5,2

sistemas Inyección directa (DI)

Algunas típicas cámaras de combustión de inyección directa propuestas por Howarth (1966) se muestran en la figura 5,2. A pesar de la variedad de formas, todas las cámaras de combustión se alega dan un rendimiento igualmente bueno en términos de economía de combustible, la energía y las emisiones, cuando se desarrollan adecuadamente. Esto sugiere que la forma es menos crítica que un diseño cuidadoso del movimiento del aire y la inyección de combustible.

El movimiento de aire más importante en los motores de inyección directa Diesel es el “remolino”, la rotación ordenada de aire sobre el cilindro. El remolino puede ser inducido por válvulas de entrada envueltas o enmascaradas y por el diseño del conducto de entrada. La velocidad de remolino pueden variar durante las carreras de admisión y compresión y un valor promedio se utiliza.

El aumento de la velocidad del remolino inevitablemente aumenta el coeficiente de transferencia de calor desde el gas a las paredes del cilindro. Esto se muestra por una reducción en la temperatura de escape y un aumento en la transferencia de calor al refrigerante.

Es necesario tener cuidado en el método de generación de remolino con el fin de evitar una excesiva reducción de la eficiencia volumétrica. ya que esto conduciría a una reducción correspondiente de potencia de salida.

5,3 Sistemas de inyección indirecta

Los sistemas de inyección indirecta tiene una cámara de combustión dividida con alguna forma de pre-cámara en la cual se inyecta el combustible y una cámara principal con el pistón y las válvulas.

El propósito de una cámara dividida es acelerar el proceso de combustión, con el fin de aumentar la potencia del motor al aumentar la velocidad del motor. Hay dos clases principales de este sistema de combustión; pre-cámara de combustión y la cámara de remolino. Las pre-cámaras de combustión dependen de turbulencia para aumentar la velocidad de combustión y las cámaras de remolino (que estrictamente son también pre-cámaras de combustión) se basan en un movimiento ordenado de aire orden para aumentar la velocidad de combustión. Howarth (1966) ilustra una gama de cámaras de combustión de los dos tipos, ver figura 5.6.

Las pre-cámaras de combustión no se utilizan ampliamente, pero una notable excepción es Mercedes Benz ·. El desarrollo de una cámara de pre-combustión para cumplir con la legislación sobre emisiones es descrito por Fortnagel (1990), que analiza la influencia de la geometría de la cámara anterior y los parámetros de inyección sobre las emisiones y el consumo de combustible.

Ambos tipos de cámara de combustión usan insertos resistentes al calor con una baja conductividad térmica. El inserto es rápidamente calentado por el proceso de combustión y, a continuación ayuda a reducir el retardo del encendido. Estas cámaras de combustión son mucho menos exigente en el equipo de inyección de combustible. El combustible se inyecta e incide sobre el inserto de la cámara combustión, el chorro se rompe y se evapora el combustible. Durante la combustión inicial la quema de mezcla aire / combustible se expulsa a la cámara

principal, por lo que se genera una gran cantidad de turbulencia. Esto garantiza una rápida combustión en la cámara principal sin tener que proporcionar un movimiento de aire ordenado durante la carrera de admisión. Dado que estos sistemas son muy eficaces en la mezcla de aire y combustible, una gran fracción del aire puede ser utilizado, por lo que da una BMEP alta con bajas emisiones de humo.

Desafortunadamente hay inconvenientes. Durante la compresión, las altas velocidades del gas en la pre-cámara causan altos coeficientes de transferencia de calor que reducen la temperatura del aire. Esto significa que las relaciones de compresión en el rango de 24 -18:1 tienen que ser utilizados para garantizar un encendido fiable durante el arranque. Estas relaciones de compresión son superiores a la óptima ya sea para la salida de potencia, o economía de combustible, debido a la caída de la eficiencia mecánica. El aumento de la transferencia de calor también se manifiesta como una reducción en la eficiencia.

el tipo de cámara de combustión dividido es probable que no se aplique a motores de dos tiempos pues los problemas de arranque sería muy marcados. En un motor turbo de dos tiempos el problema sería aún más grave.

Los requerimientos de inyección de combustible para los dos tipos de cámara de combustión dividido son menos graves, y menores presiones de inyección de combustible son satisfactorios. Un único orificio en la tobera es suficiente, pero la dirección del rociado debe ser hacia el aire para el un buen arranque y hacia las paredes de la cámara para un buen funcionamiento.

Las desventajas con cámaras de combustión divididas aumentan en importancia a medida que aumenta el tamaño del cilindro. Con cilindros grandes, menos se puede aprovechar la combustión rápida, y cámaras de combustión divididas se utilizan solamente en el intervalo de los 400-800 cm3 de volumen de barrido por cada cilindro. Con mucho, la cámara de combustión de mayor éxito para este rango de tamaño es la “Ricardo Comet”. La cámara de combustión Comet se remonta a la década de 1930 y la versión actual es el Mk V. véase el gráfico 5.7. El volumen de la cámara anterior es aproximadamente la mitad del volumen de separación total. Las dos depresiones en el pistón inducen dos vórtices de rotación opuesta en el gas expulsado de la pre-cámara. El inserto o “hotplug” tiene que estar hecha de un material resistente al calor, ya que las temperaturas en la garganta puede elevarse a 700oC. La transferencia de calor desde el inserto a la superficie del cilindro se reduce, reduciendo al mínimo el área de contacto. La temperatura del inserto debe ser suficiente para mantener la combustión, por lo demás productos de combustión parcial, tales como aldehídos daría lugar a olor en el escape.

5,5 equipo de inyección de combustible

5.5.1 visión general del sistema de inyección

Un sistema de inyección de combustible típico se muestra en la figura 5,11. En general, el depósito de combustible está por debajo del nivel de la bomba de inyección, y la bomba de elevación proporciona un suministro de combustible a presión constante (en aproximadamente 0,75 · bar) a la bomba de inyección. El filtro de combustible secundario contiene la válvula de regulación de presión, y la purga de combustible también elimina el aire del combustible. Si el aire es aspirado en la bomba de inyección, no puede proporcionar la cantidad dosificada de combustible correctamente. Es esencial eliminar agua o cualquier otras impurezas del combustible debido a que los conductos son muy delgados en la bomba de inyección y el inyector. La bomba de inyección contiene un gobernador para controlar la velocidad del motor. Sin gobernador la velocidad aleatoria podría aumentar y puede generar exceso de velocidad cuando la carga en el motor se reduce.

La bomba de inyección está acoplada directamente al motor (la mitad de la velocidad del motor para un motor de cuatro tiempos) y la bomba controla la cantidad y el momento de la inyección combustible (figura 5,12). La cantidad de combustible inyectado dependerá de la carga del motor (figura 5,13).

La tecnología está disponible para el control electrónico de las bombas de inyección. Los sistemas de control de lazo abierto se podrían utilizar para mejorar las aproximaciones para el avance de la bomba (figura 5.I3), pero los mejores resultados se obtuvieron con sistemas de control de lazo cerrado. Sin embargo, la producción de la alta presión de inyección y los propios inyectores todavía tendrían que ser mecánico.

Un sistema de control electrónico descrito por Glikin (1985) se muestra en la figura 5,14. Las señales procedentes de la unidad de control operan a través de los servos hidráulicos en bombas inyectoras por lo demás convencionales. El tiempo de inyección y cantidad de combustible óptimo son controlados por el microprocesador en respuesta a varias entradas: demanda del conductor, la

velocidad del motor, la presión de sobrealimentación del turbocompresor, temperatura del aire de entrada y del refrigerante del motor.

Inyectores de accionamiento eléctrico nunca se han usado ampliamente, Sin embargo esta situación podría cambiar como resultado de una unidad de control eléctrico del inyector desarrollado por Lucas Sistema Diesel para motores de alta velocidad de inyección directa de encendido por compresión.

La unidad contiene tanto el inyector de alta presión de combustible elemento de bombeo, y la tobera del inyector. El dispositivo se coloca en la cabeza del cilindro del motor, y es accionado a través de una palanca de balancín desde el árbol de levas del motor. La cantidad y el tiempo de inyección son controlados electrónicamente por medio de un actuador Colenoid. El Colenoid es un solenoide de construcción patentado que puede responder muy rápidamente. El Colenoid se hace funcionar a 90 V. A fin de reducir el calibre del alambre de los devanados y aún así tienen bajas pérdidas resistivas.

A partir de 2008, muchos sistemas de riel común y unidades de inyección ya emplean nuevos inyectores piezoeléctricos que utilizan obleas apiladas en lugar de un solenoide, dando un mayor control del evento inyección.

El desarrollo del sistema de riel común es un punto de interés en mejorar significativamente las capacidades del motor diesel. DENSO puso en marcha el primer sistema de riel común en 1995.

El efecto piezoeléctrico se entiende como la interacción lineal electromecánica entre el estado mecánico y el estado eléctrico en materiales cristalinos sin simetría de inversión. El efecto piezoeléctrico es un proceso reversible en que los materiales que presentan el efecto piezoeléctrico directo (la generación interna de carga eléctrica que resulta de una fuerza mecánica aplicada) también muestran el efecto piezoeléctrico inverso (la generación interna de una tensión mecánica resultante de la aplicación de un campo eléctrico).

5.5.2 Los inyectores de combustible

La parte más importante del inyector de combustible es la tobera; varios tipos de tobera del inyector se muestran en la figura 5,16. Todas estas toberas tienen una

aguja que se cierra bajo la carga de un resorte cuando no se está rociando. Las toberas abiertas se utilizan mucho menos que las cerradas, ya que, aunque son menos propensos a la obstrucción, gotean. Cuando un inyector gotea, depósitos de la combustión se acumulan en el inyector, y el escape del motor es probable que se torne “ahumado”. En toberas cerradas las presiones de apertura y de cierre de aguja se determinan por la carga del muelle y el área proyectada de la aguja, véase la figura 5,17. La presión para abrir la aguja es mayor que la requerida para mantenerla abierta, ya que en la posición cerrada, el área proyectada de la aguja se reduce por el área de contacto del asiento. Las presiones diferenciales son controladas por el diámetro de la aguja y el diámetro relativo del asiento.

Una alta presión de cierre de aguja es deseable, ya que esto mantiene los agujeros de la tobera libre de obstrucciones causadas por depósitos de la combustión. También mantiene una alta presión sobre el asiento, proporcionando así un mejor sellado.

La tobera “pintle”, figura 5.18. tiene una aguja o válvula de tobera con un pasador que sobresale a través del orificio de la tobera. La forma del pasador controla el patrón de rociado y las características de suministro de combustible. Si el pasador está escalonado una pequeña cantidad de combustible se inyecta inicialmente y después la mayor parte. Como todas las boquillas de un solo orificio la tobera “pintle” es menos propensa a la obstrucción que una tobera de múltiples orificios.

El inyector de tobera Pintaux (PINTle con agujero AUXiliary) (figura 5.19) fue desarrollado por Ricardo y CAV para mejorar el arranque en frío en motores de inyección indirecta. El rociado del agujero auxiliar se dirige lejos de las paredes de la cámara de combustión. A las velocidades muy bajas cuando el motor se ponga en marcha, la velocidad de suministro de la bomba de inyección es baja.

En todas las toberas el flujo de combustible ayuda a enfriar la tobera. Fugas más allá de la aguja se reducen al mínimo por el ajuste muy exacto de la aguja en la boquilla. Un inyector completo se muestra en la figura 5,20, la pre-carga usada en la aguja o válvula de tobera del resorte de compresión es controlada por el tornillo compresión. La tuerca de tapa bloquea el tornillo de compresión, y proporciona una conexión a la línea de derrame. con el fin de devolver cualquier combustible que se ha filtrado más allá de la aguja.

Bombas de inyección

Originalmente, el combustible se inyecta por un chorro de aire de muy alta presión, pero esto ha sido sustituido por inyección "sólida" o sin aire; o combustible de alta presión. El elemento de bombeo es invariablemente una combinación de pistón / cilindro, las diferencias surgen en la medición de combustible. Una posibilidad es tener una unidad de inyector, - una bomba combinada y el inyector. La bomba se acciona directamente desde el árbol de levas de modo que es más difícil de variar la sincronización.

La dosificación del combustible puede ser hecha a una presión alta, como en el sistema de conducto común, o a una presión baja, como en el sistema de bomba de tirón. En el sistema de conducto común, un suministro de combustible de alta presión en el inyector es controlado por una válvula de accionamiento mecánico. Como se aumenta la velocidad a carga constante, los aumentos de inyección requerida de tiempo y el período de inyección ocupa una fracción mayor del ciclo, lo que es difícil de arreglar mecánicamente.

El sistema de bomba de tirón es mucho más ampliamente utilizado. y he aquí dos tipos principales: bombas en línea y la bomba rotativa o distribuidor. Con bombas en línea (o de árbol de levas) hay un elemento separado de bombeo y medición para cada cilindro.

Bombas en línea o de émbolo rotatorio

Un típico elemento de bombeo en línea se muestra en la figura 5,21, de Lucas Minimec Pump. En la parte inferior de la carrera del émbolo (a), el combustible

entra en el elemento de bombeo a través de un orificio de entrada en el barril. A medida que el pistón se mueve hacia arriba (b) sus bloques de borde de ataque de la entrada de combustible. y el bombeo pueda comenzar. El movimiento adicional del émbolo presuriza el combustible, y la válvula de salida se abre y el combustible fluye hacia el inyector. La carrera o elevación del émbolo es constante y está determinada por la elevación de la leva. La cantidad de combustible suministrado está controlado por la parte de la carrera que se utiliza para el bombeo. Al girar el émbolo, la posición en la que la ranura de derrame descubre el puerto de derrame se puede cambiar (c) y esto varía la carrera de bombeo. La ranura de derrame está conectado a un agujero axial en el émbolo, y el combustible fluye de nuevo a través del puerto de vertido a la galería de combustible. La rotación del émbolo es controlada por una palanca, que está conectado a una barra de control. La barra de control se acciona por el gobernador y el acelerador.

Debido a las altas presiones de bombeo las tensiones de contacto de la leva son muy altas, y un tipo de rodillo seguidor de leva se utiliza. El bombeo de combustible está dispuesto para coincidir con la primera parte de la carrera del émbolo mientras se está acelerando. El resorte desacelera el pistón al final de la carrera ascendente, y acelera el pistón al comienzo de la carrera descendente. el perfil de la leva se diseña cuidadosamente para evitar el rebote seguidor de leva.

A alta velocidad se reduce el tiempo de inyección, y las presiones de inyección serán mayores. Si una medida de combustible precisa ha de lograrse en todas las condiciones, las pérdidas en el elemento de la bomba tiene que ser mínima.

La importancia de un pequeño juego es evidente por sí misma, y con este fin el cilindro y el pistón se han rodado; el aclaramiento es de alrededor 1/um.

Un diagrama de una completa bomba en línea se muestra en la figura 5,24. El acoplamiento del gobernador y avance automático se basan en contrapesos sujetos por muelles. La unidad de control de refuerzo limita el suministro de combustible cuando el turbocompresor no está en su relación de presión diseñada. La bomba de alimentación de combustible es una bomba de diafragma operada fuera el árbol de levas. Con el fin de igualar el suministro de combustible desde cada elemento bombeo. la posición de las horquillas de control puede ser ajustada en la barra de control. Las horquillas de control se acoplan en las palancas que controlan la rotación del émbolo.

Bombas rotativas

Las bombas rotativas o distribuidor tiene un único elemento de bombeo y un solo elemento de medición de combustible. La entrega al inyector correspondiente es controlada por un rotor. Estas unidades son más compactas y más baratas que una bomba en línea con bombeo y dosificación de varios elementos. Los problemas de calibración se evitan y hay menos partes móviles. Sin embargo, las bombas rotativas no puede alcanzar las mismas presiones de inyección que las bombas en línea, y sólo recientemente han sido desarrolladas para motores de inyección directa.

El sistema de combustible para una bomba rotativa se muestra en la figura 5,25, y en la figura 5,26, se muestran los detalles de la bomba de alta presión y rotor para un motor de seis cilindros. La bomba de transferencia es una bomba de paletas de deslizamiento situadas en el extremo de la salida del rotor de la bomba. La salida de la bomba es proporcional a la velocidad del rotor, y la presión de transferencia se mantiene constante mediante la válvula de regulación. El valor de la medida está regulado por el gobernador, y controla la cantidad de combustible que fluye hacia el rotor a través del orificio dosificador, a la presión de medida. Haciendo referencia a la figura 5,26, los émbolos de la bomba que producen las presiones de inyección giran en barriles en el rotor. El movimiento de los émbolos proviene de una leva estacionaria con seis lóbulos internos. Las fases son tales que los émbolos se mueven hacia fuera cuando un puerto de carga coincide con la entrada de combustible; mientras el rotor gira, el combustible se aísla de la entrada. La rotación adicional hace que el puerto de distribuidor coincida con una salida, y el combustible es comprimido por el movimiento hacia dentro de los émbolos de la bomba.

El gobernador puede ser activado de manera mecánica o hidráulica, el tiempo de inyección puede ser retardado para el arranque, un exceso de combustible se puede proporcionar para el arranque en frío, y la presión del turbo cargador se puede utilizar para regular el suministro de combustible máximo. La regulación de la inyección se cambia girando la leva con respecto al rotor. Con una bomba de tipo de paletas de la presión de salida aumentará al aumentar la velocidad, y esto se puede utilizar para controlar el avance de la inyección. Un diagrama de una bomba rotativa completa se muestra en la figura 5,27.