Sistemas de Inyección Diésel: Funcionamiento de Inyectores Piezoeléctricos y Common Rail

Evoluciones y otros sistemas: Válvulas de tipo piezoeléctrico

En la última evolución de los sistemas de inyección, se han incorporado válvulas de tipo piezoeléctrico. Gracias a esta tecnología, se consigue una mejor adaptación de las fases de inyección, mejorando la formación de la mezcla, aumentando el rendimiento del motor y reduciendo las emisiones contaminantes. Este sistema permite una velocidad de apertura de la válvula mucho más rápida.

Durante el ciclo de funcionamiento, se realizan dos preinyecciones y dos postinyecciones. El rango de presiones de inyección oscila entre los 130 y los 2200 bar. Con esta evolución, se eliminan las cámaras de alta presión de la aguja del inyector, de la aguja de la válvula y el émbolo de evasión. Además, el diámetro del émbolo de la bomba es menor, lo que reduce las pérdidas mecánicas y disminuye el ruido del motor.

Estructura y funcionamiento del actuador piezoeléctrico

La válvula piezoeléctrica está formada por un actuador y un conjunto de palancas de transmisión. El actuador se compone de una batería de elementos piezoeléctricos de 0,08 mm de espesor, intercalando entre ellos placas de metal conductor. La variación de longitud del conjunto es de apenas 0,04 mm.

Dado que la aguja no llega por sí sola, es necesario un mecanismo de dos palancas conectadas entre sí con puntos de apoyo descentrados y opuestos:

• Sin alimentación: Cuando el actuador no es alimentado por la Unidad de Control (UC), el mecanismo de palancas está en reposo y la aguja de la válvula permanece abierta.
• Con alimentación: Cuando el actuador recibe alimentación, el mecanismo de palancas mueve la aguja de la válvula, cerrándola.

En la cámara se encuentra el muelle que cierra la aguja; la fuerza del muelle se refuerza con la presión del combustible dentro de la cámara. La presión en la cámara se controla mediante una válvula de retención, y la despresurización se lleva a cabo por el émbolo de cierre.

Fases de funcionamiento de la cámara del muelle

1. Cierre de la aguja del inyector.
2. Apertura de la aguja del inyector.
3. Despresurización.

Tras finalizar cada fase, la cámara queda cargada de combustible a alta presión.

Fases de funcionamiento del inyector bomba con actuador piezoeléctrico

• Llenado de la cámara de alta presión: La válvula está abierta y el émbolo de la bomba asciende lentamente para evitar la formación de burbujas.
• Inicio de la preinyección: El émbolo de la bomba es atacado por la leva y desciende. El combustible fluye hacia la zona de alimentación hasta que la UC excita al actuador. La aguja hace que el combustible se dirija a la parte inferior de la aguja. Al alcanzar los 130 bar, se inicia la preinyección.
• Final de la preinyección: Cuando la UC deja de excitar al actuador, la aguja comunica la zona presurizada con la de alimentación, disminuyendo la alta presión y cerrando de nuevo el inyector. Un estrangulador retiene el combustible, lo que favorece el cierre del inyector y genera mayor presión sobre el émbolo de cierre.
• Inicio de la inyección principal: El émbolo de la bomba desciende y se excita el actuador. Se genera alta presión, pero en esta fase se requiere un valor superior para la apertura de la aguja.
• Final de la inyección principal: El actuador deja de ser excitado, siguiendo el mismo proceso que en la preinyección. El retorno de combustible refrigera el conjunto y elimina burbujas de aire.
• Inicio de la postinyección: Se activa cuando es necesario regenerar el filtro antipartículas, provocando un aumento de la temperatura de los gases de escape. El émbolo desciende y de nuevo se excita el actuador piezoeléctrico.
• Final de la postinyección: La UC deja de alimentar al actuador, disminuye la presión de combustible y el inyector cierra. En la cámara del muelle vuelve a haber alta presión. Gracias a una ranura de fuga del émbolo, la cámara se despresuriza. La aguja del inyector abre a una baja presión de 130 bar.

Mantenimiento, averías y comprobaciones

Sensores: Diagnóstico y efectos de falla

• Medidor de masa de aire: Si falla, se establece un valor de sustitución fijo.
• Sensor de régimen de giro: El motor no arranca o se para si la UC no recibe esta señal.
• Sensor Hall: La UC toma la señal del sensor de régimen de giro y excita al actuador del cilindro 1 para reconocer el resto de los cilindros.
• Sensor de posición del acelerador (Kick-down / ralentí): El sistema entra en modo de emergencia y mantiene un ralentí acelerado.
• Sensor de temperatura del líquido refrigerante: En caso de fallo, opera con la señal de temperatura del combustible.
• Sensores de presión y temperatura en el colector de admisión: Si fallan, no se puede controlar la presión de sobrealimentación y el motor pierde potencia. La UC sustituye el valor por una señal fija.
• Conmutadores de luz de freno y pedal de freno: Reducen la cantidad de combustible inyectado y el motor pierde potencia.
• Conmutador del pedal de embrague: Provoca cambios de marchas bruscos.
• Sensor de temperatura del combustible: Se sustituye por la señal de temperatura del líquido refrigerante.
• Sensor de altitud: Evita que el motor aumente las emisiones de humos negros en zonas elevadas.

Actuadores: Comprobación y síntomas

• Electroválvulas de los inyectores-bomba: Si fallan, el motor funciona de forma irregular y pierde potencia. Si la válvula queda abierta, no se genera alta presión; si queda cerrada, no se llena la cámara de alta presión. Se debe comprobar la resistencia, continuidad y el oscilograma. Ante la sospecha, se recomienda probar con una válvula que funcione correctamente.
• Testigo de precalentamiento: Si no luce ni parpadea, la UC inscribe un código de avería.
• Electroválvula reguladora de la presión de sobrealimentación: Su fallo reduce la presión de soplado y la potencia del motor.
• Electroválvula del sistema EGR: Puede impedir la recirculación de los gases de escape.
• Electroválvula de conmutación para la chapaleta en el colector de admisión: La chapaleta se queda abierta para no interferir en el rendimiento del motor.
• Relé de la bomba de agua adicional: Si falla, el combustible no se refrigera adecuadamente, aumentando su temperatura y pudiendo causar daños en el depósito y el conjunto aforador.

Sistemas de inyección Common Rail: Características, componentes y funcionamiento

Circuito de baja presión

Este circuito conduce el combustible desde el depósito hasta la entrada de la bomba de alta presión. Sus componentes principales son:

• Bomba eléctrica de alimentación: De accionamiento eléctrico y tipo aletas. Incorpora válvulas de retención y de seguridad.
• Filtro: Regula la presión del circuito de baja y el calentamiento del combustible. Incluye una válvula de regulación de presión que abre el retorno cuando la presión vence al muelle. El control del calentamiento se realiza mediante un elemento termostático (lámina bimetálica): por debajo de 15°C se curva para desviar el combustible al calentador; entre 15°C y 25°C permite el paso parcial al filtro; y a más de 25°C obstruye el paso al calentador.

Circuito de alta presión

La bomba de alta presión cuenta con un árbol de mando con una leva excéntrica que acciona tres grupos de presión. La correa de distribución mueve el árbol y su excéntrica acciona los émbolos. En la carrera descendente, el combustible entra en la cámara de compresión; en la ascendente, la válvula de admisión cierra y el combustible se presuriza.

Para regular la presión, el regulador de alta presión incorpora una bobina que desplaza una válvula de bola. Para aumentar la presión, la UC alimenta la electroválvula, cerrando la válvula. El desactivador del tercer pistón anula uno de los grupos de presión para reducir la potencia absorbida por el motor en baja carga, mediante una bobina con vástago. La refrigeración y engrase de la bomba la realiza el propio combustible.

Funcionamiento de los inyectores

Instalados en la culata y de accionamiento electromagnético, presentan dos estados:

1. En reposo: La electroválvula no está excitada; el inducido mantiene la válvula de bola cerrando el paso al estrangulador de salida. El combustible a alta presión entra en la cámara de control y la aguja permanece cerrada por el muelle. No hay inyección.
2. En funcionamiento: La UC excita la electroválvula, levantando la bola de su asiento. Se abre el estrangulador de salida hacia el retorno, la aguja asciende y comienza la inyección. Esta termina cuando la UC deja de alimentar la electroválvula.

El movimiento rápido de la aguja se logra alimentando la electroválvula en dos etapas: la primera dura 0,3 ms (80V y 20A) y la segunda comienza una vez desplazada la aguja (50V y 12A).