Sistemas de inyeccion directa de gasolina
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SISTEMA DE INYECCIÓN DIRECTA DE GASOLINA

Uno de los sistemas que prometen un espectacular desarrollo en el futuro, es la inyección directa de gasolina.

El deterioro del medio ambiente, el calentamiento global y el agotamiento de los recursos se han convertido en problemas de primer orden. Por ello, los fabricantes, intentan aportar soluciones tendentes a mejorar todos estos problemas, y que el automóvil pueda ser causante directo de ellos. Mitsubishi ha sido el primero en ofrecer una solución tecnológica con sus motores GDI.

Las normativas a nivel mundial sobre los gases de escape cada vez son más estrictas, por lo que los fabricantes no dejan de innovar para cumplir, muchas veces con creces, las normativas impuestas por los gobiernos. Uno de los avances más significativos ha sido la aparición y masificación de los motores gasolina que funcionan, al igual que los diesel modernos, por inyección directa de gasolina.

En este tipo de motores la gasolina es inyectada directamente en el cilindro, en ciertos casos como una mezcla estratificada, es decir, extremadamente pobre. Además del innovador sistema, es necesaria la aplicación de otras medidas adicionales, como la mariposa electrónica, la distribución variable realizando la función de un cruce de válvulas óptimo para un mejor reciclado de gases y el sistema depurador de gases de escape, cada vez más sofisticado.

Cómo funciona
En el caso de un motor gasolina clásico, alimentado por un sistema de inyección convencional, una bomba de combustible impele el combustible sobre un conducto hacia la rampa de inyección, donde actúa el regulador de presión que estabiliza la presión de combustible. Una unidad de mando electrónica dosifica la cantidad de combustible necesaria mediante unos inyectores electromagnéticos, que pulverizan el combustible en el colector, cerca de la válvula de admisión, en función de las demandas del conductor exigidas por, principalmente, la carga solicitada al motor, y el número de revoluciones. Por otro lado, la mariposa de aceleración es la responsable de dosificar la cantidad de aire aspirado por el motor, medición que es determinada como la carga exigida. El aire, una vez pasada la mariposa, arrastra el combustible hacia la cámara de compresión, logrando realizar una mezcla estequiométrica, factor lambda = 1. El pistón comprime la mezcla en la cámara y, llegado el punto muerto superior, una chispa producida por la bujía de encendido, inflama la mezcla, lo que crea una deflagración que impulsa el pistón hacia el punto muerto inferior, transmitiendo esta fuerza al cigüeñal a través de la biela.

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Los avances electrónicos sufridos por la gestión de los motores gasolina han ido encaminados a regular la mezcla y el momento de encendido de la chispa con la intención de obtener el mayor provecho de la explosión con la menor o más inocua generación de gases de escape. Factores como la relación de compresión, la solicitud de carga solicitada al motor, el avance necesario del encendido o la incorporación de catalizadores con control electrónico de la mezcla son ejemplos que vemos hoy en día. Para obtener el máximo rendimiento y la mínima emisión de gases nocivos se establecía una mezcla perfecta, valor lambda igual a 1, sobre la cual trabajan todos los motores, como término medio. Desgraciadamente las exigencias de una mayor potencia del motor se obtiene con un enriquecimiento de la mezcla, un factor lambda por debajo de 1, mientras que la emisión óptima de contaminantes y el menor consumo se encuentra con un empobrecimiento de la mezcla, un lambda por encima de uno. Los motores existentes trabajan en dependencia de la solicitud de carga para optimizar los valores lambda, es decir, si el conductor exige una carga elevada, la mezcla es rica, mientras que si el régimen es mantenido a un nivel constante, la unidad de mando calcula una mezcla pobre.

En los motores de inyección directa ocurre algo similar, una conmutación entre una mezcla idónea y una mezcla pobre. En los motores de inyección directa de gasolina, la unidad de mando del motor, o calculador, trabaja bajo dos principios de funcionamiento. Por un lado, en caso de calentamiento del motor, petición de carga por parte del conductor o si el catalizador no ha llegado a su temperatura de funcionamiento, el motor funciona con una mezcla homogénea, un factor lambda = 1 o mezcla estequiométrica, pudiendo así obtener el máximo rendimiento del motor.

En el caso de que el motor funcione con un régimen estabilizado bajo y la petición de carga por parte del conductor sea nula, la unidad de mando conmuta a un funcionamiento estratificado.

En realidad, el sistema de alimentación de combustible es muy similar a un sistema De inyección diesel Common Rail. Una bomba eléctrica sumergida en el depósito de combustible aspira el mismo desde el depósito y lo impulsa a través de un conducto hacia la bomba de alta presión. Una válvula reguladora de caudal establece la presión necesaria de pre alimentación en función de, principalmente, la temperatura de combustible, para lo que establece un paso de combustible entre la alimentación y el retorno de combustible.

La bomba de alta presión se encuentra en el vano motor y es accionada ya a través de una correa dentada desde el cigüeñal o directamente por la acción de uno de los árboles de levas. Interiormente consta de tres émbolos radiales, encargados de generar la alta presión necesaria para la inyección dentro de la cámara de compresión, consiguiendo aumentar la presión generada por la bomba eléctrica, del orden de 6 bar, hasta los 100 bar necesarios por el sistema.

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El combustible a alta presión es conducido a un conducto de alimentación. En este conducto se encuentran el resto de elementos necesarios para la regulación y la dosificación: el sensor de presión, el regulador de presión y los inyectores.

El sensor de presión es un elemento electrónico del tipo piezoeléctrico. Es alimentado desde la unidad de mando del motor e informa a éste del valor de presión existente en el raíl de combustible. La unidad de mando recibe esta información y actúa sobre el regulador de presión para establecer la presión necesaria, entre 50 y 100 bar. El combustible no necesario es devuelto hacia el depósito desde el raíl, a través del conducto de baja presión. Incorporado a el circuito de alimentación se encuentra el regulador de baja presión, encargado de mantener el circuito presurizado, y desde aquí al depósito de combustible como un sistema tradicional.

Los inyectores de combustible son de un nuevo diseño y se encuentran alojados en la culata. Por un lado están en contacto con el combustible a alta presión del raíl y por otro se encuentran inyectando el combustible directamente en la cámara de combustión. Las cualidades magnéticas de los materiales utilizados permiten una precisa apertura del inyector y un cierre inmediato. Son accionados por la unidad de mando del motor y el mecanizado de la cabeza del inyector crea un cono de pulverización extremadamente preciso, cubriendo un ángulo de 70 grados con una inclinación de 20 grados.

El mando de la mariposa de aceleración es completamente electrónico. Un motor eléctrico acciona la mariposa, mientras que dos potenciómetros solidarios al eje de la misma informan a la unidad de mando de la posición alcanzada, activando, en función del estado de funcionamiento y la petición de par por el conductor, el motor eléctrico.

El colector de admisión también se modifica, de manera que establezca dos posibles pasos de aire, gracias a la acción de unas chapaletas allí ubicadas. Al estar accionadas las chapaletas de admisión el diámetro del conducto de aspiración de aire es un poco más reducido. El resultado es una gran velocidad del aire aspirado, así como la creación de una turbulencia, óptima para el funcionamiento en mezcla estratificada, o ultra pobre. Al cerrarse las chapaletas, la aspiración del aire es normal.

Como hemos visto anteriormente existen dos posibilidades de funcionamiento. Por un lado analizaremos el modo homogéneo, necesario para obtener un alto nivel de par de motor, en el cual la mezcla necesaria es estequiométrica, con la salvedad de producirse la misma en el interior del cilindro. Por otro lado analizamos el modo estratificado, una mezcla inflamable lambda = 1 cerca de la bujía, de manera que la mezcla sea inflamable, pero teniendo un factor lambda muy superior, mezcla ultra pobre, en la cámara de combustión.

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Modo de mezcla homogénea
En este caso, la posición angular de la mariposa es la encargada de dosificar la cantidad de aire aspirado por el cilindro. En función de la cantidad de aire aspirado, la unidad de mando es la encargada de accionar las trampillas del colector de admisión, favoreciendo así la aspiración de aire.

Antes de estar cerrada la válvula de admisión, la unidad de mando del motor excita el
inyector del cilindro en cuestión, por lo que se procede a la incorporación del combustible en la cámara de compresión. Recordemos que la presión necesaria para la pulverización del combustible es regulada en el raíl por medio del actuador de presión.

Una de las ventajas de inyectar el combustible antes de la compresión es que el combustible tiene un tiempo largo para realizar la mezcla con el aire introducido.

Mientras sube el pistón la mezcla así obtenida tiene el valor lambda = 1. En este caso la presión de inyección es mínima y, además, nos permite aumentar la relación de compresión del motor, pues la inyección del combustible en la cámara de compresión absorbe parte del calor del aire admitido.

En el momento determinado por la unidad de mando del motor se produce la explosión de la mezcla, como en un motor tradicional.

Modo de mezcla estratificada
En caso de que la unidad de mando del motor detecte que concurren las circunstancias precisas para poder pasar a mezcla ultra pobre, conmuta su programa
para funcionar en este estado. La conmutación se realiza de una manera suave, de manera que el conductor resulta completamente ajeno al funcionamiento.

Una vez adoptada la función de funcionamiento en modo estratificado, la unidad de mando actúa sobre el motor de mariposa para poder permitir así la entrada de aire sin
estrangulamiento.

La trampilla del colector de admisión se cierra, por lo que la velocidad del aire en el colector de admisión es la máxima posible.

La configuración de la cabeza del pistón tan peculiar en este motor crea una turbulencia dentro del cilindro al comenzar su carrera ascendente.

En la última fase de aproximación al punto muerto superior, la unidad de mando excita al inyector para que pulverice el combustible a alta presión en el interior de la cámara de combustión. La posición del inyector y las características del cono de inyección, junto a la peculiar forma de la cabeza del pistón hacen que la mezcla se realice de forma homogénea junto a la bujía de encendido. La turbulencia de aire creada en la cámara de combustión arrastra el combustible hacia la bujía de encendido.

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La cantidad de combustible inyectado es, en este caso, valor determinante de la potencia creada con la combustión. El resto de volumen en la cámara de compresión es, en el mejor de los casos, aire puro o mezcla de aire con la cantidad determinada como necesaria de recirculación de gases de escape.

Una vez posicionada la mezcla explosiva en las cercanías de la bujía, se produce el encendido de esta última. El resultado es que la mezcla se inflama, pues en la zona de la bujía el factor lambda tiende a 1, mientras que en el interior de la cámara de combustión el valor lambda está comprendida entre 1,6 y 3.

El tratamiento ulterior de los gases de escape
Desgraciadamente podemos observar en cualquier gráfico sobre emisiones de gases en un motor Otto gasolina que, al trabajar con una mezcla extremadamente pobre, los índices de Nox son muy elevados. Es por ello que los motores de inyección directa de gasolina deben incorporar también un sistema nuevo de depuración de gases de escape, así como la incorporación de un sistema de reciclado de gases de escape.

Dentro de la línea de escape se han incorporado nuevos elementos. Un pre catalizador de tres vías se sitúa justo a la salida de los colectores de escape. Su posición tan cercana al colector favorece su calentamiento necesario para realizar la conversión de los gases residuales. Antes del pre catalizador se encuentra la sonda lambda. Como sabemos una sonda lambda usual de salto de tensión solo nos proporciona una señal en el margen de factor lambda = 1, por lo que en este sistema
se emplea una sonda lambda de banda ancha o de medición continua, que nos proporcionará una medición correcta en los momentos de funcionamiento estratificado. La temperatura de los gases también es un factor determinante del funcionamiento de la línea de escape, pues los acumuladores de Nox solo pueden realizar la función de acumulación en un margen de temperaturas de entre 250 y 500 grados. Para obtener el valor de temperatura indicado se utilizan medidas de diseño, como la orientación del aire ambiente al circular con el vehículo hacia la línea de escape o la división del conducto de escape en tres conductos adyacentes, de manera que la superficie en contacto con los gases sea superior y pueda así realizar un mayor intercambio de temperatura.

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Tras la refrigeración de los gases de escape encontramos el catalizador acumulador de Nox. Internamente tiene una estructura idéntica a una catalizador de tres vías habitual. La diferencia está en que este catalizador incorpora óxido de bario, de manera que, en contacto con los Nox produce nitrato, siempre que se encuentre en su margen de temperatura de trabajo. Este nitrato es acumulado y al llegar al punto de saturación, detectado a través del sensor de Nox, la unidad de mando del motor pasa a funcionamiento con mezcla estequiométrica, con la intención de quemarlo.

El sensor de Nox trabaja bajo el principio de una sonda lambda de banda ancha y, en colaboración con la unidad de mando que tiene asociada, informa a la unidad de mando del motor de la posible saturación del acumulador. Al recibir ésta información, la unidad de mando del motor cambia desde el funcionamiento estratificado a modo homogéneo, lo cual incrementa la cantidad de hidrocarburos y monóxido de carbono.

Estos entran en contacto con los Nox almacenados produciendo, como en un catalizador usual de tres vías, Co2 y O2. El proceso de regeneración de Nox puede durar aproximadamente dos o tres segundos, convirtiendo los Nox almacenados durante 60 o 80 segundos de marcha estratificada.

Debido a los procesos químicos internos y la temperatura baja que debe alcanzar el catalizador acumulador, es necesario un tratamiento especial del azufre contenido en el combustible. Algunos fabricantes de combustible se han comprometido a eliminar completamente el contenido de azufre del combustible, sin embargo la gestión de motor también incorpora un proceso de eliminación de azufre.

Para ello, la unidad de mando del motor, tiene en cuenta los intervalos de tiempo entre los que el sensor de Nox, y su unidad de mando, informa de la saturación del acumulador. Cuanto más alta es la concentración de azufre, menos tiempo tarda en saturarse el acumulador.

En caso de detectar un alto contenido de azufre en el acumulador, la unidad de mando conmuta a modo de marca homogéneo, con un cierto retraso del momento de encendido. Esto provoca un aumento de la temperatura de los gases de escape y, naturalmente, un aumento de la temperatura del catalizador. Como en un catalizador de tres vías a su temperatura de funcionamiento, el azufre es convertido en dióxido de azufre.


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