Tecnologías de Combustibles y Sistemas de Inyección en Motores Diesel

Características del Combustible y Requisitos de Inyección

Características del Combustible Diesel

Las propiedades fundamentales del combustible diésel que afectan al rendimiento del motor y al sistema de inyección incluyen:

• Poder calorífico: Cantidad de energía liberada durante la combustión.
• Punto de inflamación y autoignición: Temperaturas a las que el combustible puede inflamarse o ignitar espontáneamente.
• Índice de cetano: Medida de la calidad de ignición del combustible; un mayor índice facilita el arranque en frío y una combustión más suave.
• Densidad: Masa por unidad de volumen, importante para la dosificación.
• Estabilidad: Capacidad para resistir la degradación química.
• Volatilidad: Facilidad con la que se vaporiza.
• Viscosidad: Resistencia al flujo, crucial para la lubricación de los componentes del sistema de inyección y la pulverización.
• Punto de congelación: Temperatura a la que el combustible solidifica o forma cristales de parafina.
• Contenido de azufre: Relevante por normativas ambientales y su efecto corrosivo.
• Residuo carbonoso: Tendencia a formar depósitos de carbón.

Características Deseables del Sistema de Inyección

Un sistema de inyección eficiente debe cumplir con los siguientes requisitos:

• Elevada presión de inyección: Para una pulverización fina y buena penetración en la cámara de combustión.
• Dosificación precisa del combustible: Cantidad exacta de combustible según la carga y régimen del motor.
• Momento de inyección adecuado: Sincronización precisa del inicio de la inyección con la posición del pistón.
• Regulación del caudal: Adaptación de la cantidad de combustible inyectado a las necesidades del motor.
• Distribución uniforme del combustible: Homogeneidad en la mezcla aire-combustible dentro de la cámara.
• Filtrado y decantación eficientes: Para proteger los componentes sensibles del sistema de impurezas y agua.
• Control de la temperatura del combustible: Para mantener la viscosidad y densidad dentro de los rangos óptimos.

Clasificación de los Sistemas de Inyección Diesel

Sistemas de Inyección Mecánicos

Bombas Rotativas

• De émbolo axial (distribuidoras): El elemento de bombeo (un émbolo central) se desplaza axialmente y gira para distribuir el combustible a cada cilindro. Son concéntricas (ej. bombas Bosch VE).
• De émbolos radiales: Bombas cuyo elemento de bombeo consta de varios émbolos dispuestos radialmente que son accionados por un anillo de levas interno.

Bombas en Línea

Disponen de un elemento de bombeo (cilindro y émbolo) individual para cada cilindro del motor. Permiten ajustar el caudal de forma independiente para cada cilindro. Son robustas y se utilizan en motores de mayor cilindrada.

Sistemas con Control Electrónico (EDC - Electronic Diesel Control)

Estos sistemas están gestionados por una Unidad de Control Electrónico (ECU), que procesa información de diversos sensores (régimen del motor, posición del acelerador, temperatura, presión de sobrealimentación, etc.) y comanda actuadores para optimizar la inyección. Características generales:

• Mayor precisión en la dosificación y el avance de la inyección.
• Capacidad para realizar preinyecciones y postinyecciones.
• Mejora del rendimiento, reducción de emisiones y menor consumo.

Sistemas con Dosificación por Electroválvula

La dosificación del combustible se realiza mediante una electroválvula de alta frecuencia controlada por la ECU, que determina la cantidad exacta a inyectar. Permiten realizar preinyecciones para suavizar la combustión y reducir el ruido.

Sistemas con Dosificación Electromecánica

Conservan muchos elementos de los sistemas de inyección mecánica (como la generación de presión), pero la regulación del caudal y el avance están gobernados por un actuador electrónico controlado por la ECU.

Common Rail (Rampa Común)

Este sistema se caracteriza por:

• Una bomba de alta presión que suministra combustible a una rampa común (acumulador), manteniendo una presión elevada y constante (hasta más de 2000 bar).
• La rampa común alimenta individualmente a cada inyector, cuya apertura es controlada electrónicamente por la ECU.
• Es un sistema de inyección directa muy preciso.
• Permite múltiples inyecciones por ciclo (preinyección, inyección principal, postinyecciones) para optimizar la combustión, reducir emisiones y ruido.

Inyector-Bomba (UIS - Unit Injector System / PDE - Pumpe-Düse-Einheit)

Características principales:

• Cada cilindro tiene un conjunto compacto que integra la bomba de alta presión y el inyector en una sola unidad.
• Se acciona mecánicamente por una leva adicional en el árbol de levas del motor.
• Los inyectores van situados directamente en la culata.
• El avance y la dosificación se controlan electrónicamente mediante una electroválvula en cada unidad.
• Alcanza presiones de inyección muy elevadas (ej. hasta 2200 bar).
• Es un sistema conocido por ser algo más ruidoso que el Common Rail.
• Los elementos de actuación pueden ser electromagnéticos o piezoeléctricos.

Bomba-Tubería-Inyector (UPS - Unit Pump System / PLD - Pumpe-Leitung-Düse)

Similar al sistema Inyector-Bomba, pero con diferencias clave:

• El elemento de bombeo (bomba individual de alta presión) está separado del inyector.
• Cada bomba individual es accionada por el árbol de levas y conectada al inyector correspondiente mediante una tubería corta de alta presión.
• El control electrónico del avance y la dosificación es similar al UIS.

Tipos de Inyectores Diesel

El inyector es el componente final encargado de pulverizar el combustible en la cámara de combustión.

Inyectores para Inyección Indirecta

De Tetón (o Espiga)

Disponen de un vástago (tetón o espiga) en la punta de la aguja que, junto con el asiento, conforma el orificio de salida. El chorro de combustible tiene forma cónica. El ángulo del cono y la forma del chorro (ej. estrangulado, cilíndrico) dependen del diseño del tetón. Son típicos de motores con precámara o cámara de turbulencia.

De Estrangulamiento (para Inyección Indirecta)

Es una variante del inyector de tetón diseñada para una inyección en dos fases. Una pequeña ranura en el tetón permite una preinyección de poco caudal al inicio de la apertura de la aguja, lo que ayuda a iniciar la combustión suavemente. Luego, al levantarse más la aguja, se inyecta el caudal principal. Esto favorece el incremento gradual de temperatura y presión, mejorando la combustión.

Inyectores para Inyección Directa

De Orificios (o Multiorificio)

Poseen varios orificios (entre 2 y 10, o incluso más) de diámetro muy pequeño (micras) en la punta de la tobera. El combustible sale finamente pulverizado en múltiples chorros, cuya dirección y ángulo están optimizados para la forma de la cámara de combustión y el movimiento del aire (swirl, tumble). Son esenciales para la inyección directa.

De Doble Muelle

Utilizados en sistemas de inyección directa, a menudo con bombas de control electrónico. Incorporan dos muelles con diferentes constantes elásticas (tarados). Al aumentar la presión de inyección:

1. El primer muelle (más blando) cede primero, permitiendo una preinyección de una pequeña cantidad de combustible.
2. Al seguir aumentando la presión, cede el segundo muelle (más duro), permitiendo la inyección principal del caudal restante.

Esto mejora la suavidad de la combustión y reduce el ruido.

Inyectores Controlados Electrónicamente (Comunes en Common Rail, UIS, UPS)

Inyectores Electromagnéticos

La apertura de la aguja del inyector es controlada por la ECU mediante un electroimán (solenoide). Cuando la ECU envía una señal eléctrica, el solenoide crea un campo magnético que acciona una válvula de control, la cual, por diferencia de presiones, permite el levantamiento de la aguja. Llevan un muelle para asegurar el cierre rápido. Son típicamente multiorificio y se usan en inyección directa.

Inyectores Piezoeléctricos

Son una evolución de los electromagnéticos, ofreciendo mayor rapidez de actuación y precisión. Funcionan gracias al efecto piezoeléctrico:

• Un actuador compuesto por múltiples capas de material cerámico piezoeléctrico (similar al cuarzo) se expande instantáneamente al aplicarle una tensión eléctrica desde la ECU.
• Esta expansión acciona la válvula de control o directamente la aguja del inyector, permitiendo aperturas y cierres muy rápidos (hasta 5-7 veces más rápidos que los solenoides).
• Permiten un control más fino de las múltiples inyecciones por ciclo.
• Algunos diseños pueden incorporar un amplificador de presión hidráulica interno para optimizar la pulverización.

Componentes Principales de un Inyector (General)

• Cuerpo del inyector: Carcasa principal.
• Tobera: Contiene la aguja y los orificios de inyección. Es la parte que define la pulverización.
• Aguja: Elemento móvil que abre y cierra los orificios de la tobera.
• Muelle(s): Mantiene la aguja cerrada contra su asiento hasta que la presión del combustible la levanta. En inyectores de doble muelle, hay dos con diferentes tarados.
• Arandela de tarado/ajuste: Permite ajustar la presión de apertura del inyector.
• Conexión de entrada de combustible.
• Conexión de retorno de combustible: Para el sobrante de combustible utilizado para lubricación y refrigeración interna, o en el control de inyectores Common Rail.
• Portatobera: Pieza que sujeta la tobera al cuerpo del inyector.

Componentes del Sistema de Alimentación de Combustible

Circuito de Baja Presión

Su función es aspirar combustible del depósito, filtrarlo y enviarlo a la bomba de alta presión con una presión y caudal adecuados.

• Depósito de combustible: Almacena el gasóleo.
• Bomba de baja presión (o de prealimentación/transferencia):
  • Electrobomba: Generalmente sumergida en el depósito o montada en línea.
  • Bomba de engranajes: Accionada mecánicamente por el motor.
  • Bomba de paletas: También de accionamiento mecánico.
• Filtro de combustible: Elimina impurezas sólidas. Suele incluir un decantador o separador de agua.
• Calefactores de combustible (opcional): Para evitar la cristalización de parafinas a bajas temperaturas.
• Refrigeradores de combustible (opcional): Para enfriar el combustible de retorno, especialmente en sistemas Common Rail.
• Válvula limitadora de presión de baja: Regula la presión en el circuito de baja.
• Acumulador de presión (en algunos sistemas): Amortigua pulsaciones.
• Válvula de presión mínima (o de retención): Mantiene una presión residual en el circuito.
• Válvula de dosificación (en algunos sistemas Common Rail): Ubicada antes de la bomba de alta, regula el caudal de entrada a esta.

Circuito de Alta Presión

Genera la alta presión necesaria para la inyección y la distribuye a los inyectores.

• Bomba de alta presión:
  • De émbolos radiales: Común en sistemas Common Rail (ej. CP1, CP3, CP4 con 1, 2 o 3 émbolos).
  • De un solo émbolo o múltiples émbolos en línea: En bombas en línea o sistemas UIS/UPS.
• Rampa común (Common Rail): Tubo acumulador de alta presión que suministra combustible a todos los inyectores. En sistemas sin rampa común, son tuberías individuales de alta presión desde la bomba a cada inyector.
• Regulador de presión de alta: Mantiene la presión constante en la rampa. Puede estar en la bomba (control de entrada o salida) o en la rampa (válvula DRV).
• Sensor de presión de alta: Informa a la ECU de la presión en la rampa.
• Válvula de seguridad (o de sobrepresión): Protege el sistema contra presiones excesivas.
• Limitador de flujo o caudal (en algunos inyectores o en la rampa): Evita fugas excesivas en caso de fallo de un inyector.
• Sensor de temperatura del gasóleo: Puede estar en el circuito de baja o alta; la ECU lo usa para corregir la dosificación.
• Inyectores: Encargados de pulverizar el combustible en la cámara de combustión (descritos anteriormente).