Modos de Inyección en Motores de Combustión

1. Modo Inyección Estratificada

Se inyecta una pequeña cantidad de combustible dirigida a la bujía. Solo alrededor de la bujía hay una mezcla rica que, al inflamarse, hace combustionar toda la cámara de combustión. Al tener la máxima cantidad de aire, la temperatura y la presión se elevan, generando más NOx.

• Control de la carga del motor: Variando el caudal inyectado (la mariposa se encuentra casi abierta para permitir el funcionamiento del depósito de carbón activo, EGR y asistencia de frenado).
• Tipos de guiado: Guiado por aire (fig. B, Pág. 174) y guiado por pared (fig. A, Pág. 174).
• Conducto de admisión: Estrecho y largo para crear turbulencia del aire.
• Condiciones de funcionamiento:
  • Motor funcionando en el régimen de carga y revoluciones correspondiente.
  • Temperatura del líquido refrigerante superior a 50ºC.
  • Sensor NOx funcionando correctamente.
  • Temperatura del catalizador-acumulador NOx entre 250 y 500ºC.
• Inyección de combustible: Comienza a 60º antes del PMS y termina a 45º antes del PMS.

2. Modo Inyección Homogénea

• Control del par motor: Controlado por el momento de encendido y la masa de aire aspirada, determinada por la posición de la mariposa de gases (según la posición del acelerador).
• Mezclas: λ = 1.
• Conducto de admisión: Estrecho y largo (cargas bajas y medias para mejorar turbulencias) y dos conductos (en cargas altas para mejorar el llenado).
• Inyección de combustible: 300º antes del PMS (en la admisión). Se crea una mezcla homogénea entre el combustible y el aire aspirado antes del encendido.

3. Modo Inyección Homogénea/Pobre

Se utiliza en la transición entre inyección estratificada y homogénea (y viceversa).

• Revoluciones: Mayores que en la inyección estratificada.
• Inyección: 300º antes del PMS (en la admisión).
• Conducto de admisión: Estrecho y largo.
• Mariposa de gases: Abierta.
• λ: 1,5 (mezcla pobre) para menor consumo.
• Encendido: Se puede elegir el momento del encendido.

4. Modo Inyección para Precalentamiento del Catalizador

Calienta rápidamente el catalizador y aumenta el par motor en regímenes bajos.

• 1ª Fase: Inyección 300º antes del PMS (admisión).
• 2ª Fase: Se inyecta una pequeña cantidad 60º antes del PMS. Se quema muy tarde, aumentando la temperatura de los gases de escape. El catalizador alcanza más rápidamente la temperatura de servicio.
• Duración: No dura más de 60 segundos.

5. Modo Inyección para Plena Carga

• 1ª Fase: Inyección 300º antes del PMS (en el ciclo de admisión).
• 2ª Fase: Inyección al comienzo de la compresión. Se deposita menor cantidad de gasolina en las paredes y se mejora la homogeneización. En la zona de la bujía se crea una mezcla más rica que en el resto de la cámara de combustión, reduciendo el picado de biela.

6. Inyección de Agua

Se inyecta agua en el conducto de admisión para enfriar la cámara de combustión. Esto permite ahorrar combustible y aumentar la compresión.

7. Modos de Inyección en Motores Sobrealimentados

• Inyección estratificada: No funciona, excepto en motores de última generación.
• Modos de inyección: Homogéneo y calefactado del catalizador (λ = 1).
• Componentes eliminados: Suprimen el acumulador y el sensor NOx.
• Fase de calefactado del catalizador: Dura entre 30 y 40 segundos.

Circuitos de Combustible

8. Circuito de Baja Presión de Combustible

Garantiza el suministro de combustible al circuito de alta presión.

• Sistemas con presión constante: Igual que un circuito de inyección indirecta.
• Sistemas con regulación mecánica y elevación de presión en arranque
• Regulador a 3 bares: En arranque en caliente y segundos posteriores, funciona a 5 bares. La bomba de alta se enfría en 30-60 segundos y la presión vuelve a 3 bares.
• Sistemas regulados según demanda:
  • Funcionamiento normal: Presión entre 0,5 y 5 bares.
  • Arranque en frío o caliente: Presión de 6,5 bares.
  • Mayor presión en arranque en caliente: Impide la formación de burbujas de vapor en la bomba de alta.
• Componentes:
  1. UC de la bomba de combustible de baja.
  2. Bomba de combustible de baja.
  3. Depósito de combustible.
  4. Filtro de combustible con válvula limitadora de presión.
  5. Sensor de presión de combustible de baja presión.
• Tipos de bomba de combustible de baja:
  • De corriente continua: Comandada por una señal PWM.
  • Trifásica (sin escobillas): Comandada variando la alimentación.

9. Circuito de Alta Presión de Combustible

• Bomba de combustible de alta presión movida por el árbol de levas.
• Válvula reguladora de presión.
• Distribuidor de combustible.
• Válvula limitadora de presión.
• Sensor de alta presión.
• Inyectores.

a) Sistema de suministro continuo: La bomba siempre suministra el mismo caudal.

• Válvula reguladora de presión: Regula la presión en la rampa. Una bobina desfasada del núcleo magnético recibe una señal PWM de la UC, haciendo pasar corriente y atrayendo el núcleo. Esto permite el paso de combustible hacia el depósito, liberando presión.
• Bombas: No son desmontables ni reparables. Tienen tres pistones desfasados y funcionan como un compresor de aire.

b) Sistema de suministro según demanda: La presión se regula mediante una electroválvula reguladora de caudal a pulsos, instalada en la propia bomba.

1. Electroválvula sin excitar: La gasolina pasa por la válvula de aspiración y la válvula reguladora de caudal.
2. Sube el pistón: La electroválvula se excita, impidiendo que la gasolina retorne. La presión sube y supera la válvula de tarado, enviando gasolina a la rampa de inyección.

c) Sensor de alta presión:

Una membrana se flexiona por la presión del combustible. Con altas presiones, sufre una gran deformación, provocando una caída del valor de las resistencias y un aumento de la señal de tensión de salida. Con bajas presiones, la membrana apenas se deforma, aumentando el valor de resistencia y reduciendo la señal de tensión de salida.

d) Inyectores electromagnéticos:

Un núcleo de hierro unido a la aguja del inyector está desfasado respecto a la bobina. Cuando se aplica tensión a la bobina, el núcleo de hierro es atraído, venciendo al muelle tarado y produciendo la inyección.

• 1ª Fase: El inyector es alimentado por un condensador de la UC con una tensión de 65V y una intensidad de 12V. La corriente se desconecta, disminuyendo la intensidad a la mitad. Luego, se vuelve a alimentar con 12V y una intensidad de 5,6A (para lograr la máxima apertura del inyector).
• 2ª Fase: La intensidad se mantiene en 3A (desconectando la tensión hasta que llega a 2,34A y volviendo a conectar a 12V hasta que llega a 3A) hasta el final de la activación del inyector.
• Fijación: Se fijan a la culata mediante un cono y se estanqueizan respecto a la cámara de combustión mediante un anillo de teflón.

e) Inyectores piezoeléctricos:

Son 5 veces más rápidos que los electromagnéticos.

• Cristales piezoeléctricos: Se apilan uno encima del otro. Al aplicar tensión, varían su forma (la suma de todos hace mover la aguja).
• Tensión: Se aplica una tensión para abrirlos y otra para cerrarlos.
• Compensador térmico: Mantiene fija la posición del actuador durante sus rápidos cambios de longitud y compensa los pequeños cambios de posición (térmicos, desgaste y deformaciones en el montaje).

10. Inyección Dual

Combina la inyección directa e indirecta en un mismo motor para aprovechar las ventajas de ambas.

• Modo de trabajo: Homogéneo (λ = 1).
• Arranque: Inyección directa.
• Ralentí y carga parcial:
  • Temperatura menor a 45ºC: Inyección directa.
  • Temperatura mayor a 45ºC: Inyección indirecta.
• Altas cargas: Inyección directa.
• Altas cargas y alto régimen: Inyección directa.
• Ventajas: Reduce las emisiones de HC cuando el motor está frío y el catalizador no entra en servicio.
• Desventajas: Sistema bastante caro.

11. GLP (Gas Licuado de Petróleo)

b) Depósito:

• Válvula de seguridad tarada a 27,5 bares.
• Válvula antidesbordamiento: Evita cargar el depósito por encima del 80%.
• Válvula para el depósito de gases: Abre y cierra el paso de gas.
• Cuba antioleaje: Suministro constante de gas.

c) Regulador de presión:

• Evapora el GLP que está en estado líquido en el depósito.
• Por ella circula calor del líquido refrigerante, ya que debe aportar calor al GLP (para evitar que se congele).
• Presión de GLP a la entrada: 3 – 10 bares. Primera etapa: Disminuye a 1,6 bares. Segunda etapa: Pasa a 1 bar.
• Incorpora un filtro de papel que debe ser cambiado a los 90.000 km.

d) Filtro principal: Se cambia cada 30.000 km.

e) Rampa de inyectores: Fabricada de plástico y unida al colector de admisión.

f) Inyectores GLP: De tipo electromagnético.

Control de Emisiones

12. Gases Tóxicos

• CO (Monóxido de carbono): Gas incoloro que puede ser mortal (impide el transporte de oxígeno por los glóbulos rojos). Se produce en mezclas ricas.
• HC (Hidrocarburos): Partículas de combustible sin quemar. Se producen en mezclas pobres de oxígeno.
• NOx (Óxidos de nitrógeno): Gas incoloro producido por altas temperaturas y presiones en la combustión. Produce lluvia ácida y enfermedades respiratorias.
• SO₂ (Dióxido de azufre): Produce lluvia ácida y está más presente en los motores diésel.
• Pb (Plomo): Es antidetonante, pero contamina mucho y destruye el catalizador.
• MP (Partículas de hollín): Producidas principalmente por motores diésel. Pueden taponar las vías respiratorias.

13. Gases No Tóxicos

• H₂O (Agua): Producida principalmente por motores de gasolina. Es inofensiva.
• CO₂ (Dióxido de carbono): Produce el efecto invernadero. Producido por motores de gasolina.
• N₂ (Nitrógeno): La mayor parte sale y entra del motor sin modificación. Reacciona en pequeñas cantidades con O₂, produciendo NOx.
• O₂ (Oxígeno): Aumenta con mezclas pobres y disminuye con mezclas ricas.

14. Técnicas de Diseño del Motor para Reducir Emisiones

a) Diseño de la cámara de combustión:

• Alta turbulencia: Mejor homogeneización, reduce HC.
• Ausencia de puntos calientes: Evita aumentar los NOx.
• Menor relación superficie/volumen: Recorridos cortos del frente de llama, menor HC pero más NOx.
• RC alta: Mejores prestaciones del motor, pero mayores emisiones de NOx.
• RC baja: Menores prestaciones del motor, pero menores emisiones de NOx.

b) Sistema de formación de la mezcla: Mediante la UC se pueden mantener mezclas estequiométricas (imprescindibles para el funcionamiento eficaz del catalizador de tres vías).

c) Calentamiento de los colectores de admisión: Evita que la gasolina se quede pegada en las paredes del colector (reduciendo los HC y NOx).

d) Distribución variable: Ángulos de cruce de válvulas muy grandes aumentan la recirculación interna de los gases de escape, reduciendo los NOx. En ralentí, aumentan los HC.

e) Admisión variable: Admisión formada por dos conductos (uno largo y estrecho, y otro corto y ancho) controlados por chapaletas accionadas por vacío.

f) Downsizing: Motores de pequeña cilindrada sobrealimentados que emiten menos HC y CO, y rinden igual que un motor de mayor cilindrada.

g) EGR (Recirculación de Gases de Escape): Introduce los gases de escape nuevamente al colector de admisión, reduciendo el oxígeno que entra en la cámara de combustión y disminuyendo los NOx.

• Funciona con temperatura normal del motor y carga parcial.
• No funciona con el motor frío, a plena carga, en ralentí ni en desaceleración.
• Puede ser accionado neumáticamente mediante una electroválvula de vacío comandada por la UC (PWM) o eléctricamente con un núcleo de hierro desfasado (unido al eje de apertura de la EGR) de su bobina (cuando recibe corriente eléctrica, el núcleo es atraído por el campo magnético creado por la bobina, abriendo más o menos el paso).

15. Técnicas para Tratar los Gases de Escape

a) Inyección de aire secundario en el escape: Se inyecta aire adicional en los gases de escape para enriquecerlos de O₂, permitiendo la recombustión de los CO y HC sin quemar.

• El catalizador alcanza más rápidamente su temperatura de servicio debido a la postcombustión.
• No se utiliza en diésel (trabajan a máximo caudal de aire).

b) Catalizadores: Van junto al colector de escape, cerca del motor (para adquirir rápidamente la temperatura de servicio, entre 400 y 800ºC).

• Tipos: Disponen de una capa intermedia de óxido de Al, Pt, Pd, Rh.
  • Monolito cerámico.
  • Monolito metálico.
• Catalizador de 2 vías: Convertidor de gases de HC y CO (actualmente se usa en diésel).
• Catalizador de tres vías con toma de aire: 1ª etapa transforma los NOx y 2ª etapa transforma los CO y HC (por inyección de aire, además de una mezcla rica).
• Catalizador de tres vías: Transforma los CO, HC y NOx (el más empleado actualmente, con regulación lambda).
  • Reducción: Se extrae el oxígeno para la conversión de los NOx (mezclas ligeramente ricas).
  • Oxidación: Se añade O₂ (procedente de los NOx o combustiones incompletas) para la conversión del CO y HC.
• Catalizador-acumulador de NOx.
• Normas de mantenimiento del catalizador: Ver página 247.

c) Sondas Lambda: Miden el oxígeno residual de los gases de escape para transmitirlo a la UC (corrige la mezcla para que λ = 0,99 – 1,05).

• Sonda Lambda de Circonio: Mide el oxígeno comparando la diferencia entre el oxígeno de los gases de escape y el del ambiente. Genera una tensión de información de 200 mV (mezcla pobre) a 900 mV (mezcla rica).
  • Temperatura de funcionamiento: 600ºC. Puede llevar una resistencia calefactora.
• Sonda Lambda de Banda Ancha: Verifica λ no solo en 1, sino en todo el rango de valores.
  • Se utiliza en motores de gasolina de inyección directa que funcionan en modo estratificado.
  • Formada por una célula Nernst (como célula de medición de referencia de control de la sonda) y otra célula de bombeo (alimentada con una intensidad en función del valor medido en la célula Nernst, para transportar la cantidad de oxígeno necesaria para estabilizar la medición de referencia).

d) Acumulador de NOx: Incorpora sales de bario (almacenan los NOx cuando el motor funciona con mezcla pobre).

• Cada 60-90 segundos, el acumulador-catalizador se satura. El sensor NOx informa a la UC, que a su vez informa a la UC del motor (Can-Bus). El motor funciona en modo homogéneo durante 3 segundos. Mediante el exceso de CO, se eliminan los NOx.
• Temperatura de funcionamiento: 220 – 450ºC.

16. Ventilación Positiva del Cárter

Recircula los vapores de aceite producidos en el cárter hacia la admisión para que sean quemados. Mejora la lubricación de la cabeza del pistón, evita la formación de lodo en el cárter y reduce la contaminación.

17. Ventilación del Depósito de Combustible

Evita que los gases de la gasolina salgan a la atmósfera. Los vapores se acumulan en un depósito (cánister) para ser inyectados a la admisión.

18. EOBD (European On-Board Diagnostics)

Sistema de diagnóstico integrado en la propia gestión del motor que vigila todos los componentes y sistemas para evitar el aumento de las emisiones de gases (por avería o mal funcionamiento). Enciende un testigo de avería y activa una fase degradada.