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ISTP Regional del Sur -Mecánica Automotriz
Romao A.C Página 1
INSTITUTO SUPERIOR TECNOLOGICO PARTICULAR
“REGIONAL DEL SUR”
CARRERA PROFESIONAL DE MECANICA AUTOMOTRIZ
SISTEMAS DE INYECCIÓN EN MOTORES DIESEL
SISTEMA MODULAR: Mantenimiento de Motores de Combustión Interna.
Ing. Romao Alleri Cruz
SICUANI-2015
ISTP Regional del Sur -Mecánica Automotriz
Romao A.C Página 2
RESUMEN
El trabajo desarrollado en esta manual comienza analizando los principios básicos de
la inyección de combustible, los elementos esenciales que constituyen los sistemas de
inyección de combustible y sus tipos.
Nosotros como estudiosos de la tecnología mecánica actual no podemos ser ajenos a
conocer lo nuevo que tenemos en el mercado automotor y también en el rubro de
equipo pesado.
El ISTP Regional del Sur en su C.P de Mecánica Automotriz exige el conocimiento
básico de los motores y en este caso de los principios de funcionamiento del motor
DIESEL.
Posteriormente se analizan cada uno de los sistemas de inyección partiendo de los de
bomba en línea más tradicionales hasta los actuales más sofisticados y precisos como
el “common rail” que permiten alcanzar el nivel de prestaciones (potencia/litro,
consumo específico, emisiones gaseosas contaminantes, nivel de ruido, etc.) que el
mercado y/o la legislación actual, cada vez más restrictiva, requiere. Este análisis se
hace bajo una misma estructura: aplicaciones, principio de funcionamiento y sistemas
de control.
Finalmente se incluye un apartado a modo de conclusiones y aspectos que a parecer
mío podrían ser motivo de un trabajo de fin de grado para promociones posteriores.
Romao A.C
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ÍNDICE
1 Introducción
1.1 Planteamiento y objetivos del trabajo
1.2 Bosquejo histórico del motor Diesel
1.3 El motor diesel
2 Principios básicos de inyección del combustible
2.1 Tipos de cámara de combustión
2.1.1 Motores con cámara abierta (inyección directa)
2.1.2 Motores con cámara dividida (inyección indirecta)
2.2 Distribución de la mezcla
2.2.1 Factor de exceso de aire λ
2.2.2 Niveles de lambda en motores Diesel
2.3 Parámetros de inyección
2.3.1 Inicio de la inyección y suministro
2.3.2 Cantidad de combustible inyectado
2.3.3 Duración de la inyección
2.3.4 Curva de inyección
2.3.5 Presión de inyección
3 Sistemas de inyección de combustible
3.1 Función
3.2 Suministro de combustible (etapa de baja presión)
3.2.1 Depósito de combustible
3.2.2 Líneas de transporte
3.2.3 Filtro de combustible
3.2.4 Bomba de pre alimentación
3.2.5 Bomba de alimentación
3.3 Inyección (etapa de alta presión)
3.4 Tipos de sistemas de inyección
3.4.1 Sistemas con bomba de inyección en línea
3.4.2 Sistemas con bombas de inyección rotativas
3.4.3 Sistemas con bombas de inyección individuales
3.4.4 Sistemas de inyección Common-Rail
4 Sistemas con bomba de inyección en línea
4.1 Aplicaciones de las bombas de inyección en línea
4.2 Circuito de combustible
4.3 Bombas de alimentación
4.3.1 Bomba de alimentación de simple efecto
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4.3.2 Bomba de alimentación de doble efecto
4.4 Constitución
4.4.1 Elemento de bombeo
4.5 Funcionamiento de la bomba de inyección en línea tipo estándar PE
4.5.1 Funcionamiento de la regulación del caudal de combustible
4.5.2 Formas de las levas
4.6 Válvulas de descarga
4.6.1 Estrangulador de retroceso
4.7 Regulador de velocidad
4.7.1 Regulador de máxima velocidad
4.7.2 Regulador de mínima y máxima velocidad
4.7.3 Regulador de todas las velocidades
4.8 Variador de avance
4.8.1 Principio de funcionamiento
4.8.2 Variador de avance de excéntrica
4.9 Lubricación de la bomba
4.10 Puesta a punto de la bomba en el motor
5 Sistemas con bomba de inyección rotativa
5.1 Aplicaciones
5.2 Diseños
5.2.1 Control del caudal de inyección
5.2.2 Método de generación de alta presión
5.2.3 Tipo de sistema de control
5.3 Etapa de baja presión
5.3.1 Bomba de alimentación de paletas
5.3.2 Válvula reguladora de presión
5.3.3 Estrangulador de rebose
5.4 Bombas rotativas de émbolo axial VE
5.4.1 Diseño y funcionamiento
5.4.2 Discos de levas y formas de leva
5.4.3 Bomba VE con control de caudal por corredera
5.4.4 Bomba VE con control de caudal por electroválvula
5.5 Bombas rotativas de émbolos radiales VR
5.5.1 Diseño
6 Bombas de inyección individuales PF
6.1 Aplicaciones
6.2 Diseño y operación
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6.3 Control
7 Sistemas con inyector unitario (UIS)
7.1 Instalación y accionamiento
7.2 Diseño y construcción
7.3 Método de operación
7.3.1 Inyección principal
7.3.2 Preinyección
7.4 Electroválvula de alta presión
7.4.1 Diseño y construcción
Principio de operación
8 Sistemas con bomba unitaria (UPS)
8.1 Instalación y accionamiento
8.2 Diseño y construcción
9 Sistemas de inyección con acumulador “Common Rail”
9.1 Aplicaciones
9.2 Diseño y estructura
9.3 Componentes de la etapa de alta presión
9.3.1 Bomba de alta presión
9.3.2 Acumulador de alta presión
9.3.3 Sensor de presión
9.3.4 Válvula limitadora de presión
9.3.5 Válvula reguladora de presión
9.3.6 Inyector con electroválvula
9.3.7 Inyector piezoeléctrico integrado en la tubería
10 Toberas de inyectores
10.1 Toberas de inyector de tetón
10.2 Toberas de inyector de orificios
11 Regulación electrónica Diesel (EDC)
11.1 Sinopsis del sistema
11.1.1 Requisitos
11.1.2 Funcionamiento
11.1.3 Bloques del sistema
11.2 Procesamiento de datos
11.3 Control de la inyección
Conclusiones
Abreviaturas
Bibliografía
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1 INTRODUCCIÓN
1.1 Planteamiento y objetivos del Presente Trabajo
En el ámbito de los sistemas de producción de potencia los motores de combustión
interna alternativos encuentran su aplicación en:
-La generación de energía eléctrica (motores que accionan generadores eléctricos
desde potencias de menos de 1 kW hasta potencias de más de 80 MW).
-Los sistemas propulsivos (automoción, vehículos agrícolas y de obras públicas,
marítima, ferroviaria, aérea).
-Otras aplicaciones (motobombas, motosierras, otras herramientas motorizadas, etc.).
A partir de los años cincuenta del pasado siglo comienza en el estado de California la
preocupación por las emisiones gaseosas de los motores de combustión interna
alternativos de automoción y aparecen las primeras normativas para su regulación en
dicho estado. Posteriormente, estas normativas se extienden al resto de EEUU y otros
países como Japón y más tarde a Europa. Las sucesivas crisis del petróleo de 1973 y
la de 1979 y la preocupación asociada por el posible agotamiento del petróleo, así
como por la contaminación atmosférica conduce el desarrollo de los motores, no ya
sólo en el campo de la automoción sino también en otros campos, por el camino de la
mejora integral de todas sus prestaciones no sólo de la potencia específica (kW/l),
como había sido hasta entonces, si no también del consumo específico y de las
emisiones gaseosas y sonoras. Así, la normativa que regula estos parámetros ha ido
haciéndose cada vez más restrictiva y ha supuesto un gran reto para la industria del
motor ya que la reducción conjunta de estos parámetros (consumo y emisiones
gaseosas y sonoras) y aumento de la potencia específica es un objetivo difícil de
conjugar.
En esta hoja de ruta, la dieselización de la potencia instalada con motores alternativos
a nivel mundial ha crecido sobremanera en las últimas décadas del pasado siglo y en
lo que va de éste.
Esta dieselización, en el contexto expresado anteriormente, ha supuesto un acicate
notabilísimo en el desarrollo y mejora del diseño de estos motores en todas sus
aplicaciones.
Como es sabido, a causa del principio de funcionamiento de los motores diesel, el
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proceso de combustión y por ende el sistema de formación de mezcla, del que
depende fuertemente aquél, es de vital importancia.
Este trabajo se circunscribe en este contexto y trata de completar e integrar la
formación del autor en este campo. No trata por tanto de presentar nada nuevo si no
de tratar de manera estructurada los sistemas de inyección de los motores diesel
recopilando lo publicado en distintas referencias bibliográficas e integrándolo en un
cuerpo de doctrina con un hilo conductor. Los objetivos del trabajo pueden resumirse
en dos puntos.
- Realizar una revisión ordenada e integral de los sistemas de inyección de los
motores diesel (parámetros que los caracterizan, principio de funcionamiento,
elementos esenciales, control) desde los más simples a los actuales más sofisticados
y precisos.
- Plasmar esta revisión en un documento que sirva para ampliar el conocimiento de
los alumnos de Grado en el campo de los motores diesel de una manera sintetizada y
estructurada.
1.2 Bosquejo histórico del motor Diesel
El motor de encendido por compresión nace el 27 de febrero de 1892 cuando el
ingeniero alemán Rudolf Diesel, a quien debe su nombre este motor, presenta en
Berlín su patente.
Diesel llevaba años trabajando en su proyecto de un motor más eficiente que el
utilizado hasta la época, la máquina de vapor, cuyo rendimiento energético era
aproximadamente del 10%. Su idea era crear un motor basado en el ciclo isotérmico
que, de acuerdo a la teoría del físico francés Sadi Carnot, podría operar con una
eficiencia en torno al 90%.
Así, Diesel desarrollo su motor inicialmente en papel, basado en el modelo de Carnot.
Este nuevo motor sería comparativamente más pequeño y potente. Diesel estaba
convencido de la potencia y funcionalidad de su motor.
El 23 de febrero de 1893, Diesel recibe el documento oficial de su patente “Nuevo
motor térmico racional”. Unos meses más tarde alcanza un convenio con el fabricante
de motores MAN (Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg). Su proyecto requería
alcanzar una presión máxima de compresión de 250 bar, pero por razones mecánicas
tuvo que reducirse a 30 bar, lo que naturalmente tendría un efecto perjudicial en la
combustión. Su primera idea era utilizar carbón pulverizado como combustible. Ese
mismo año comienzan la construcción del motor, finalmente utilizando como
combustible el queroseno.
En 1897, con su tercer modelo ensayado, consiguieron demostrar la alta eficiencia de
este motor, un 26.2%. En este modelo el combustible se introducía en el cilindro
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mezclado con aire mediante un compresor.
A finales del siglo XIX, el motor de Diesel ya se utilizaba en la industria y en algunas
locomotoras. En 1903 se construyó el primer barco movido por un motor diesel. Sin
embargo, este motor aún no se podía utilizar en vehículos por ser demasiado grande,
pesado y ruidoso, debido principalmente a la compleja instalación que requería el
sistema utilizado para inyectar el combustible.
En 1922, el técnico alemán Robert Bosh decidió desarrollar su propio sistema de
inyección para motores Diesel. En 1925 consiguió culminar su proyecto con la bomba
de inyección en línea y en 1927 comenzó la fabricación en serie de ésta.
La bomba inyectora diseñada por Bosch permitió el uso por primera vez del motor
diesel en vehículos. El primero fue un camión fabricado por MAN. Este llevaba un
sistema de inyección directa al cilindro, lo que provocaba que el motor tuviera una
mala combustión con excesivas vibraciones y ruidos.
No fue hasta 1936 cuando se fabricó por primera vez un coche propulsado por un
motor diesel, el Mercedes-Benz 260D. Conseguía dar una potencia de 33 kW (45 CV)
con un consumo de 9.5 l/100km. Este motor tenía como novedad la inyección en una
cámara de precombustión. Con esto se consiguió mejorar la combustión y reducir
el ruido del motor, haciendo factible su uso en la automoción.
La bomba de inyección en línea fue el sistema de inyección utilizado en los motores
diesel durante muchos años. A medida que se desarrollaba el campo de la automoción
se hacía cada vez más preciso desarrollar un sistema de inyección más avanzado,
pues la bomba en línea no conseguía dar al motor la aceleración y respuesta
suficientes para poder competir contra los motores de gasolina de la época. Así en
1962 Bosch creó un nuevo prototipo de bomba inyectora que conseguía satisfacer
estos requisitos, la bomba rotativa.
El desarrollo de las bombas rotativas, debido principalmente a la incorporación de la
electrónica y el aumento de la presión de inyección, hizo que los automóviles con
motor Diesel fueran ganando cada vez más peso en el mercado.
El desarrollo de los sistemas de inyección ya no solo estaba impulsado por mejorar el
rendimiento del motor. También debía hacer frente a las restricciones sobre emisiones
contaminantes, cada vez más exigentes.
En la actualidad existen sistemas que son capaces de controlar la inyección de forma
totalmente electrónica, con presiones de inyección muy elevadas. Solo así se
consigue cumplir la legislación vigente sobre emisiones.
Con el desarrollo de los sistemas de inyección y la incorporación del uso del
turbocompresor, los automóviles con motor Diesel han conseguido prácticamente
igualar en prestaciones a los de gasolina. Por esto y su mayor eficiencia, el Diesel está
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cada vez más extendido y en los últimos años ha llegado a superar en ventas a los
automóviles con motor de gasolina.
1.3 El motor diesel
El motor diesel es un motor de combustión interna alternativo de encendido por
compresión. La combustión de la mezcla se inicia por el autoencendido del
combustible que tras ser inyectado en la cámara de combustión al final de la fase de
compresión se ha evaporado y mezclado con el aire.
Los motores Diesel son los motores de combustión interna alternativos más eficientes,
pudiendo sobrepasar un rendimiento del 50% en el caso de los grandes motores
lentos.
El menor consumo de combustible tiene como resultado un menor nivel de
contaminación, esto destaca la importancia del motor diesel.
Pueden ser diseñados para trabajar con un ciclo de 2 o de 4 tiempos dependiendo de
su aplicación. En la automoción casi siempre se usa el de 4 tiempos; las principales
aplicaciones del de 2 tiempos son en el campo naval y el ferroviario, y en los motores
estacionarios para la generación de energía eléctrica. El mayor motor de combustión
interna alternativo existente es un motor diesel de 2 tiempos sobrealimentado de 14
cilindros con una potencia que supera los 80 MW y un rendimiento superior al 50%
(Wärtsilä RT-flex 96C).
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2 PRINCIPIOS BÁSICOS DE INYECCIÓN DEL COMBUSTIBLE
El proceso de combustión en el motor diesel que influye fuertemente en factores tales
como el rendimiento, las emisiones de los gases de escape y el nivel de ruido,
depende en gran medida de cómo se prepara la mezcla aire-combustible.
Los parámetros de la inyección más influyentes en la calidad de la mezcla formada
son principalmente:
• Inicio de la inyección
• Curva de inyección y duración de la inyección
• Presión de inyección
• Número de inyecciones
En los motores diesel, los gases de escape y el ruido de la combustión, se pueden
reducir en gran parte con medidas dentro del motor, es decir, controlando el proceso
de combustión.
Hasta la los años 1980 la cantidad de combustible inyectado y el inicio de la inyección
eran controlados únicamente de forma mecánica. Sin embargo, el compromiso con la
limitación de emisiones requiere una alta precisión de los parámetros de inyección
(pre-inyección, inyección principal, cantidad de combustible inyectada, presión de
inyección y comienzo de la inyección) adaptados al estado de operación del motor.
Esto sólo es posible utilizando una unidad de control electrónico ECU (Electronic
Control Unit) que calcula los parámetros de inyección en función de otros parámetros
externos como: temperatura, velocidad del motor, carga, altitud, etc. El control
electrónico EDC (Electronic Diesel Control) se ha extendido de forma general en los
motores diesel.
Las normativas sobre emisiones de los gases de escape en el futuro serán cada vez
más estrictas, por lo que habrá que introducir más medidas para minimizar la
contaminación. Las emisiones, además del ruido de la combustión, pueden continuar
reduciéndose usando presiones de inyección más altas, como las que se consiguen
con el sistema bomba-inyector unitario UIS (Unit Inyector System), y con una curva
inyección ajustable independientemente de la presión de acumulación, como ocurre en
el sistema common-rail.
2.1 Tipos de cámara de combustión
La forma de la cámara de combustión es uno de los factores determinantes en la
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calidad de la combustión y, por tanto, del rendimiento del motor y las características de
los gases de escape. Con el diseño adecuado de la cámara de combustión y el
movimiento del pistón se puede conseguir crear turbulencias en el interior del cilindro y
así mejorar la formación de la mezcla aire/combustible.
Según el diseño de la cámara de combustión, los motores se dividen en dos tipos:
• Motores con cámara de combustión abierta o de inyección directa (el
combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión).
• Motores con cámara de combustión dividida o de inyección indirecta (la inyección
tiene lugar en la precámara o cámara de turbulencia).
2.1.1 Motores con cámara abierta (inyección directa)
Una cámara de combustión abierta es aquella en la que el espacio de combustión no
contiene restricciones suficientemente pequeñas como para producir diferencias
grandes de presión entre partes diferentes de la cámara durante el proceso de
combustión.
En la cámara abierta la formación de la mezcla aire/combustible depende únicamente
de las características del chorro y del movimiento del aire dentro del cilindro. Por este
motivo, este tipo de motores son muy sensibles a la pulverización del combustible, que
debe ajustarse con precisión para asegurar una mezcla rápida. La formación de la
mezcla se ve favorecida por el uso de altas presiones de inyección y la subdivisión del
chorro. En el caso de los motores de gran velocidad (cilindros pequeños), se favorece
el proceso de mezcla mediante la creación de swirl (movimiento de remolino
provocado por la inercia del aire que entra al cilindro (Figura 1, segunda imagen)) y
squish (movimiento del aire al entrar en el hueco del cilindro, donde se reduce el
diámetro de la cámara). El movimiento del aire favorece la homogeneización de la
mezcla y acelera el proceso de combustión.
En los motores de mayor tamaño, la cantidad de movimiento y la energía del chorro
son suficientes para alcanzar una distribución del combustible y velocidad de mezcla
adecuadas.
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Figura 1. Tipos frecuentes de cámaras de combustión abiertas de motores de encendido por
compresión, (Heywood)
2.1.2 Motores con cámara dividida (inyección indirecta)
Una cámara de combustión dividida es aquella en la que el espacio de combustión se
halla dividido en dos compartimentos distintos, entre los que hay un estrechamiento
suficientemente pequeño para que existan diferencias apreciables de presión entre
ellos durante el proceso de compresión y combustión.
A la parte de la cámara en la que se encuentra el pistón se le conoce por el nombre de
cámara principal y a la otra con el nombre de precámara o antecámara.
En este tipo de cámara de combustión la homogeneización de la mezcla está
fundamentalmente encomendada al propio fluido, como consecuencia de la importante
turbulencia que aparece durante el tránsito del fluido, a través del estrechamiento. El
sistema de inyección juega en este caso un papel secundario, siendo, en general el
inyector de orificio único e inyectado el combustible en la precámara a una presión
comparativamente baja.
Durante la compresión el aire se introduce en la precámara, generándose turbulencia
a su paso a través del orificio de comunicación entre la cámara principal y la
precámara. Al inyectarse el combustible en la precámara la turbulencia favorece la
mezcla.
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Figura 2. Cámaras de combustión divididas típicas de motores de encendido por
compresión: a) con cámara arremolinadora Ricardo Comet; b) con precámara Mercedes,
(Heywood)
Las cámaras de combustión divididas han sido muy utilizadas en los motores de
automóvil y maquinaria agrícola e industrial de pequeña o media cilindrada, ya que
con los sistemas de inyección tradicionales era la única forma de reducir las emisiones
de ruido y gases contaminantes. Con el desarrollo de los sistemas de inyección
(mayor presión de inyección y precisión) se ha podido implantar en estos motores la
inyección directa, que ya se usaba desde un principio en los motores de gran
cilindrada, consiguiendo un mejor rendimiento.
2.2 Distribución de la mezcla
2.2.1 Factor de exceso de aire λ
El factor de exceso de aire λ (lambda) indica el grado en que la mezcla
aire/combustible se desvía de la relación másica estequiométrica. Se calcula como la
relación entre la masa de aire introducida y la masa de aire requerida para la
combustión estequiométrica:
λ=masa aire real/masa aire teorico
• λ = 1: La masa de aire introducida es igual a la masa de aire teórica requerida
para la combustión completa de todo el combustible inyectado.
• λ < 1: La masa de aire introducida es menor que la cantidad requerida y por lo
tanto se tiene una mezcla rica.
• λ > 1: La masa de aire introducida es mayor que la cantidad requerida y por lo
tanto se tiene una mezcla pobre.
2.2.2 Niveles de lambda en motores Diesel
Las zonas en las que hay una mezcla rica son las responsables de la formación de
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partículas durante la combustión. Para prevenir esto, en los motores Diesel (al
contrario de lo que ocurre en los de gasolina) tienen que funcionar con un exceso de
aire.
Los niveles de lambda en motores sobrealimentados a plena carga se encuentran
entre 1,15 y 2,0. En ralentí y en vacío, lambda se encuentra por encima de 10.
El factor de exceso de aire es el principal responsable del autoencendido y de la
formación de gases contaminantes.
Los motores Diesel operan con formación de mezcla heterogénea y autoencendido.
No es posible lograr una mezcla completamente homogénea de combustible y aire
antes o durante la combustión. Dentro de esa mezcla heterogénea el factor de exceso
de aire puede variar de forma localizada desde X=0 (solo combustible) en el chorro
cerca del inyector, hasta X=infinito (solo aire) en el otro extremo del chorro. Alrededor
una gota de líquido envuelta en vapor, los niveles de X se encuentran entre 0,2 y 1,5
(Figuras 3 y 4). Por esto, se puede deducir que mejorando la atomización (alto número
de gotas muy pequeñas), con alto exceso de aire y el movimiento adecuado del flujo
de aire, se consigue reducir las zonas localizadas con bajo lambda. Esto da como
resultado menos formación de partículas durante la combustión.
La atomización se consigue optimizar con altas presiones de inyección de hasta 2200
bar que se consiguen con los sistemas Common Rail y con inyector-bomba.
Por otro lado, se trata de obtener la máxima potencia posible de un motor de un cierto
tamaño, o lo que es lo mismo, reducir su tamaño para una determinada potencia, y así
reducir su peso y coste. Para esto el motor debe funcionar con el mínimo exceso de
aire posible a plena carga. Esto lleva a buscar el óptimo que cumpla con las emisiones
máximas permitidas por la legislación vigente obteniendo el máximo rendimiento
posible del motor.
Figura 3. Curva relación aire/combustible en una gota estática (Robert Bosch)
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a Low relative velocity b High relative velocity
1 Fíame zone 2 Vapor envelope 3 Fuel droplet 4 Air flow
Figura 4. Curva relación aire/combustible en una gota en movimiento (Robert Bosch)
2.3 Parámetros de inyección
2.3.1 Inicio de la inyección y suministro
Inicio de la inyección
El punto en el que se inyecta el combustible dentro de la cámara de combustión tiene
un efecto decisivo sobre el instante en el que se inicia la combustión de la mezcla, y
por lo tanto, sobre el nivel de emisiones, el consumo de combustible y el ruido de la
combustión. Por este motivo, el inicio de la inyección juega el papel más importante en
la optimización del rendimiento del motor.
El inicio de la inyección especifica la posición del cigüeñal, en grados con respecto a la
posición del mismo en el PMS (Punto Muerto Superior), en la que abre la tobera del
inyector y se inyecta el combustible dentro de la cámara.
La posición del pistón relativa al PMS en ese momento, además de la densidad y
temperatura del aire, influye en el flujo de aire dentro de la cámara de combustión. De
acuerdo a esto, el grado de mezcla de aire y combustible depende también del inicio
de la inyección. Por tanto, el inicio de la inyección afecta a las emisiones de elementos
como partículas, óxidos de nitrógeno (NOx), hidrocarburos inquemados (HC) y
monóxido de carbono (CO).
El punto de inicio de inyección varía de acuerdo a la carga, la velocidad y la
temperatura del motor. Para cada motor se determinan unos valores optimizados,
teniendo en cuenta su impacto sobre el consumo de combustible, las emisiones
contaminantes y el ruido. Estos valores se almacenan en un mapa de inicio de
inyección (Figura 5). La variación del inicio de inyección dependiendo de la carga se
controla también a través de dicho mapa.
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Comparado con los sistemas controlados por leva, el common-rail ofrece un mayor
grado de libertad para elegir la cantidad, el instante y la presión de inyección. Como la
presión del combustible se genera por una bomba de alta presión separada y la
inyección se controla por un solenoide o un actuador piezoeléctrico, es posible
optimizar la inyección para cada punto de operación con el sistema de control del
motor.
Valores estándar para el inicio de la inyección
En un mapa de datos de un motor diesel, los puntos óptimos de inicio de la
combustión para reducir el consumo de combustible se encuentran en el rango de 0 a
8 grados del cigüeñal antes del PMS. Como resultado, y en base a los límites legales
de emisiones de los gases de escape, los puntos de inicio de inyección se sitúan en
los siguientes rangos orientativos:
Motores de automóvil de inyección directa:
• En vacío: entre -2 y 4º (2 grados en el cigüeñal antes del PMS y 4 grados después
del PMS)
• Carga parcial: entre -6 y 4º
• Plena carga: entre -15 y -6º
Motores de vehículos comerciales (sin EGR)
• En vacío: entre -12 y -4º
• Plena carga: entre -6 y 2º
Cuando el motor esta frío, el inicio de la inyección tanto para motores de automóvil
como de vehículos comerciales se adelanta ente 3 y 10º. El tiempo de la combustión a
plena carga equivale a un ángulo de giro del cigüeñal de entre 40 y 60º.
Inicio de la inyección avanzado
La mayor temperatura alcanzada durante la compresión se da un poco antes del PMS
del pistón. Si la combustión se inicia mucho antes del PMS, la presión crece
bruscamente y actúa como una fuerza que se opone a la carrera de ascenso del
pistón. La pérdida de calor en el proceso disminuye la eficiencia del motor y, por tanto,
aumenta el consumo de combustible. La elevación brusca de la presión de compresión
hace también que la combustión sea más ruidosa.
El mayor incremento de temperatura como consecuencia del inicio de inyección
avanzado tiene como consecuencia un aumento de los niveles de NOx en los gases de
escape y reducción de los HC (Figura 6).
Inicio de la inyección retardado
En condiciones de baja carga, el inicio de la inyección retardado puede dar como
resultado una combustión incompleta y, por tanto, un incremento en las emisiones de
hidrocarburos inquemados y de monóxido de carbono, ya que la temperatura en la
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cámara de combustión desciende notablemente.
El compromiso para compensar, por un lado, el consumo especifico de combustible y
las emisiones de hidrocarburos, y por el otro, las emisiones de partículas y NOx, hacen
que la tolerancia sea muy pequeña cuando se modifica el inicio de inyección para
ajustarlo a un determinado motor (Figura 6).
Figura 5. Inicio de la inyección en función de la velocidad del motor y la carga, (Robert Bosch)
Figura 6. Emisiones de NOx y HC en función del inicio de inyección, (Robert Bosch)
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Comienzo del suministro
Además del inicio de la inyección, el inicio del suministro es otro aspecto que a
menudo hay que considerar. Esto se refiere al punto en el que la bomba de inyección
comienza a suministrar combustible al inyector.
En los sistemas de inyección antiguos, el inicio del suministro juega un papel
importante a la hora de ajustar una bomba en línea o rotativa a un determinado motor.
La sincronización entre la bomba y el motor se fija al inicio del suministro, ya que éste
es más fácil de definir que el punto real de inicio de inyección, el cual tiene lugar con
un cierto retraso con respecto al inicio del suministro (injection lag). Se puede fijar de
esta forma porque hay una relación definida entre ambos, que se puede medir por
tiempo o por el ángulo barrido por el cigüeñal.
El retraso de la inyección es el resultado del tiempo que tarda la onda de presión en
recorrer el trayecto entre la bomba de alta presión y la tobera del inyector, y por lo
tanto, depende de la longitud de la línea. Para distintas velocidades del motor, el
retraso de la inyección medido en ángulos del cigüeñal es distinto.
Además del retaso en la inyección también existe un retraso en el autoencendido
después del instante en que se inyecta el combustible (ignition lag). También se hace
mayor, medido en ángulo barrido por el cigüeñal, a medida que aumenta la velocidad
de giro del motor.
Para compensar ambos efectos el sistema de inyección debe ser capaz de ajustar el
inicio del suministro en respuesta a la velocidad, la carga y la temperatura del motor.
2.3.2 Cantidad de combustible inyectado
La masa de combustible, me que requiere un cilindro del motor por cada carrera de
trabajo (una cada dos revoluciones en el caso de los motores de 4 tiempos) se calcula
usando la siguiente ecuación:
Dónde:
P = potencia del motor [kW]
be = consumo especifico de combustible del motor [g/kWh]
n = velocidad de giro del motor [rpm]
z = número de cilindros del motor
El volumen correspondiente (cantidad de combustible inyectado), QH se calcula con la
ecuación:
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ρ es la densidad del combustible en gr/cm3 , que depende de la temperatura.
La potencia del motor, asumiendo que el rendimiento es constante es directamente
proporcional a la cantidad de combustible inyectado.
La masa de combustible inyectado depende de los siguientes parámetros:
• Dosificación de combustible a través de la sección de la tobera del inyector
• Duración de la inyección
• La variación temporal de la diferencia entre la presión de inyección y la presión en
la cámara de combustión
• La densidad del combustible
La desviación entre la cantidad de combustible de referencia programada en el mapa y
la cantidad real inyectada, influye directamente sobre el rendimiento y las emisiones
contaminantes. En los sistemas de inyección de alta precisión controlados
electrónicamente, la cantidad requerida de combustible a inyectar se puede medir con
un alto grado de precisión.
2.3.3 Duración de la inyección
Uno de los principales parámetros de la curva inyección es la duración de la inyección.
Durante este periodo, la tobera del inyector está abierta y el combustible fluye dentro
de la cámara de combustión. Este parámetro se especifica en grados del cigüeñal o
del árbol de levas, o en milésimas de segundo. Diferentes procesos de inyección
requieren diferentes duraciones de la inyección, como por ejemplo:
• En automóviles con motores de inyección directa la duración es de
aproximadamente 32-38º de giro del cigüeñal
• En automóviles con motores de inyección indirecta, aproximadamente 35-40º
• En vehículos comerciales con motores de inyección directa, aproximadamente entre
25-36º
Un ángulo de 30º en el cigüeñal equivale a 15º en el árbol de levas (motores de 4
tiempos). Una velocidad de 2000 rpm en la bomba inyectora, equivale a una duración
de la inyección de 1,25 ms.
Con el objetivo de minimizar el consumo de combustible y las emisiones, la duración
de la inyección debe ser definida en función del punto de operación y del inicio de la
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Romao A.C Página 20
inyección. En la Figura 7 se muestra aproximadamente el efecto del inicio y la
duración de la inyección sobre el consumo de combustible y las principales emisiones
contaminantes.
Figura 7. Consumo de combustible y principales emisiones en función de la
duración y el inicio de la inyección, (Robert Bosch)
2.3.4 Curva de inyección
La curva de inyección representa gráficamente el flujo másico de combustible frente al
tiempo en el que es inyectado en la cámara de combustión (Figura 8).
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Figura 8. Curvas de inyección de un sistema de convencional (izquierda) y de un sistema Common
Rail (derecha), (Robert Bosch)
Sistemas controlados por leva
En los sistemas de inyección de combustible controlados por leva, la presión se
genera continuamente a lo largo del proceso por la bomba inyectora. Así, la velocidad
de la bomba repercute directamente en la tasa de suministro de combustible y, por
tanto, en la presión de inyección.
Las bombas inyectoras en línea y las bombas rotativas controladas mecánicamente no
permiten realizar una preinyección. Sin embargo, con un montaje de tobera y porta
inyector con dos muelles, se puede reducir el caudal al inicio de la inyección para
mejorar el ruido de la combustión.
Sí es posible la preinyección en las bombas rotativas controladas por electroválvulas.
También hay sistemas con unidad bomba-inyector equipada con control hidráulico y
mecánico que permiten la preinyección, pero con un límite de tiempo.
En todo caso, en estos sistemas, la generación de presión y el suministro de la
cantidad de combustible inyectado están vinculados con la leva y la bomba inyectora.
Esto repercute en las características de la inyección en:
• Al aumentar la velocidad del motor, se incrementa la presión de inyección y la
cantidad de combustible inyectado, hasta alcanzar la presión máxima.
• La presión se eleva al inicio de la inyección, pero antes del final de la inyección, en
el instante en que termina el suministro, desciende hasta llegar al valor en el que
cierra la tobera.
Eso tiene las siguientes consecuencias:
• Se inyectan pequeñas cantidades de combustible a baja presión.
• La curva de inyección tiene una forma aproximadamente triangular.
La curva triangular favorece la combustión en régimen de carga parcial y baja
velocidad del motor, ya que la elevación de la presión en la cámara de combustión es
menos pronunciada y esto hace que la combustión sea más silenciosa; sin embargo
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Romao A.C Página 22
esta curva no favorece la combustión a plena carga, donde se consigue un
funcionamiento más eficiente con una curva con forma más cuadrada.
En los motores de inyección indirecta (con pre-cámara), se utilizan inyectores de tetón
para producir un único chorro y definir la curva de inyección. Este tipo de toberas de
inyección controla la sección transversal de salida en función de la elevación de una
aguja. Esto provoca un incremento de presión gradual y, por tanto, una combustión
algo más silenciosa.
Sistemas common-rail
En estos sistemas una bomba genera la presión necesaria en el combustible
independientemente del ciclo de inyección. Esta presión se mantiene prácticamente
constante durante el proceso de inyección. En un sistema con una determinada
presión, la cantidad de combustible inyectado es proporcional al tiempo que el inyector
permanece abierto, y esto es independiente de la velocidad del motor o de la bomba.
Esto tiene como resultado una curva de inyección casi cuadrada con inyecciones de
corta duración y casi constantes, con altas velocidades de pulverización a plena carga
que permiten incrementar la potencia especifica del motor.
Sin embargo, un alto caudal al principio de la inyección (durante el retraso de
encendido) no es beneficioso, en el sentido en que hace que la presión en la cámara
de combustión crezca bruscamente y el proceso de combustión sea más ruidoso. Por
eso, como la inyección se puede controlar de forma precisa, se pueden realizar hasta
dos preinyecciones. Con esto se consigue pre acondicionar la cámara de combustión,
haciendo que la presión crezca de forma más progresiva, reduciendo el tiempo de
retraso de la inyección y, por tanto, consiguiendo reducir al mínimo el ruido de la
combustión y la formación de NOx.
Esto es posible debido al control electrónico sobre los inyectores que permite variar la
curva de inyección en función de las condiciones de operación.
Funciones de la inyección
Dependiendo de la aplicación para la que esté destinado el motor, se requieren las
siguientes funciones (Figura 9):
• Pre-inyección (1): reduce el ruido de la combustión y las emisiones de NOx,
especialmente en los motores de inyección directa.
• Gradiente positivo de inyección durante la inyección principal (3): reduce
emisiones de NOx en motores sin válvula EGR.
• Gradiente de presión en dos etapas (4): durante la inyección principal reduce las
emisiones de NOx y partículas en motores sin EGR.
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• Alta presión constante durante la inyección principal (3,7): reduce las emisiones de
partículas durante la operación en motores con EGR.
• Inyección secundaria avanzada (8): reduce las emisiones de partículas.
• Inyección secundaria avanzada (9).
Figura 9. Patrones de inyección (Robert Bosch)
Pre-inyección
Consiste en la inyección de una pequeña cantidad de combustible (aprox. 1 mg), que
se quema durante la fase de compresión. Con esto se consigue que aumente la
presión y la temperatura en el punto en el que se produce la inyección principal, con lo
cual se reduce el retardo de encendido de la inyección principal. Se reduce el aumento
de la presión de combustión y los picos de presión, lo que se traduce en una
combustión más suave y menos ruido del motor. Esto además tiene un efecto positivo
sobre la reducción del consumo y de las emisiones contaminantes (NOx
fundamentalmente).
La inyección previa contribuye indirectamente, a la generación de par motor, mediante
la reducción del retardo de encendido. En función del comienzo de la inyección
principal y de la separación entre la inyección previa y la inyección principal, puede
aumentar o disminuir el consumo específico de combustible.
Por otro lado, las altas temperaturas en la cámara de combustión son favorables para
el arranque en frio y cuando el motor trabaja en el rango de baja carga, ya que
estabilizan la combustión y reducen las emisiones de HC y CO.
De nuevo se presenta un compromiso entre la reducción de ruido y de las emisiones
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de NOx, lo que hace que haya que ajustar el intervalo entre pre-inyección e inyección
principal, y la cantidad de combustible pre-inyectado en función del punto de
operación.
Figura 10. Efecto de la preinyección en la presión de la cámara de
combustión, (Robert Bosch)
Inyección secundaria retardada
Esta fase trascurre tras la inyección principal, durante la carrera de expansión o de
escape (hasta 200º del cigüeñal después del PMS). Se inyecta una cantidad precisa
de combustible en los gases de escape. El combustible inyectado en esta etapa no
combustiona, pero se evapora por el calor residual de los gases de escape. La mezcla
resultante se expulsa durante la carrera de escape.
La combustión de los hidrocarburos de esta mezcla genera también un incremento de
la temperatura de los gases de escape por la oxidación en el acumulador catalítico.
Esta medida tiene como objetivo regenerar el filtro de partículas y el acumulador de
NOx.
Inyección secundaria avanzada
En los sistemas common-rail, la inyección secundaria transcurre directamente
después de la inyección principal cuando aún se está produciendo la combustión. Esto
hace que se quemen las partículas de hollín, consiguiendo reducir estas emisiones
entre un 20 y un 70%.
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Características del “timing” de los sistemas de inyección
La figura 11 representa un ejemplo de una bomba rotativa de émbolos radiales. La
posición de la leva determina el inicio del suministro, cuando el combustible sale
desde la bomba hacia el inyector. Se observa que la presión y los parámetros de
inyección varían notablemente entre la bomba y el inyector. Estos parámetros están
determinados por las características de los componentes que controlan la inyección
(leva, bomba, válvula de alta presión, tuberías y toberas). Por este motivo, el sistema
de inyección debe ser ajustado con precisión a cada motor.
Estas características son similares en todos los sistemas de inyección
en los que la presión es generada por un
émbolo (bombas de inyección en línea, inyectores
unitarios y bombas unitarias).
Volumen perjudicial en sistemas de inyección
convencionales
El término “volumen perjudicial” se refiere al volumen en
el lado de alta presión de los sistemas de inyección (lado
de alta presión de la bomba inyectora, tuberías de alta
presión y el volumen del interior de la tobera y el porta
inyector. En cada inyección, este volumen es
comprimido y descomprimido. Como resultado de esto,
hay una pérdida de compresión y por lo tanto retraso de
la inyección. El combustible que se encuentra en las
tuberías es comprimido por el proceso dinámico
generado por la onda de presión. En la Figura 11,
representa el tiempo que tarda el combustible en pasar a
través de la línea.
Cuanto mayor sea este volumen, peor será la eficiencia
hidráulica del sistema de inyección. Por eso, cuando se
diseña un sistema de inyección la principal
consideración es reducir el volumen perjudicial lo
máximo posible. Los sistemas con inyector unitario o
inyector-bomba son los que tienen menor volumen
perjudicial, ya que se elimina el volumen de la tubería
entre a bomba y el inyector.
Para garantizar el control uniforme del motor, el volumen
perjudicial debe ser igual para todos los cilindros.
Figura 11. Patrones de inyección en sistemas de accionamiento por leva
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2.3.5 Presión de inyección
La presión generada en el sistema de inyección tiene como finalidad que el
combustible salga del inyector en forma de chorro. Un sistema con alta presión de
inyección consigue que el chorro salga más pulverizado. La colisión del combustible
pulverizado con el aire en el interior de la cámara de combustión causa la atomización
del combustible. Así, cuanto mayor sea la velocidad relativa entre el combustible y el
aire, y mayor sea la densidad del aire, mejor será la atomización del combustible. La
presión de inyección en la tobera puede ser mayor que a la salida de la bomba, debido
que en el tramo de tubería se refleja la onda de presión.
Motores de inyección directa (DI)
En los motores Diesel de inyección directa, la velocidad del aire en la cámara de
combustión es relativamente lenta, ya que sólo se mueve a causa del momento de
inercia de su masa. Esto genera un movimiento en forma de remolino dentro del
cilindro (swirl). La carrera de compresión del pistón intensifica el movimiento del aire
dentro del cilindro al forzarlo a entrar en el hueco del pistón, de menor diámetro que el
cilindro (squish). A pesar de esto, en movimiento del aire el menor que en los motores
con cámara dividida.
Debido al menor flujo de aire, el combustible debe ser inyectado a mayor presión (la
presión máxima de pico puede estar entre 1000 y 2200 bar). Sin embargo, a
excepción de los sistemas Common Rail, esa presión máxima de pico sólo se alcanza
a altos regímenes
de giro del motor.
Un factor decisivo para obtener una curva de par ideal con bajo nivel de emisiones de
partículas, es conseguir inyectar el combustible a alta presión cuando el motor
funciona a baja velocidad y plena carga. Como la densidad del aire a baja velocidad es
relativamente baja, se debe limitar la presión máxima de inyección para evitar la
deposición del combustible en las paredes del cilindro. Por encima de las 2000 rpm
aproximadamente se llega a la máxima presión del aire de entrada, y la presión de
inyección se puede incrementar.
Para obtener la máxima eficiencia del motor, el avance de la inyección de debe ajustar
en función de la velocidad del motor. A altas velocidades del motor se requiere una
presión de inyección alta para poder acortar la duración de la inyección.
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Figura 12. Influencia del inicio y de la presión de inyección en el consumo de combustible y en las
emisiones de partículas y NOx, (Robert Bosch)
Motores con inyección indirecta (IDI)
En los motores diesel con cámara de combustión dividida, la elevación de presión
durante la combustión expulsa la carga fuera de la precámara o cámara de
turbulencia, asemejándose a una inyección neumática. Este proceso transcurre a alta
velocidad en la cámara de turbulencia y en su salida a la cámara de combustión
principal.
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3 SISTEMAS DE INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE
3.1 Función
El sistema de inyección es el responsable de suministrar el combustible al motor. Se
compone de una etapa de baja presión y otra de alta, en la que se encuentra la bomba
inyectora; ésta genera la presión de inyección requerida y suministra el combustible al
circuito de alta presión. A su vez, la bomba inyectora es alimentada a través del
circuito de baja presión, encargado de transportar el combustible desde el depósito y
filtrarlo para garantizar que entre en el circuito de alta presión libre de impurezas y
humedad.
3.2 Suministro de combustible (etapa de baja presión)
La función del sistema de suministro de combustible (también denominado sistema de
alimentación) es almacenar y filtrar el combustible requerido y abastecer de éste al
sistema de inyección a la presión de operación requerida. Además se encarga del
retorno del combustible sobrante al depósito de combustible y, en algunos casos, la
refrigeración de éste antes de devolverlo al depósito.
El sistema de alimentación puede variar dependiendo del tipo de sistema de inyección
y las características de la bomba inyectora. A continuación de relacionan los
componentes esenciales del sistema, que más adelante serán descritos
detalladamente.
- Depósito de combustible
- Bomba de pre alimentación (opcional, puede ir en el interior del depósito de
combustible)
- Filtro preliminar (situado en el interior del depósito de combustible, por donde se
aspira el combustible)
- Unidad de refrigeración del combustible de retorno (opcional)
- Filtro principal de combustible
- Bomba de alimentación de combustible (baja presión)
- Válvula limitadora de presión (suele ir integrada en la bomba de alimentación)
- Conductos de baja presión
- Unidad de control
En sistemas de inyección con bomba rotativa y en algunos casos en sistemas
Common Rail, la bomba de alimentación de combustible está integrada en la bomba
de alta presión.
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Figura 13. Sistema de inyección de combustible con bomba de inyección en línea, (Robert Bosch)
3.2.1 Depósito de combustible
El depósito de combustible debe ser resistente a la corrosión, además de a prueba de
fugas para presiones superiores al doble de la de operación y de al menos 0.3 bar de
sobrepresión y disponer de válvulas de seguridad para el escape de los gases en caso
de que haya sobrepresión. El diseño debe tener en cuenta que no se produzcan fugas
cuando el vehículo, en su caso, se incline y en caso de sacudidas y de impactos. Por
último, debe ir separado del motor, en un lugar en el que se prevenga la ignición del
combustible en caso de accidente.
3.2.2 Líneas de transporte
Compuestos por tubos de metal, flexibles e ignífugos. Así mismo tienen que estar
preparados para no sufrir daños ante movimientos de torsión del bastidor,
movimientos del motor o similares.
Todos los elementos del sistema de transporte de combustible deben estar previstos
para evitar daños en operación provocados por incrementos de temperatura.
3.2.3 Filtro de combustible
Su función es garantizar un nivel pureza del combustible que evite daños en el sistema
de inyección. Su diseño depende del tipo de sistema de inyección y de las condiciones
de operación, es más exigente para sistemas que trabajen a presiones más elevadas
como el common-rail.
El sistema completo de filtrado se compone de:
- Filtro preliminar:
Situado en el interior del depósito, filtra el combustible antes de su entrada en la
bomba de alimentación previa. Está formado por una malla capaz de filtrar partículas
de hasta 300 µm.
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- Filtro principal:
Las pequeñas partículas sólidas presentes en el combustible quedan atrapadas en el
filtro, por eso tiene un elemento fácilmente extraíble que debe ser sustituido
periódicamente.
Este elemento está constituido por una espiral en forma de v capaz de filtrar
elementos de distintas formas. Es posible montar más de uno, en paralelo (aumenta la
capacidad de almacenamiento) o en serie (filtros multietapa para mejorar la eficiencia
de filtración).
- Separador de humedad:
Este dispositivo, normalmente integrado en el filtro principal, evita que el agua, libre o
emulsionada con el combustible, entre en el equipo de inyección.
El agua es el contaminante más común; entra al sistema de suministro de combustible
cuando el aire húmedo y caliente entra al depósito del vehículo o equipo, y después
condensa en las paredes frías. El agua reduce la lubricidad del combustible, causando
desgaste o atascamiento de piezas con poca tolerancia.
- Precalentador de combustible:
Este componente, integrado en el filtro principal, calienta el combustible
eléctricamente, mediante el agua de refrigeración o mediante el combustible de
retorno.
En invierno o en climas de bajas temperaturas, las parafinas presentes pueden
precipitar formando cristales. Al aumentar la temperatura del combustible antes de su
paso por el filtro, se evita la presencia de esos cristales de parafina que obstruirían los
poros del filtro.
- Bomba manual:
La bomba manual ayuda a llenar y purgar el aire contenido en el sistema de inyección
después de cambiar el filtro o de cualquier otra operación de mantenimiento. Suele ir
integrado en la cubierta del filtro.
3.2.4 Bomba de pre alimentación
Puede ser una bomba eléctrica (Figura 14) o de accionamiento mecánico. Esta bomba
aspira el combustible del depósito a través del filtro y lo envía por el circuito de baja
presión, pasando por el filtro principal, hasta la bomba de alta presión.
3.2.5 Bomba de alimentación
Bomba eléctrica
(Figura 14)
Se compone de un motor eléctrico que acciona un elemento de bombeo (disco de
rodillos). Se usa en los siguientes sistemas:
• Sistemas con bomba rotativa (opcional, sólo como bomba de pre alimentación)
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• En sistemas de inyector unitario (UIS)
• En sistemas Common Rail
Figura 14. Esquema de una bomba eléctrica de combustible, (Robert Bosch)
Bomba de engranajes
(Figura 15)
La bomba de engranajes se usa en los siguientes casos:
• Para todos los sistemas con bombas individuales en vehículos industriales (unidad
inyector-bomba, unidad bomba-tubería-inyector y bombas de inyección individuales
PF)
• Parcialmente en sistemas Common Rail en vehículos industriales y automóviles
La bomba de inyección de engranajes está fijada directamente al motor o, en el caso
del Common Rail, está integrada en la bomba de alta presión. Se acciona
mecánicamente por medio de un acoplamiento, una rueda dentada o una
correa de distribución.
Figura 15. Esquema de una bomba de engranajes, (Robert Bosch)
Sus componentes principales son dos ruedas dentadas que engranan entre sí y que
tienen sentido de giro opuesto, que impelen el combustible de los huecos entre dientes
y la carcasa impulsándolo del lado de aspiración al lado de presión. En el engranaje
entre las dos ruedas se produce un cierre hermético entre ambos lados.
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Bomba de paletas
Estas bombas van integradas dentro del cuerpo de las bombas rotativas. (Ver capítulo
5, apartado 5.3.1)
Bomba de paletas de bloqueo
(Figura 16)
Su principal uso son sistemas con bomba-inyector para automóviles.
En la bomba de paletas de bloqueo, unos muelles presionan dos paletas de bloqueo
contra el rotor. Cuando este gira, el volumen aumenta en el lado de aspiración y el
combustible se aspira hacia el interior de la cámara. En el lado de compresión, el
volumen disminuye e impulsa al combustible salir de la cámara.
Estas bombas pueden aspirar el combustible velocidades de giro bajas.
Figura 16. Esquema de una bomba de paletas de bloqueo, (Robert Bosch)
3.3 Inyección (etapa de alta presión)
El sistema de inyección se encarga de inyectar la cantidad adecuada de combustible a
alta presión dentro de la cámara de combustión en el momento adecuado.
Los principales componentes son la bomba de inyección, encargada de dar al
combustible la presión adecuada, y los inyectores; ambos están unidos por la línea de
alta presión (excepto en los sistemas con bombas de inyección individuales). En todos
los casos la tobera de cada inyector sobresale dentro de la cámara de combustión de
cada cilindro.
En la mayoría de los sistemas, la tobera o boquilla del inyector deja pasar el
combustible cuando se alcanza una determinada presión de apertura, y cierra cuando
la presión cae por debajo de este valor. Sólo se controla de forma externa, mediante
un controlador electrónico, en el caso de los sistemas common-rail.
En el capítulo 10 se detallan los dos tipos de toberas principales que existen.
En los siguientes capítulos se explica el funcionamiento, de forma general, de todos
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Romao A.C Página 33
los tipos de bombas inyectoras.
3.4 Tipos de sistemas de inyección
3.4.1 Sistemas con bomba de inyección en línea
El elemento principal de bombeo de este tipo de bombas se compone de un cilindro y
un émbolo. Éste se encarga de comprimir el combustible para que sea inyectado a
una determinada presión. La bomba tiene tantos elementos de bombeo como cilindros
el motor. El movimiento de sube y baja de cada embolo lo provoca un árbol de levas,
accionado por el motor, y un muelle que provoca el descenso.
Los elementos de bombeo están dispuestos en línea dentro de la bomba. Su carrera
no puede variar, por lo que necesitan un sistema que varíe la cantidad de combustible
bombeado. Para ello el émbolo tiene una serie de ranuras inclinadas y mediante un
mecanismo que lo hace girar, permite la variación de la carrera útil en función de la
carga y el número de revoluciones del motor. El funcionamiento de este sistema es
algo complicado de resumir, por lo que se tratará con detalle en el próximo punto.
Otro de los elementos principales de estas bombas es la válvula de descarga. Se
encuentra situada entre el elemento de bombeo y la tubería de alta presión que
conduce el combustible al inyector. Estas válvulas hacen que la inyección se corte
bruscamente.
Bomba de inyección en línea tipo PE estándar
Este fue el primer tipo de bomba inyectora. Su invención permitió el uso por primera
vez del motor diesel en vehículos.
El comienzo de la inyección está determinado por una lumbrera de admisión situada
en la parte inferior del cilindro, que es cerrada por el émbolo cuando este empieza a
subir. La ranura del émbolo y su ángulo de giro determinan el fin de la carrera útil y,
por tanto, el caudal de inyección. El giro de los émbolos lo efectúa una cremallera o
varilla de regulación que puede ser controlada por un regulador mecánico de fuerza
centrífuga (este fue el primer sistema diseñado) o, en el caso de las bombas más
modernas, con un mecanismo actuador eléctrico (EDC).
Bomba de inyección en línea con válvula de corredera
Esta bomba se diferencia de la de inyección en línea estándar PE en que puede variar
con facilidad la carrera del émbolo. Tiene un elemento móvil (corredera) que se desliza
sobre el émbolo de la bomba mediante un eje actuador convencional, con lo que
puede modificarse la carrera, y con ello también el comienzo de la inyección. La
posición de la válvula corredera se ajusta en función de diversos parámetros para
optimizar el proceso de combustión. En comparación con la bomba de inyección en
línea estándar, la bomba de inyección en línea con válvula de corredera tiene un grado
de libertad de adaptación adicional.
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3.4.2 Sistemas con bombas de inyección rotativas
Estas bombas tienen, al igual que las bombas en línea, un regulador mecánico que
ajusta el caudal de inyección, además de un regulador de avance de inyección que
puede ser hidráulico o electrónico. También pueden tener un único elemento de
control electrónico que realiza ambas funciones. En éstas, los elementos mecánicos
se sustituyen por actuadores electrónicos.
Las bombas rotativas solo tienen un elemento de bombeo de alta presión que
distribuye el combustible a todos los inyectores.
Bomba de inyección rotativa de embolo axial (VE)
Lleva integrada una bomba de alimentación de paletas que aspira combustible del
depósito y lo suministra al interior de la cámara de la bomba de inyección. Un único
émbolo distribuidor central, que gira mediante un disco de levas, se encarga de la
generación de presión y la distribución a los diversos cilindros. Durante una vuelta del
eje de accionamiento, el émbolo realiza tantas carreras como cilindros del motor a
abastecer. Los resaltes de leva en el lado inferior del disco de leva se deslizan sobre
los rodillos del
anillo de rodillos y originan así en el émbolo distribuidor un movimiento de
elevación adicional al movimiento de giro.
Las bombas rotativas de émbolo axial convencionales disponen de un regulador de
revoluciones mecánico (por fuerza centrífuga), o con mecanismo actuador regulado
electrónicamente. Tienen una corredera de regulación que determina la carrera útil y
dosifica el caudal de inyección. El comienzo de suministro de la bomba puede
regularse mediante un anillo de rodillos (variador de avance). En la bomba rotativa de
émbolo axial controlada por electroválvula, existe una electroválvula de alta presión
controlada electrónicamente, que dosifica el caudal de inyección, en lugar de la
corredera de inyección. Las señales de control y regulación son procesadas en dos
unidades de control electrónicas ECU (unidad de control de bomba y unidad de control
de motor).
Bomba de inyección rotativa de émbolos radiales
Esta bomba rotativa utiliza émbolos radiales accionados por un anillo de levas, pueden
ser dos o cuatro. Una electroválvula de alta presión dosifica el caudal de inyección. El
comienzo de la inyección se regula mediante el giro del anillo de levas, con el variador
de avance. Igual que en la bomba de émbolo axial controlada por electroválvula, todas
las señales de control y regulación se procesan en las unidades de control
electrónicas ECU. Mediante la activación apropiada del elemento actuador se regula el
número de revoluciones.
3.4.3 Sistemas con bombas de inyección individuales Bombas de inyección
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individuales PF
Estas bombas tienen diversas aplicaciones: motores pequeños, locomotoras diesel,
motores navales, maquinaria de construcción, etc. El sistema que utilizan para
conseguir la presión de inyección es el mismo que el del elemento de bombeo de la
bomba de inyección en línea estándar PE.
No tienen árbol de levas propio, sino uno común a todas se encuentra sobre el árbol
de levas correspondiente al control de válvulas del motor. Por este motivo no es
posible la variación del avance mediante un giro del árbol de levas. Aquí puede
conseguirse un ángulo de variación de algunos grados mediante la regulación de un
elemento intermedio (por ejemplo situando un balancín entre el árbol de levas y el
impulsor de rodillo). En motores grandes, el regulador mecánico-hidráulico o
electrónico está integrado en el cuerpo del motor.
Unidad bomba-inyector UIS
La bomba de inyección y el inyector son una única pieza. Cada cilindro lleva una
unidad, montada en la culata del motor. Al igual que las bombas de inyección
individuales son accionadas por un árbol de levas montado sobre el bloque del motor;
bien directamente mediante un empujador, o indirectamente mediante balancín.
Debido a la supresión de las tuberías de alta presión, se puede conseguir una presión
de inyección de hasta 2000 bar (mayor que en los sistemas con bomba inyectora
común). Con esta elevada presión de inyección y mediante la regulación electrónica
del comienzo y fin de inyección es posible mejorar el proceso de combustión,
reduciendo notablemente el consumo de combustible y las emisiones contaminantes
del motor diesel.
Unidad bomba-tubería-inyector UPS
Este sistema trabaja según el mismo procedimiento que la unidad de bomba-inyector,
pero está dividido en módulos (bomba individual, tubería e inyector). También dispone
de una unidad de inyección por cada cilindro del motor, accionada por un árbol de
levas.
En este caso, debido a la regulación electrónica, también se consigue una reducción
del consumo y las emisiones.
3.4.4 Sistemas de inyección Common-Rail
Este sistema, como su nombre indica, dispone de un “raíl” o acumulador común para
todas las líneas de inyección. En él se acumula el combustible suministrado por la
bomba de alta presión. Esta presión es independiente del régimen de giro del motor y
del caudal de inyección.
El acumulador suministra el combustible a alta presión a todos los inyectores, que
abren y cierran por medio de electroválvulas. La unidad de control electrónica ECU, en
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función de unos parámetros almacenados, del régimen del motor y de la carga
gestiona la inyección actuando sobre las electroválvulas.
Al igual que en los sistemas de unidad bomba-inyector, el preciso control de la
inyección, consigue reducir notablemente el consumo de combustible y las emisiones
contaminantes.
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4 SISTEMAS CON BOMBA DE INYECCIÓN EN LÍNEA
Como ya se había mencionado, este tipo de bomba fue diseñada por Robert Bosch a
principios del siglo XX; desde entonces la compañía Robert Bosch GmbH, fundada por
él mismo, ha sido el principal fabricante de este tipo de bombas.
Ha sido la más utilizada y lo sigue siendo en vehículos pesados; en turismos lo fue
hasta la década de los 60 cuando se vio sustituida por las bombas rotativas, más
pequeñas y aptas para motores rápidos.
Este tipo de bombas son de constitución muy robusta y de una fiabilidad mecánica
contrastada. Sus inconvenientes son su tamaño, peso y que están limitadas a un
número de revoluciones, lo que las hacen aptas para vehículos pesados pero no para
turismos.
Los principales elementos que la componen son:
- Elementos de bombeo colocados en línea, uno por cada cilindro del motor.
- Un regulador de velocidad que puede ser centrifugo, neumático o hidráulico.
- Un variador de avance automático de inyección acoplado al sistema de arrastre de
la bomba.
- Válvulas de descarga
- Además, suele llevar acoplada la bomba de alimentación.
1. Carcasa de la bomba
2. Regulador de velocidad mecánico
3. Bomba de suministro
4. Dispositivo de avance
5. LDA
6. Válvulas de descarga
Figura 17. Bomba de inyección en línea PE, (Robert Bosch)
4.1 Aplicaciones de las bombas de inyección en línea
Las bombas de inyección en línea se utilizan en motores con potencias que van desde
10 hasta 200 kW/cilindro; esto es posible gracias a la extensa gama de modelos que
existe de estas bombas.
Actualmente se utilizan sobre todo en motores diesel instalados en camiones,
autobuses, tractores y otra maquinaria de uso agrícola y de construcción. Otros
campos de aplicación son los motores navales y los estacionarios, desde grandes
motores industriales hasta los más pequeños utilizados en grupos electrógenos.
Existen bombas de distintos tamaños que se adaptan a la potencia del motor que van
alimentar. Los tipos de bombas se reúnen en series cuyos rendimientos se solapan en
los máximos y mínimos. Dentro de las bombas de inyección en línea PE existen dos
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construcciones distintas. Por un lado tenemos las denominadas "M" y "A" y por el otro
las "MW" y "P".
A continuación se muestra una clasificación de las bombas de inyección más comunes
usadas en vehículos, con los valores máximos de presión de inyección y potencia por
cilindro de cada tipo:
Clasificación de la bombas de inyección en línea PE
Características: Tipos:
M A MW P3000 P7100
Presión de
inyección (bar)
550 750 1100 950 1300
Aplicación Turismos y
vehículos de
transporte
Camiones ligeros y medianos,
tractores, motores industriales
Camiones de
gran
tonelaje,
motores
industriales
Potencia por
cilindro (kW/cilindro)
20 27 36 60 160
4.2 Circuito de combustible
La bomba de inyección se acompaña de un circuito de alimentación que le suministra
combustible (Ver capítulo 3, apartado 3.2). A través de él la bomba de alimentación
aspira el combustible del depósito y lo bombea hacia la bomba de inyección a una
presión conveniente, que oscila entre 1 y 2 bar. El sobrante de este combustible tiene
salida a través de la válvula de descarga situada en la bomba de inyección, retornando
al depósito. Esta válvula de descarga controla la presión del combustible en el circuito.
En vehículos donde la distancia y la altura del depósito con respecto a la bomba de
inyección estén muy alejados, se instala una bomba de alimentación, normalmente
ésta se encuentra acoplada a la bomba de inyección. Según las condiciones de
funcionamiento del motor y de sus características constructivas, se requieren distintos
sistemas de alimentación de la bomba de inyección (Figura 18).
Si el filtro de combustible está en las proximidades inmediatas del motor, pueden
formarse burbujas de gas dentro del sistema de tuberías. Para evitar esto resulta
necesario "barrer" la cámara de admisión de la bomba de inyección. El combustible
sobrante vuelve al depósito de combustible a través de la válvula de descarga y de la
tubería de retorno.
En algunos casos, especialmente cuando se prevé que en el entorno de operación del
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motor hay una temperatura ambiente elevada, puede utilizarse un circuito de
alimentación como el representado en la figura 18 (derecha). En este circuito el filtro
de combustible lleva también instalada una válvula de descarga a través de la cual
una parte del combustible retorna al depósito durante el funcionamiento, arrastrando
eventuales burbujas de gas o vapor. Las burbujas de gas que se forman en la cámara
de admisión de la bomba de inyección son evacuadas por el combustible a través de
la tubería de retorno. El barrido continuo de la cámara de admisión refrigera la bomba
de inyección e impide que se formen burbujas de gas.
Figura 18. Esquemas de un sistema de inyección con bomba en línea
4.3 Bombas de alimentación
(Figura 19)
El combustible tiene que llegar a la cámara de admisión de la bomba de inyección con
una presión de aproximadamente 1 bar para garantizar el llenado de la cámara de
admisión. Esta presión se puede conseguir utilizando un depósito de combustible
instalado por encima de la bomba de inyección (alimentación por gravedad), o bien
recurriendo a una bomba de alimentación. Este es el caso de la mayoría de los
vehículos, donde el depósito de combustible se instala por debajo y alejado de la
bomba de inyección. La bomba de alimentación se encarga de aspirar combustible del
depósito y suministrarlo a presión a la cámara de admisión de la bomba de inyección a
través de un filtro de combustible.
La bomba de alimentación es generalmente una bomba mecánica de émbolo fijada a
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la bomba de inyección y accionada por el árbol de levas de esta. Además la bomba
puede venir equipada con un cebador o bomba manual que sirve para llenar y purgar
el lado de admisión del sistema de inyección para la puesta en servicio o tras efectuar
operaciones de mantenimiento.
Existen bombas de alimentación de simple y de doble efecto. Según el tamaño de la
bomba se acoplan en la misma una o dos bombas de alimentación.
Figura 19. Estructura interna de una bomba de alimentación, (Robert Bosch)
4.3.1 Bomba de alimentación de simple efecto
(Figura 20)
Esta bomba está constituida por dos cámaras separadas por un émbolo móvil. El
émbolo es empujado por una leva excéntrica a través del impulsor de rodillo y un
perno de presión. Durante la carrera intermedia, el combustible se introduce en la
cámara de presión a través de la válvula de retención instalada en el lado de
alimentación. Durante la carrera de admisión y alimentación, el combustible es
impulsado desde la cámara de presión hacia la bomba de inyección por el émbolo que
retrocede por efecto de la fuerza del muelle. Al mismo tiempo, la bomba de
alimentación aspira también combustible desde el depósito a través de la válvula de
retención del lado de admisión, haciéndolo pasar por un pre-purificador.
Si la presión en la tubería de alimentación sobrepasa un determinado valor, la fuerza
del muelle del émbolo deja de ser suficiente para que se realice una carrera de trabajo
completa. Con esto se reduce el caudal de alimentación, pudiendo llegar a hacerse
cero si la presión sigue aumentando. De este modo, la bomba de alimentación protege
el filtro de combustible contra presiones excesivas.
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Figura 20. Esquema de funcionamiento de una bomba de alimentación de simple efecto, (Robert
Bosch)
4.3.2 Bomba de alimentación de doble efecto
Esta bomba cuenta con dos válvulas de retención adicionales que convierten la
cámara de admisión y la cámara de presión de la bomba de alimentación de simple
efecto, en una cámara de admisión y de presión combinadas, es decir al mismo
tiempo que hace la admisión, hace también la alimentación. La bomba no realiza
carrera intermedia. A cada carrera de la bomba de alimentación de doble efecto, el
combustible es aspirado hacia una cámara, siendo impulsado simultáneamente desde
la otra cámara hacia la bomba de inyección. Por lo tanto, cada carrera es al mismo
tiempo de alimentación y de admisión. Al contrario de lo que ocurre en la bomba de
simple efecto, el caudal de alimentación nunca puede hacerse cero. Por lo tanto, en la
tubería de impulsión o en el filtro de combustible tiene que preverse una válvula de
descarga a través de la cual pueda retornar al depósito el exceso de combustible
bombeado.
4.4 Constitución
(Figura 21)
En la figura 21 se puede ver la sección de una bomba de inyección en línea en la que
aparecen todos los elementos que componen la unidad de bombeo.
Se puede ver que dispone de un cárter o cuerpo, de aleación de aluminio-silicio, que
aloja en su parte inferior o cárter inferior, al árbol de levas, que tiene tantas levas como
cilindros el motor. En el lateral del cárter inferior de bomba, se encuentra la bomba de
alimentación, que recibe movimiento del mismo árbol de levas de la bomba de
inyección, por medio de una excéntrica labrada en él.
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Cada una de las levas acciona un elemento llamado empujador o taqué. Este posee
un rodillo que, debido a la acción del muelle, se encuentra en contacto con la leva. El
empujador a su vez da movimiento al émbolo, que se desliza en el interior del cilindro,
que se comunica por medio de unos orificios laterales llamados lumbreras con la
canalización, por donde le llega el combustible procedente de la bomba de
alimentación.
Además del movimiento de subida y bajada del pistón, éste puede girar un cierto
ángulo sobre su eje vertical, ya que la parte inferior tiene un saliente, que encaja con
el manguito cilíndrico, que a su vez rodea la parte inferior del cilindro y que, en su
parte superior, lleva adosada la corona dentada, que engrana con la barra cremallera.
El movimiento de esta barra cremallera hace girar a la corona dentada, quien
comunica su giro al pistón, por medio del manguito cilíndrico y el saliente de la parte
inferior del pistón.
La parte superior del cilindro, está cerrada por la válvula de retención, que ajusta
sobre su asiento, por la acción del muelle.
Cuando el saliente de la leva acciona el empujador, este acciona el pistón, haciéndolo
subir. Tras quedar tapadas las lumbreras que comunican el cilindro con la canalización
el pistón comienza a comprimir el combustible encerrado en el cilindro hasta que se
alcanza una determinada presión en el cilindro, que provoca la apertura de la válvula,
venciendo la acción del muelle antagonista, en ese momento el combustible sale por
el cilindro hacia el inyector correspondiente.
Cuando ha pasado el saliente de la leva, el impulsor baja por la acción del muelle,
haciendo bajar a su vez el émbolo, que vuelve a ocupar la posición representada en la
figura 21, permitiendo de nuevo el llenado del cilindro a través de sus aberturas
laterales. Mientras tanto, la válvula ha bajado y cerrado el paso de combustible al
inyector.
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Figura 21. Sección de una bomba de inyección en línea, (Robert Bosch)
4.4.1 Elemento de bombeo
(Figura 22)
La bomba de inyección tiene tantos elementos de bombeo como cilindros el motor.
Cada elemento de bombeo, está constituido por un cilindro y un pistón. Cada cilindro
se comunica con la tubería de admisión por medio de las lumbreras, y con el conducto
de salida al inyector por medio de una válvula de retención que se mantiene cerrada,
por la acción del muelle antagonista, hasta que el combustible alcanza la presión de
inyección.
El pistón se ajusta en el cilindro con una precisión del orden de varias micras. Tiene
una forma peculiar que permite variar la cantidad de combustible que se inyecta; en su
parte inferior el pistón tiene un rebaje circular que se comunica con la cara superior del
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pistón por medio de una rampa helicoidal y una ranura vertical.
En la parte inferior, el pistón lleva un dedo de mando o saliente, que encaja en un
manguito cilíndrico, sobre el que se fija la corona dentada, que engrana con la
cremallera. El movimiento de la cremallera, puede hacer girar el pistón un cierto
ángulo sobre su eje vertical.
En ciertos tipos de bombas, la cremallera es reemplazada por una barra corredera,
que lleva unas escotaduras en las que encaja el dedo de mando que forma el pistón
en su parte inferior.
Figura 22. Esquema del elemento de bombeo, (Robert Bosch)
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Figura 23. Embolo de la unidad de bombeo, (Robert Bosch)
4.5 Funcionamiento de la bomba de inyección en línea tipo estándar PE
(Figura 24)
El émbolo o pistón realiza un movimiento de sube y baja en el interior del cilindro. El
movimiento de descenso se produce debido a la acción del muelle cuando el saliente
de la leva, en su giro, deja de actuar sobre el empujador. La subida del pistón se
produce cuando la leva actúa sobre el empujador, venciendo el empuje del muelle.
Cuando el pistón desciende crea una depresión en el interior del cilindro que permite
la entrada de combustible cuando el pistón ha destapado las lumbreras de admisión.
Debido a la presión del combustible en el conducto de alimentación, provocada por la
bomba de alimentación, el cilindro se llena completamente. Al comienzo de esta
subida, las lumbreras no están tapadas y por ello, parte del combustible es devuelto al
conducto de alimentación.
Si la ranura vertical del pistón, está situada frente a la lumbrera de admisión, el interior
del cilindro comunica con el conducto de alimentación, por lo que, aunque suba el
pistón, no se comprime el combustible en el cilindro y, por lo tanto, no hay inyección.
Esta posición del pistón, corresponde al suministro nulo de la bomba de inyección.
Si la ranura vertical no está frente a la lumbrera de admisión se produce la inyección.
Tras cerrar la lumbrera de admisión, en la subida del pistón, la presión del combustible
en el interior del cilindro va aumentando hasta que el valor de esta presión es superior
a la fuerza que ejerce el muelle de la válvula de retención. En ese momento ésta se
abre venciendo la fuerza de su muelle, con lo cual, el combustible pasa al conducto de
inyección que comunica el elemento de inyección con el inyector. El comienzo de la
inyección, se produce siempre en el mismo instante o, mejor dicho, para
la misma posición del pistón. Mientras el combustible no salga por el inyector, la
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presión en todo el circuito irá aumentando a medida que el pistón vaya subiendo. En el
momento que esta presión es superior a la del tarado del inyector, este permite el
paso del combustibles al cilindro del motor, comenzando en este momento la
inyección.
El final de la inyección depende de la posición de la rampa helicoidal. Llegado el pistón
a cierta altura, ésta pone en comunicación el cilindro con el conducto de alimentación,
con lo cual, desciende bruscamente la presión en el interior del cilindro.
El cierre de la válvula de readmisión, debido a la acción conjunta de su muelle y de la
presión existente en el conducto de salida, mantiene en esta canalización una cierta
presión, llamada residual, que permite en el siguiente ciclo una subida de presión más
rápida y un funcionamiento mejor del inyector.
Figura 24. Fases de funcionamiento del elemento de bombeo, (Robert Bosch)
4.5.1 Funcionamiento de la regulación del caudal de combustible
(Figuras 25 y 26)
A diferencia del motor de gasolina, donde la variación de la carga se obtiene
modificando la cantidad de mezcla aire-gasolina que entra en el cilindro; en el motor
Diesel, esta variación se obtiene actuando únicamente sobre la cantidad de gasóleo
inyectado en el cilindro, es decir, modificando la duración de la inyección.
La cantidad de combustible inyectado depende de la longitud de la carrera efectuada
por el pistón, desde el cierre de la lumbrera de admisión, hasta la puesta en
comunicación de ésta con el cilindro, por medio de la rampa helicoidal.
El fin de la inyección depende de la posición de la rampa helicoidal con respecto a la
lumbrera de admisión. Esta posición puede ser modificada haciendo girar el pistón
sobre su eje vertical, por medio de una cremallera que engrana sobre la corona
dentada fijada
sobre el casquillo cilíndrico, que a su vez mueve al pistón. La cremallera es movida
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por el pedal del acelerador, o automáticamente por medio de un regulador, y da
movimiento simultáneamente a todos los elementos de inyección de la bomba.
Figura 25. Esquema regulación de elementos de bombeo, (Robert Bosch)
Moviendo la cremallera en uno u otro sentido, pueden conseguirse
carreras de inyección más o menos largas que corresponden:
- Inyección nula
- Inyección parcial
- Inyección máxima
Figura 26. Posibles posiciones de la cremallera, (Robert Bosch)
En un motor Diesel para provocar su paro debemos cortar el suministro de
combustible que inyectamos en sus cilindros, para ello es necesario desplazar a la
cremallera hasta su posición de suministro nulo. Para esto, los motores dotados con
bomba de inyección en línea llevan un dispositivo de mando accionado, por un tirador
y cable desde el tablero de mandos del vehículo, o bien, electrónicamente.
4.5.2 Formas de las levas
(Figura 27)
La leva tiene la función de accionar el émbolo. Su forma influye sobre la duración de la
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inyección, el rendimiento de la bomba y la velocidad de la alimentación. Los criterios
para el diseño de la leva son la carrera y la velocidad de levantamiento (velocidad de
émbolo) con relación al ángulo de leva.
Para propiciar un rápido corte de inyección se aprovecha la zona central de la leva,
donde la velocidad de levantamiento es grande. La inyección termina antes de que
dicha velocidad de levantamiento alcance su máximo valor. Esto es necesario para
que la compresión superficial entre el impulsor de rodillo y la leva no sobrepase un
valor determinado. Por esta razón, en cada proceso de inyección se respeta una
distancia de seguridad de 0,3 mm.
Para la aplicación práctica existen diversas formas de levas. Esto es necesario, ya que
las diferentes formas de las cámaras de combustión del motor y los distintos métodos
de combustión exigen condiciones de inyección individuales. Por este motivo se
realiza un ajuste especial del proceso de inyección por parte de la lleva a cada tipo de
motor. Partiendo de formas de levas estándar pueden construirse levas de forma
divergente, a fin de conseguir una inyección óptima y una presión máxima.
Se utilizan formas de levas simétricas, asimétricas y con seguro contra retroceso.
Estas últimas hacen que el motor no pueda arrancar en el sentido de giro contrario. La
forma de leva a aplicar depende del tipo de la bomba, del diseño del motor y de su
campo de aplicación.
Figura 27. Formas de las levas, (Robert Bosch)
Las diferencias de presiones que se originan entre la parte superior de la válvula de
respiración y la parte inferior, obligan a ésta a cerrarse, ayudada al mismo tiempo por
la acción de su muelle, impidiendo así que el combustible situado en el circuito de
inyección pudiera retornar a la bomba.
Aunque la compresión del pistón cesa no ocurre lo mismo con la
inyección, que
continúa un breve instante de tiempo debido a la presión restante en el circuito de
inyección. Esta presión desciende a medida que disminuye la cantidad de combustible
que hay en el circuito y que continúa entrando al cilindro. Llegado un momento
determinado, la presión es menor que la del tarado del inyector, en cuyo caso cesa la
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inyección de forma violenta.
El pistón de la bomba sigue subiendo hasta el PMS pero ya sin comprimir el
combustible, que se escapa por la rampa helicoidal al circuito de combustible por las
lumbreras de admisión.
4.6 Válvulas de descarga
(Figura 28)
La válvula de descarga (también llama válvula de presión o válvula de reaspiración) se
encuentra entre la bomba de inyección y la tubería que conecta la propia bomba con el
inyector.
Su misión es descargar la tubería de inyección tras concluir la fase de alimentación de
la bomba, extrayendo un volumen exactamente definido de la tubería para, por una
parte, mantener la presión en la tubería (así la siguiente inyección se realizará sin
retardo alguno) y, por otra parte, asegurar, igualmente, la caída brusca de la presión
del combustible en los conductos para obtener el cierre inmediato del inyector,
evitando así cualquier mínima salida de combustible, unida al rebote de la aguja sobre
su asiento.
Funcionamiento
Al final de la inyección por parte del elemento de bombeo cae la presión en el cilindro
y, por tanto, la válvula de presión desciende bajo la acción del muelle. El macho de
válvula se introduce en la porta-válvula, antes de que el cono de válvula descienda
sobre su asiento, aislando la bomba del tubo de alimentación del inyector.
El descenso final de la válvula realiza una reaspiración de un determinado volumen
dentro de la canalización; cuando ésta cierra, el émbolo de descarga aspira también
un pequeño volumen de combustible. Esto da lugar a una expansión rápida del
combustible, provocando un descenso de presión en la tubería y, en consecuencia, el
cierre brusco del inyector, cortando así la alimentación de combustible al cilindro del
motor para evitar el goteo. Este volumen de combustible está calculado para una
longitud determinada de tubería, por lo que no se debe variar la longitud de ésta en
caso de reparación.
Para conseguir una adaptación deseada a los caudales de alimentación, en
determinado casos especiales, se utilizan válvulas compensadoras que presentan un
tallado adicional en el émbolo de descarga.
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Figura 28. Estructura interna de una válvula de presión, (Robert Bosch)
4.6.1 Estrangulador de retroceso
(Figura 29)
Está situado entre la válvula de presión y la tubería que alimenta al inyector. Puede
instalarse en el racor de impulsión acompañando a la válvula de presión.
Este elemento se utiliza para reducir en el sistema de alta presión fenómenos de
desgaste producidos por los cambios rápidos de presión (cavitación). Durante la
alimentación la presión del combustible es tan alta que la placa de la válvula es
comprimida contra el muelle, con lo que el combustible puede fluir hacia el inyector sin
obstáculos. Al final de la carrera útil del elemento de bombeo, el cierre de la aguja del
inyector provoca una onda de presión en sentido contrario al de la alimentación.
Figura 29. Estrangulador de retroceso, (Robert Bosch)
Esto puede ser causa de cavitación. Al mismo tiempo, el muelle de presión empuja la
placa de válvula contra su asiento, por lo que el combustible tiene que retroceder
pasando por la sección del estrangulador, amortiguándose así la onda de presión,
haciéndola imperceptible.
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4.7 Regulador de velocidad
Los reguladores empleados para bombas de inyección en línea pueden ser de tres
tipos:
• Mecánicos (basan su funcionamiento en los efectos de la fuerza centrífuga)
• Neumáticos (de vacío)
• Electrónicos, EDC
La función principal del regulador de velocidad es limitar la velocidad máxima del
motor en vacío. Sin este sistema de control el motor en vacío se podría acelerar sin
control hasta llegar a la autodestrucción.
Dependiendo del diseño, también puede tener la misión de regular la velocidad de
ralentí y de mantener una velocidad constante al variar el par resistente del motor o
cuando éste trabaja en vacío, actuando sobre la cremallera que regula la carrera útil
del émbolo en el cilindro. Como es sabido la cantidad de combustible a inyectar en los
cilindros depende de la posición que ocupe la cremallera, ésta es accionada por el
pedal del acelerador.
Podría ocurrir, por ejemplo, que al descender por una pendiente (el par resistente del
motor decrece) el motor se revolucione; en este caso, el regulador para máxima
velocidad desplaza la cremallera, de forma que disminuya el caudal de combustible a
inyectar a medida que aumenta el número de revoluciones.
Según su misión los reguladores pueden ser:
• De máxima velocidad
• De mínima y máxima velocidad
• De todas las velocidades
4.7.1 Regulador de máxima velocidad
(Figura 30)
Los reguladores de máxima velocidad están destinados para
motores diesel que mueven maquinaria a su velocidad nominal. El
trabajo del regulador es mantener el motor a su velocidad máxima,
no siendo necesario el control de la velocidad de ralentí ni el
control durante el arranque.
Si la velocidad del motor sube por encima de la velocidad
nominal, nvo, causa del decremento de la carga, el regulador
mueve la cremallera para reducir el suministro (Figura 30). La
máxima velocidad en vacío, nno, se alcanza cuando el motor
se descarga completamente. La diferencia entre nvo y
nno está determinada por la respuesta proporcional del
regulador.
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4.7.2 Regulador de mínima y máxima velocidad
(Figura 31)
Los motores Diesel utilizados en vehículos no requieren el control de la velocidad en el
rango entre el ralentí y la máxima velocidad. Dentro de este rango, la cremallera de
control de la bomba inyectora es accionada directamente por el pedal del acelerador
bajo el control del conductor. Este regulador únicamente se encarga de evitar que el
motor se pueda parar estando en ralentí, y también de limitar la velocidad máxima del
motor.
El regulador para velocidad mínima del motor actúa cuando, estando la cremallera en
posición de mínimo consumo, la carga o par resistente en el motor aumenta (por
ejemplo al conectarse el compresor del aire acondicionado), con lo cual, al decrecer el
número de revoluciones, el motor podría calarse. En estas condiciones, el regulador
desplaza a la cremallera para aumentar el suministro de combustible de forma que
evita que el motor se pare. También se encarga aumentar el suministro durante el
arranque en frío.
Figura 31. Mapa característico de un regulador de mínima y máxima velocidad con control de par,
(Robert Bosch)
4.7.3 Regulador de todas las velocidades
(Figura 32)
Los reguladores de todas las velocidades actúan cuando se produce cualquier
variación del régimen motor que no sea la deseada por el conductor. Se utilizan
principalmente en motores industriales y de maquinaria agrícola, pues en ellos
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interesa mantener un régimen del motor constante, cualesquiera que sean las
resistencias opuestas al motor (pendientes a superar, dureza mayor del terreno, etc.).
En ellos, el conductor selecciona el régimen más apropiado para realizar el trabajo y el
regulador actúa manteniendo ese régimen, en todos los momentos en que pueda
producirse variación debido a las diferentes condiciones de trabajo por las que
atraviesa el motor.
Figura 32. Mapa característico de un regulador de todas las velocidades, (Robert Bosch)
4.8 Variador de avance
Cuando se inyecta el combustible, éste necesita un cierto tiempo para evaporarse,
mezclarse con el aire y que se produzca la inflamación de la mezcla. A este tiempo se
le llama retraso al encendido y depende de varios factores: tendencia del combustible
a inflamarse, relación de compresión del motor, temperatura del aire de admisión,
grado de pulverización del combustible, proceso de formación de la mezcla, etc.
El retraso al encendido comienza a tener más importancia a medida que aumenta el
régimen de giro del motor, ya que la carrera completa se realiza en menor tiempo y,
por tanto, la inflamación del combustible ocurre con más retraso respecto a la posición
del pistón. El hecho de que la inflamación del combustible se produzca con retraso
genera algunos problemas como: un funcionamiento más ruidoso del motor, mayor
consumo, generación de NOx y de humos de escape debido a que parte del
combustible no se quema correctamente, pérdida de potencia del motor, etc.
Para evitar estos problemas, la bomba inyectora debe disponer de un elemento que
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actué sobre el árbol de levas de la misma y así poder sincronizar el principio de
inyección en los elementos de bombeo por medio del giro en el árbol de levas un
cierto ángulo que puede variar hasta 8º. Este elemento es el variador de avance, que
se encarga de adelantar el momento de la inyección a medida que aumenta el
régimen de giro del motor.
Figura 33. Elementos de un variador de avance, (Robert Bosch)
4.8.1 Principio de funcionamiento
(Figura 34)
El regulador está formado por un plato acoplado al árbol de levas de la bomba por
medio del manguito roscado (plato de acoplamiento). En este plato y sobre los pernos
van situados los contrapesos o masas centrifugas en cuyos rebajes de forma circular
se acopla la brida de mando, formada por los salientes de acoplamiento en los
contrapesos y las garras de arrastre, a través de las cuales la bomba recibe el
movimiento del motor.
La posición y regulación de los salientes, con respecto a las masas centrífugas, se
realiza por medio de unos muelles y unas arandelas de reglaje, que unen los salientes
con los pernos del plato de acoplamiento, alojándose en los huecos del saliente. El
conjunto va cerrado por medio de la cápsula soporte y la tapa.
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Cuando el motor aumenta su velocidad, los contrapesos, por efecto de la fuerza
centrífuga, tienden a desplazarse hacia el exterior, empujando a los salientes de la
brida de mando, que se desplazan comprimiendo a los muelles y disminuyendo, por
tanto, el ángulo de acoplamiento en la brida de arrastre. Como esta brida no puede
adelantarse ni retrasarse por estar unida a la transmisión del motor, son los pernos los
que se desplazan en el sentido de avance de la bomba. Con ello arrastran el plato de
acoplamiento con el árbol de levas y, por tanto, logran un adelanto de las levas del
mismo.
De esta forma, la fuerza centrífuga de los contrapesos actúa en contra de la forma de
los muelles, pero en el sentido de rotación de los pernos de la brida de acoplamiento,
de modo que esta brida (y por tanto el árbol de levas) se adelanta a la brida de mando
en proporción al número de revoluciones del motor. Con ello se adelanta el comienzo
de la inyección en la bomba.
El ángulo de avance a la inyección varía entre un máximo y un mínimo según el
desplazamiento de los contrapesos, limitado por medio del rebaje o guía circular de los
mismos, de forma que el desplazamiento de las masas es relativamente grande para
un pequeño valor de fuerza centrífuga y se reduce a medida que la fuerza centrífuga
aumenta; es decir, que el desplazamiento es mayor para un número de revoluciones
bajo y se reduce a medida que el número de revoluciones aumenta.
De esta forma se obtiene la fuerza suficiente para la variación angular, incluso con
reducido número de revoluciones. Cuando existe una gran fuerza centrífuga, para la
variación angular basta un recorrido más pequeño de las masas, ya que la fuerza
centrífuga aumenta con el cuadrado de la velocidad.
El reglaje o variación del ángulo de avance se efectúa poniendo o quitando arandelas
entre el muelle y su asiento del saliente, con lo cual se consigue dar mayor o menor
presión al muelle y, por tanto, favorecer o no la acción de los contrapesos sobre el
mecanismo de arrastre.
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Figura 34. Principio de funcionamiento de un regulador de avance, (Robert Bosch)
Figura 35. Funcionamiento de un variador de avance, (Robert Bosch)
4.8.2 Variador de avance de excéntrica
Este tipo de regulador puede estar contenido en una estructura abierta o cerrada.
Normalmente va montado sobre el árbol de levas de la bomba de inyección, pero
también es posible su instalación sobre un eje intermedio. Para su lubricación el
variador de avance cerrado va provisto de una carga de aceite suficiente para
engrasarlo durante toda su vida útil. El variador de avance abierto se lubrica
directamente por conexión al circuito del aceite lubricante del motor.
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Constitución
(Figura 36)
El cuerpo del variador de avance de excéntrica de tipo abierto está unido a una rueda
dentada mediante una rosca. Dentro del cuerpo van alojados, de forma que puedan
girar, el disco de reglaje con el buje así como las excéntricas de ajuste y de
compensación. Estas dos excéntricas son conducidas por un bulón fijado firmemente
en el cuerpo. Los bulones de los contrapesos se insertan en el orificio de la excéntrica
de ajuste. En los contrapesos van dispuestos por parejas los muelles de presión, que
también son guiados por un bulón. Los contrapesos están asegurados contra un
posible desplazamiento axial.
Figura 36. Estructura interna de un variador de avance de excéntrica, (Robert Bosch)
Funcionamiento
(Figura 37)
El variador de avance abierto es accionado a través de rueda dentada, accionada
directamente por la cadena o correa de distribución. La unión entre el accionamiento y
el buje queda establecida por parejas de excéntricas acopladas entre sí. Las
excéntricas se encuentran en los orificios del disco de reglaje y son conducidas por los
bulones del cuerpo. A través de estos bulones se transmite al buje el movimiento
impulsor del cuerpo. Cuando el motor está parado, los muelles de presión mantienen
los contrapesos en la posición inicial. Al funcionar el motor, es decir, al incrementarse
el número de revoluciones, aumenta la fuerza centrífuga. Los contrapesos se
desplazan hacia el exterior provocando así un giro de las excéntricas. A causa de este
movimiento giratorio, el buje cambia de posición respecto al cuerpo, con lo que se
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modifica el momento de inyección. Con el variador de avance de excéntricas es
posible un ángulo de hasta 30º respecto al cigüeñal del motor.
Figura 37. Funcionamiento un variador de avance de excéntricas, (Robert Bosch)
4.9 Lubricación de la bomba
En la mayoría de los casos estas bombas se lubrican por medio del circuito lubricante
del motor. Se lubrica tanto la parte de la bomba donde están los elementos de bombeo
como el regulador centrífugo de velocidad. Con este tipo de lubricación, la bomba de
inyección está exenta de mantenimiento. El aceite del motor filtrado se hace llegar a la
bomba de inyección y al regulador a través de una tubería, por un orificio de entrada.
En caso de fijación de la bomba al motor, en bandeja, el aceite lubricante vuelve al
motor a través de una tubería de retorno, mientras que en caso de fijación mediante
brida frontal lo hace a través del alojamiento del árbol de levas o de orificios
especiales (Figura 38).
En el caso de bombas de inyección sin conexión al circuito del aceite del motor el
aceite lubricante se cambia cuando se desmonta la bomba de inyección o cuando el
motor se somete a una revisión general. La bomba se llena de aceite lubricante a
través del capuchón de purga de aire o el filtro de purga de aire existente en el tapón.
El nivel de aceite se controla al mismo tiempo que se realizan los cambios de aceite
del motor previstos por el fabricante de este último. El aceite sobrante (por entrada de
combustible de fuga) se evacua, mientras que si falta tendrá que rellenarse.
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Las bombas y los reguladores con circuito de aceite separado poseen
respectivamente una varilla para controlar el nivel del aceite.
Figura 38. Lubricación de la bomba de inyección, (Robert Bosch)
4.10 Puesta a punto de la bomba en el motor
(Figura 39)
Para hacer la puesta a punto, se recurre a las marcas del comienzo de la inyección
que se encuentran en el motor y en la bomba de inyección. Normalmente se toma
como base la carrera de compresión del cilindro nº 1 del motor, pero por razones
específicas de los motores pueden aplicarse también otras posibilidades. Por esta
razón deben tenerse en cuenta los datos facilitados por el fabricante del motor.
En el motor Diesel, la marca del comienzo de la alimentación se encuentra
generalmente en el volante de inercia, en la polea de la correa trapezoidal o en el
amortiguador de vibraciones (dámper). En la bomba de inyección, el comienzo de la
alimentación para el cilindro de bomba nº 1 tiene lugar cuando la marca practicada en
la mitad no móvil del acoplamiento o bien en el variador de avance coincide con la
raya marcada en el cuerpo de la bomba. En las bombas abridadas, las marcas están
en la rueda dentada del accionamiento y en el piñón insertable.
La posición, la disposición y la designación de los cilindros del motor son indicadas por
el fabricante de éste y han de tenerse en cuenta en cualquier caso. El cilindro de
bomba nº 1 es el más próximo al accionamiento (polea) de la bomba de inyección.
Antes del montaje ha de hacerse coincidir, en sentido de giro, la marca de comienzo
de alimentación de la bomba de inyección con la raya marcada en el cuerpo, o bien se
ajustará el comienzo de la alimentación según el método de rebose a alta presión.
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Figura 39. Puesta a punto de una bomba de inyección en línea, (Robert Bosch)
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5 SISTEMAS CON BOMBA DE INYECCIÓN ROTATIVA
Este tipo de bomba también se conoce como bomba distribuidora. Este tipo de
bombas nació de la necesidad de mejorar el comportamiento de los motores diesel
pequeños utilizados en vehículos de turismo. Estos motores requerían un sistema de
inyección de alto rendimiento capaz de realizar inyecciones más rápidas y precisas, y
que además fuera más ligero y compacto, para adaptarse mejor a las necesidades de
estos vehículos. La bomba de inyección rotativa cumplía estos requisitos.
Estas bombas podían lograr presiones de inyección mayores que sus antecesoras, lo
que supuso también supuso una mejora en el consumo y en la reducción de los
niveles de emisiones.
5.1 Aplicaciones
Los ámbitos de aplicación de estas bombas son motores diesel de entre 3 y 6 cilindros
de turismos, vehículos comerciales, tractores y vehículos industriales ligeros y
medianos, con una potencia de hasta 50 kW por cilindro.
Desde su introducción en 1962, la bomba rotativa de émbolo axial se convirtió en la
más usada en los automóviles diesel durante muchos años. En motores con inyección
indirecta llegan a presiones de hasta 350 bar.
En 1996 apareció la bomba rotativa de émbolo radial. Estas bombas consiguen
presiones de hasta 1900 bar, lo que las hace más apropiadas para motores de
inyección directa.
Generalmente para motores con potencias inferiores a 30 kW por cilindro se usan las
de émbolo axial y para potencias superiores las de émbolos radiales.
5.2 Diseños
Las bombas de inyección rotativas se pueden clasificar de acuerdo a tres criterios:
método de control del caudal de inyección, método de generación de presión y tipo de
sistemas de control (Figura 40).
5.2.1 Control del caudal de inyección
Control por corredera
En la bomba de inyección rotativa de émbolo axial convencional existe una corredera
de regulación que determina la carrera útil y dosifica el caudal de inyección. El
comienzo de suministro es regulado por un variador de avance hidráulico. Puede
ajustarse mediante la posición del anillo de levas (variador de avance).
Control por electroválvula
Las bombas rotativas de émbolo axial más avanzadas, controladas electrónicamente,
disponen de una electroválvula de alta presión que abre y cierra la salida de la cámara
de alta presión. De esta forma se controla electrónicamente el inicio y duración del
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suministro. Las bombas de émbolos radiales siempre son controladas por
electroválvulas.
5.2.2 Método de generación de alta presión
Las bombas rotativas tienen un solo elemento de bombeo para todos los cilindros.
Dependiendo del diseño la presión se genera por un émbolo axial o varios émbolos
radiales. El émbolo central rotativo abre y cierra las ranuras que comunican con las
tuberías de alimentación de los inyectores, distribuyendo así el combustible a cada
cilindro en el momento adecuado.
Bombas rotativas de émbolo axial VE: Comprimen el combustible por medio de un
émbolo o pistón que se mueve en dirección axial al eje de la bomba.
Bombas rotativas de émbolos radiales VR: Tienen entre 2 y 4 émbolos radiales al
eje de la bomba encargados de la generación de alta presión y el suministro del
combustible.
5.2.3 Tipo de sistema de control
El control de velocidad se puede realizar por medio de un regulador mecánico o un
sistema de control electrónico EDC (Electronic Diesel Control).
El sistema de control EDC ofrece muchas ventajas sobre el regulador mecánico:
• Menor consumo de combustible, menos emisiones, mayor potencia y par motor.
Todo esto es debido al control más preciso del inicio de la inyección y la cantidad de
combustible inyectado.
• Velocidad de ralentí menor y la posibilidad de ajustarlo cuando se activan
elementos auxiliares (por ejemplo: el aire acondicionado), gracias al mejor control
sobre la velocidad del motor.
• Funcionamiento más sofisticado (amortiguador de activo, funcionamiento más
silencioso, velocidad de crucero).
• Mejora de las funciones de diagnosis.
• Funciones de control adicionales (función de pre-calentamiento, recirculación de
los gases de escape EGR, control de la presión del aire de alimentación,
inmovilización electrónica del motor, etc.).
• Intercambio de datos con otros sistemas electrónicos de control (sistema de
control de tracción, etc.) y de esta forma integración en una red general de control del
vehículo.
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Figura 40. Clasificación de los tipos de bombas rotativas, (Robert Bosch)
5.3 Etapa de baja presión
Las bombas rotativas tienen una parte de baja presión donde llevan integrada una
bomba de paletas encargada de suministrar el combustible a la parte de alta presión.
Los componentes esenciales de la parte de baja presión son:
• la bomba de alimentación de paletas
• la válvula reguladora de presión
• el estrangulador de rebose
5.3.1 Bomba de alimentación de paletas
(Figura 41)
Está montada en torno al eje de accionamiento de la bomba de inyección. El rotor está
centrado sobre el eje y es accionado por una chaveta del disco. El rotor de aletas está
rodeado por un anillo excéntrico.
Las cuatro paletas del rotor son presionadas hacia el exterior, contra el anillo
excéntrico, por efecto de la fuerza centrífuga debida al movimiento de rotación. El
combustible llega al cuerpo de la bomba de inyección a través del canal de
alimentación y pasa por una abertura en forma de riñón. Por efecto de la rotación, el
combustible que se encuentra entre las aletas, es transportado hacia el recinto
superior y penetra en el interior de la bomba de inyección a través de un taladro. Al
mismo tiempo, a través de un segundo taladro, una parte del combustible llega a la
válvula reguladora de presión.
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1. Eje de accionamiento 2. Válvula reguladora de presión 3. Anillo de apoyo 4. Rueda dentada de accionamiento del regulador de caudal de combustible 5. Garra del eje 6. Anillo excéntrico 7. Estrangulador de rebose.
Figura 41. Bomba de paletas, (Robert Bosch)
5.3.2 Válvula reguladora de presión
(Figura 42)
Situada cerca de la bomba de alimentación de aletas. Esta válvula lleva un émbolo
presionado por un muelle. Si la presión de combustible excede un determinado valor,
el émbolo de la válvula abre el orificio de retorno, de forma que el combustible pueda
retornar a la entrada de la bomba de alimentación de aletas. La presión de apertura de
la válvula la determina la tensión previa del muelle de compresión.
Figura 42. Válvula reguladora de presión, (Robert Bosch)
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5.3.3 Estrangulador de rebose
(Figura 43)
El estrangulador de rebose va roscado en la parte superior de la bomba de inyección.
Permite el retorno de un caudal variable de combustible al depósito a través de un
pequeño orificio con el objetivo principal de refrigerar la bomba. El taladro ofrece una
resistencia a la salida de combustible, por lo que tiene definido una caudal de
combustible de retorno, permitiendo mantener la presión en el interior de la bomba.
Figura 43. Estrangulador de rebose, (Robert Bosch)
5.4 Bombas rotativas de émbolo axial VE
5.4.1 Diseño y funcionamiento
El movimiento rotativo del eje de accionamiento se transmite al émbolo distribuidor por
medio de un acoplamiento. Las garras del eje de accionamiento y del disco de levas
engranan en el disco cruceta dispuesto entre ellas. Por medio del disco de levas, el
movimiento giratorio del eje de accionamiento se convierte en un movimiento de
elevación y giro. Esto se debe a que la trayectoria de las levas del disco discurre sobre
los rodillos del anillo. El émbolo distribuidor es solidario al disco de levas por medio de
una pieza de ajuste. El desplazamiento del émbolo distribuidor hacia el punto muerto
superior está asegurado por el perfil del disco de levas. Los dos muelles del émbolo,
dispuestos simétricamente, que reposan sobre la cabeza distribuidora y actúan sobre
el émbolo distribuidor a través de un puente elástico, provocan el desplazamiento del
émbolo al punto muerto inferior. Además, dichos muelles impiden que el disco de
levas pueda separarse a causa de la elevada aceleración de los rodillos del anillo.
Para que el émbolo distribuidor no pueda salirse de su posición central a causa de la
acción centrifuga, se ha de determinar con precisión la altura de los muelles que están
perfectamente coordinados (Figura 44).
5.4.2 Discos de levas y formas de leva
Además de la función motriz del eje de accionamiento, el disco de levas influye sobre
la presión y la duración de la inyección. Estos parámetros son función de la carrera y
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la velocidad de elevación de la leva. El avance del inicio de la inyección se regula
mediante el giro del disco de levas. La inyección se debe adaptar a cada motor, por
eso, para cada tipo de motor se calcula una pista especial de levas que luego se
coloca sobre la cara frontal del disco de levas.
1. Eje de accionamiento
2. Disco cruceta
3. Anillo de rodillos
4. Rodillo
5. Disco de levas
6. Arandelas de ajuste
7. Embolo distribuidor
8. Puente elástico
9. Corredera de regulación
10. Cabeza distribuidora
11. Muelle
12. Racor de impulsión (válvula de reaspiración).
Figura 44. Elementos de la bomba de alta presión, (Robert Bosch)
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5.4.3 Bomba VE con control de caudal por corredera
Figura 45. Esquema bomba émbolo axial con control del caudal por corredera,
(Robert Bosch)
El inicio del suministro viene determinado por el punto en el que el plato de levas se
eleva, desplazando al embolo hacia el PMS. Se ajusta mediante el giro del anillo de
rodillos (variador de avance).
La duración del suministro la determina la posición de la corredera (Figura 45, 5).
Mientras el orificio de descarga esté cerrado, el embolo está bombeando combustible
al canal correspondiente. El suministro finaliza cuando este orificio queda fuera de la
corredera. El combustible bombeado por el émbolo se descarga por este orificio, ya
que por el canal de inyección correspondiente tiene que vencer la fuerza del muelle de
la válvula de descarga.
La posición de la corredera, que marca la carrera efectiva del émbolo de bombeo,
puede estar controlada por:
• Un regulador mecánico. Su principio de funcionamiento es el mismo que el
utilizado en las bombas de inyección en línea. En este tipo de bombas el variador de
avance está controlado por un elemento hidromecánico que actúa en función del
número de revoluciones del motor (Figura 46).
• Un actuador electromagnético (solenoide). Disponen de un sistema de regulación
electrónica (EDC) que ajusta la posición de la corredera mediante un electroimán. La
posición del variador de avance también está controlada por un actuador
electromagnético (Figura 47).
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1. Bomba de alimentación (etapa de baja presión) 2. Bomba de alta presión con elemento distribuidor 3. Regulador mecánico 4. Electroválvula de parada 5. Variador de avance
Figura 46. Bomba VE con regulador de corredera y control mecánico. Componentes.
1 Semi-differential short-circuiting ring sensor 2 Solenoid control mechanism 3 Electric shutoff valve ELAB
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4 Distributor plunger 5 Timing-device solenoid valve 6 Control collar
Figura 47. Bomba VE con regulador de corredera y EDC
Fases de la generación de alta presión y distribución del combustible
(Figura 48)
Entrada de combustible (a)
Con el émbolo en la posición de reposo (PMI), el combustible entra a la cámara de alta
presión a través del canal de entrada y
la ranura de control.
Suministro de combustible (b, c)
Durante la carrera de ascenso (del
PMI al PMS), el émbolo cierra el canal
de entrada, sometiendo a presión al
combustible que se encuentra en el
recinto de alta presión (b).
Durante el movimiento giratorio del
émbolo la ranura de distribución
coincide con uno de los orificios que
tiene la cabeza distribuidora y que
alimenta a uno de los inyectores. (c)
Fin de alimentación (d)
La alimentación de combustible
concluye en el momento en el que la
corredera de regulación abre los
orificios de descarga.
Entrada de combustible
Cuando el émbolo retorna del PMS
hacia el PMI, en su movimiento
alternativo y rotativo, se cierra la
ranura de distribución y se abre el
canal de entrada, de forma que se
vuelve a llenar de combustible el
recinto de alta presión.
Figura 48. Fases de la generación de alta presión y distribución del combustible, (Robert Bosch)
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5.4.4 Bomba VE con control de caudal por electroválvula
(Figura 49)
El principio de funcionamiento del elemento de bombeo es el mismo que en las
bombas con caudal regulado por corredera. El movimiento alternativo del émbolo se
produce de igual manera, por la rotación del disco de levas sobre el anillo de rodillos.
Sin embargo, la apertura y cierre del suministro de combustible están controlados por
una electroválvula.
Esto permite un control más preciso de la inyección y la posibilidad de realizar
preinyección. Además gracias al cierre de la electroválvula, que permite un mejor
sellado, se consiguen presiones de inyección más altas (del orden de 1.400 bar),
haciéndolas más aptas para sistemas de inyección directa.
Figura 49. Bomba rotativa de embolo axial con control de caudal por electroválvula, (Robert
Bosch)
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Fases del suministro
(Figura 50)
Succión (a)
A medida que el émbolo desciende hacia el
PMI, el combustible entra a la cámara de alta
presión. La electroválvula se encuentra abierta.
Carrera efectiva (b)
Cuando el émbolo se encuentra en el PMI,
antes de que los rodillos entren en contacto
con las levas, la ECU de la bomba envía a la
electroválvula la señal para que cierre.
Con la válvula cerrada, cuando el émbolo
comienza a ascender, el combustible no puede
salir por donde ha entrado. Entonces pasa por
el canal de inyección correspondiente, según la
posición del émbolo distribuidor y cuando
alcanza la presión necesaria para vencer el
muelle antagonista de la válvula de retención
comienza el suministro.
Carrera residual (c)
Una vez que se ha inyectado el combustible
necesario, la ECU corta la corriente a la
electroválvula de forma que ésta abre dejando
salir el combustible bombeado en el resto de la
carrera.
a Induction
b Effective stroke
c Residual stroke
TDC Pump-plunger Top Dead Center
BDC Pump-plunger Bottom Dead Center
Figura 50. Fases del suministro en una bomba rotativa con control de caudal por electroválvula,
(Robert Bosch)
5.5 Bombas rotativas de émbolos radiales VR
Estas bombas producen presiones de inyección mayores que las de émbolo axial, por
lo que también requieren más potencia para accionarlas (hasta 4,5 kW comparado con
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3 kW en el caso de la bomba de émbolo axial). Por este motivo su uso suele estar
destinado a vehículos de mayor potencia. Se usan en turismos y en vehículos
industriales con potencias de hasta 50 kW/cilindro.
Todos los modelos de estas bombas tienen regulación electrónica y control del caudal
por electroválvulas.
5.5.1 Diseño
(Figura 52)
La bomba es accionada directamente por el eje de accionamiento. Los principales
componentes de estas bombas son:
• El anillo de levas
• Los soportes de los rodillos y los rodillos
• Los émbolos de bombeo
• El disco de arrastre
• La sección frontal del eje distribuidor
El movimiento giratorio del eje de accionamiento es transmitido mediante un disco de
arrastre directamente al eje distribuidor. Las ranuras guía sirven simultáneamente para
guiar los soportes de los rodillos que recorren la pista interior del anillo de levas. El
número de levas en el interior de la pista corresponde al número de cilindros del
motor.
En la cabeza del eje distribuidor se encuentran los émbolos de bombeo dispuestos de
forma radial con respecto a eje de la bomba. Los émbolos de suministro están
apoyados sobre los soportes de los rodillos, de esta forma se mueven solidarios a
ellos de acuerdo al perfil de la pista de la leva, comprimiendo el combustible en la
cámara central. Pueden tener 2, 3 o 4 émbolos dependiendo del número de cilindros
del motor y del tipo de aplicación. (Figura 511)
Figura 51. Distintas configuraciones de los émbolos radiales, (Robert Bosch)
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For the sake of clarity, various components are shown end-on rather than side-on.
Pump ECU Radial-piston high-pressure pump (end-on view) Distributor shaft High-pressure solenoid valve
Delivery valve
Figura 52. Esquema de una bomba VR, (Robert Bosch)
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6 BOMBAS DE INYECCIÓN INDIVIDUALES PF
6.1 Aplicaciones
Se usan en motores diesel con aplicaciones “off-road”, desde pequeños motores con
potencias entre 4 y 75 kW por cilindro (tractores, maquinaria para la construcción,
generadores eléctricos), hasta motores a gran escala con potencias de hasta 1000kW
por cilindro (locomotoras, barcos…). En el caso de estos últimos pueden trabajar con
gasoil de alta viscosidad y aceites pesados.
Estas bombas destacan por su durabilidad y facilidad de mantenimiento.
6.2 Diseño y operación
(Figura 53)
El principio de operación de estas bombas es el mismo que el de las bombas en línea
tipo PE, con la diferencia de que hay una por cada cilindro del motor. El émbolo del
elemento de bombeo es idéntico en ambas bombas. Las bombas individuales no
llevan un árbol de levas propio, son accionadas de forma externa por el árbol de levas
que controla las válvulas del motor. La designación PF indica que la bomba está
controlada por un árbol de levas externo.
Algunas de estas bombas de menor tamaño pueden tener 2, 3 o 4 cilindros. Sin
embargo la mayoría de los diseños son de un solo cilindro.
Al ser accionadas directamente por el árbol de levas del motor, no es posible variar el
avance girando el árbol de levas. Es posible variarlo unos grados añadiendo algún
elemento intermedio, por ejemplo con una manivela oscilante entre la leva y el rodillo
empujador como se observa en la figura 53.
Al ir montadas directamente sobre el bloque del motor, la tubería de alta presión que
lleva el combustible hasta el inyector es más corta que en el caso de las bombas
inyectoras convencionales. El menor tamaño de tubería implica una inyección más
precisa con menor tiempo de retraso desde el suministro.
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Figura 53. Sistema de variación de avance en bombas individuales tipo PF, (Robert Bosch)
Se distinguen básicamente dos tipos de bombas de inyección:
• Tipo PFR: Llevan incorporado un rodillo empujador que se encuentra en contacto
directo con la leva y acciona el embolo.
• Tipo PF y PFE: En este caso el rodillo empujador va montado sobre el motor y no
como parte de la bomba. Son más comunes en los motores pequeños.
6.3 Control
Igual que en las bombas en línea tipo PE, para controlar el número de revoluciones del
motor se ajusta el suministro mediante el giro del émbolo, variando así la carrera útil.
El giro del émbolo se controla mediante una varilla externa a la bomba que mueve la
cremallera. Esta, a su vez, es accionada por el regulador.
En los motores grandes el regulador va montado directamente sobre el bloque del
motor. El regulador puede ser electrónico o hidromecánico, y en pocos casos
puramente mecánico.
Entre la cremallera de control de cada bomba y la varilla accionada por el regulador
hay un muelle que hace de unión, de forma que si la cremallera de una de las bombas
individuales se obstruye no afecte al funcionamiento de las demás bombas.
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7 SISTEMAS CON INYECTOR UNITARIO (UIS)
En los sistemas con inyector unitario UIS (Unit Injector System), también llamado
unidad inyector-bomba, la bomba de inyección, la electroválvula de alta presión que
controla la inyección y el inyector forman una unidad individual, llamada inyector-
bomba. Esta construcción compacta hace más fácil el suministro y reduce el retraso
de inyección. Esto se debe a que la línea de alta presión entre la bomba y la tobera de
inyección es muy corta, y por tanto, el volumen de compresión es muy pequeño.
La presión máxima que se alcanza en un sistema UIS varía según el tipo de bomba y
la aplicación y se sitúa entre 1.800 y 2.200 bar en motores de vehículos comerciales y
hasta 2.050 bar en turismos.
7.1 Instalación y accionamiento
(Figura 54)
Los sistemas UIS se montan directamente sobre la culata del motor (uno por cada
cilindro) y son accionados por el árbol de levas del motor a través de un balancín. La
curva de inyección está directamente influenciada por la forma de la leva. Están
diseñados para que el émbolo se mueva más lento durante el llenado de la bomba
(movimiento de ascenso), para prevenir el arrastre de aire, y más rápido durante la
inyección (movimiento de descenso), para lograr la presión de suministro adecuada.
1. Balancín 2. Árbol de levas del motor 3. Electroválvula 4. Tobera o boquilla 5. Solenoide 6. Émbolo
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7. Inyector unitario 8. Cámara de combustión
Figura 54. Instalación del sistema bomba-inyector en un vehículo comercial, (Robert Bosch)
7.2 Diseño y construcción
(Figura 55)
El combustible se filtra antes de entrar en la tobera haciéndolo pasar por unos orificios
(aprox. 500) de menos de 0,1mm taladrados con láser. El cuerpo de la unidad
inyector-bomba sirve de cilindro de la bomba. La tobera está integrada en el inyector.
El muelle presiona el émbolo contra el balancín y a éste sobre la leva. De esta forma
el émbolo, el balancín y la leva están siempre en contacto durante el funcionamiento.
Los inyectores unitarios usados en vehículos comerciales suelen ser modelos de
mayor tamaño que llevan la electroválvula integrada dentro del inyector. Sin embargo
en los turismos la electroválvula va montada fuera del cuerpo de la bomba para reducir
el tamaño del inyector.
En la unidad inyector-bomba se distinguen tres partes principales:
• Generación de alta presión: Los componentes principales de la generación de
alta presión son el cuerpo de la bomba con el émbolo y el muelle antagonista.
• Electroválvula de alta presión: Tiene la misión de determinar el momento y la
duración de la inyección.
• Inyector: Pulveriza el combustible a alta presión en el interior de la cámara de
combustión. El inyector está adosado al cuerpo de la unidad inyector-bomba mediante
la tuerca de fijación.
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1. Perno esférico 2. Muelle de reposición 3. Émbolo de bomba 4. Cuerpo de bomba 5. Conector 6. Núcleo magnético 7. Muelle de compensación 8. Aguja de electroválvula 9. Inducido 10. Bobina de electroimán 11. Retorno de combustible (parte de baja presión) 12. Junta 13. Taladros de entrada (aprox. 500 agujeros taladrados con láser como filtro) 14. Tope hidráulico (unidad de amortiguación) 15. Asiento de aguja 16. Arandela de estanqueidad 17. Cámara de combustión del motor
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18. Aguja del inyector 19. Tuerca de fijación 20. Inyector integrado 21. Culata del motor 22. Muelle de compresión (muelle de inyector) 23. Embolo acumulador (émbolo alternativo) 24. Cámara acumuladora 25. Cámara de alta presión (recinto del elemento) 26. Muelle de electroválvula 27. Árbol de levas del motor 28. Balancín de rodillo
Figura 55. Unidad bomba-inyector para coches, (Robert Bosch)
7.3 Método de operación
El principio de funcionamiento para la inyección principal es el mismo para las
unidades utilizadas en vehículos comerciales y en turismos. La pre-inyección se
efectúa en los motores de turismos mediante un sistema mecánico-hidráulico y en los
vehículos comerciales mediante control electrónico por activación de la electroválvula.
7.3.1 Inyección principal
La inyección principal se puede subdividir en cuatro etapas (Figura 56):
• Carrera de aspiración (a)
El muelle antagonista mueve el émbolo hacia arriba durante la rotación de la leva. El
combustible, que se encuentra permanentemente bajo sobrepresión, fluye desde la
parte de baja presión de la alimentación de combustible, a través de los taladros de
entrada integrados en el bloque del motor y el canal de entrada de combustible, a la
cámara de baja presión. En esta fase la electroválvula se encuentra abierta. El
combustible llega a través de un taladro de comunicación a la cámara de alta presión.
• Carrera previa (b)
El émbolo de bomba baja debido al giro de la leva de accionamiento. La electroválvula
está abierta de forma que el émbolo fuerza al combustible a pasar, a través del canal
de retorno de combustible, a la parte de baja presión de la alimentación de
combustible.
• Carrera de suministro e inyección de combustible (c)
La unidad de control ECU suministra corriente a la bobina del electroimán de la
válvula, de modo que la aguja de la electroválvula es atraída al asiento, cortándose la
comunicación entre la cámara de alta presión y la parte de baja presión. Este
momento se denomina "comienzo de inyección eléctrico". El cierre de la aguja de la
electroválvula se traduce en un cambio de la corriente de la bobina.
La presión del combustible en la cámara de alta presión aumenta debido al descenso
del émbolo de la bomba, por lo que aumenta también la presión en la tobera.
Al alcanzarse la presión de apertura del inyector (aprox. 300 bar) se levanta la aguja
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del inyector y el combustible es inyectado en la cámara de combustión ("comienzo de
inyección real"). A causa del elevado caudal impulsado por el émbolo de la bomba, la
presión sigue aumentando durante todo el proceso de
inyección. El punto de máxima presión se alcanza durante la transición entre la carrera
de inyección y la carrera residual.
• Carrera residual (d)
En cuanto se desconecta la bobina del electroimán, la electroválvula se abre después
de un breve tiempo de retardo y abre nuevamente el paso entre la cámara de alta
presión y la parte de baja presión. En este instante la presión cae de repente hasta
que llega al valor de cierre del inyector y termina la inyección.
Los sistemas de inyector-bomba son intrínsecamente seguros. Es decir, en caso de
fallo o mal funcionamiento, lo máximo que puede ocurrir es una sola inyección
descontrolada. Si la electroválvula permanece abierta no se podrá inyectar, puesto
que el combustible fluirá de vuelta a la parte de baja presión y no es posible que la
presión pueda aumentar.
Cuando la electroválvula está permanentemente cerrada, el combustible no puede
entrar a la cámara de alta presión y tampoco habría inyección.
Puesto que la unidad inyector-bomba está montada en la culata, está expuesto a
temperaturas elevadas. Para mantener en el nivel más bajo posible las temperaturas
en la unidad, se refrigera mediante el combustible que retorna a la parte de baja
presión.
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Figura 56. Principio de funcionamiento de la unidad bomba-inyector. Etapas de la inyección
principal, (Robert Bosch)
7.3.2 Preinyección
Las unidades inyector-bomba utilizadas en motores de turismos diesel disponen de un
sistema de control mecánico-hidráulico para realizar una preinyección, compuesto por
un émbolo y una cámara de acumulación. Este proceso, hasta que comienza la
inyección principal, se puede dividir en cuatro etapas (Figura 57):
• Posición inicial (a)
La aguja del inyector y el émbolo del acumulador se encuentran en su asiento. La
electroválvula está abierta, con lo cual no puede aumentar la presión.
• Comienzo de la preinyección (b)
En cuanto se cierra la electroválvula, la presión comienza a aumentar. Al alcanzarse la
presión de apertura del inyector para la preinyección, se levanta la aguja del inyector y
la inyección previa comienza. Esta presión es significativamente menor que para la
inyección principal (aprox. 180 bar) debido a que el muelle se encuentra menos
comprimido. Durante esta fase, la carrera de la aguja del inyector está limitada
hidráulicamente mediante una unidad de amortiguación.
• Fin de la inyección preinyección (c)
La presión sigue aumentando y esto hace que el émbolo acumulador se levante de su
asiento y se establezca una comunicación entre la cámara de alta presión y la cámara
de acumulación. La disminución de presión originada y el aumento simultáneo de la
tensión previa del muelle de compresión hacen que la aguja del inyector se cierre,
finalizando la inyección.
La cantidad de combustible inyectado es del orden de y depende de la presión de
apertura y de la elevación del émbolo acumulador.
• Comienzo de la inyección principal (d)
Debido al movimiento continuo del émbolo sigue aumentando la presión en la cámara
de alta presión. Debido a la compresión del muelle, la presión requerida ahora para la
apertura de la aguja es mayor (aprox. 300 bar) que para la preinyección. Al alcanzarse
la presión de apertura, empieza la inyección principal.
El intervalo de tiempo entre la inyección previa y la principal está determinado por la
elevación del émbolo acumulador (que en parte está determinada por la tensión del
muelle de compresión) y por la velocidad del motor. Suele estar aproximadamente
entre 0,2 y 0,6 ms.
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Figura 57. Etapas de la preinyección en un sistema UIS, (Robert Bosch)
7.4 Electroválvula de alta presión
(Figura 58)
La electroválvula de alta presión controla la presión de acumulación, el inicio
de la inyección y la duración de la inyección.
7.4.1 Diseño y construcción
Se puede dividir en dos partes: válvula e imán.
Válvula
La válvula consta de la aguja de válvula, el cuerpo de válvula y el muelle.
El asiento de cierre del cuerpo de válvula es un rectificado cónico y la aguja de la
válvula posee igualmente un asiento de superficie cónica. El ángulo de la aguja es
algo mayor que el cuerpo de la válvula. Con la válvula cerrada, cuando la aguja
presiona contra el cuerpo de válvula, el cuerpo de válvula y la aguja de válvula hacen
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contacto únicamente sobre una línea (y no sobre una superficie), el asiento de válvula.
Gracias a esta disposición de doble cono, el sellado es muy eficiente. Se les aplica un
proceso de mecanizado de alta precisión para asegurar un ajuste perfecto.
Imán
El imán está compuesto de un estator fijo y el inducido móvil. El estator se compone
de un núcleo magnético, una bobina y los contactos eléctricos con su enchufe
correspondiente.
El inducido está fijado en la aguja de la válvula. En la posición de no excitación, hay
aire entre el estator y el inducido.
Principio de operación
Válvula abierta
La electroválvula está abierta siempre que no esté actuando, es decir, cuando no se
aplica corriente a la bobina. La fuerza ejercida por el muelle de compresión en la aguja
empuja ésta contra el tope, de forma que queda abierta la sección de paso entre la
aguja y el cuerpo de la válvula, en la zona correspondiente al asiento de la válvula. De
esta forma están conectadas entre sí las zonas de alta presión y baja presión de la
bomba. En esta posición el combustible puede entrar y salir de la cámara de alta
presión.
Válvula cerrada
La ECU acciona la bobina cuando va a tener lugar la inyección. La corriente de
excitación genera un flujo magnético en los componentes del circuito (núcleo
magnético, disco magnético e inducido). Este flujo magnético genera una fuerza que
atrae el inducido hacia el disco magnético y con de esta manera mueve la aguja hacia
el cuerpo de la válvula. El inducido es desplazado hasta que la aguja y el cuerpo de la
válvula entran en contacto en la junta de asiento y cierra la válvula. Entre el inducido y
el disco magnético continúa habiendo un hueco de aire residual.
La fuerza magnética no solamente tiene que atraer el inducido, sino que tiene que
vencer al mismo tiempo la fuerza ejercida por el muelle de la válvula, y seguir
resistiendo a la misma. Además, la fuerza magnética debe mantener en contacto las
superficies de sellado con una fuerza determinada para resistir la presión de la
cámara.
Cuando la electroválvula está cerrada, la presión se eleva en la cámara de alta presión
durante el descenso del émbolo para facilitar la inyección. Para detener el proceso de
inyección, la ECU desactiva el paso de corriente por la bobina. En ese instante termina
la atracción debida al flujo magnético y el muelle fuerza a la aguja a volver a su
posición de reposo. Así, se vuelve a abrir la válvula y la presión en la cámara de
combustión se reduce.
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Figura 58. Electroválvula de alta presión, (Robert Bosch)
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8 SISTEMAS CON BOMBA UNITARIA (UPS)
El sistema de bomba unitaria UPS (Unit Pump System), también llamado unidad
bomba-tubería-inyector, se utiliza en vehículos comerciales y motores grandes. La
misión y el funcionamiento del UPS son parecidos a los sistemas bomba-inyector UIS.
La única diferencia entre los dos sistemas es que el UPS separa la generación de la
alta presión con la inyección por medio de una corta tubería.
8.1 Instalación y accionamiento
(Figura 59)
En estos sistemas la tobera va instalada en un porta inyector montado en la culata,
mientras que en los sistemas UIS va integrada directamente en el inyector.
La bomba va montada al lado del bloque del motor y es accionada directamente por el
árbol de levas mediante un rodillo empujador. Esto ofrece algunas ventajas con
respecto al UIS:
• No necesita ningún diseño nuevo en la culata
• Rigidez de accionamiento al no ser necesarios balancines
• Manejo sencillo a la hora de hacer reparaciones ya que la bomba se puede
desmontar fácilmente
Figura 59. Motor con sistema de bomba unitaria
8.2 Diseño y construcción
(Figura 60)
A diferencia del inyector unitario, existe una tubería de alta presión entre la bomba y el
inyector. Estas líneas deber ser capaces de soportar permanentemente la presión
máxima de la bomba y las fluctuaciones de alta frecuencia en la presión que ocurren
durante las pausas en la inyección. Se utiliza tubo de acero sin uniones. Las tuberías
deben ser lo más cortas posibles e iguales para todas las bombas individuales en un
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mismo motor.
Figura 60. Esquema de la unidad bomba-tubería-inyector, (Robert Bosch)
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9 SISTEMAS DE INYECCIÓN CON ACUMULADOR “COMMON RAIL”
El Common Rail es uno de los sistemas de inyección más perfeccionados que existen
actualmente. Permite cumplir todos los requisitos planteados a los motores diesel, que
cada vez son más estrictos. La integración de los sistemas Common Rail en los
motores diesel de inyección directa ha supuesto un paso más en la mejora de estos
motores. Debido al preciso control de la inyección, que permite mejorar la combustión,
no sólo se consigue reducir las emisiones contaminantes, también reducir el consumo
de combustible, aumentar la potencia y reducir las vibraciones y el sonido del motor.
La principal ventaja que presenta el sistema Common Rail es la capacidad de variar
fácilmente la presión y el tiempo de inyección dentro de un amplio rango. Esto se
consigue separando los componentes de generación de presión (bomba de alta
presión) y de inyección de combustible (inyectores electrónicos). El “raíl” o conducto
actúa como acumulador de presión. De esta forma la presión en el acumulador es
independiente del régimen de giro del motor y del caudal de inyección, cosa que no se
podía conseguir en los sistemas con levas descritos anteriormente.
Este sistema es muy parecido al que ya se venía utilizando en los motores de
inyección directa de gasolina, con la diferencia de que la presión máxima en ellos era
de 5 o 6 bar, mientras que los sistemas Common Rail actuales superan 2000 bar.
Figura 61. Esquema de un sistema Common Rail en un motor de 4 cilindros, (Robert Bosch)
9.1 Aplicaciones
El sistema de inyección Common Rail con motores de inyección directa se usa
actualmente en prácticamente todo tipo de vehículos:
• Automóviles con motores diesel de todos los tamaños: desde utilitarios con
motores de 3 cilindros, 800 cc, 30 kW (41 cv) de potencia, par motor de 100 Nm y un
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consumo de 3.5 l/100km; hasta automóviles de gama alta con motores de 8 cilindros,
4 litros de cilindrada, 250 kW (340 CV) de potencia y un par motor de 700 Nm
• Camiones ligeros con motores de hasta 30 kW/cilindro.
• Maquinaria de uso agrícola y para la construcción.
• Camiones pesados, locomotoras y barcos con grandes motores que pueden llegar
hasta los 200 kW/cilindro.
El sistema Common Rail ofrece una gran flexibilidad en lo relativo a la adaptación de
la inyección al motor. Esto se consigue mediante:
• Elevada presión de inyección, que puede superar los 2000 bar en los sistemas de
última generación.
• Presión de inyección adaptada al estado de servicio (200… 2000 bar).
• Comienzo variable de la inyección.
• Posibilidad de efectuar varias inyecciones previas y posteriores (incluso pos
inyecciones muy retardadas).
Todo esto hace que se consiga esa mejora en cuanto a potencia, rendimiento,
reducción de emisiones, etc. Esto ha hecho que hoy en día el common-rail se haya
convertido en el sistema de inyección directa más utilizado en los motores diesel
modernos y de elevadas prestaciones para turismos.
9.2 Diseño y estructura
Los componentes del sistema de inyección se pueden diferenciar en tres grupos
principales (Figura 62):
• Etapa de baja presión: formada por los componentes que se encargan del
suministro del combustible a la etapa de alta presión.
(Ver capítulo 3, apartado 3.2)
• Sistema de alta presión, compuesto por: bomba de alta presión, “raíl” o
acumulador de combustible, inyectores y líneas de alta presión.
• Sistema de Regulación Electrónica EDC (Electronic Diesel Control). Lo
constituyen una serie de sensores (medidor de masa de aire, sensor de velocidad del
cigüeñal, sensor del pedal del acelerador…), la unidad de control ECU (Electronic
Control Unit) y los actuadores.
(Ver capítulo 11).
Los componentes principales del sistema Common Rail son los inyectores. Están
equipados de una válvula de acción rápida (una electroválvula o, en el caso de las
últimas generaciones, un actuador piezoeléctrico) que abre y cierra la tobera del
inyector. Esto permite el control por separado del proceso de inyección para cada
cilindro. Todos los inyectores se alimentan desde un raíl común, de ahí el origen del
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término “Common Rail”.
Una de las características principales de este sistema es que la presión puede variar
dependiendo del punto de operación del motor. El ajuste de la presión se efectúa
mediante la válvula reguladora de presión o la unidad de dosificación, controlada por
la ECU que, a su vez, recibe información del sensor de presión del acumulador.
Figura 62. Módulos del sistema Common Rail, (Robert Bosch)
9.3 Componentes de la etapa de alta presión
(Figura63)
La etapa de alta presión se divide en tres sectores: generación de presión,
acumulación de presión y dosificación del combustible. La generación de presión la
lleva a cabo la bomba de alta presión. La acumulación de la presión se efectúa en el
“rail” o acumulador, en el cual está montado el sensor de presión y la válvula
reguladora o limitadora de presión. Los inyectores se encargan de la dosificación
exacta del combustible, asegurando el momento y el volumen de inyección correcto.
Todos los sectores están interconectados mediante tuberías de combustible de alta
presión.
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Figura 63. Etapa de alta presión del sistema Common Rail, (Robert Bosch)
9.3.1 Bomba de alta presión
(Figura 64)
La bomba de alta presión se encuentra en la intersección entre la parte de baja
presión y la parte de alta presión. Su función es asegurar el suministro de la cantidad
de combustible necesario a la presión adecuada para todas las condiciones de
funcionamiento del motor y durante toda la vida útil del motor. Además debe mantener
una reserva de combustible necesaria para un arranque rápido del motor y para la
elevar rápidamente la presión en el acumulador.
La bomba genera permanentemente la presión necesaria en el acumulador,
independientemente de la inyección de combustible. Por esta razón, en comparación
con sistemas de inyección convencionales, no es necesaria la compresión durante el
proceso de inyección.
En los sistemas para turismos se utiliza para la generación de presión una bomba de 3
émbolos radiales (dispuestos con un ángulo de 120º entre ellos). En los vehículos
industriales se utilizan bombas de disposición en serie de 2 émbolos. Estas bombas se
suelen montar en el mismo lugar que las bombas rotativas. Es accionada por el motor
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mediante un embrague, una rueda dentada, una cadena o una correa dentada. El
número de revoluciones de la bomba mantiene con ello una relación de
desmultiplicación fija con respecto al número de revoluciones del motor.
Los émbolos, situados en el interior de la bomba, comprimen el combustible. Con tres
carreras de alimentación por giro se generan en la bomba de émbolos radiales
carreras de alimentación solapadas (sin interrupción de la alimentación), pares de
accionamiento máximo reducidos y una carga uniforme del accionamiento de la
bomba.
En los sistemas para turismos, el par motor necesario para mover la bomba es de
16Nm, sólo aproximadamente 1/9 del necesario para una bomba rotativa equivalente.
La potencia necesaria para el accionamiento de la bomba crece de forma proporcional
a la presión fijada en el acumulador y al número de revoluciones de la bomba (caudal
de alimentación). En un motor de 2 litros, en régimen nominal y con una presión de
1.350 bar en el acumulador, la bomba de alta presión absorbe una potencia de 3,8 kW
(con un rendimiento mecánico de aprox. el 90%).
La mayor demanda de energía de los sistemas Common Rail en comparación con los
sistemas de inyección convencionales tiene su origen en los volúmenes de fuga y de
control existentes en el inyector y, en el caso de las bombas de primera generación,
en la reducción de la presión a la presión del sistema deseada mediante la válvula
reguladora de presión. Las bombas de émbolos radiales de generaciones posteriores
incorporan una válvula electromagnética que dosifica el combustible en la parte de
baja presión. Con esta regulación se mejora el rendimiento energético, por la
reducción de la demanda de energía de la bomba y de la temperatura máxima del
combustible.
Lubricación
Las bombas de émbolos radiales de alta presión utilizadas en los turismos se lubrican
con combustible. En los sistemas para vehículos industriales se utilizan bombas de
émbolos radiales lubricadas con combustible o con aceite, pero también bombas de
disposición en serie de 2 émbolos lubricadas con aceite. Las bombas lubricadas con
aceite poseen mayor robustez en caso de ser peor la calidad del combustible.
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Figura 64. Esquema de una bomba de alta presión de un sistema Common Rail, (Robert Bosch)
9.3.2 Acumulador de alta presión
(Figura 65)
Función
El “rail” o conducto tiene la misión de almacenar combustible a alta presión. El
volumen acumulado debe amortiguar las oscilaciones de presión producidas por el
suministro pulsante de la bomba y por los procesos de inyección, garantizando que la
presión permanezca constante al abrirse el inyector. El volumen debe ser lo
suficientemente grande para satisfacer este requisito y a la vez lo suficientemente
pequeño para garantizar una rápida generación de presión en el arranque.
Además de la función de acumulación de combustible, también se encarga de
distribuir el combustible a los inyectores.
Diseño y funcionamiento
El acumulador lleva montado un sensor de presión y una válvula limitadora o
reguladora de presión. El sensor de presión mide la presión del combustible, envía la
señal a la ECU y esta actúa sobre la válvula reguladora para mantener la presión
requerida.
El acumulador debe estar lleno continuamente de combustible a
presión para abastecer a los inyectores.
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Figura 65. Acumulador de presión, (Robert Bosch)
9.3.3 Sensor de presión
(Figura 67)
El combustible fluye a través de un taladro en el”rail” hacia el sensor de presión del
mismo, cuya membrana del sensor cierra herméticamente el final del taladro. A través
de un orificio en el taladro ciego llega a la membrana el combustible sometido a
presión. Sobre esta membrana se encuentra el elemento piezorresistivo que
transforma la presión en una señal eléctrica. Esta señal se transmite a la ECU que la
interpreta como un valor de presión.
El sensor de presión trabaja según el siguiente principio:
La resistencia eléctrica de las capas aplicadas sobre la membrana, varía si cambia su
forma. Este cambio de forma (aprox. 20µm a 1500 bar) que se establece por la presión
del sistema, origina una variación de la resistencia eléctrica y genera un cambio de
tensión en el puente de resistencia abastecido con 5 V. Esta tensión es del orden de 0
a 80 mV (según la presión existente) y es amplificada por el circuito evaluador hasta
un margen de 0,5 a 4,5 V (Figura 66).
La medición exacta de la presión en el”rail” es imprescindible para el funcionamiento
del sistema. Por este motivo son también muy pequeñas las tolerancias admisibles
para el sensor de presión en la medición de presión. La precisión de la medición en el
margen de servicio principal es de aproximadamente ±2% del valor final. En caso de
fallar el sensor de presión del “raíl”, se activa la válvula reguladora de presión con una
función de emergencia "a ciegas" mediante valores preestablecidos.
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Figura 67. Sensor de alta presión Figura 66. Curva del
sensor de alta presión
9.3.4 Válvula limitadora de presión
La misión de esta válvula equivalente a la de una válvula de sobrepresión. Esta
válvula limita la presión en el acumulador abriendo un orificio de rebose en caso de
aumentar en exceso la presión.
Estructura y funcionamiento
(Figura 68)
Esta válvula es un componente que trabaja mecánicamente. Consta de las siguientes
piezas:
• Una carcasa con rosca exterior para enroscarla en el raíl o conducto
• Una conexión en la tubería de retorno hacia el depósito de combustible
• Un émbolo móvil
• Un muelle de compresión
La carcasa tiene un taladro en el lado de conexión del raíl, que puede cerrarse
mediante la presión del extremo cónico del émbolo en el asiento de estanqueizado de
la carcasa. En servicio normal, el muelle presiona el émbolo sobre el asiento, de forma
que se mantiene cerrado el raíl. Cuando se sobrepasa la presión máxima admitida en
el sistema, el émbolo se levanta por la presión que ejerce el combustible, venciendo la
fuerza del muelle antagonista. Entonces el combustible sale y disminuye la presión en
el raíl. El combustible retorna al depósito de combustible a través de una tubería
colectora.
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Figura 68. Esquema de una válvula limitadora de presión, (Robert Bosch)
9.3.5 Válvula reguladora de presión Función
Tiene la misión de ajustar y mantener la presión en el raíl, en función del estado de
carga del motor:
• En caso de una presión demasiado alta, la válvula reguladora de la presión abre
de forma que una parte del combustible retorna al depósito.
• En el caso de una presión demasiado baja, la válvula cierra estanqueizando así el
lado de alta presión contra el lado de alta presión.
Estructura
(Figura 69)
La válvula reguladora de presión tiene una brida de sujeción para su fijación a la
bomba de alta presión o al acumulador. El inducido presiona una bola contra el asiento
para eliminar la conexión entre el lado de alta presión y el de baja presión; para ello, el
muelle de la válvula presiona el inducido hacia abajo, y por otra parte, un electroimán
que ejerce una fuerza sobre el inducido.
Para la lubricación y la eliminación del calor se refrigera con combustible el inducido
completo.
Funcionamiento
La válvula reguladora de la presión tiene dos circuitos de regulación:
• Un circuito regulador eléctrico lento para el ajuste de un valor de presión medio
variable en el acumulador, y
• Un circuito regulador mecánico-hidráulico rápido para compensar las
oscilaciones de presión de alta frecuencia.
Válvula reguladora de presión no activada
La alta presión existente en el acumulador o en la salida de la bomba de alta presión
es superior a la afluencia de alta presión de la válvula reguladora de presión. Debido a
que el electroimán sin corriente no ejerce ninguna fuerza, la acción de la alta presión
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es superior a la fuerza elástica, de forma que la válvula permanece más o menos
abierta según el caudal de suministro. El muelle está dimensionado de forma que se
ajuste una presión del orden de 100 bar.
Válvula reguladora de presión activada
Si debe elevarse la presión en el circuito de alta presión, deberá generarse una fuerza
magnética además de la fuerza elástica. La válvula reguladora de presión se activa, y
por tanto se cierra, hasta que quede compensada la fuerza de alta presión por un lado
y las fuerzas magnéticas y elástica por otro. La válvula queda entonces en una
posición abierta y mantiene constante la presión. Mediante la variación de la apertura
se compensa el caudal de suministro de la bomba y el combustible extraído por los
inyectores. La fuerza magnética del electroimán es proporcional a la corriente de
activación. Se realiza
mediante una modulación de
duración de impulsos. La
frecuencia de impulsos de
1kHz es suficientemente alta
para evitar movimientos
perturbadores del inducido u
oscilaciones de presión en el
acumulador.
Figura 69. Esquema de una válvula reguladora de presión, (Robert Bosch)
9.3.6 Inyector con electroválvula
Los inyectores utilizados en los sistemas common-rail se activan de forma eléctrica, a
diferencia de los utilizados en otros sistemas que se activan mecánicamente. Con esto
se consigue más precisión a la hora de inyectar el combustible y se simplifica el
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sistema de inyección.
Estructura
(Figura 70)
El inyector puede dividirse en tres bloques funcionales:
. El inyector de orificios (Ver capítulo 10)
. El servosistema hidráulico
. La electroválvula
El combustible a alta presión procedente del acumulador entra hacia la tobera y la
cámara de control de la válvula a través del estrangulador de alimentación. La cámara
de control está unida con el retorno de combustible a través del estrangulador de
salida, que puede abrirse por una válvula electromagnética.
Funcionamiento
(Figura 70)
La función del inyector puede dividirse en cuatro estados de servicio, con el motor en
marcha y la bomba de alta presión en funcionamiento:
. Inyector cerrado (con alta presión presente)
. Apertura del inyector (comienzo de inyección)
. Inyector totalmente abierto
. Cierre del inyector (final de inyección)
Estos estados de servicio se regulan mediante la distribución de fuerzas en los
componentes del inyector. Si el motor no está en marcha y no hay presión en el
acumulador, la presión de un muelle mantiene el inyector cerrado.
Inyector cerrado (estado de reposo) (a)
La electroválvula no está activada en estado de reposo y por lo tanto se encuentra
cerrado el estrangulamiento de salida que hace que la presión del combustible sea
igual en la cámara de control que en el volumen de cámara de la tobera por lo que la
aguja del inyector permanece ajustada sobre su asiento en la tobera, empujada por el
muelle del inyector.
Apertura del inyector (comienzo de inyección) (b)
El inyector se encuentra en posición de reposo. La electroválvula se activa con la
llamada corriente de excitación, que hace que abra rápidamente la electroválvula.
La fuerza del electroimán activado ahora es superior a la fuerza del muelle de la
válvula. El inducido levanta la bola de la válvula de su asiento y abre el estrangulador
de salida. Tras un breve periodo de tiempo se reduce la corriente de atracción a una
corriente de mantenimiento de menor intensidad en el electroimán. Con la apertura del
estrangulador de salida puede fluir el combustible desde la cámara de control de
válvula a la cámara hueca situada encima y volver al depósito de combustible a través
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de las tuberías de retorno. El estrangulador de entrada impide una compensación
completa de la presión y disminuye la presión en la cámara de control de válvula. Esto
conduce a que la presión en la cámara de control sea menor que la presión existente
en la cámara de la tobera. La reducción de la presión en la cámara de control de la
válvula conduce a una disminución de la fuerza sobre el émbolo de mando y da lugar
a la apertura de la aguja del inyector. En este momento comienza la inyección.
Inyector totalmente abierto
La velocidad de apertura de la aguja del inyector queda determinada por la diferencia
de flujo entre el estrangulador de entrada y el de salida. El émbolo de mando alcanza
su tope superior y permanece retenido ahí mediante un volumen de combustible con
efecto amortiguador (tope hidráulico). Este volumen se produce por el flujo de
combustible que se establece entre el estrangulador de entrada y de salida. La tobera
del inyector está ahora totalmente abierta y el combustible es inyectado en la cámara
de combustión con una presión prácticamente equivalente a la existente en el
acumulador. La distribución de fuerzas en el inyector es similar a la existente durante
la fase de apertura. El caudal de combustible es, con una presión determinada,
proporcional al tiempo de conexión de la válvula electromagnética y es independiente
del número de revoluciones del motor o de la bomba (inyección controlada
temporalmente).
Cierre del inyector (final de inyección) (c)
En el momento en que se desactiva la electroválvula, el muelle presiona el inducido
hacia abajo y la bola de la válvula cierra el estrangulador de salida. Al cerrarse el
estrangulador de salida se genera de nuevo en la cámara de control una presión
equivalente a la existente en el acumulador, a través del estrangulador de entrada.
Este aumento de presión supone un incremento de fuerza ejercido sobre el émbolo de
mando. La fuerza generada en la cámara de control de válvula y la fuerza del muelle
superan ahora
la fuerza del volumen de la cámara de tobera sobre la aguja, por lo que ésta se cierra
sobre su asiento y finaliza la inyección. La velocidad de cierre de la aguja queda
determinada por el flujo proveniente del estrangulador de entrada.
La activación indirecta de la aguja del inyector se efectúa mediante un sistema de
servo asistencia hidráulico debido a que la válvula electromagnética no es capaz de
generar directamente la fuerza necesaria para abrir rápidamente la aguja.
Los volúmenes de control y de fuga en las guías en la aguja y el émbolo se conducen
de nuevo al depósito de combustible a través de la tubería de retorno de combustible.
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Figura 70. Estructura y funcionamiento de un inyector con electroválvula, (Robert Bosch)
9.3.7 Inyector piezoeléctrico integrado en la tubería
Para la 3ª generación del sistema Common Rail se desarrolló un nuevo tipo de
inyector, que trabaja con un actuador piezoeléctrico en lugar de una electroválvula. El
actuador piezoeléctrico es mucho más rápido que las electroválvulas empleadas hasta
entonces, pero necesita un diseño adaptado para poder aprovechar realmente las
ventajas de este sistema.
El sistema de inyección ofrece además la posibilidad de obtener muy cortas distancias
entre los procesos de inyección y ajustar con más precisión la cantidad y el instante de
la dosificación del combustible. Puede realizar hasta cinco procesos de inyección por
ciclo.
Mediante el estrecho acoplamiento de la servo válvula a la aguja del inyector se
obtiene una reacción inmediata de la aguja al accionar el actuador. El tiempo de
retardo entre el comienzo
Estructura y requisitos
(Figura 71)
La estructura de este inyector se puede dividir en los siguientes grupos:
• Modulo actuador
• Acoplador hidráulico o multiplicador
• Válvula de control o servo válvula
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• Módulo de inyector
En la concepción del inyector ha primado el concepto de conseguir una elevada
resistencia total en la cadena formada por el actuador, el acoplador hidráulico y la
válvula de control.
Otra característica constructiva especial es la eliminación de las fuerzas mecánicas en
la aguja del inyector, tal y como podían generarse en los inyectores con válvula
electromagnética a través de una varilla de presión. En conjunto, se han podido
reducir de forma eficaz las masas móviles y el rozamiento, mejorándose además la
estabilidad y la deriva del inyector en comparación con sistemas convencionales.
Figura 71. Estructura de un inyector piezoeléctrico, (Robert Bosch)
El sistema de inyección ofrece además la posibilidad de obtener muy cortas distancias
entre los procesos de inyección y ajustar con más precisión la cantidad y el instante de
la dosificación del combustible. Puede realizar hasta cinco procesos de inyección por
ciclo.
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Mediante el estrecho acoplamiento de la servo válvula a la aguja del inyector se
obtiene una reacción inmediata de la aguja al accionar el actuador. El tiempo de
retardo entre el comienzo eléctrico de la activación y la reacción hidráulica de la aguja
del inyector es de aproximadamente 150 microsegundos. De esta forma se pueden
conseguir intervalos y caudales de inyección más pequeños.
Gracias a su diseño, se ha reducido drásticamente la cantidad de fuga del actuador al
circuito de baja presión, con la consecuencia de un incremento del rendimiento
hidráulico del sistema.
Funcionamiento
(Figura 72)
La servo válvula controla directamente la aguja. El caudal de inyección se regula
mediante el tiempo de activación de la válvula. Estando en reposo, la servo válvula se
encuentra cerrada (posición inicial). El sector de alta presión está separado del de
baja. El inyector se mantiene cerrado mediante la presión en la cámara de control.
Mediante la activación del actuador piezoeléctrico se abre la servo válvula y se cierra
el orificio de derivación. Mediante la relación de flujo del estrangulador de salida y el
estrangulador de alimentación se reduce la presión en la cámara de control y se abre
el inyector. El caudal de control resultante fluye a través de la servo válvula al circuito
de baja presión del sistema completo.
Para iniciar el proceso de cierre se descarga el actuador y la servo válvula vuelve a
dejar libre el conducto de derivación. Mediante el estrangulador de alimentación y el
estrangulador de salida se rellena de nuevo la cámara de control en dirección de
retroceso y se incrementa la presión en la cámara de control. Tan pronto como se
alcanza el nivel de presión necesario, comienza a moverse la aguja del inyector y
finaliza el proceso de inyección.
Figura 72. Función de la servo válvula, (Robert Bosch)
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10 TOBERAS DE INYECTORES
La tobera es el elemento del inyector a través del cual se inyecta el combustible a alta
presión en la cámara de combustión del motor. Es un elemento determinante en la
formación de la mezcla y la combustión y, por tanto, su efecto es fundamental en las
prestaciones del motor. Están diseñados para ser lo más efectivos posibles, en función
del tipo de cámara de combustión en el que se vayan a usar y del sistema de
inyección.
El conjunto inyector/porta inyector va montado en la culata del motor. El porta inyector
sirve para fijar el inyector en la culata. El porta inyector está comunicado con la tubería
de alimentación de alta presión y la de retorno (Figura 73).
Se distinguen dos tipos principales de inyectores según el diseño de la tobera:
• Inyectores de tetón (motores de inyección indirecta)
• Inyectores de orificios (motores de inyección directa)
Dentro de estos dos tipos de inyectores existen diversas variantes, previstas para los
diferentes tipos de motores.
1. Entrada de combustible 2. Tuerca de racor para tubería de alimentación 3. Conexión para combustible de retorno 4. Arandelas de ajuste de presión 5. Canal de alimentación 6. Muelle 7. Perno de presión
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8. Aguja del inyector 9. Tuerca de fijación del porta inyector a la culata del motor.
Figura 73. Estructura de un inyector, (Robert Bosch)
10.1 Toberas de inyector de tetón
(Figura 74)
Estas toberas se usan sólo en motores de inyección indirecta (con precámara o
cámara de turbulencia). En estos motores la preparación de la mezcla de combustible
y aire se efectúa principalmente mediante el efecto de la turbulencia del aire en el
interior del cilindro, asistida por un chorro de inyección con la forma apropiada. No son
aptas para sistemas de inyección directa ya que los picos de presión en el interior de
la cámara de combustión la abrirían. El diseño fundamental de las distintas toberas
con este sistema es el mismo, la única diferencia entre ellas está en la geometría del
tetón.
Dentro del cuerpo del inyector se encuentra la aguja. Esta es presionada hacia abajo
por el muelle de forma que el tetón, que se encuentra en su punta, es presionado
sobre su asiento, sellando el conducto de salida y manteniendo así la tobera cerrada.
En el momento en el que se produce el suministro, la presión en la cámara aumenta,
actuando sobre la aguja e impulsándola hacia arriba. Cuando se alcanza la presión de
apertura (110…170 bar), la aguja sube y el tetón se separa de su asiento abriendo el
orificio de salida.
Gracias a la forma del tetón, que se va estrechando hacia la punta, se consigue que el
caudal de inyección sea variable, de forma que aumenta a medida que sube la aguja.
Al abrir el inyector, se inyecta una cantidad muy pequeña de combustible que irá
aumentando a medida que se levanta más la aguja (efecto estrangulador), llegando a
la máxima inyección de combustible cuando la aguja se levanta a su máxima apertura.
El inyector de tetón y el estrangulador asegura una combustión más suave y por
consiguiente, una marcha menos dura del motor (menor ruido de combustión), ya que
el aumento de la presión de combustión es progresivo.
Variando las dimensiones y la geometría del tetón se consiguen modificar las
características del chorro de inyección para ajustarlo a los requerimientos de cada
motor.
1. Aguja del inyector
2. Cuerpo del inyector
3. Cono de impulsión
4. Cámara de presión
5. Tetón de inyección.
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Figura 74. Sección de una tobera de inyector de tetón, (Robert Bosch)
10.2 Toberas de inyector de orificios
(Figura 75)
En los sistemas de inyección directa, la presión de apertura del inyector puede estar
entre 150 y 350 bar y las presiones de inyección son mucho más altas que en los
sistemas de inyección indirecta. Por esto es necesario un diseño diferente de los
inyectores.
La punta de la tobera tiene forma esférica. En su pared hay unos orificios que varían
en número y diámetro dependiendo del diseño del inyector, de las características del
sistema de inyección y de los requisitos del motor. Suelen tener múltiples orificios,
aunque los hay también de un solo orificio. En función del diseño de la cámara de
combustión, el orificio de inyección del inyector de orificio único puede estar dispuesto
central o lateralmente. En el caso de inyectores de varios orificios de inyección, estos
pueden estar dispuestos simétrica o asimétricamente.
El extremo de la aguja y su asiento tienen forma de cono. El control de la elevación de
la aguja, en los sistemas Common Rail y de inyector unitario, se realiza mediante una
electroválvula o un elemento piezoeléctrico. Su funcionamiento se detalla en los
respectivos apartados
1. Cuerpo del inyector
2. Aguja del inyector
3. Asiento del inyector
4. Taladro ciego
5. Agujero de inyección
Figura 75. Sección de una tobera de inyector de orificios, (Robert Bosch)
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11 REGULACIÓN ELECTRÓNICA DIESEL (EDC)
El control electrónico del motor Diesel permite una configuración de los parámetros de
inyección precisa y variable, adaptada a las condiciones de funcionamiento. Sólo así
pueden satisfacerse los múltiples requisitos planteados a un motor Diesel moderno. El
sistema de Regulación Electrónica Diesel EDC (Electronic Diesel Control) se subdivide
en tres bloques (Figura 76):
• Sensores y transmisores de valor de referencia
• Unidad de control ECU (Electronic Control Unit)
• Elementos de regulación (actuado rores)
Figura 76. Bloques del sistema EDC, (Robert Bosch)
11.1 Descripción del sistema
11.1.1 Requisitos
La reducción del consumo de combustible y de las emisiones de sustancias nocivas
(NOx, CO , HC y partículas) con un incremento simultáneo de la potencia o del par
motor constituyen los objetivos de desarrollo actuales en el sector de la técnica Diesel.
Esto ha originado en los últimos años una mayor utilización de motores Diesel de
inyección directa. Gracias a la mejor formación de la mezcla se ha conseguido reducir
en un 10-20% el consumo de combustible de estos motores en comparación con los
usados anteriormente de inyección indirecta.
Además a los nuevos motores Diesel se le plantean elevadas exigencias en relación
con el confort de marcha y con las emisiones de ruido.
Esto conduce a un aumento de los requisitos del sistema de inyección y a su
regulación con respecto a:
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• Las altas presiones de inyección
• Conformación del desarrollo de inyección
• Inyección previa y, en su caso, inyección posterior
• Caudal de inyección, presión de sobrealimentación y comienzo de inyección
adaptados a todos los estados de servicio
• Caudal de arranque dependiente de la temperatura
• Regulación del régimen de ralentí independiente de la carga
• Recirculación regulada de gases de escape
• Regulación de la velocidad de marcha
La regulación mecánica de revoluciones convencional registra con diversos
dispositivos de adaptación los distintos estados de servicio y garantiza una gran
calidad de la preparación de la mezcla. Sin embargo, se limita a un circuito regulador
sencillo en el motor y no puede registrar diversas magnitudes de importante influencia,
o no las registra con suficiente rapidez.
El sistema EDC evolucionó, a medida que aumentaban las exigencias, de un sistema
sencillo con eje actuador activado eléctricamente a un complejo control electrónico del
motor que tiene que procesar un gran número de datos en tiempo real.
11.1.2 Funcionamiento
La Regulación Electrónica Diesel (EDC) moderna es capaz de satisfacer dichas
exigencias, gracias al incremento durante los últimos años de la capacidad de cálculo
de los microprocesadores.
Contrariamente a los vehículos diesel con bombas convencionales de inyección
reguladas mecánicamente, en un sistema EDC, el conductor no tiene ninguna
influencia directa sobre el caudal de combustible inyectado a través del pedal del
acelerador y un cable de accionamiento. El caudal de inyección se determina, en
función de diferentes variables:
• Deseo del conductor (posición del pedal del acelerador)
• Estado de servicio
• Temperatura del motor
• Intervención de otros sistemas
• Efectos sobre las emisiones de contaminantes
El caudal de inyección se calcula en la unidad de control a partir de estas variables.
También puede variarse el momento de inyección. Esto requiere un extenso concepto
de seguridad que reconoce las desviaciones que se producen y aplica las
correspondientes medidas conforme a sus efectos (limitar el par motor, por ejemplo).
El sistema EDC contiene por ello varios circuitos reguladores.
La regulación electrónica diesel permite también el intercambio de datos con otros
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sistemas electrónicos como por ejemplo el ABS o el ESP. Con ello se puede integrar
el control del motor en el sistema total del vehículo.
El sistema EDC está completamente integrado en el sistema de diagnóstico del
vehículo.
11.1.3 Bloques del sistema
(Figura 76)
La regulación electrónica diesel EDC se divide en tres bloques de sistema:
1. Sensores y transmisores de valor teórico: registran las condiciones de servicio
(por ejemplo, número de revoluciones del motor) y los valores teóricos (por ejemplo, la
posición del pedal del acelerador), transformando las magnitudes físicas en señales
eléctricas.
2. La unidad de control: procesa las informaciones de los sensores y transmisores
de los valores teóricos en base a determinados procesos de cálculo matemáticos
(algoritmos de control y regulación). Controla los elementos de regulación mediante
señales de salida eléctricas. La unidad de control viene a ser además la interfaz hacia
los demás sistemas para el diagnóstico del vehículo.
3. Elementos de regulación (actuadores): transforman las señales eléctricas de
salida de la unidad de control en magnitudes mecánicas (por ejemplo, de la
electroválvula para la inyección).
11.2 Procesamiento de datos
La tarea esencial del sistema EDC es el control del caudal y del momento de
inyección. El sistema de inyección Common Rail también regula la presión de
inyección. Además, la unidad de control del motor controla los diferentes elementos
actuadores en todos los sistemas. La regulación de la inyección debe estar adaptada a
cada vehículo y a cada motor. Solo así pueden interactuar todos los componentes de
forma óptima (Figura 77).
La unidad de control evalúa las señales que recibe de los sensores y las limita a un
nivel de tensión admisible. El microprocesador calcula a partir de estos datos de
entrada y según los mapas almacenados, el momento y la duración de la inyección, y
las transforma en señales características que están adaptadas a la carrera del pistón.
Este programa de cálculo se denomina “ECU software”.
Debido a la precisión requerida y al alto dinamismo del motor Diesel, es necesaria una
gran capacidad de cálculo. Mediante las señales de salida se activan los elementos
que suministran la potencia eléctrica correspondiente a los actuadores.
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Figura 77. Secuencia básica de la regulación electrónica, (Robert Bosch)
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11.3 Control de la inyección
En la figura 78 se muestra de un esquema de las funciones de
regulación que se pueden llevar a cabo con la unidad de control EDC para cada tipo
de sistema de inyección.
Figura 78. Funciones de regulación de la unidad de control EDC, (Robert Bosch)
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Caudal de arranque
Al efectuar el arranque se calcula el caudal de inyección en función de la temperatura
del líquido refrigerante y del régimen de giro del motor. Las secuencias para
determinar el caudal de arranque se emiten desde el momento de la conexión del
interruptor de encendido hasta que se alcanza el número de revoluciones mínimo.
El conductor no tiene ninguna influencia sobre el caudal de arranque.
Servicio de marcha
Bajo servicio de marcha normal, se calcula el caudal de inyección en función de la
posición del pedal del acelerador y del número de revoluciones. El cálculo se basa en
diagramas de curvas características y otras variables que recibe de los sensores
(temperatura del combustible, del refrigerante y del aire de admisión). De esta forma,
la potencia del vehículo se adapta mejor a los deseos del conductor.
Regulación de ralentí
La función de regulación del ralentí (LLR) es ajustar un régimen teórico definido del
ralentí cuando el acelerador no está accionado. Este régimen teórico puede variar en
función del estado de servicio del motor; así, por ejemplo, se establece normalmente
un número de revoluciones al ralentí mayor cuando el motor está frío que cuando está
caliente. El ralentí debe ser lo más bajo posible por motivos de consumo y de
emisiones.
Regulación del número de revoluciones final (limitación de caudal)
Su función es proteger al motor, deteniendo la inyección, cuando se supera el número
máximo de revoluciones determinado.
Amortiguación activa de tirones
En un cambio de carga repentino, el cambio del par motor provoca vibraciones y
tirones en la cadena cinemática del vehículo.
El amortiguador activo de tirones reduce estas oscilaciones periódicas del régimen,
variando el caudal de inyección con el mismo periodo de oscilación; al aumentar el
número de revoluciones, se inyecta menos caudal; al disminuir el número de
revoluciones, se inyecta más caudal.
Regulación de la suavidad de marcha
Debido a tolerancias mecánicas y a envejecimiento, no todos los cilindros del motor
generan el mismo par motor. Esto tiene como consecuencia un funcionamiento "no
redondo" del motor, especialmente al ralentí. El regulador de la suavidad de marcha
determina las variaciones del régimen después de cada combustión y las compara
entre sí. El caudal de inyección para cada cilindro se ajusta entonces en base a las
diferencias de revoluciones, de forma tal que todos los cilindros contribuyen por igual a
la generación del par motor. El regulador de suavidad de marcha actúa únicamente en
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el margen inferior de revoluciones.
Limitación del caudal de referencia
No siempre debe inyectarse el caudal de combustible deseado por el conductor o
físicamente posible. Esto puede tener las siguientes razones:
• Emisión excesiva de contaminantes y/o partículas
• Sobrecarga mecánica debido a un par motor excesivo o exceso de revoluciones
• Sobrecarga térmica debido a temperatura excesiva de los gases de escape, del
líquido refrigerante, del aceite o del turbocompresor.
Corrección de altura
A medida que aumenta la altitud, desciende la presión atmosférica. Por este motivo
también disminuye el llenado del cilindro con aire de combustión. Si se inyectara el
mismo caudal que con la presión atmosférica alta, se produciría una expulsión de
humos excesiva a causa de la carencia de aire.
El sensor de presión del entorno registra la presión atmosférica. Con ello es posible
reducir el caudal de inyección cuando se está a mayor altitud. La presión atmosférica
también influye en la regulación de la presión de sobrealimentación y la limitación del
par motor.
Desconexión de cilindros
Si se desea un par motor reducido a altos regímenes de giro del motor, se tiene que
inyectar muy poco combustible. Otra posibilidad es desconectar cilindros. Para esto se
desconectan la mitad de los inyectores y los restantes inyectan un caudal de
combustible mayor. Este caudal puede dosificarse con una precisión más alta.
Parada del motor
El principio de operación de auto detonación tiene como consecuencia que el motor
Diesel solo pueda pararse interrumpiendo la entrega de combustible al sistema de
inyección.
En el caso de la regulación electrónica diesel, el motor se para mediante la orden de la
unidad de control "caudal de inyección cero".
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CONCLUSIONES
-Es posible establecer un análisis de los distintos sistemas de inyección diesel de
manera estructurada y comprobar que todos ellos pueden ser sistematizados.
-El alumno está obligado a seguir con su investigación de sistemas individuales que
existen en el mercado y que además está en constante evolución.
-Ha sido posible ver cómo la evolución en el tiempo de estos sistemas no es otra que
la consecución de una respuesta más precisa a los requerimientos que conducen a
una mejora de la combustión y en consecuencia de las prestaciones del motor
(potencia específica, par motor, consumo específico y emisiones gaseosas y de nivel
de ruido).
Finalmente el autor sugiere como continuación de este trabajo, otro de las mismas
características que analice los sistemas de tratamiento y control de emisiones
gaseosas.
Para contacto:
Ing. Romao Alleri Cruz
Rpc: 951 106950
iamtomacco@hotmail.com
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ABREVIATURAS
ECU: Unidad de Control Electrónico (inglés: Electronic Control Unit)
EDC: Regulación Electrónica Diesel (inglés: Electronic Diesel Control)
PMS: Punto Muerto Superior. Momento de la carrera en el que el pistón se encuentra
en su punto más alto y el volumen de la cámara de combustión es el mínimo posible.
PMI: Punto Muerto Inferior. Momento de la carrera en el que el pistón se encuentra en
su punto más bajo y el volumen de la cámara de combustión es el máximo posible.
EGR: Sistema de recirculación de los gases de escape para el control
de emisiones contaminantes (inglés: Exhaust Gas Recirculation)
UIS: (inglés: Unit Injector Sistem)
UPS: (ingles: Unit Pump Sistem)
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BIBLIOGRAFÍA
“Motores de Combustión Interna Alternativos”. Universidad de Sevilla, 2009
“Diesel-Engine Management, 4th Edition”. Robert Bosch GmbH, 2005.
“Automotive Handbook, 7th Edition”. Robert Bosch GmbH, 2007.
“Manual de la técnica del automóvil, 3ª Edición”. Robert Bosch GmbH, 1996.
“Sistemas de inyección Diesel por acumulador Common Rail”. Robert Bosch 2005.
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