integrado en el cuerpo de la mariposa mide la masa de aire y envía una señal a la unidad de control del motor para que calcule la masa de combustible correcta. Alternativamente, se puede utilizar un sensor de vacío del colector de admisión. La unidad de control del motor utiliza la señal del sensor de vacío del colector de admisión, la posición de la mariposa y la velocidad del cigüeñal para calcular la cantidad correcta de combustible. En los motores modernos, se utiliza una combinación de todos estos sistemas. [ 5 ] Los sistemas de control de inyección mecánica, así como los sistemas sin alimentación eléctrica, suelen tener únicamente un sensor de vacío del colector de admisión (una membrana o una placa sensora) conectado mecánicamente al soporte de la bomba de inyección o al distribuidor de combustible. [ 14 ]
Modos de operación de inyección
Los motores con inyección múltiple pueden utilizar inyección continua o intermitente. En un sistema de inyección continua, el combustible se inyecta de forma continua, por lo que no existen modos de funcionamiento. En cambio, en los sistemas de inyección intermitente, generalmente existen cuatro modos de funcionamiento diferentes. [ 15 ]
Inyección simultánea
En un sistema de inyección intermitente simultánea, existe un único momento de inyección fijo para todos los cilindros. Por lo tanto, el momento de inyección es ideal solo para algunos cilindros; siempre hay al menos un cilindro que recibe combustible con la(s) válvula(s) de admisión cerrada(s). Esto provoca que los tiempos de evaporación del combustible varíen en cada cilindro.
Inyección en grupo
Los sistemas de inyección intermitente por grupos funcionan de forma similar a los sistemas de inyección simultánea mencionados anteriormente, con la diferencia de que cuentan con dos o más grupos de inyectores de combustible que inyectan simultáneamente. Normalmente, un grupo consta de dos inyectores. En un motor con dos grupos de inyectores, se produce una inyección cada media vuelta del cigüeñal, de modo que, al menos en ciertas zonas del mapa de inyección, no se inyecta combustible contra una válvula de admisión cerrada. Esto supone una mejora con respecto a un sistema de inyección simultánea. Sin embargo, los tiempos de evaporación del combustible siguen siendo diferentes para cada cilindro.
Inyección secuencial
En un sistema de inyección secuencial, cada inyector de combustible tiene una sincronización de inyección fija y correctamente ajustada, que coincide con el orden de encendido de las bujías y la apertura de la válvula de admisión. De esta forma, no se inyecta más combustible con las válvulas de admisión cerradas.
Inyección específica para cada cilindro
La inyección específica por cilindro implica que no existen limitaciones en el momento de la inyección. El sistema de control de inyección puede ajustar el momento de la inyección para cada cilindro individualmente, sin una sincronización fija entre los inyectores de cada cilindro. Esto permite que la unidad de control de inyección inyecte el combustible no solo según el orden de encendido y los intervalos de apertura de la válvula de admisión, sino que también corrija las irregularidades en la carga de cada cilindro. La desventaja de este sistema es que requiere la determinación de la masa de aire específica para cada cilindro, lo que lo hace más complejo que un sistema de inyección secuencial.
Historia
El primer sistema de inyección en colector fue diseñado por Johannes Spiel en Hallesche Maschinenfabrik. [ 16 ] Deutz comenzó la producción en serie de motores estacionarios de cuatro tiempos con inyección en colector en 1898. Grade construyó el primer motor de dos tiempos con inyección en colector en 1906; los primeros motores de avión de cuatro tiempos de producción en serie con inyección en colector fueron construidos por Wright y Antoinette el mismo año ( Antoinette 8V ). [ 17 ] En 1912, Bosch equipó un motor de embarcación con una bomba de inyección improvisada construida a partir de una bomba de aceite, pero este sistema no demostró ser fiable. En la década de 1920, intentaron utilizar una bomba de inyección de motor diésel en un motor Otto alimentado con gasolina. Sin embargo, no tuvieron éxito. En 1930 Moto Guzzi construyó el primer motor Otto con inyección en colector para motocicletas, que finalmente fue el primer motor de vehículo terrestre con inyección en colector. [ 18 ] Desde la década de 1930 hasta la de 1950, los sistemas de inyección múltiple no se utilizaron en los automóviles de pasajeros, a pesar de que tales sistemas existían. Esto se debió a que el carburador demostró ser un sistema de formación de mezcla más simple y menos costoso, pero suficiente, que aún no necesitaba ser reemplazado. [ 14 ]
Hacia 1950, Daimler-Benz comenzó el desarrollo de un sistema de inyección directa de gasolina para sus deportivos Mercedes-Benz. Sin embargo, para los turismos, se consideró más factible un sistema de inyección en el colector. [ 14 ] Finalmente, los turismos Mercedes-Benz W 128 , W 113 , W 189 y W 112 fueron equipados con motores Otto de inyección en el colector. [ 19 ] [ 20 ]
Desde 1951 hasta 1956, FAG Kugelfischer Georg Schäfer & Co. desarrolló el sistema de inyección mecánica Kugelfischer. [ 18 ] Se utilizó en muchos automóviles de pasajeros, como el Peugeot 404 (1962), el Lancia Flavia iniezione (1965), el BMW E10 (1969), el Ford Capri RS 2600 (1970), el BMW E12 (1973), el BMW E20 (1973) y el BMW E26 (1978). [ 21 ]
En 1957, Bendix Corporation presentó el Bendix Electrojector , uno de los primeros sistemas de inyección de colector controlados electrónicamente. [ 22 ] Bosch fabricó este sistema bajo licencia y lo comercializó a partir de 1967 como el D-Jetronic . [ 21 ] En 1973, Bosch introdujo sus primeros sistemas de inyección multipunto de desarrollo propio, el electrónico L-Jetronic y el mecánico, sin motor K-Jetronic . [ 23 ] Su sistema Motronic totalmente digital se introdujo en 1979. Encontró un uso generalizado en las berlinas de lujo alemanas. Al mismo tiempo, la mayoría de los fabricantes de automóviles estadounidenses se mantuvieron fieles a los sistemas de inyección monopunto electrónicos. [ 24 ] A mediados de la década de 1980, Bosch actualizó sus sistemas de inyección multipunto no Motronic con unidades de control de motor digitales, creando el KE-Jetronic y el LH-Jetronic. [ 23 ] Volkswagen desarrolló el sistema de inyección digital Digijet para sus motores refrigerados por agua "Wasserboxer" , que evolucionó al sistema Volkswagen Digifant en 1985. [ 4 ]
Los sistemas de inyección monopunto económicos que funcionaban con convertidores catalíticos de dos o tres vías, como el Mono-Jetronic introducido en 1987, [ 23 ] permitieron a los fabricantes de automóviles ofrecer una alternativa económica a los carburadores incluso en sus coches económicos, lo que contribuyó a la amplia difusión de los sistemas de inyección en el colector en todos los segmentos del mercado de turismos durante la década de 1990. [ 25 ] En 1995, Mitsubishi introdujo el primer motor Otto de inyección directa de gasolina para turismos, y desde entonces la inyección directa de gasolina ha ido sustituyendo a la inyección en el colector, aunque no en todos los segmentos del mercado; varios motores de turismos de nueva producción siguen utilizando la inyección multipunto. [ 26 ]
Referencias
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- ↑ Manual de servicio de camiones Chevrolet de 1997, página 6A-24, dibujo, elemento (3) Inyector multipuerto secuencial central.
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- ^ Olaf von Fersen (ed.): Ein Jahrhundert Automobiltechnik. Personenwagen , VDI-Verlag, Düsseldorf 1986, ISBN 978-3-642-95773-4pág. 257
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- ↑ Kurt Lohner, Herbert Müller (auth): Gemischbildung und Verbrennung im Ottomotor , en Hans List (ed.): Die Verbrennungskraftmaschine , Band 6, Springer, Viena 1967, ISBN 978-3-7091-8180-5pág. 231
- ^ Olaf von Fersen (ed.): Ein Jahrhundert Automobiltechnik. Personenwagen , VDI-Verlag, Düsseldorf 1986, ISBN 978-3-642-95773-4pág. 258
- ↑ Kurt Lohner, Herbert Müller (auth): Gemischbildung und Verbrennung im Ottomotor , en Hans List (ed.): Die Verbrennungskraftmaschine , Band 6, Springer, Viena 1967, ISBN 978-3-7091-8180-5pág. 243
- 1 2 3 Reif 2014 , pág. 289.
- ↑ Olaf von Fersen (ed.): Ein Jahrhundert Automobiltechnik. Personenwagen , VDI-Verlag, Düsseldorf 1986, ISBN 978-3-642-95773-4pág. 262
- ↑ Reif 2014 , pág. 288.
- ↑ Reif 2014 , pág. 3.
- Componentes del motor
- Sistemas de inyección de combustible