Sistema de inyección directa nafta Docente: Pedro Curto Grupo Nº5: Agustín Forestier Nicolás Silva
Historia Bosch hace más de 60 años ya había aplicado la inyección directa de gasolina en motores de avión. También el automóvil denominado Gutbrod estaba equipado en 1952 con un sistema similar, montado en un motor de 2 tiempos de 600 cc. Hasta el legendario Mercedes 300 SL Alas de Gaviota del año 54 llevaba un sistema de inyección directa de gasolina Bosch. El sistema no se preocupaba del consumo o las emisiones contaminantes, sólo le interesaba un aumento de potencia. En la actualidad estos sistemas se han desarrollado con el fin de adecuarse a las exigencias de contaminación y la mejora en el consumo.
Inyección indirecta Inyector ubicado en el colector de admisión. Combustible inyectado por delante de válvula cerrada o encima de la válvula abierta y se mezcla Casi completamente en las toberas de admisión. No explota perfectamente si no tiene una relación estequiométrica precisa rq=(1/14,7). El mayor problema lo presenta cuando el motor demanda cargas parciales (poca potencia), con un desfavorable comportamiento de consumo.
Definición En los motores de gasolina o diesel, se dice que el sistema es de inyección directa cuando el combustible se introduce directamente en la cámara de combustión.
Contaminación y consumo Las emisiones contaminantes de hidrocarburos, óxidos nítricos y monóxido de carbono se reducen hasta un 99% con la mediación de un catalizador. Por su parte, el dióxido de carbono (CO2) que se produce con motivo de la combustión, siendo el causante del «efecto invernadero», sólo se puede reducir a base de disminuir el consumo de combustible.
Objetivo Con lo motores de inyección directa de gasolina se consiguen dos objetivos principales que están vigentes para hoy y con vistas al futuro, Estos objetivos son: reducir el consumo de combustible y con este también las emisiones contaminantes de escape.
Funcionamiento El circuito de alta presión del sistema de inyección directa de gasolina está alimentado por una bomba de alta presión que comprime el combustible hasta el nivel que precisa el raíl. Los inyectores conectados al raíl de combustible lo dosifican y atomizan de forma extremadamente rápida y a alta presión para permitir la mejor preparación de la mezcla directamente en la cámara de combustión.
Inyector Durante el ciclo de admisión, solo se arrastra el aire de combustión a través de la válvula de admisión abierta. El combustible lo inyectan unos inyectores especiales a alta presión en la cámara de combustión. Los inyectores de orificios se emplean para motores que funcionan según el proceso de inyección directa. El caudal de inyección se mide exactamente, mientras que la geometría del chorro está sincronizada con las exigencias del motor.
Inyector Están incorporados de forma estratégica con un determinado desplazamiento lateral por encima de las cámaras de combustión. La forma y el ángulo del chorro, así como el tamaño de las gotitas pulverizadas, constituyen también parámetros importantes para la formación de la mezcla y determinar valores de emisión bajas y consumos favorables. La mezcla puede explotar aún con determinados excesos de aire (1/12,4).
Colector de admisión vertical Otra característica de este sistema de inyección es la disposición del colector de admisión. La masa de admisión gira en forma de espiral chocando contra el pistón antes de llegar a la bujía, lo que provoca que no se acumule hollín cerca de la bujía y no se provoquen falsas explosiones. Si el flujo girara hacia la izquierda no daría el tiempo suficiente para conseguir que el chorro de gasolina inyectado directamente se vaporizase. El deflector del pistón ayuda a concentrar la mezcla de aire/gasolina rica alrededor de la bujía. Se aprecia como la masa de admisión recorre el cilindro en forma de espiral en el plano horizontal, pasando sucesivas veces cerca de la bujía. El combustible tiende a concentrarse en la periferia del cilindro, lejos del lugar deseado, la bujía.
Mezcla estratificada para baja demanda de potencia La mezcla de aire y combustible se concentra en torno a la bujía ubicada en una estratégica posición central en las cámaras de combustión. En las zonas periféricas se acumula prácticamente sólo una capa de aire, que proporciona un aislamiento térmico lo que mejora el rendimiento térmico. Se ahorra combustible.
Modos de operación con baja carga Durante la fase de admisión (1) el volumen de aire procedente de los colectores de admisión recorre la superficie curvada del pistón (2) y refluye hacia arriba creando un flujo giratorio en el sentido de la agujas del reloj. En la carrera de compresión del pistón se forman numerosos torbellinos. El inyector de turbulencia de alta presión pulveriza el combustible (3). La elevada densidad del aire comprimido y los pequeños torbellinos, mantienen compacto el chorro pulverizado de combustible. La mezcla aire/combustible es rica en el centro y pobre en la periferia. Salta la chispa en la bujía (4) y se produce la combustión mediante una reacción en cadena. El resultado de todo este proceso es una mejora del 20% en el ahorro de combustible (en este régimen).
Ventajas de mezcla estratificada Extrae calor del aire de admisión. Es posible reducir el régimen de ralentí, y se facilita el arranque en frío debido a que al reanudar la inyección el combustible no se deposita en las paredes de la cámara de combustión. La tendencia al picado se reduce, lo que permite aumentar a su vez la compresión, con lo cual también aumenta el rendimiento térmico del motor. Desventajas de mezcla estratificada En el modo estratificado y homogéneo-pobre se producen óxidos de nitrógeno. Solución: Los óxidos nítricos se acumulan internamente en el catalizador y se transforman en nitrógeno y oxígeno. Debido a la similitud química de los Nox con el azufre, también se almacena en el catalizador, reduciendo su vida útil.
Mezcla homogénea para alta demanda de potencia El combustible no es inyectado en las fases de compresión sino en las de admisión. El inyector de alta presión cambia la forma de funcionar en este modo para alimentar el combustible mediante un chorro largo en forma de cono, con objeto de conseguir una dispersión en el cilindro. Estos ajustes tienen unos efectos secundarios también muy positivos que se manifiestan en forma de unos elevados valores de potencia y par motor. Existe aumento del llenado de los cilindros y una disminución de la temperatura de compresión en estas condiciones. El efecto de refrigeración evita las detonaciones o combustión espontánea en el cilindro.
Modo homogéneo-pobre El motor trabaja en el modo homogéneo-pobre durante la transición entre el modo estratificado y el homogéneo. La mezcla pobre se encuentra distribuida de un modo homogéneo (uniforme) en la cámara de combustión. La relación de aire y combustible es de lambda 1.55, aproximadamente.
Modos En la siguiente gráfica se ilustran los modos de operación que ofrece el sistema de inyección directa para las diferentes demandas del motor.
Resumen Los motores de inyección directa de gasolina funcionan con dos tipos de mezcla según sea la carga del motor: mezcla estratificada y mezcla homogénea. Mejora el desempeño a baja carga y en ralentí. Disminución de emisiones como contrapartida de la optimización del consumo.
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