Inyección directa

Independientemente de si se trata de un motor de gasolina (Otto) o uno Diesel, se dice que el sistema de inyección es directa cuando el combustible se introduce directamente en la cámara de combustión, formada por la culata y la cabeza del pistón; esta cabeza suele tener la superficie con una forma que favorece la turbulencia de los gases, y mejora así la combustión.

Inyección indirecta

En los motores de gasolina de inyección indirecta la gasolina (nafta) se introduce en el colector de admisión, antes de la cámara de combustión. En los Diesel de inyección indirecta, el gasoil se inyecta en una precámara ubicada en la culata, y conecta con la cámara principal de combustión dentro del cilindro mediante un orificio de pequeña sección. Parte del carburante se quema en la precámara, aumentando la presión y enviando el resto del combustible no quemado a la cámara principal, donde se encuentra con el aire necesario para completar la combustión.

Inyección multipunto y monopunto

Para ahorrar costos a veces se utilizaba un solo inyector para todos los cilindros, o sea, monopunto, en vez de uno por cada cilindro, o multipunto. Actualmente, y debido a las normas de anticontaminación existentes en la gran mayoría de los países, la inyección monopunto ha caído en desuso.

Inyección directa e indirecta

En los motores de gasolina es indirecta si se pulveriza el combustible en el colector o múltiple de admisión en vez de dentro de la cámara de combustión, o sea en el cilindro. En los diésel, en cambio, se denomina indirecta si se inyecta dentro de una precámara que se encuentra conectada a la cámara de combustión o cámara principal que usualmente en las inyecciones directas se encuentran dentro de las cabezas de los pistones.

Mezcla (estequiométrica, rica o pobre)

En los motores de explosión (Otto) es el resultado de carburar, que es mezclar aire con un carburante (combustible). Según la proporción entre aire y combustible, la mezcla puede ser estequiométrica, pobre o rica.

Es estequiométrica cuando el aire contiene todo el oxígeno necesario para reaccionar con el carbono del combustible. En el caso de la gasolina (nafta), la mezcla o proporción estequiométrica es 14,7 gramos de aire por cada gramo de carburante. En el caso del etanol, la relación estequiométrica es 6,7 a 1.

Con relación a la mezcla estequiométrica, si hay exceso de aire se dice que es una mezcla pobre. Si por el contrario, hay defecto de aire, entonces es una mezcla rica.

Mezcla pobre

Se dice de los motores de ciclo Otto que funcionan con mezcla pobre cuando el factor lambda es mayor de 1, es decir que la proporción de aire/combustible en peso es mayor que la estequiométrica de 14,7 a 1. Un valor moderado de factor

lambda como por ejemplo 1,05 permite unas óptimas condiciones de economía de combustible, sin embargo son incompatibles con el uso del catalizador.

Ventajas

Menor consumo específico, menor emisión de los contaminantes HC (hidrocarburos) y CO (Monóxido de Carbono), hasta un valor compatible con el bien funcionamiento.

Desventajas

Según el valor mayor o menor del factor lambda dentro de los márgenes de funcionamiento (hasta 1,2), menor par motor y por tanto potencia, mayor emisión de Óxidos de Nitrógeno (NOx), posible aparición de la Detonación (motor alternativo). Tendencia al calentamiento por combustión lenta.

Causas

En carburador, mal ajuste del mismo, toma de aire en la brida de sujeción; en los primeros sistemas de inyección de combustible, mal ajuste del caudalímetro, tomas de aire posteriores a la mariposa o acelerador, presión de combustible insuficiente.

Mezcla rica

Se dice de los motores de ciclo Otto que funcionan con mezcla rica cuando el factor lambda es menor de 1, es decir que la proporción de aire/combustible en peso es menor que la estequiométrica de 14,7 a 1. Un valor moderado de factor lambda como por ejemplo 0,95 permite unas óptimas condiciones de par motor y por tanto de potencia, sin embargo son incompatibles con el uso del catalizador.

Ventajas

Máximo par motor y por tanto potencia

Desventajas

Según el valor mayor o menor del factor lambda dentro de los márgenes de funcionamiento (hasta 0,8), mayor consumo de combustible, y mayor emisión de contaminantes.

Causas

En carburador, mal ajuste del mismo, surtidor demasiado grande, filtro de aire tupido, nivel de cuba muy alto; en los primeros sistemas de inyección de combustible, mal ajuste del caudalímetro, o acelerador, presión de combustible muy alta.

Mezcla (homogénea o estratificada)

Según la distribución del combustible en el aire, la mezcla puede ser homogénea (toda rica o toda pobre) o estratificada.

La mezcla estratificada es aquella en la que el combustible no está distribuido uniformemente (dentro de la cámara de combustión hay zonas de mezcla rica y zonas de mezcla pobre).

Un motor Diesel trabaja normalmente con mezcla pobre (salvo a plena carga), porque el proceso de combustión del gasoil no requiere una mezcla estequiométrica o rica para que se produzca adecuadamente.

En un motor de gasolina (Otto), en cambio, una mezcla pobre resulta muy difícil de quemar. Por esta razón, y por el funcionamiento del catalizador de tres vías que tienen los motores de gasolina, la mezcla es siempre 14,7 a 1 (lambda= 1) o ligeramente rica a plena carga. La excepción son los llamados motores de mezcla pobre, que pueden trabajar hasta con proporciones aire-combustible de hasta 50 a 1 gracias a la inyección directa. Han existido motores de mezcla pobre homogénea (por ejemplo, de Honda), pero lo normal es que la mezcla sea pobre y estratificada. En este caso, aunque la mezcla tomada en conjunto es pobre, alrededor de la bujía es rica para facilitar el encendido.

AGR en la inyección directa de gasolina

En los motores de inyección directa la válvula AGR es imprescindible. Sus efectos de disminución de emisiones de óxido de nitrógeno hacen innecesarias otras medidas para el tratamiento posterior de los gases de escape.

Inyección directa de gasolina

Los motores de inyección directa de gasolina forman la mezcla de aire y gasolina en la cámara de combustión. El motor aspira aire a través de la válvula de admisión y el combustible se inyecta dentro mediante inyectores especiales.

Inyección directa con carga estratificada

La carga estratificada funciona cuando el motor da un par bajo y hasta las 3.000 rpm. La válvula de inyección inyecta combustible durante la carrera de compresión poco antes del momento del encendido. La mezcla de aire y encendido se transporta a la bujía de encendido, pero debido al retardo en la introducción del combustible, no se reparte de forma uniforme en toda la cámara de explosión. En el funcionamiento con carga estratificada, la mezcla es muy pobre.

Inyección directa con mezcla homogénea

Con mezcla homogénea el funcionamiento del motor consigue mayor rendimiento. Permite un mayor par motor y aumentar las revoluciones. El combustible y el aire se mezclan en la cantidad y el estado ideales para su explosión. La inyección de combustible comienza al principio de la carrera de admisión y en la compresión se distribuye de forma uniforme en toda la cámara de explosión. La emisión de gases contaminantes es baja.

Inyección directa con mezcla homogénea pobre

En el tránsito de funcionamiento con carga estratificada a mezcla homogénea, se puede hacer funcionar el motor con mezcla homogénea pobre. El consumo es menor que en la inyección directa con mezcla homogénea.

Inyección directa con mezcla homogénea y carga estratificada

Consiste en introducir durante la carrera de aspiración una inyección reducida de combustible para asegurar la homogeneización durante la carrera de compresión. Se produce una segunda inyección al final de la compresión (el 25 por ciento de la inyección anterior) con lo que se forma una mezcla más rica alrededor de la bujía. Esta carga, formada

en estratos, se inflama fácilmente y puede encender, a modo de antorcha, el resto de la mezcla pobre de la cámara de explosión. Este sistema se utiliza en el tránsito del funcionamiento con mezcla estratificada al funcionamiento con mezcla homogénea. El par motor se equilibra mejor y se reducen las emisiones contaminantes.

Inyección directa en motores diesel

El inyector, situado en el centro de la cámara de combustión, lanza directamente el combustible al cilindro a una presión que varía de 130 a 300 atmósferas para conseguir una buena pulverización, incidiendo, sobre todo, en la cabeza del pistón (siempre más caliente que las paredes del cilindro que están refrigeradas por la circulación del agua). El inyector es del tipo “agujereado”. Tiene varios orificios muy finos para pulverizar directamente el gasoil en el torbellino de aire. La turbulencia se consigue por la forma del hueco en el émbolo, muchas veces ayudado por un deflector en la válvula de admisión. La cavidad del pistón ofrece varias formas. Las más comunes son la toroidal y la esférica.Este sistema tiene dos ventajas: ahorro en el consumo de gasoil y facilidad en el arranque sin necesidad de bujías. El inconveniente es que es muy ruidoso al ralentí y a bajo régimen.

Sistema de inyección Directa D-4S de Lexus

La versión superior D-4S del sistema de inyección directa de cuatro tiempos, con dos inyectores por cilindro, es la última evolución de la tecnología de Lexus en inyección directa de combustible. Un inyector va montado en la cámara de combustión y otro en la lumbrera de admisión. De este modo, el motor combina la fortaleza de la inyección directa y de la inyección en la admisión, lo que garantiza el rendimiento y eficiencia del motor. Se mejora el par, al tiempo que se reducen el consumo de combustible y las emisiones.

FSI (Inyección Estratificada de Combustible)

FSI son las siglas de Fuel Stratified Injection (FSI), en español "Inyección Estratificada de Combustible" y es una tecnología aplicada a motores alimentados por gasolina (nafta) utilizados en automoción que aumenta su potencia y su par motor, y los hace un 15% más económicos, a la vez que reduce las emisiones contaminantes. Ha sido concebida por la marca alemana Bosch.

En dichos motores, el combustible es inyectado directamente en las cámaras de combustión por unos inyectores situados en un lado del cilindro, los cuales reciben la gasolina (nafta) gracias a una bomba de alta presión accionada por el árbol de levas y a un sistema common rail (conducto común). Estos inyectores dosifican el combustible con una presión que puede llegar hasta 110 bares.

En esta situación, el aire aspirado en la etapa de admisión va forzosamente hacia las cámaras de combustión y la cabeza de cada pistón. En función de la posición de la válvula de mariposa de admisión de aire ( múltiple de admisión variable) el motor dispone de dos diferentes modos de funcionamiento que son la clave de la versatilidad que proporciona el sistema FSI (la alimentación por mezcla homogénea o por mezcla estratificada). Según el estado de carga del motor y la posición del acelerador, la electrónica del motor activa la modalidad más conveniente en un momento dado, sin que el conductor lo note ni tenga que intervenir.

En un sistema convencional de inyección, el colector alimenta constantemente la mezcla a presión con 14,7 partes de aire por una de gasolina. El motor emplea esta mezcla homogénea cuando el conductor solicita mucha potencia.

En condiciones de máxima carga o elevado régimen, el combustible es inyectado en sincronía con la fase de admisión, y las cámaras de combustión son llenadas de forma homogénea con la mezcla que hará explosión.

Gracias a la gran precisión de la inyección, a la finísima pulverización del combustible y a la refrigeración interna cuando se difumina el combustible en la cámara de combustión, el motor FSI permite una compresión más elevada que los motores con inyección convencional en el colector, lo que proporciona más efectividad termodinámica. Esto quiere decir que, alimentándolo homogéneamente, el motor consume menos combustible y le permite contar con más potencia.

Principales ventajas de FSI

Las principales ventajas de un motor de FSI son el aumento de la eficiencia del combustible y de la potencia. Los niveles de emisión también pueden ser controlados con mayor precisión con el sistema GDI. Los citados son los beneficios obtenidos por el control sobre cantidad de combustible y los tiempos de inyección, que varían de acuerdo a las condiciones de carga. Además, no hay pérdidas de la regulación en algunos motores FSI, en comparación con los sistemas tradicionales de inyección de combustible.

Modo operativo

La velocidad de giro del motor está controlada por el sistema de gestión del motor (EMS), regulada en función de la inyección de combustible y el encendido estático, lo cual requiere una considerable mejora de su procesamiento y memoria. Este sistema, que está continuamente operativo, selecciona el modo de operación más idóneo en función de las condiciones de carga del motor:

Combustión con mezcla pobre

El EMS selecciona este modo cuando las condiciones de carga del motor requieren poca o nula aceleración. El combustible es inyectado en las últimas fases de la etapa de compresión, de modo que se encuentra muy cerca de la bujía, mientras que en el resto de la cámara se encuentra el aire aspirado. Debido a esto, a la posición en diagonal de la mariposa de admisión y al diseño de la cabeza del pistón, el aire ha experimentado un impulso de rotación orbital, denominado en inglés "tumble". Este curioso movimiento es lo que permite realizar la estratificación de la mezcla en la cámara de combustión. La combustión tiene lugar en un toroidal (en forma de donut) en una cavidad de la superficie del pistón. Esta técnica permite el uso de mezclas extremadamente precisas imposibles de obtener mediante carburadores convencionales, empleando relaciones de aire-combustible en la mezcla de 14,7 a 1.

Combustión para plena potencia

El EMS conmuta a esta modalidad en condiciones de alta o máxima carga. Se inyecta una mezcla más rica de aire-combustible en los cilindros para evitar que el motor pierda

rendimiento y garantizar un funcionamiento uniforme por parte de éste, sin "golpes" bruscos.

Motor V8 FSI de un Audi R8

TSI (Inyección Estratificada Turbocargada)

El TSI (Turbocharged Stratified Injection), en español inyección estratificada turbocargada, es un sistema utilizado en automóviles de la compañía Volkswagen. El TSI es tecnológicamente más avanzado que el motor FSI y entrega más potencia de forma gradual, facilitando mucho la conducción. Este motor (TSI) dispone de doble compresor, uno volumétrico y el otro turbo, solo en el 1.4 tsi 160cv. El primero “ayuda” al otro cuando la presión no es muy alta, mientras que el más grande ofrece más potencia cuando la presión alcanza regímenes elevados.

Trabajan de manera independiente y ambos pueden sumarse si la demanda de potencia lo requiere. Dado que trabaja con dos turbos, se necesita una válvula de descarga y una válvula de descompresión. También posee mayor relación de compresión en relación al motor FSI.

Existen muchas variantes de este tipo de motor, algunas de 1390cc, de 122, 140, 160 y 170 CV. El primero de ellos no dispone de compresor volumétrico y sólo incorpora un turbocompresor. Otras de 2 litros, las cuales carecen de compresor, con potencias desde 200cv hasta más de 300.

El principio de funcionamiento

Siguiendo la filosofía ya empleada en los motores TDI, y en cualquier motor sobrealimentado en general, la idea consistía en ser capaz de extraer más potencia de cada ciclo motor. Por otro lado, y con las reducciones de las emisiones de CO2 en la lista de objetivos de todas las marcas, se tenía que reducir el consumo. De entrada, y si seguimos la cadena lógica, parece que la misión era complicada: menos consumo, menos combustible, menos energía liberada en la combustión… menos potencia. Pero Volkswagen tiró de ingenio para dar con la solución. Para empezar, un motor de pequeña cilindrada tendría un consumo necesariamente menor. ¿Y las prestaciones? Pues se tiraría de sobrealimentación para mejorarlas. Y en este punto es donde encontramos la principal diferencia de los TSI con cualquier otro motor sobrealimentado. Volkswagen analizó las ventajas e inconvenientes de la sobrealimentación de motores mediante los dos métodos tradicionales (compresor volumétrico y turbocompresor), y entendió que combinando los dos sistemas en un mismo motor, los harían funcionar en armonía para que en el sistema global sólo entraran en juego las ventajas de cada uno de ellos individualmente. Sin duda, evidente. Los turbocompresores apenas se

utilizaban en motores de gasolina porque su funcionamiento óptimo requería unas altas revoluciones que (en los motores de gasolina) no se justificaba. Complementarlos con un compresor volumétrico era una idea evidente. Pero nunca nadie lo había intentado antes en coches destinados a la venta al público. De esta forma, y partiendo de la base del motor FSI de inyección directa, se diseñó un nuevo bloque de fundición gris de alta resistencia para que el motor fuera capaz de aguantar las altas presiones a las que la sobrealimentación lo iba a someter. En este sentido, la relación de compresión lograda de 10:1 (dispone de un intercooler) es una cifra a tener muy en cuenta. Pensemos que el TSI cuenta, a ralentí, con una presión de admisión de 1,8 bar, y dispone de una presión de sobrealimentación máxima de 2,5 bar. Eso y otros tantos retoques, como una nueva válvula de inyección de alta presión (aumentada hasta 150 bar) de 6 orificios, que permite una mayor variabilidad en el flujo de combustible inyectado en cámara, dieron como resultado el primer motor TSI.

Esquema de motor TSI

Una centralita electrónica (ECU) es la encargada de decidir cuando entra en acción el compresor y cuando el turbocompresor se vale por sí mismo para garantizar la presión de sobrealimentación necesaria para la demanda de potencia (por encima de 3.500 rpm, el turbo se vale por sí solo), gobernando una mariposa de regulación que reparte el aire de admisión entre un camino y otro. Pero de entrada, y conociendo los puntos débiles de cada uno de los sistemas, es evidente cómo funciona el motor: a bajas rpm, cuando el turbo no gira a suficientes vueltas como para hacer efectivo el trabajo del compresor asociado, el encargado de meter más aire en el motor es el compresor volumétrico. Cuando se alcanzan velocidades de giro tales que permiten que el turbocompresor trabaje en su punto óptimo, se desactiva el compresor volumétrico, que consume potencia del motor.

Pero no sólo este innovador sistema de sobrealimentación es el responsable del nivel de estos motores. La otra pata de la ecuación es el sistema de inyección directa de gasolina, ya empleado en los motores FSI de la marca alemana. Con la inyección directa en la cámara de combustión, como ya pasara en su día con los motores diesel, se obtiene una gestión del combustible óptima, mejorándose tanto los consumos como el rendimiento de la combustión. El resultado es un motor de gasolina capaz de subir hasta las 7.000 vueltas en su versión de 1.4, y con una curva de par prácticamente plana que hace de la conducción una tarea mucho más sencilla para cualquier conductor. Así, sin necesidad de cambiar de marcha para que el motor suba de vueltas y proporcione par inmediato, los motores TSI tienen unas cifras de recuperación a marchas altas que son para quitarse el sombrero. Y no sólo eso, sino que los consumos son un 20% menores a los que tendría un motor atmosférico de potencia y par similar (claro, tenemos que irnos a los de más de 2 litros para igualar las prestaciones de los TSI). Y pese a la potencia, las altas presiones y los

elevados regímenes de giro, los TSI prometen ser tan duraderos como cualquier motor.

TSI de Volkswagen

TFSI (ídem TSI)

TFSI son las siglas de Turbo-Charged Fuel Stratified Injection, (TSI Turbocharged Stratified Injection en los coches de la familia Volkswagen) y en español es inyección directa con doble sobrealimentacion de gasolina. La doble sobrealimentación es proporcionada por un turbocompresor y un compresor, haciendo así una entrega de potencia mucho más homogénea, ya que el compresor, al estar conectado a la distribución, actúa desde bajas revoluciones y el turbo actúa desde medias cuando tenemos suficientes gases de escape para hacerlo girar.

Funcionamiento

El combustible es inyectado directamente en la cámara de combustión. Un inyector regula la cantidad de combustible con precisión en milisegundos entre presiones de 50 y 160 bares. Durante el proceso de inyección, el combustible evaporado provee un importante efecto enfriador en el interior del cilindro contribuyendo a una mejor carga en el cilindro, y como consecuencia la potencia de salida del motor se mejora. Por otro lado, la tendencia a traquetear del motor se ve reducida por el efecto de enfriado del turbocompresor. Esto significa que la relación de compresión de los motores TFSI puede ser más alto que el de los motores con inyección FSI o convencional.

Los motores TFSI son construidos con múltiples de admisión variables de dos etapas con turbocompresor. El modo power (conducto corto) a altas velocidades de motor, contribuye a la alta potencia especifica de salida de los motores. A bajas revoluciones, el conducto largo es elegido elevando la máxima torsión por más de un 35%.

Con la ayuda de un sistema de aletas en el conducto de entrada (chapaletas), la corriente interna en el cilindro puede ser óptimamente ajustada. En operaciones a carga parcial, una fuerte corriente asegura un consumo más bajo de combustible y bajas emisiones de gases. A plena carga, el aire es introducido con pérdidas mínimas de presión, aumentando así la torsión y la potencia de salida.

La única diferencia entre los motores FSI y los TFSI es que los FSI son atmosféricos y TFSI están sobrealimentados, por lo que las características de ambos motores son muy parecidas. Este sistema lo emplean marcas del Grupo Volkswagen como Audi, Seat, la propia Volkswagen y también KTM. En los SEAT la denominación de estos motores es TSI (Turbo-Charged Stratified Injection).

Audi A4 FSI

Inyección directa de gasolina

Las emisiones contaminantes de hidrocarburos, óxidos nítricos (NOx) y monóxido de carbono (CO) se reducen hasta un 99% con la mediación de un catalizador de tres vías. Por su parte, el dióxido de carbono (CO2) que se produce con motivo de la combustión, siendo el causante del efecto invernadero, sólo se puede reducir a base de disminuir el consumo de combustible. Teniendo en cuenta estos factores vemos que los sistemas de inyección con formación externa de la mezcla (inyección en el colector de admisión MPi) no sirven para cumplir estos objetivos, por eso la necesidad de desarrollar un sistema capaz de cumplir con estos compromisos. Este sistema es el motor de inyección directa de gasolina. Con los motores de inyección directa de gasolina se consiguen dos objetivos principales que están vigentes para hoy y con vistas al futuro, que son reducir el consumo de combustible y con este también las emisiones contaminantes de escape.

Las diferentes marcas de automóviles cada vez más se están decidiendo por equipar sus modelos de gasolina con motores de inyección directa. Primero fue la marca japonesa Mitsubishi con los motores GDi, ahora le siguen Renault con los motores IDE, el grupo PSA con los motores HPi, y Volkswagen con los motores FSi.

Si comparamos el sistema de inyección en los colectores (inyección indirecta también llamados MPI) con la inyección directa de gasolina, entendemos porqué esta última es superior a la primera. Los inyectores de un motor de gasolina (MPI) suelen estar ubicados en el colector de admisión, lo que explica la denominación de estos sistemas. El combustible es inyectado por delante de una válvula cerrada o bien encima de la válvula abierta y es mezclado de forma casi completa con el aire de admisión en cada una de las toberas del colector de admisión. Pero esta mezcla de aire y neblina de combustible inyectado no permite su perfecta

explosión en el cilindro si no está preparada conforme a una exacta relación estequiométrica comprendida en unos límites muy específicos (1/14,7). En el caso de los motores dotados de un catalizador de tres vías es válida la ideal ecuación de lambda igual a uno.

Esta precisa relación de aire/combustible tiene que ser ajustada durante cada uno de los ciclos del motor cuando la inyección tiene lugar en el colector de admisión. El problema de estos sistemas de inyección (indirecta) viene dado principalmente a cargas parciales del motor cuando el conductor solicite una potencia no muy elevada, por ejemplo, (acelerador a medio pisar). Los efectos se podrían comparar con una vela encendida dentro de un envase que se va tapando poco a poco por su apertura superior: la llama de la vela va desapareciendo conforme empeoran las condiciones de combustión. Esta especie de estrangulación supone un desfavorable comportamiento de consumo de un motor de ciclo Otto en los momentos de carga parcial. Es aquí donde se declaran las grandes virtudes de la inyección directa de gasolina. Los inyectores de este sistema no están ubicados en las toberas de admisión, sino que están incorporados de forma estratégica con un determinado desplazamiento lateral por encima de las cámaras de combustión.

La inyección directa de la gasolina posibilita una definición exacta de los intervalos de alimentación del carburante en cada ciclo de trabajo de los pistones así como un preciso control del tiempo que se necesita para preparar la mezcla de aire y combustible. En unas condiciones de carga parcial del motor, el combustible es inyectado muy cerca de la bujía y con una determinada turbulencia cilíndrica (efecto tumble) al final de la fase de compresión mientras el pistón se está desplazando hacia su punto muerto superior. Esta concentrada carga de mezcla puede ser explosionada aunque el motor se encuentre en esos momentos en una fase de trabajo con un determinado exceso de aire (1/12.4). Su grado de efectividad termodinámica es correspondientemente más alto. Comparado con un sistema de inyección en el colector de admisión (MPI) se obtienen unas importantes ventajas de consumo de combustible merced a la eliminación de la citada estrangulación.

 Ventajas

Desestrangulación en los modos operativos con mezcla "estratificada"

En estos modos operativos se trabaja con un valor lambda comprendido entre 1,55 y 3. Esto permite abrir más la mariposa y aspirar más aire, porque tiene que superar una menor resistencia que provocaba la válvula de mariposa al estar medio cerrada.

.

En el modo estratificado el motor trabaja con un valor lambda desde 1,6 hasta 3, consiguiendo una reducción de consumo de combustible considerable.

Menores pérdidas de calor cedido a las paredes de los cilindros

Esto es debido a que en el modo de mezcla "estratificada" la combustión únicamente tiene lugar en la zona próxima de la bujía, esto provoca menores pérdidas de calor cedido a la pared del cilindro, con lo cual aumenta el rendimiento térmico del motor.

Debido al movimiento intenso de la mezcla en el modo homogéneo, el motor posee una alta compatibilidad con la recirculación de gases de escape, equivalente hasta un 25%. Para aspirar la misma cantidad de aire fresco que cuando trabaja con bajos índices de recirculación de gases se procede a abrir la mariposa de gases un tanto más. De esa forma se aspira el aire superando una baja resistencia y disminuyen las pérdidas debidas a efectos de estrangulamiento.

Con la inyección directa del combustible en el cilindro se extrae calor del aire de admisión, produciéndose un efecto de refrigeración de éste. La tendencia al picado se reduce, lo que permite aumentar a su vez la compresión. Una mayor relación de compresión conduce a una presión final superior en la fase de compresión, con lo cual también aumenta el rendimiento térmico del motor.

Es posible reducir el régimen de ralentí, y se facilita el arranque en frío debido a que al reanudar la inyección el combustible no se deposita en las paredes de la cámara de combustión. La mayor parte del combustible inyectado puede ser transformada de inmediato en energía utilizable. El motor funciona de un modo muy estable, incluso al trabajar con regímenes de ralentí más bajos.

Inconvenientes

Uno de los problemas principales que plantea la inyección directa de gasolina es el tratamiento de los gases de escape para cumplir las normativas anticontaminación. Los óxidos nítricos que se producen con motivo de la combustión en el modo "estratificado" y en el modo "homogéneo-pobre" no pueden ser transformados suficientemente en nitrógeno por medio de un catalizador convencional de tres vías. Sólo desde que ha sido desarrollado el catalizador-acumulador de NOx también se cumple la norma de emisiones de escape EU4 en estos modos operativos. Los óxidos nítricos se acumulan internamente en ese catalizador y se transforman en nitrógeno mediante medidas específicas para ello.

Otro inconveniente reside en los problemas que plantea el azufre en la gasolina. Debido a la similitud química que tiene con respecto a los óxidos nítricos, el azufre también se almacena en el catalizador- acumulador de NOx y ocupa los sitios destinados a los óxidos nítricos. Cuanto mayor es el contenido de azufre en el combustible, tanto más frecuentemente se tiene que regenerar el catalizador-acumulador, lo cual consume combustible adicional.En la gráfica inferior se compara distintas clases de gasolinas que hay en el mercado y se aprecia la influencia que tiene el contenido de azufre sobre la capacidad de acumulación del catalizador-acumulador de NOx.

La marca Mitsubishi fue la primera en construir motores de inyección directa de gasolina. En este motor la gasolina es inyectada directamente en el cilindro, con lo que se eliminan perdidas y se mejora el rendimiento. La cantidad exacta de gasolina se introduce con una temporización muy precisa, consiguiendo una combustión completa.

Las innovaciones tecnológicas que presentan estos motores son:

Colectores de admisión verticales. Pistones con una forma especial (deflector). Bomba de combustible de alta presión. Inyectores de alta presión.

 

Esquema general de funcionamiento

En la figura inferior tenemos el esquema general de los diferentes elementos que forman el sistema de inyección directa de gasolina. En ella se ve el circuito de admisión de aire y el circuito de suministro de combustible.

El circuito de admisión de aire empieza con el sensor (1) encargado de medir la cantidad de aire que, en función de la carga, entra en el motor. También dispone de unas electroválvulas colocadas en bypass en dicho circuito y que actúan; la (2) en compensación de la necesidad de aire adicional debido al accionamiento de elementos auxiliares del motor y la (3) en caso de un control de todo o nada. La válvula reguladora de ralentí (4) es la encargada de mantener el régimen de giro del motor constante y actúa controlando el paso del flujo de aire después de la mariposa. Finalmente, la válvula EGR (5) realiza la función de recircular los gases de escape cuando las altas temperaturas y presiones de combustión provocan la aparición de los peligrosos óxidos de nitrógeno en los gases de escape. Podemos ver también la posición vertical de los colectores de admisión que permiten, gracias a la longitud y su cuidado pulimentado, aumentar el rendimiento volumétrico.

En el circuito de suministro de combustible al motor la gasolina parte del depósito (6) gracias a una bomba previa (7) de baja presión que pasa por un filtro y un regulador de presión (8) y se conduce a un conjunto hidráulico (9) que incorpora una bomba de alta presión. Un conjunto regulador de alta presión (10) mantiene la presión de inyección en su ultimo tramo hacia el inyector (11). La bomba inyecta carburante a una presión de 50 bar y utiliza un sensor de presión de combustible para el control preciso de la alimentación. En el escape del motor se incorpora un convertidor catalítico (12) para eliminar los restos de NOx cuando el motor trabaje con mezcla pobre o estratificada.

El colector de admisión vertical

Con este tipo de colector se consigue crear un flujo de aire en la admisión del tipo giratorio en sentido de las agujas del reloj, con el que se consigue un mayor rendimiento. La ventaja de este sistema de flujo giratorio respecto al turbulento utilizado en la manera clásica (inyección indirecta), es que en este último tiende a concentrarse el combustible en la periferia del cilindro y por tanto alejado de la bujía, en cambio el giratorio permite concentrarlo en el lugar que más interesa para una mejor combustión: alrededor de la bujía. El hecho de que se realice siguiendo el sentido horario obedece a la necesidad de evitar que por medio de la inyección directa de gasolina choque con la bujía, ya que esto crea una acumulación de hollín que provoca falsas explosiones. Si el flujo girara hacia la izquierda no daría el tiempo suficiente para conseguir que el chorro de gasolina inyectado directamente se vaporizase. El ángulo relativamente grande del inyector ayuda a asegurar que también tendrá tiempo suficiente para que el chorro pulverizado se combustible se vaporice, incluso cuando se inyecta durante la carrera de compresión. El deflector del pistón ayuda a concentrar la mezcla de aire/gasolina rica alrededor de la bujía.Esta mezcla estratificada de forma ideal, rica alrededor de la bujía, pobre en la periferia, permite que el motor GDI de Mitsubishi funcione suavemente en el modo de combustión ultra-pobre, con la asombrosa relación de aire 40/1, con lo cual se consigue una importante economía de combustible.

Los motores de inyección directa gasolina funcionan con dos tipos de mezcla según sea la carga del motor: mezcla estratificada y mezcla homogénea.

Mezcla estratificada: el motor es alimentado con una mezcla poco enriquecida cuando el vehículo se desplaza en unas condiciones de carga parcial (pedal del acelerador a medio pisar). Para poder conseguir una mezcla pobre para alimentar el motor, éste debe ser alimentado de forma estratificada. La mezcla de aire y combustible se concentra en torno a la bujía ubicada en una estratégica posición central en las cámaras de combustión, en cuyas zonas periféricas se acumula prácticamente sólo una capa de aire. Con esta medida se consigue la eliminación de la mencionada estrangulación para proporcionar un importante ahorro de combustible. La positiva característica de economía de consumo es también una

consecuencia de la disminuida dispersión de calor. El aire concentrado de la manera comentada en la periferia del espacio de combustión mientras se produce la explosión de la mezcla en la zona central de la cámara proporciona una especie de aislamiento térmico. Con esta estratificación específica de la carga, el valor Lambda en el área de combustión oscila entre 1,5 y 3. De este modo, la inyección directa de gasolina alcanza en el campo de carga parcial el mayor ahorro de combustible frente a los de inyecciones convencionales en marcha de ralentí incluso un 40%.

Durante la fase de admisión (1) figura inferior, el volumen de aire procedente de los colectores de admisión verticales recorre la superficie curvada del pistón (2) y refluye hacia arriba creando un potente flujo giratorio en el sentido de la agujas del reloj. El control del flujo es posible gracias a sensores de flujo de aire de tipo Karman, que controlan la contrapresión baja, y a dos solenoides de la válvula bypass que permiten que grandes cantidades de aire lleguen al cilindro con suavidad, lo que es importantísimo cuando se trata de funcionar con relaciones de aire/combustible extremadamente pobres de hasta 40/1.En la carrera de compresión del pistón la forma giratoria se descompone en pequeños y numerosos torbellinos. A continuación, en la última fase de la carrera de compresión, el inyector de turbulencia de alta presión pulveriza el combustible (3) siguiendo una espiral muy cerrada. Este movimiento de turbulencia junto con la elevada densidad del aire comprimido y los pequeños torbellinos, mantienen compacto el chorro pulverizado de combustible. El combustible se concentra alrededor de la bujía. La estratificación es muy buena: la mezcla aire/combustible es rica en el centro y pobre en la periferia. Finalmente salta la chispa en la bujía (4) y el potente producto de la combustión es controlado por la cavidad esférica del pistón que se va extendiendo mediante una reacción en cadena. El resultado de todo este proceso es una mejora del 20% en el ahorro de combustible.

Mezcla homogénea: El control inteligente de la inyección permite disponer asimismo de una mezcla homogénea en los regímenes más elevados (cuando se exige potencia al motor). La inyección es adaptada de forma automática y el combustible no es inyectado en las fases de compresión sino en las de admisión. Unas determinadas leyes de la termodinámica imponen, no obstante, un aumento del llenado de los cilindros y una disminución de la temperatura de compresión en estas condiciones. Estos ajustes tienen unos efectos secundarios también muy positivos que se manifiestan en forma de unos elevados valores de potencia y par motor. Con una relación de compresión alta por encima de 11 (11,5:1) ofrece un valor significativamente más alto que un motor dotado de un sistema de inyección MPI (indirecta).

Con mezcla homogénea el combustible se inyecta durante la carrera de admisión para crear un efecto de refrigeración, el inyector de alta presión cambia la forma de funcionar en este modo para alimentar el combustible mediante un chorro largo en forma de cono, con objeto de conseguir una dispersión en el cilindro. El efecto de refrigeración evita las detonaciones o combustión espontánea en el cilindro que pueden producirse cuando el motor tiene una relación de compresión alta y con un elevado calentamiento.

Reducción en las emisiones de gases contaminantes

Uno de los aspectos más importantes del motor GDI es la menor emisión de gases contaminantes (C02, NOx e hidrocarburos). Si se quema gasolina se genera C02; por lo tanto, si se reduce la cantidad de gasolina quemada se reducirá también la cantidad de C02. De este modo, disminuyendo el consumo de combustible en un 20%, en el motor GDI descienden también las emisiones de C02 en ese mismo porcentaje. Los catalizadores de tres vías no son eficaces en el motor GDI cuando funciona en el modo ultra-pobre de combustión. MITSUBISHI ha desarrollado un nuevo tipo de catalizador, denominado de reducción selectiva, para ayudar a disminuir las emisiones de monóxido de nitrógeno (NOx). 

El fabricante Bosch lleva tiempo aplicando sus sistemas de inyección a los motores de inyección directa. Hace más de 60 años en los motores de aviación y también en el renombrado Mercedes 300 SL del año 1954, con las puertas abatibles en forma de alas de mariposa. Este sistema de inyección funcionaba igual que el utilizado por los motores Diesel, es decir, estaba dotado de una bomba de inyección en línea que tiene tantos elementos de bombeo como cilindros tiene el motor y accionados por un árbol de levas sincronizado con el cigüeñal. La presión de inyección con la que trabajaba este sistema es de 15 a 20 kp/cm2, la cual si la comparamos frente a un Diesel (150 a 400) es muy baja, lo que hace que la precisión del equipo de bombeo no sea muy grande. Pero tenía el enorme inconveniente de la lubricación, ya que la gasolina no es lubricante, implica la necesidad de lubricar la bomba lo que encarece su fabricación. También los inyectores deben lubricarse, lo cual lo complica en extremo. Los inyectores que están en contacto con las altas presiones y la temperatura que se alcanza en la cámara de combustión del motor hacen que se deterioren rápidamente y requieren un gran mantenimiento por ello esta inyección directa solo se usaba en vehículos muy exclusivos o deportivos. Por las razones expuestas anteriormente Bosch aparco el desarrollo de esta tecnología, hasta que la utilización masiva de la electrónica hizo más fácil desarrollar un sistema lo suficientemente fiable y a un precio ajustado.

El sistema de inyección directa de gasolina Bosch denominado MED trabaja según el principio de funcionamiento del Common Rail utilizado para la inyección diesel. Es decir, un conducto o regleta distribuidora común, de alta presión, alimenta con combustible todas las válvulas de inyección; la presión regulada en el conducto distribuidor de combustible la origina una bomba de alta presión que puede alcanzar presiones de hasta 120 bar. Con las válvulas de inyección accionadas de forma electromagnética, el inicio y la duración del proceso de inyección es variable dentro de amplios límites. El caudal de inyección se mide exactamente,

mientras que la geometría del chorro está sincronizada con las exigencias del motor. La forma y el ángulo el chorro, así como el tamaño de las gotitas pulverizadas, constituyen también parámetros importantes para la formación de la mezcla y determinar valores de emisión bajas y consumos favorables.

Inyección de combustible

La inyección de combustible es un sistema de alimentación de motores de combustión interna, alternativo al carburador en los motores de explosión, que es el que usan prácticamente todos los automóviles europeos desde 1990, debido a la obligación de reducir las emisiones contaminantes y para que sea posible y duradero el uso del catalizador a través de un ajuste óptimo del factor lambda.

El sistema de alimentación de combustible y formación de la mezcla complementa en los motores Otto al sistema de Encendido del motor, que es el que se encarga de desencadenar la combustión de la mezcla aire/combustible.

Este sistema es utilizado, obligatoriamente, en el ciclo del diésel desde siempre, puesto que el combustible tiene que ser inyectado dentro de la cámara en el momento de la combustión (aunque no siempre la cámara está sobre la cabeza del pistón).

En los motores de gasolina actualmente está desterrado el carburador en favor de la inyección, ya que permite una mejor dosificación del combustible y sobre todo desde la aplicación del mando electrónico por medio de un calculador que utiliza la información de diversos sensores colocados sobre el motor para manejar las distintas fases de funcionamiento, siempre obedeciendo las solicitudes del conductor en primer lugar y las normas de anticontaminación en un segundo lugar.

Inyector de gasolina (mando electrónico)

Inyector diesel (mando electrónico)

En un principio se usaba inyección mecánica pero actualmente la inyección electrónica es común incluso en motores diésel.

Diagrama de una inyección diésel Common Rail

Gracias a la electrónica de hoy en día, son indiscutibles las ventajas de la inyección electrónica. Es importante aclarar que en el presente todos los Calculadores Electrónicos de Inyección (mayormente conocidos como ECU "Engine Control Unit" o ECM "Engine Control Module") también manejan la parte del encendido del motor en el proceso de la combustión. Aparte de tener un mapa de inyección para todas las circunstancias de carga y régimen del motor, este sistema permite algunas técnicas como el corte del encendido en aceleración (para evitar que el motor se revolucione excesivamente), y el corte de la inyección al detener el vehículo con el motor, o desacelerar, para aumentar la retención, evitar el gasto innecesario de combustible y principalmente evitar la contaminación.

En los motores diésel el combustible debe estar más pulverizado porque se tiene que mezclar en un lapso menor y para que la combustión del mismo sea completa. En un motor de gasolina el combustible tiene toda la carrera de admisión y la de compresión para mezclarse; en cambio en un diésel, durante las carreras de admisión y compresión sólo hay aire en el cilindro. Cuando se llega al final de la compresión, el aire ha sido comprimido y por tanto tiene unas elevadas presión y temperatura, las que permiten que al inyectar el combustible éste pueda inflamarse.

Debido a las altas presiones reinantes en la cámara de combustión se han diseñado entre otros sistemas, el Common-Rail y el elemento bomba-inyector a fin de obtener mejores resultados en términos de rendimiento, economía de combustible y anticontaminación.

Mapa de inyección

El mapa de inyección de combustible de un automóvil (a gasolina o diesel) es una cartografía o varias, según la tecnología que equipe al vehículo, en las cuales se encuentran gráficos en tres dimensiones (tres ejes x, y, z) y determinan los puntos de funcionamiento del motor, mientras que el que ejecuta y comprueba y controla todos estos datos es el calculador de inyección de combustible.

Una cartografía simple y característica de las primeras inyecciones de gasolina controladas electrónicamente es la que involucra los siguientes parámetros:

1. Presión o caudal de aire de admisión (parámetro "x")2. Régimen motor (parámetro "y")

Dando como resultado un:

Tiempo de inyección dado ("z")

Estos son los dos parámetros de base que definen lo que se llama carga motor .

En lo referente a las inyecciones diesel, la cartografía se basa en:

Parámetros fundamentales:

1. Posición del pedal acelerador (parámetro "x")2. Régimen motor (parámetro "y")

Dando como resultado una:

Presión de inyección ("z") combinada con un tiempo de inyección ("ti")

En este caso estamos hablando de un mapa de 4 dimensiones. Adicionalmente y para que se pueda producir el arranque es necesaria una tercera información, es Fase del motor para determinar a qué inyector le toca inyectar, de los dos cilindros que se encuentran paralelos en fase de fin de escape y fin de compresión respectivamente.

Parámetros de corrección:

Siendo el más importante el de temperatura del motor, este dato llega al calculador electrónico desde un sensor en la culata, y corrige el valor básico del tiempo de inyección calculado en la cartografía, aumentándolo tanto más cuanto más frío esté el motor. Su influencia es nula cuando el motor está a temperatura de funcionamiento.

Otro parámetro de corrección muy importante en los motores de gasolina es el de la posición de la mariposa, para corregir la mezcla al ralentí y a plena carga, así como detectar la rapidez de la aceleración y enriquecer la mezcla en consecuencia. Este dato proviene de otro sensor, el potenciómetro de mariposa.

Por último y en los últimos años en que se ha impuesto el catalizador está la sonda de oxígeno o sonda lambda, que corrige permanentemente el tiempo de inyección en un margen muy estrecho, para obtener el máximo rendimiento del catalizador.

Los actuales calculadores de inyección electrónicos, para motores tanto Diesel como gasolina, poseen amplias y variadas cartografías de funcionamiento para cada etapa del motor, inclusive existen cartografías especialmente diseñadas para funcionar en caso de detección de fallo de un elemento del sistema de inyección, permitiendo al conductor acercarse al concesionario o taller más cercano con la tranquilidad de que no le sucederá nada perjudicial al motor. Por ejemplo en los motores de gasolina, la ausencia de señal o desviación excesiva de la misma en el parámetro "caudal o presión de aire de admisión" permite ser sustituida por el sensor de posición de mariposa. La señal de régimen motor, esencial para la sincronización, no permite ser sustituida una vez desaparece. El motor se detiene.

Convertidor catalítico (catalizador)

Convertidor catalítico de un automóvil

Sección transversal del mallado cerámico del interior del catalizador

El convertidor catalítico o catalizador es un componente del motor de combustión interna alternativo y Wankel que sirve para el control y reducción de los gases nocivos expulsados por el motor de combustión interna. Se emplea tanto en los motores de gasolina o de ciclo Otto como más recientemente en el motor diesel.

Constitución

Consiste en una malla cerámica de canales longitudinales revestidos de materiales nobles como Platino, Rodio, etc., situado en el escape antes del silenciador.

Funcionamiento

Los hidrocarburos (HC) y el monóxido de carbono (CO) antes de ser expulsados por el escape, son convertidos en dióxido de carbono y vapor de agua. Los óxidos de nitrógeno (NOx) son disociados en Nitrógeno molecular (N2), principal constituyente de aire atmosférico, y oxígeno O2. Para que estas reacciones de disociación se produzcan ha de estar el catalizador a una temperatura de 500 º C.

En la combustión que se produce en un motor se generan gases, algunos nocivos y otros no. Nitrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua no son perjudiciales directamente para las personas.

El nitrógeno (N2) lo respiramos constantemente ya que forma un 80% del aire que respiramos.

El Vapor de agua (H2O) lo mismo, forma un porcentaje muy variable del aire que respiramos.

El Anhídrido carbónico o Dióxido de carbono o Gas carbónico (CO2).

Los gases nocivos dependen de la composición de la mezcla, es decir, del factor lambda . Si el funcionamiento es con mezcla rica (excesivo combustible en relación con la cantidad de aire) aparecen hidrocarburos sin quemar. Si es con mezcla pobre (poco combustible) se generan óxidos de nitrógeno.

Para que estos gases nocivos se reduzcan al mínimo hay varios procedimientos. Una es intentar que la relación entre el volumen de aire que ingresa al cilindro sea aproximadamente 14,7 veces el volumen de combustible, es decir, que por cada parte de combustible ingresen 14,7 partes de aire, esta relación se obtiene por estequiométrica, y coincide con el factor lambda igual a 1.

De todas formas debido a la imposibilidad de controlar totalmente el proceso de la combustión, se siguen generando gases nocivos. Para reducirlo (hasta un 75%) existe el catalizador. Éste se ubica muy cerca del colector de escape (para que los gases tengan al menos unos 500 °C).

Composición

El catalizador está compuesto de platino, rodio y paladio y cuando los gases nocivos se ponen en contacto con él, se generan y aceleran las reacciones químicas que descomponen y oxidan estos gases transformándolos en gases inocuos para el medio ambiente.

Funcionamiento en ciclo cerrado

(1) medidor de caudal de aire. (2 y 3) catalizador. (4) inyectores. (5) sonda lambda delantera. (6) sonda lambda trasera. (7) llegada de gasolina. (8) entrada de aire desde el filtro. (9) escape.

La eficiencia del catalizador depende de que la relación combustible/aire sea lo más próxima a la estequiométrica y es por eso que la eficiencia del catalizador depende del correcto funcionamiento de la sonda lambda. De esto se encarga la unidad de control del motor.

En resumen

Se produce la combustión en el cilindro y se generan gases que salen por el colector de escape. Estos gases están en contacto con la sonda lambda, la cual detecta el contenido de oxígeno residual, emitiendo una señal alta o baja según el factor lambda sea mayor o menor de 1. Esta información es usada por el calculador del sistema de inyección de combustible para corregir el tiempo de inyección básico almacenado en la cartografía de la gestión del motor. De este modo el factor lambda se mantiene siempre en valores muy cercanos a 1, lo que se llama la "ventana lambda" y en la que el catalizador muestra su máxima eficiencia. Esto es lo que se llama ciclo cerrado. Luego los gases pasan por el silenciador.

Catalizador de doble vía

En un catalizador de doble vía, usado mayormente en el motor diesel, ocurren dos reacciones simultáneas:

1. Oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono: 2CO + O2 → 2CO2

2. Oxidación de hidrocarburos no quemados o parcialmente quemados a

dióxido de carbono y agua: CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O

Este tipo de catalizadores se usan en motores diesel ya que trabajan con exceso de oxígeno, generando unas tasas muy altas de Óxidos de Nitrógeno incompatibles con el metal noble que los disocia. En estos motores el NOx se elimina con la recirculación de gases de escape (EGR)

Catalizador de triple vía

En un catalizador de triple vía ocurren tres reacciones simultáneas:

1. Reducción de óxidos de nitrógeno a nitrógeno y oxígeno: 2NOx → xO2 + N2

2. Oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono: 2CO + O2 → 2CO2

3. Oxidación de hidrocarburos no o parcialmente quemados a dióxido de

carbono y agua: CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O.

Estos catalizadores pertenecen a los motores de ciclo Otto ya que la proporción de NOx es mucho menor que en los diesel, al no trabajar con exceso de oxígeno.

Factor lambda

El factor lambda comúnmente designado con la letra griega "λ" designa la proporción aire/combustible (en peso) en forma de mezcla que entra al cilindro de un motor de ciclo Otto, comparada con la proporción estequiométrica de la mezcla ideal, de 14,7 partes de aire en peso por 1 parte de combustible en peso (normalmente gasolina).

Variación de la potencia (azul) y el consumo específico de combustible (verde) con el factor de mezcla

Ejemplo

Si en un caso dado la mezcla es tal que la proporción es de 15,5 : 1 se obtiene un factor lambda de 15,5/14,7 = 1,05 lo que en este caso se denomina mezcla pobre. Esta situación es la adecuada para lograr consumos mínimos y emisiones mínimas de contaminantes, principalmente hidrocarburos y monóxido de carbono (HC y CO) pero no torque o par motor máximo. Si en otro caso tenemos 13,5 : 1 se obtiene 13,5/14,7 = 0,92 y en este caso se llama mezcla rica; se obtiene torque o par máximo y potencia máxima pero el consumo de combustible y las emisiones de contaminantes son mayores.

Requerimientos según condiciones

Cuando se arranca el motor en frío y cuando se desea una aceleración franca, se ajusta mezcla rica. Cuando se desea mínimo consumo, con el motor ya caliente, se ajusta mezcla pobre. En el ralentí también es conveniente una mezcla un poco más rica para vencer las resistencias internas del motor.

En los motores alternativos de ciclo Otto de aviación, las grandes variaciones en la densidad del aire con la altura requieren un ajuste de mezcla manual. Este se monitoriza con la temperatura de los gases de escape (EGT).

Desarrollo tecnológico

En la época del carburador, en el automóvil y la motocicleta, estos ajustes de lograban mediante la trampilla de arranque en frío mejor conocida como ahogador y la bomba de aceleración para obtener mezcla rica. La mezcla pobre se lograba mediante el econostato, un tubo con orificios calibrados consecutivo al surtidor o

calibre de alta, llamado tubo mezclador ubicado en el sistema de marcha mínima de carburador.

Desde que existe la inyección electrónica de combustible, los ajustes se logran aumentando o disminuyendo el tiempo de inyección básico que es controlado por una unidad de control electrónico denominada ECM por sus siglas en inglés (Engine Control Module) que recibe información de ciertos sensores que le informan las RPM del motor y el caudal de aire de admisión, temperatura del líquido refrigerante del motor, y la posición de la mariposa o válvula de aceleración. Alimentado el ECM con esta información, éste determina qué tiempo de inyección es el más apropiado en función de las condiciones de temperatura y carga del motor.

Con la introducción del catalizador, el factor lambda se mantiene en valores muy cercanos a 1 con objeto de obtener el máximo rendimiento del motor con el menor % de emisiones contaminantes, gracias a la utilización de la sonda lambda mejor conocida como sensor de oxígeno, la cual está detectando permanentemente el valor del oxígeno residual de la combustión, en los gases de escape, enviando esta señal al ECM para también, además de los otros componentes mencionados, ajustar el tiempo de inyección básico de modo permanente.

Carburador

El carburador es el dispositivo que se encarga de preparar la mezcla de aire-combustible en los motores de gasolina. A fin de que el motor funcione más económicamente y obtenga la mayor potencia de salida, es importante que la gasolina esté mezclada con el aire en las proporciones óptimas. Estas proporciones, denominadas factor lambda, son de 14,7 partes de aire en peso, por cada 1 parte de gasolina; es lo que se llama "mezcla estequiométrica"; pero en ocasiones se necesitan otras dosificaciones, lo que se llama mezcla rica (factor lambda menor de 1) o bien mezcla pobre, es decir factor lambda mayor de 1 en volumen corresponden unos 10.000 litros de aire por cada litro de gasolina.

Construcción y operación del carburador

El carburador posee una sección donde la gasolina y el aire son mezclados y otra sección donde la gasolina es almacenada a un nivel muy preciso, por debajo del nivel del orificio de salida (cuba). Estas dos secciones están separadas pero conectadas por la tobera principal.

Carburador elemental

La relación de aire-combustible es determinante en el funcionamiento del motor. Esta mezcla, llamada también factor lambda, indicada en el párrafo anterior no debe ser menor de unas 10 partes de aire por cada parte de gasolina, ni mayor de 17 a 1; en el primer caso hablamos de "mezcla rica" y en el segundo de "mezcla pobre". Por debajo o por encima de esos límites el motor no funciona bien, llegando a "calarse", en un caso "ahogando" las bujías y en el otro calentándose en exceso, con fallos al acelerar y explosiones de retorno.

En la carrera de admisión del motor, el pistón baja dentro del cilindro y la presión interior del cilindro disminuye, aspirando aire desde el purificador (filtro), carburador y colector de admisión fluyendo hasta el cilindro. Cuando este aire pasa a través del estrechamiento del carburador (Venturi), la velocidad se eleva, y por el efecto Venturi aspira la gasolina desde la tobera principal. Esta gasolina aspirada es soplada y esparcida por el flujo de aire y es mezclada con el aire. Esta mezcla aire-combustible es después aspirada dentro del cilindro.

Válvula aceleradora

Para que el usuario pudiese controlar a voluntad las revoluciones a las que trabaja el motor se añadió al tubo original una válvula aceleradora que se acciona mediante un cable conectado a un mando del conductor llamado acelerador.

Esta válvula aceleradora permite incrementar el paso de aire y gasolina al motor a la vez que se mantiene la mezcla en su punto. La mezcla aire/gasolina se denomina gas, por lo tanto al hecho de incrementar el paso de la válvula se le llama coloquialmente "dar gas".

Guillotina

Para controlar el gas en ciertos carburadores se usa un tipo de válvula llamada guillotina que consiste en un disco que atraviesa el tubo perpendicularmente. Cuando se incrementa el paso, la guillotina se va deslizando hacia arriba como un telón dejando una abertura cada vez más grande.

Mariposa

Por contra en los motores de cuatro tiempos se usa como válvula la mariposa, que es un disco de metal cruzado diametralmente por un eje que le permite girar. En posición de reposo se encuentra completamente perpendicular al tubo y al acelerar se va

incrementando su inclinación hasta que queda completamente paralela al tubo. El eje de la mariposa sobresale por un lado, donde toma forma de palanca para ser accionada mediante el cable.

Principio de operación del carburador (principio de Bernoulli)

El carburador opera básicamente con el mismo principio de un pulverizador de pintura. Cuando el aire es soplado, cruzando el eje de la tubería pulverizadora, la presión interior de la tubería cae. El líquido en el pulverizador es por consiguiente aspirado dentro de la tubería y atomizado cuando es rozado por el aire. Mientras mayor sea la rapidez del flujo de aire que atraviesa la parte superior de la tubería de aspiración, mayor es la depresión en esta tubería y una mayor cantidad de líquido es aspirada dentro de la tubería.

Aparición

Este instrumento fue desarrollado en la segunda mitad del siglo XIX junto con el motor de combustión interna de gasolina (Ciclo Otto) para permitir la mezcla correcta de los dos componentes que necesita el motor de gasolina: aire y combustible, así como para permitir controlar a voluntad la velocidad a la que operaba el motor. El carburador ha sido la tónica en todos los motores basados en gasolina (2 tiempos y 4 tiempos) desde el siglo XIX hasta los años 80 del siglo XX.

Evolución

Con el tiempo el carburador va evolucionando y añadiendo dispositivos para optimizar su funcionamiento. Adquiere su forma definitiva en los años 60-70, puesto que es en esta época cuando los diseñadores de motores se percatan de que el sistema ha llegado al límite y que se necesita implementar mecanismos más avanzados para incrementar la eficiencia y facilidad de manejo por parte del usuario.

Sin embargo, es en los años 80 cuando el carburador alcanza su máximo desarrollo tecnológico ya que se fabricaron unidades bastante sofisticadas destinadas a modelos de automóviles de gama alta intentando emular la eficiencia, rendimiento y facilidad de manejo de una inyección multipunto pero con la respuesta y sonoridad tradicionales. Al final el sistema demostró ser un fracaso debido a que su complejidad provocaba problemas de ajuste y mantenimiento, que terminaban provocando mayor consumo y fallos que un carburador tradicional.

También hubo un intento de aplicar la gestión electrónica al carburador, con el mismo nefasto resultado. Sin embargo, el carácter monolítico del carburador hace que sea complejo de controlar electrónicamente. Por lo tanto, los sistemas de inyección, al tener una naturaleza más modular se ajustan mejor a la gestión electrónica.

Salvo las aberraciones de los 80, el carburador usado actualmente en diversas aplicaciones no automovilísticas tiene un diseño similar desde los años 70. De este modo, el carburador fue perdiendo mercado progresivamente hasta que a mediados de los 90 en que fue definitivamente reemplazado en automóviles y motocicletas de alta cilindrada.

Reemplazo

A partir de los años 60 se empezó a comercializar el reemplazo del carburador, una solución más eficiente y avanzada basada en inyección multipunto (un inyector por cilindro) que permite obtener más potencia y menor consumo sobre la misma mecánica.

El sistema monopunto

A finales de los 80 y con el objetivo de aprovechar todas las mecánicas de automóvil que ya estaban diseñadas o construidas para carburación, apareció un instrumento llamado "inyección monopunto".

Este sistema consiste en un instrumento que se coloca en el sitio del carburador (manteniendo el mismo filtro de aire y el mismo colector de admisión) y que contiene una mariposa y un inyector. En lugar de pulverizar por depresión, es el inyector quien pulveriza la cantidad adecuada en función de las revoluciones y del comportamiento del acelerador. Este sistema añadía eficiencia al motor aunque no incrementaba su potencia.

Al ser una solución temporal terminó desapareciendo cuando dejaron de existir en el mercado sistemas diseñados para carburación. Fue sustituido por la inyección multipunto tradicional.

El carburador actualmente

Aunque haya desaparecido del mercado del automóvil y de la motocicleta de altas prestaciones, hoy día el carburador sigue presente y se sigue montando en millones de máquinas debido a las desventajas de la inyección en maquinaria ligera y de bajo costo, mayor precio, peso, volumen y complejidad.

Tipos de máquinas que siguen usando carburador

Actualmente se valora el carburador junto con el motor de dos tiempos en vehículos y maquinaria ligeros. A pesar de ser el montaje menos eficiente, es el más barato y el que obtiene más potencia por unidad de peso.

Se usa en maquinaria agrícola ligera (motosierras, motocultores, etc.), en ciclomotores y motocicletas de baja cilindrada, en los generadores eléctricos móviles y en los vehículos de modelismo con motor. También se siguen empleando en motores alternativos aeronáuticos, donde la inyección electrónica aún no representa un avance sustancial. En todos los casos las ventajas son similares: bajo peso, bajo costo, fácil mantenimiento, buenas prestaciones, fácil transporte y mayor fiabilidad.

Accesorios del carburador

Con el tiempo se hizo patente la necesidad de que se añadiesen al básico tubo de Venturi diferentes dispositivos con el objetivo de mejorar y refinar el funcionamiento del motor, así como de incrementar su rendimiento. Un ejemplo de estos dispositivos pueden ser el starter o cebador, el avance automático y el inyector de aceleración (también conocido como bomba de pique).

Regulador de mezcla

Ya que el clima, condiciones del aire y calidad de la gasolina comercializada son diferentes en cada zona pueden afectar al funcionamiento del motor de forma que pida una mezcla más rica o más pobre de la que fue otorgada por diseño.

El accesorio más básico de un carburador es el regulador de mezcla. Consiste en una válvula regulable (un grifo diminuto) que se ubica en el conducto que suministra la gasolina al tubo de Venturi y que se abre o cierra mediante un tornillo montado en la carcasa del carburador. También se utiliza en motores antiguos para mantener los gases de escape dentro de los límites legales ya que al empobrecer la mezcla disminuyen los niveles de contaminantes y el consumo.

Coloquialmente se llama "carburar" al hecho de ajustar la mezcla para que el motor queme en condiciones óptimas. Como las condiciones atmosféricas y la composición de la gasolina no son constantes se recomienda ajustar la mezcla periódicamente.

Ahogador

Estranguladores tipo mariposa de un carburador Weber

El ahogador (también conocido como "válvula de aire", "arrancador", "cebador", "estárter" y "estrangulador") es un dispositivo que por diversos mecanismos incrementa la riqueza de la mezcla para que el motor arranque correctamente y tenga un funcionamiento suave mientras no haya alcanzado la temperatura de trabajo. Si el carburador carece de este dispositivo o éste actúa de forma insuficiente se puede emular su funcionamiento manteniendo el acelerador ligeramente por encima del ralentí.

El dispositivo consiste en una mariposa o guillotina que cubre de forma total o parcial la boca del carburador. Sin embargo, reciben distintos nombres en función de la naturaleza del mecanismo que activa el dispositivo. Existen tres tipos de ahogador: manual, térmico y eléctrico.

Ahogador manual

Es el más elemental y también el más común en los ciclomotores y motocicletas.

Consiste en un tirador o palanca que está al abasto del conductor. Este tirador acciona un cable que actúa directamente sobre el starter. Hasta los años 70-80 solamente se usaba este sistema.

Ahogador térmico

Se considera starter automático ya que el conductor no necesita intervenir para accionarlo. Sólo sirve para los motores refrigerados por líquido.

Es un sistema más avanzado en el cual el carburador consta de un dispositivo formado por un pequeño bombo con un termostato (muelle bimetal) en el interior y lleva conectado un manguito que forma parte del circuito de refrigeración del motor. El sistema tiene un muelle que hace que el starter se mantenga cerrado mientras el motor está parado o frío. Cuando el líquido alcanza la temperatura de trabajo del motor, el muelle del termostato (al ser más potente que el muelle de cierre) vence y mantiene el starter abierto mientras no baje la temperatura del refrigerante.

Ahogador eléctrico

Es el sistema más avanzado que usan los carburadores.

Consiste en un sensor eléctrico de temperatura similar al que va conectado al tablero y permite consultar la temperatura del refrigerante. En lugar del bombo tenemos un electroimán que mantiene cerrado el starter mientras el sensor no alcance la temperatura indicada.

Arrancador de tipo estárter

Es un dispositivo no muy común que incorporan algunas unidades pero que hoy día está en desuso. Consiste en un cuerpo de pequeño diámetro ajustado para dar una mezcla muy enriquecida. Se activa con un tirador manual que en lugar de accionar una guillotina que cubre el cuerpo principal del carburador, abre este cuerpo suplementario que aporta riqueza a la mezcla.

Inyector de aceleración

El inyector de aceleración, también llamado bomba de aceleración o bomba de pique, es un dispositivo que lanza un chorro de gasolina adicional cuando el conductor aprieta el acelerador, permitiendo una respuesta más rápida del motor e incrementa la aceleración. Esto se debe a que el combustible líquido es más pesado que el aire y tiene una mayor inercia. Por esta razón, al acelerar, el aire que entra al carburador aumenta su velocidad casi instantáneamente, mientras que la gasolina, al ser más pesada, tarda más tiempo en alcanzar el caudal correcto para mantener la mezcla en las proporciones correctas. Agregar combustible adicional mientras se acelera el motor, permite mantener la cantidad de combustible óptima, manteniendo el rendimiento del motor.

Los hay de diversas formas en función de cómo se propulsa la gasolina:

De émbolo: el carburador tiene un pequeño depósito cilíndrico con un pistón que sube o baja en función de si se pisa o suelta el acelerador. Cuando se pisa el acelerador, el pistón sube y empuja hacia el inyector una cantidad de gasolina proporcional al gas que da el conductor.

De bomba: es más complejo e incorpora una diminuta bomba eléctrica que va lanzando gasolina a presión mientras el motor está acelerando.

Avance automático del encendido

El avance del encendido es un proceso que se lleva a cabo en el distribuidor de encendido y que consiste en adelantar dinámicamente (de forma automática) el momento de chispa respecto del punto ideal para permitir más explosiones por unidad de tiempo y que el motor pueda ganar o perder revoluciones rápidamente.

Ya que cuando se mueve el acelerador cambia la depresión o succión que hace el motor, el avance automático del distribuidor se acciona mediante un pulmón neumático que está montado en él y en función del vacío o depresión que recibe modifica el avance. A más depresión más avance de encendido.

Para que el avance automático funcione y el motor acelere coordinadamente es necesario sincronizarlo con el carburador. Lo que permite esta coordinación es un manguerín conectado por una parte al cuerpo del carburador y por la otra al pulmón, de forma que éste tiene continuamente información de si el motor va a acelerar.

Efectivamente el avance también se puede dar en sentido inverso y se le llama atraso. Consiste en el proceso que permite que el motor decelere. Cuando se retira el pie del acelerador, se cierra la mariposa y el aire prácticamente deja de circular, por lo que casi desaparece la depresión causada por el motor. Cuando decae la depresión se dice que atrasa para permitir al motor volver al punto de ralentí.

El proceso es el siguiente:

1. El conductor aprieta el acelerador.2. Se abre la mariposa, se incrementa el paso de aire y se añade gasolina adicional.3. Al aumentar el paso de aire se incrementa la depresión.4. Esta depresión llega al distribuidor a través del manguerín.5. El pulmón mueve el dispositivo de avance permitiendo que el motor acelere.6. El conductor retira el pie del acelerador.7. Se cierra la mariposa y el vacío disminuye al mínimo.8. Al no tener depresión el avance vuelve al mínimo y provoca que el motor decelere.9. El motor vuelve al ralentí.

Pulmones

Son unos dispositivos que constan de una carcasa y una membrana interna que van conectados con un tubo fino al conducto de admisión. Su objetivo es accionar dispositivos en función de cambios en la depresión del aire que va hacia el motor.

Sirven para realizar tareas de una manera más suave, controlada y precisa que si tuviera que hacerlo el conductor. Por ejemplo pueden conectar y desconectar la bomba de aceleración cuando es preciso, impedir la apertura de los cuerpos adicionales cuando no son necesarios, o incluso ajustar el ralentí.

Carburador con doble cuerpo

Carburador doble boca Solex 34/34

Al montar sistemas más deportivos usando carburadores monocuerpo se encontró un dilema, si se buscaba un gran rendimiento había que usar un carburador de gran calibre, con eso se hacía complicado mantener una buena combustión y un consumo razonable en conducción tranquila. Igualmente si se usaba un monocuerpo de calibre pequeño para optimizar combustión y consumo se obtenía un rendimiento insuficiente.

Para solventar este problema se desarrollaron los carburadores de múltiples cuerpos (o bocas); doble, triple y cuádruple cuerpo. Estos carburadores habitualmente trabajan en modo progresivo, esto significa que hay un cuerpo base que se usa para conducción habitual y se añade un cuerpo suplementario para condiciones de alta exigencia.

El primer cuerpo o base suele tener un diámetro menor, con menor paso de gasolina que permite tener un consumo comparable al de un utilitario. Mientras que el segundo cuerpo o suplementario consiste en un tubo igual o mayor que permite más caudal de gasolina y otorga la máxima aceleración en condiciones puntuales de exigencia.

El segundo cuerpo se abre con el acelerador de forma que una vez abierto todo el primer cuerpo, si el conductor sigue apretando se abre el segundo y así sucesivamente.

La utilidad principal de múltiples cuerpos es proporcionar aceleración extra en momentos puntuales ya que una vez termina el proceso de aceleración y se estabiliza la velocidad solamente se requiere el uso del primero, salvo que se llegue a velocidades muy elevadas (en torno al 75% de la velocidad punta).

Múltiples cuerpos con apertura controlada

El principal defecto del sistema de múltiple cuerpo es que si al abrir el siguiente cuerpo no se efectúa con suma precisión pueden suceder varias cosas:

Si es muy pronto se provoca un exceso de gasolina con la consiguiente mala combustión. Al aumentar demasiado el paso de aire se produce una caída en la depresión que provoca que el aire entre más lentamente en el motor. Lo que provoca síntomas de ahogo en el motor y puede disminuir el rendimiento e incrementar el ruido y el consumo innecesariamente.

Si se abre bruscamente puede dar tirones o fallas. Si es demasiado tarde provocaría una aceleración inferior a la máxima que puede proporcionar el sistema.

Por ello en los modelos más avanzados de carburador progresivo los múltiples cuerpos no se puede abrir directamente con el acelerador. De esta forma el siguiente cuerpo está

controlado por un pulmón que sólo permite abrirlo en el momento adecuado para que el rendimiento sea el máximo. El conductor "pide" usarlo al accionar a fondo el acelerador pero solamente se abrirá cuando llegue el punto idóneo.

Sonda lambda

La sonda lambda (Sonda-λ), es un sensor que está situado en el conducto de escape, inmediatamente antes del catalizador, de forma que puede medir la concentración de oxígeno en los gases de escape antes de que sufran alguna alteración. La medida del oxígeno es representativa del grado de riqueza de la mezcla, magnitud que la sonda transforma en un valor de tensión y que comunica a la unidad de control del motor.

Gases del escape

Los gases de escape de un motor de ciclo Otto están formados en un 80% por Nitrógeno, que no participa prácticamente en la reacción química de combustión, un 14-16% de dióxido de carbono o CO2, y el resto agua (vapor) además de una pequeña proporción de contaminantes, siendo los principales los hidrocarburos (HC) y el monóxido de carbono (CO) . El oxígeno residual es de un 0,3 % aproximadamente. Su proporción varía bastante en función del factor lambda.

Constitución

La sonda en sí está constituida por una parte cerámica y unos electrodos de platino. Los gases de escape están en contacto con la sonda y esta toma información de la proporción de oxígeno residual tras la combustión.

Funcionamiento en ciclo cerrado:

(1) medidor de caudal de aire. (2 y 3) catalizador. (4) inyectores. (5) sonda lambda delantera. (6) sonda lambda trasera. (7) llegada de gasolina. (8) entrada de aire desde el filtro. (9) escape.

Funcionamiento: el ciclo cerrado

Esa información se transmite a la central de la inyección electrónica y así esta central puede regular la cantidad de combustible que inyecta en el cilindro para mantener la relación lo más próxima a 1/14,7 llamada relación estequiométrica.

La medición se basa en la cantidad de oxígeno restante en el gas evacuado por el tubo de escape. La sonda lambda es uno de los sensores de corrección principales en la electrónica de control, conocido como regulación de lambda para la limpieza catalítica del gas emitido (popularmente denominado catalizador regulado). El sensor se basa en dos principios diferentes para las mediciones: el voltaje de un electrolito (sonda de Walther Nernst) y una variación de la resistencia eléctrica de una resistencia de cerámica (sonda de resistencia).

Su campo principal de aplicación es el motor de combustión interna, de ciclo Otto principalmente de inyección de combustible, pero también se usa para regular el gas emitido por calderas de condensación y motores diésel. La primera versión de la sonda lambda fue desarrollada en 1976 por la empresa alemana Bosch y aplicada al Volvo 240.

Función de la sonda Nernst

Un lado del sensor de cerámica está expuesto a la corriente de gas evacuado, mientras que el otro se basa en una referencia sobre el nivel de oxígeno. En la mayoría de ocasiones se usa el aire del entorno, por medio de una apertura en la sonda o sobre una guía para el aire. Con ello se impide que el valor de referencia se vea influenciado por una posible contaminación de vapores de agua, aceite o combustible. Si la sonda se contaminara se reduciría la cantidad de oxígeno en la referencia, y por ello se reduciría el voltaje de la sonda. En el caso de una referencia bombeada, el aire del entorno no es necesario, sino que la referencia de oxígeno se basa en una corriente de iones a partir del gas evacuado.

En temperaturas superiores a unos 300 °C la cerámica de la sonda, compuesta de dióxido de circonio y de itrio, se vuelve conductora de iones negativos de oxígeno. La diferencia de concentración da lugar a una difusión de iones del gas evacuado. Los átomos de oxígeno pueden moverse en la cerámica como iones de carga negativa doble. Los electrones necesarios para la ionización de los átomos de oxígeno son suministrados por los electrodos, que son conductores electrónicos. De esta forma puede tomarse el voltaje de la sonda entre los electrodos de platino situados dentro y fuera. Esta información se transmite por medio del cableado a la centralita electrónica del motor. El valor se sitúa para λ>1 (mezcla pobre, falta de combustible o exceso de aire) entre 0 y 150 mV, para λ<1 (mezcla rica), exceso de combustible o falta de aire) entre 800 y 1000 mV. El voltaje medido se describe en la ecuación de Nernst. En un rango muy estrecho en torno a λ=1, denominada la ventana λ, la curva característica es extremadamente empinada. El voltaje se altera en la ventana en relación con la mezcla combustible-aire de una manera muy repentina, con lo que estas oscilaciones hacen que la mezcla sea estequiométrica o prácticamente estequiométrica. En esta zona los valores de CO y HC son relativamente bajos, así como los de NOx, permitiendo así que el catalizador trabaje en las condiciones más favorables.

Función de la sonda de resistencia

La sonda de resistencia no se usa de forma tan frecuente. El sensor está compuesto de una cerámica semiconductora de dióxido de titanio. Los portadores de carga se crean gracias a posiciones sin oxígeno que hacen las veces de donantes. Cuando el oxígeno se aproxima, las posiciones vacías se ocupan reduciendo así la cantidad de portadores libres. Los iones de oxígeno no son quienes proveen conductividad, sino que por el contrario el oxígeno reduce la cantidad de portadores libres. Cuando la concentración de oxígeno es alta, material del

sensor adquiere una resistencia alta. La conductividad eléctrica σ en el rango de trabajo se describe por medio de la ecuación de Arrhenius con una energía de activación EA:

La señal se genera con un divisor de tensión con una resistencia eléctrica invariable.

Sonda lambda con calefacción

Uso en motores

En los motores Otto, la sonda se atornilla normalmente en el escape, antes del catalizador. En vehículos con altos requisitos legales en lo referente a la limpieza del gas evacuado y al autodiagnóstico se utilizan varias sondas. En motores con cilindros en V, una sonda por banco de cilindros, o incluso una por cilindro para una regulación selectiva de los cilindros.

La gestión motor es capaz de modular la cantidad de inyección en cada momento para que la composición de gases de escape tenga un factor lambda en torno a 1. De esta forma se consiguen simultáneamente dos exigencias: el motor recibe una mezcla muy próxima a la ideal en todo momento, y se aseguran las condiciones de trabajo del catalizador.

En motores Otto modernos con turbo, la sonda se coloca tras el turbocompresor.

Funcionamiento

Un factor lambda correcto es un parámetro primordial para el control de la combustión y de la limpieza de los gases evacuados por medio del catalizador de 3 vías. En el mundo del automóvil la sonda lambda copó primero el mercado americano debido a las importantes limitaciones legales en lo referente a emisiones, para cobrar más tarde un papel importante en Europa.

En el motor Otto clásico se usa una sonda de oxígeno calefaccionada HO2S (sonda Nernst) o bien sonda λ=1 para la medida del factor lambda. La señal de la sonda oscila permanentemente entre un valor alto y un valor bajo. Esto se deriva del comportamiento de la señal de la sonda en el tránsito de entre una mezcla rica (λ<1) y una mezcla pobre (λ>1). La señal de la sonda lambda realiza durante los mencionados tránsitos un salto característico de su señal de voltaje entre los valores 0,8 - 0,9 V cuando la mezcla es rica ( (λ<1) y 0,1-0,2 V cuando la mezcla es pobre (λ>1).

Montaje

Las primeras sondas lambda se montaron como sondas dedo. El sensor en sí tiene forma de gorrita con el gas evacuado fuera y el aire de referencia dentro. Cada

vez son más frecuentes los sensores planos con varias capas en los que la función calefactora ya está integrada.

El elemento de cerámica está rodeado por un tubo protector. La función es que el sensor mantenga la temperatura deseada y a la vez evitar daños mecánicos. Para que el gas pueda penetrar en el tubo, éste dispone de pequeños agujeros.

Regulación

La sonda lambda compara de forma permanente el contenido de oxígeno residual en el gas con el contenido de oxígeno en el aire y envía el resultado en forma de señal eléctrica análoga a una centralita electrónica, la cual a partir de esta información junto con otros parámetros enviará una señal de control para alterar la mezcla, que en general en los motores Otto no es otra cosa que adaptar la cantidad de material inyectado (regulación lambda). En vehículos con OBD se ha de controlar la función de regulación de la sonda lambda y de la sonda de monitoreo de la centralita electrónica. Este control ocurre de forma esporádica. La centralita electrónica monitorea:

1. el rango de voltaje (max. 300 mV sonda de regulación)2. la amplitud3. la frecuencia de regulación4. la interrupción de la bobina calefactora5. Contacto con masa

En caso de mal funcionamiento, la centralita electrónica activará el icono OBD (MIL).

Los motores diésel y los denominados motores Otto de mezcla ligera no operan, o de hacerlo, de forma excepcional, en la ventana λ. Especialmente el motor diésel es un concepto clásico de mezcla ligera que siempre opera con un exceso de aire (λ>1). Los motores diésel que despiden por el tubo de escape una mezcla excesivamente oscura suelen precisar de mantenimiento, tiene algún problema, o bien la mezcla inyectada se ha manipulado por medio de "Chip-Tuning". Para la regulación de los motores diésel y de los motores Otto de mezcla ligera no puede usarse una sonda de valor λ=1, ya que no se puede evaluar el comportamiento de las señales con mezcla ligera o cargada.

Sonda de banda ancha

Para este propósito se creó la sonda de banda ancha. El montaje de una sonda de este tipo es más complejo: está compuesto de capas con calefactores integrados. El principio de medición se basa en 3 partes:

el canal de difusión (azul) entre la salida del gas y el gas medido de la célula de Nernst,

la célula de bombeo (rosa) igualmente entre la salida del gas y el gas medido de la célula de Nernst,

la célula de Nernst (verde) entre el gas medido y el gas de referencia (aire).

El gas medido de la célula de Nernst se ve influenciado no solo por el gas evacuado sino también por un canal de difusión de flujo bombeado. El flujo bombeado se regula de tal forma que el flujo de oxígeno generado por la corriente eléctrica de la célula bombeadora equilibra el flujo de oxígeno del canal de difusión; de esta forma el gas permanece en λ=1. El flujo bombeado bombea en

caso de una mezcla cargada iones de oxígeno en el gas medido de la célula de Nerst y evacua si la mezcla es ligera. Según las características del flujo podrá determinarse el lambda del gas evacuado. La regulación del flujo es tarea de un chip electrónico en la centralita electrónica del motor. La sonda NOx se utiliza en vehículos con catalizadores de almacenamiento de NOx. El montaje y modus operandi de estas sondas es similar a la de las sondas lambda de banda ancha.

Calefacción de la sonda

Ya que la temperatura de un motor frío está muy por debajo de 300 °C, la sonda (y por ello el sistema de regulación) no funciona (o lo hace de forma limitada). Por eso hoy en día todas las sondas llevan incorporado un elemento calefactor para que la sonda alcance la temperatura adecuada. Gracias a ello, garantizan un funcionamiento correcto de la sonda incluso en la fase de calentamiento del motor. La temperatura óptima de operación es, para sondas λ=1, de entre 550 y 700 °C. Las variantes de banda ancha operan a temperaturas de entre 100 y 200 °C más.

Aspectos eléctricos

Para evitar interferencias y funciones erróneas del sensible elemento de control motivadas por variaciones del voltaje, ya no se usa la masa común del vehículo para la calefacción y el voltaje de la sonda, sino un cable separado para masa y señales conectado directamente a la centralita electrónica.

Sonda de monitoreo

En los motores Otto de última generación se usa una segunda sonda denominada Sonda de monitoreo para monitorear la función del catalizador, y situada detrás de éste. La centralita electrónica del motor puede comparar los valores de la sonda previos al catalizador con los valores de la sonda de monitoreo. Si el catalizador está en perfecto estado hay una reacción posterior de la sonda de monitoreo frente a la señal de la primera sonda. Si el catalizador ya no está en perfecto estado puede perder su capacidad de almacenamiento de oxígeno, con lo que se reduce la distancia entre la sonda del catalizador y la sonda de monitoreo. La centralita electrónica comunicará este problema en forma de una señal de error que se almacena en la memoria, y un icono se activará en el panel de instrumentos.

La sonda de monitoreo, además de realizar una labor de diagnóstico del catalizador, puede mejorar la exactitud de la primera regulación lambda y de la plausibilización de la primera sonda en el marco del autodiagnóstico.

La inyección monopunto

Es el sistema más barato, solo lleva un inyector, situado a la entrada del colector de admisión, justo donde se encontraría el carburador si fuera de carburación. La gasolina inyectada por este único inyector, se distribuye por cada uno de los 4 conductos de admisión en función de la aspiración de cada cilindro.

En la secuencial el combustible se inyecta con la válvula de admisión abierta presentando así los inyectores un funcionamiento sincronizado con éstas (actuando todos los inyectores en diferentes tiempos). En la semisecuencial el combustible se inyecta de a pares, es decir, los inyectores actúan de a dos. La simultánea el combustible se inyecta al unísono, actuando todos los inyectores a la misma vez full inyección.

Tipos de Inyección de Combustible

Los primeros sistemas de inyección de combustible fueron sistemas mecánicos y más complejos que los carburadores. Por lo tanto, eran muy caros y se usaron muy poco. Chevrolet lanzó un sistema de inyección de combustible mecánico Rochester en 1957, el cual fue utilizado en Corvettes hasta 1967. Los Europeos fueron los verdaderos líderes en tecnología de inyección de combustible. Bosch ya contaba con un sistema de inyección electrónica en algunos modelos Volkswagen a finales de los 60´s y principios de los 70´s. A principios de los 80´s, casi todos los fabricantes de automóviles europeos utilizaban algún tipo de sistema de inyección multipunto Bosch. A mediados de los 80´s, los fabricantes de automóviles americanos comenzaron la transición a sistemas de inyección utilizando inyección al cuerpo de aceleración (Throttle body injection, TBI).

Ventajas y Desventajas

Es un sistema relativamente sencillo y no causa muchos problemas, pero no tiene las ventajas que tiene un sistema multipunto o secuencial. Ahora una duda, tiene sentido que los monopunto sean más gastones. Por ejemplo, ¿sería una aproximación más o menos lógica, que un coche con inyección monopunto de unos 75 CV consumiese como uno multipunto de unos 100? Hablando de la misma cilindrada y peso, por ejemplo.

La inyección de combustible secuencial (donde la abertura de cada inyector es controlada de manera independiente por la computadora y de acuerdo a la secuencia de encendido del motor) mejora la potencia y reduce emisiones a la atmósfera. Por todo esto, podemos concluir que existen razones muy fuertes para utilizar inyección de combustible. Los sistemas MPFI son más caros debido a la cantidad de inyectores pero el tener inyectores independientes para cada cilindro representa una diferencia considerable en desempeño. El mismo motor con sistema MPFI producirá de 10 a 40 caballos de fuerza (HP) más que con el sistema TBI debido a su mejor distribución de combustible entre cilindros.

La inyección electrónica de combustible también se integra con mayor facilidad a los sistemas de control computarizado que un carburador mecánico. La inyección de combustible multipunto (donde cada cilindro tiene su propio inyector) entrega

una mezcla de aire y gasolina mejor distribuida a cada uno de los cilindros, lo cual mejorar la potencia y desempeño.

Sistema de inyección Monopunto

Este sistema solo lo utilizan los motores de gasolina, es uno de los más básicos y primitivos ya que es muy similar a un carburador.

Se compone de una bomba eléctrica de combustible, que manda presión a un inyector situado antes de la mariposa de aceleración. El inyector consta de un solenoide el cual esta comandado por una unidad de control (UCE) que se encarga de mandarle la señal de apertura. Cuando este se abre, la gasolina pasa al inyector y pulveriza una cantidad determinada de combustible al colector. Antes

del inyector está situado el regulador de presión que se compone de una membrana y un muelle dentro de una carcasa.

El funcionamiento es simple, cuando la presión de combustible es excesiva, el regulador se abre y envía el exceso de combustible devuelta al depósito (con este regulador podemos arreglarlo para que la presión de la inyección sea más alta y así ganar más potencia al motor, tiene menos vida el inyector con este proceso). El caudalimetro mide la cantidad de aire que entra al cilindro, de manera que la unidad de control (UCE) pueda determinar la cantidad de combustible a inyectar, aunque esta cantidad también está condicionada por el sensor de oxigeno o sonda lambda. La sonda lambda es un sensor, que en este caso está situado antes del catalizador y se encarga de medir el oxígeno presente en los gases de escape, este dato es enviado a la UCE que aumenta o disminuye la mezcla de combustible.

Sistemas de inyección monopunto

Este sistema apareció por la necesidad de abaratar los costes que suponía los sistemas de inyección multipunto en ese momento (principios de la década de los 90) y por la necesidad de eliminar el carburador en los coches utilitarios de bajo precio para poder cumplir con las normas anticontaminación cada vez más restrictivas. El sistema monopunto consiste en único inyector colocado antes de la mariposa de gases, donde la gasolina se a impulsos y a una presión de 0,5 bar.

Inyección gasolina

Diferencias entre la carburación y la inyección

En los motores de gasolina, la mezcla se prepara utilizando un carburador o un equipo de inyección. Hasta ahora, el carburador era el medio más usual de preparación de mezcla, medio mecánico. Desde hace algunos años, sin embargo, aumentó la tendencia a preparar la mezcla por medio de la inyección de combustible en el colector de admisión.

Esta tendencia se explica por las ventajas que supone la inyección de combustible en relación con las exigencias de potencia, consumo, comportamiento de marcha, así como de limitación de elementos contaminantes en los gases de escape. Las razones de estas ventajas residen en el hecho de que la inyección permite una dosificación muy precisa del combustible en función de los estados de marcha y de carga del motor; teniendo en cuenta así mismo el medio ambiente, controlando la dosificación de tal forma que el contenido de elementos nocivos en los gases de escape sea mínimo.

Además, asignando una electroválvula o inyector a cada cilindro se consigue una mejor distribución de la mezcla. También permite la supresión del carburador; dar forma a los conductos de admisión, permitiendo corrientes aerodinámicamente favorables, mejorando el llenado de los cilindros, con lo cual, favorecemos el par motor y la potencia, además de solucionar los conocidos problemas de la carburación, como pueden ser la escarcha, la percolación, las inercias de la gasolina.

Ventajas de la inyección

Consumo reducido

Con la utilización de carburadores, en los colectores de admisión se producen mezclas desiguales de aire/gasolina para cada cilindro. La necesidad de formar una mezcla que alimente suficientemente incluso al cilindro más desfavorecido obliga, en general, a dosificar una cantidad de combustible demasiado elevada. La consecuencia de esto es un excesivo consumo de combustible y una carga desigual de los cilindros. Al asignar un inyector a cada cilindro, en el momento oportuno y en cualquier estado de carga se asegura la cantidad de combustible, exactamente dosificada.

Mayor potencia

La utilización de los sistemas de inyección permite optimizar la forma de los colectores de admisión con el consiguiente mejor llenado de los cilindros. El resultado se traduce en una mayor potencia específica y un aumento del par motor.

Gases de escape menos contaminantes

La concentración de los elementos contaminantes en los gases de escape depende directamente de la proporción aire/gasolina. Para reducir la emisión de contaminantes es necesario preparar una mezcla de una determinada proporción. Los sistemas de inyección permiten ajustar en todo momento la cantidad necesaria de combustible respecto a la cantidad de aire que entra en el motor.

Arranque en frío y fase de calentamiento

Mediante la exacta dosificación del combustible en función de la temperatura del motor y del régimen de arranque, se consiguen tiempos de arranque más breves y una aceleración más rápida y segura desde el ralentí. En la fase de calentamiento se realizan los ajustes necesarios para una marcha redonda del motor y una buena admisión de gas sin tirones, ambas con un consumo mínimo de combustible, lo que se consigue mediante la adaptación exacta del caudal de éste.

Clasificación de los sistemas de inyección

Se pueden clasificar en función de cuatro características distintas:

1. Según el lugar donde inyectan.

2. Según el número de inyectores.

3. Según el número de inyecciones.

4. Según las características de funcionamiento.

A continuación especificamos estos tipos:

Según el lugar donde inyectan:

INYECCION DIRECTA: El inyector introduce el combustible directamente en la cámara de combustión. Este sistema de alimentación es el más novedoso y se está empezando a utilizar ahora en los motores de inyección gasolina como el motor GDi de Mitsubishi o el motor IDE de Renault.

INYECCION INDIRECTA: El inyector introduce el combustible en el colector de admisión, encima de la válvula dc admisión, que no tiene por qué estar necesariamente abierta. Es la más usada actualmente.

Según el número de inyectores:

INYECCION MONOPUNTO: Hay solamente un inyector, que introduce el combustible en el colector de admisión, después de la mariposa de gases. Es la más usada en vehículos turismo de baja cilindrada que cumplen normas de antipolución.

INYECCION MULTIPUNTO: Hay un inyector por cilindro, pudiendo ser del tipo "inyección directa o indirecta". Es la que se usa en vehículos de media y alta cilindrada, con antipolución o sin ella.

Según el número de inyecciones:

INYECCION CONTINUA: Los inyectores introducen el combustible de forma continua en los colectores de admisión, previamente dosificada y a presión, la cual puede ser constante o variable.

INYECCION INTERMITENTE: Los inyectores introducen el combustible de forma intermitente, es decir; el inyector abre y cierra según recibe órdenes de la centralita de mando. La inyección intermitente se divide a su vez en tres tipos:

SECUENCIAL: El combustible es inyectado en el cilindro con la válvula de admisión abierta, es decir; los inyectores funcionan de uno en uno de forma sincronizada.

SEMISECUENCIAL: El combustible es inyectado en los cilindros de forma que los inyectores abren y cierran de dos en dos.

SIMULTANEA: El combustible es inyectado en los cilindros por todos los inyectores a la vez, es decir; abren y cierran todos los inyectores al mismo tiempo.

Según las características de funcionamiento:

INYECCIÓN MECANICA (K-jetronic).

INYECCIÓN ELECTROMECANICA (KE-jetronic).

INYECCIÓN ELECTRÓNICA (L-jetronic, LE-jetronic, Motronic, Dijijet, Digifant, etc.).

Todas las inyecciones actualmente usadas en automoción pertenecen a uno de todos los tipos anteriores.

Historia de los sistemas de inyección de gasolina del fabricante Bosch:

1912- Primeros ensayos de bombas de inyección de gasolina basada en las bombas de aceite de engrase.

1932- Ensayos sistemáticos de inyección de gasolina para motores de aviación.

1937- Aplicación en serie de la inyección de gasolina en motores de aviación.

1945- Primera aplicación en serie de la inyección de gasolina en vehículos a motor.

1951- Sistemas de inyección de gasolina para pequeños motores de dos tiempos.

1952- Sistemas de inyección de gasolina para motores de 4 tiempos para vehículos, en serie a partir de 1954.

1967- Primer sistema electrónico de inyección de gasolina D-Jetronic.

1973-Inyección electrónica de gasolina L-Jetronic, Inyección electrónica de gasolina K-Jetronic.

1976- Sistemas de inyección de gasolina con regulación Lambda.

1979- Sistema digital de control del motor Motronic.

1981- Inyección electrónica de gasolina con medidor de caudal de aire por hilo caliente LH-Jetronic.

1982- Inyección continua de gasolina con control electrónico KE-Jetronic.

1987- Sistema centralizado de inyección Mono-Jetronic.

1989- Control digital del motor con dispositivo de control de la presión del colector de admisión Motronic MP3.

1989- Control digital del motor con ordenador de 16 bit, Motronic M3.

1991- Gestión del motor mediante CAN (Controller Area Network), sistema de bus de alta velocidad para acoplar las diferentes centralitas.

Esquema de carburador vertical de nafta

Sistema de encendido electrónico integral EZ

Sistema de inyección de combustible Common Rail

Esquema completo Common Rail

Sistema de inyección D-Jetronic

Sistema de inyección K-Jetronic

Sistema de inyección Mono-Motronic

Sistema de inyección Monopunto Multec

Sistema de inyección TSI

Sistema de sobrealimentador mecánico

Sistema de Múltiple de admisión variable

Múltiple admisión variable (mezcla homogénea)

Inyección de gasolina

Inyección de nafta

Inyector de combustible

TBI (Throttle Body Injection)

Se conoce como TBI al Sistema de inyección que utiliza 1 o 2 inyectores  eléctricos,  colocados en la parte superior del manifold de admisión. Este sistema se asemeja en figura a un carburador común y corriente y funciona apoyandose de una computadora, instalada dentro del vehículo.

Regulador de presión

Está compuesto de una carcasa contenedora, un dispositivo móvil constituido por un cuerpo metálico y una membrana accionada por un muelle calibrado. Cuando la presión del combustible sobrepasa el valor determinado, el dispositivo móvil se desplaza y permite la apertura de la válvula que deja salir el excedente de combustible, retornando al tanque de combustible por un tubo de retorno.

Funcionamiento del TBI

En cuanto se abre el switch (activar la llave de encendido), los inyectores  reciben 12 voltios en el lado positivo; el lado negativo o tierra lo controla la computadora la cual se vale de un monitoreo constante de sus sensores instalados en diferentes partes del motor, y su compartimiento, para ajustar la entrega de combustible, tratando siempre, de mantener una mezcla perfecta de aire y gasolina (14.7  partes de aire por 1  de gasolina).

Es utilizado por diferentes fabricantes de automóviles, por esta razón es algo difícil uniformar los síntomas  para diagnosticar las fallas; sin  embargo trataremos de hacer ajustes a nuestro criterio de diagnóstico para que usted se ubique en los síntomas particulares de su vehículo. El uso de 1 o 2  inyectores  colocados  en la posición que se muestra en la fotografía, la" General Motors" los denomina TBI. En la misma posición la" Ford" le nombra  "Central Fuel Injection", comprenderán que resulta ocioso estar denominando los sistemas de acuerdo con el criterio del fabricante. Para nosotros los mecánicos resulta más practico uniformar criterios y diagnosticar siguiendo principios de mecánica, por esta razón nos ocuparemos del sistema que usa 1 o 2 inyectores en la forma similar a como se ve en la fotografía nombrándolos TBI.

Generalmente los motores (sin importar que sean de 4, 6 u 8 cilindros) deben mantener un vacío cuya lectura debe estar entre 17 y 22  libras  de presión; este detalle  es monitoreado por la computadora  a través de sus sensores; y le sirve de base para hacer el ajuste de la mezcla.

Si usted siente que su motor está más acelerado de lo normal es posible que la junta, empaque o gasket, que se encuentra en la parte baja del cuerpo donde están instalados los inyectores, este soplado o quemado, sin embargo, revise, que no haya una manguera de vacío rota, o desconectada, antes de llegar a esa conclusión. Finalmente póngale atención,

al actuador de revoluciones en ralentí o descanso (idle speed control selenoide). Este selenoide está instalado en el cuerpo donde están los inyectores; y su función es equilibrar las revoluciones del motor.

No podemos hablar de fuel injection, ni asumir que tenemos problemas con el sistema de inyección, sin antes habernos asegurado, que no tenemos problemas mecánicos. Es frecuente escuchar  decir a los usuarios "Llevé mi automóvil a la maquina (scanner/computadora), le cambie los sensores  que decían estar malos; y mi coche sigue fallando". Esto se debe,  al hecho de que las computadoras o scanner, monitorean códigos de fallas pre establecidos por los fabricantes, respondiendo a los requerimientos de emisión. Por lo tanto, si el motor tiene fallas mecánicas, el sistema de diagnóstico de inyección, acusara fallas en todos los sensores  involucrados. Esto no quiere decir que cambiando los sensores solucionara su problema.

Por ejemplo si un cable de la bujía esta quemado, o cortado este cilindro no hará explosión, por lo tanto la gasolina inyectada a ese cilindro, será expulsada cruda  al sistema de escape (exhaust). Los sensores involucrados son: Sensor de oxígeno, Idle speed control, map sensor, etc., esto no quiere decir que los sensores estén malos, la interpretación correcta es: Problemas Mecánicos.

Este sistema de injection (TBI) se vale de una bomba de combustible eléctrica, instalada por lo general dentro del tanque de gasolina. La misma envía la gasolina a presión hacia el cuerpo de inyectores, los inyectores son los encargados de inyectar el combustible dentro del manifold de entrada, la gasolina excedente regresa hacia el tanque de gasolina pero antes de iniciar su recorrido hacia el tanque tiene que pasar por el regulador de presión, este se encuentra en el mismo cuerpo de inyectores y su función es mantener una presión de combustible requerida promedio, de 13 psi. Recuerde que si la presión no está dentro de lo especificado, el motor tendrá fallas de poder; por falta de combustible. 

Igualmente en algunos modelos equipados con medidor de flujo de aire (air flow meter) no permita una conexión floja que deje entrar aire, fuera del control del medidor del flujo de aire; porque esto dará como consecuencia falta de fuerza al motor; y usted sentirá como que no le llega gasolina al motor. Esto se debe a que la computadora entrega la gasolina, de acuerdo a la cantidad de aire que atraviesa el medidor del flujo de aire.

El aire que ingresa sin control se conoce como aire falso, la computadora no lo detecta por lo tanto no lo toma en cuenta; y de esta manera se origina una mezcla pobre, que no le permite al motor desarrollar toda su potencia. Asimismo cambie con regularidad el filtro de aire. Un filtro de aire sucio, obstaculiza la entrada de aire al manifold de admisión [entrada], esto dará como falla falta de fuerza al motor.

Observemos, nuevamente este tipo de inyectores. El agujero que se indica, es el que le sirve para alimentarse de combustible por lo tanto cuando remueva un inyector de estos póngale cuidado a los hules "O rings", tanto el de arriba como el de abajo. De lo que se trata es que, al colocar el inyector en su cámara, esta quede sellada. Igualmente, no olvide cambiar o limpiar el pequeño filtro, screen, malla etc., que se encuentra en la entrada del agujero.

Si tenemos en cuenta que una entrada de aire aumenta las revoluciones, este hecho es utilizado por la computadora para poder controlar las RPM. El Idle Air control valve (IAC) se encuentra posicionado en el mismo cuerpo de inyectores y su función es abrir o cerrar un pasaje de aire, de acuerdo con los requerimientos de la computadora, la finalidad es equilibrar las revoluciones de motor.

La función de la computadora es la siguiente:

Los sensores colocados en diferentes partes del motor reciben un voltaje de referencia, las variaciones a este voltaje la computadora las interpreta, dándoles un valor de acuerdo con su programa o patrón de funcionamiento correcto y es en base a esta lectura que ajusta la función de los inyectores. La idea es que la gasolina inyectada sea exactamente la que necesita el motor para su correcto funcionamiento. Recuerde y téngalo muy presente la computadora trabaja con un voltio, por esta razón no se le ocurra hacer conexiones en los sensores con la corriente de la Batería, por que esta tiene 12 voltios, si hiciera esto de por hecho que arruinó la

computadora. Estamos hablando de los sensores, no de los inyectores, porque estos si trabajan con 12 voltios, en este caso la computadora activa y desactiva los inyectores administrando solo el lado de la corriente negativa del inyector. El lado positivo (+) lo controla la llave de encendido. Uno de los sensores más comunes, y el más expuesto a recibir maltrato por sobreuso, es el:

Sensor de Oxigeno (sonda lambda)

Este sensor está posicionado en el múltiple de escape muy cerca del catalizador y su función es olfatear los gases residuales de la combustión. Está compuesto de un material bastante especial llamado zirconio, solo trabaja estando caliente.

La propiedad especial de este sensor es que genera voltaje, variando con el hecho de detectar si los gases residuales que son enviados hacia el escape son consecuencia de una mezcla rica o pobre, este voltaje es enviado hacia la computadora la misma que de acuerdo con su programa hace ajustes a la mezcla, tratando siempre de mantener una mezcla perfecta, (14.7 partes de aire por 1 de gasolina).

Comúnmente este sensor lleva un solo alambre en el conector pero también hay de los que llevan 3 alambres en el conector; cuando llevan 3, un alambre hace la misma función que las de un solo conector, y los otros dos sirven para alimentar una resistencia que lleva incorporado, y que le ayuda a calentar en forma rápida. La falla de este sensor se manifiesta, con una constante alza y baja de revoluciones confundiéndose con las fallas del IAC.

Sonda lambda

Catalizadores

Catálisis heterogénea

Catalizador oxidante

Bujías

La bujía es el elemento que produce el encendido de la mezcla de combustible y aire en los cilindros, mediante una chispa, en un motor de combustión interna de encendido provocado (MEP), tanto alternativo de ciclo Otto como Wankel. Su correcto funcionamiento es crucial para el buen desarrollo del proceso de combustión/expansión del ciclo Otto, ya sea de 2 tiempos (2T) como de cuatro (4T) y pertenece al sistema de encendido del motor.

Bujía de un motor de ciclo Otto

Las bujías convierten la energía eléctrica generada por la bobina del encendido en un arco eléctrico, el cual a su vez permite que la mezcla de aire y combustible se expanda rápidamente generando trabajo mecánico que se transmite al pistón o émbolo rotatorio (Wankel). Para ello hay que suministrar un voltaje suficientemente elevado a la bujía, por parte del sistema de encendido del motor para que se produzca la chispa, al menos de 5.000 V. Esta función de elevación del voltaje se hace por autoinducción en la bobina de alta tensión.

La temperatura de la punta de encendido de la bujía debe de encontrarse lo suficientemente baja como para prevenir la pre-ignición o detonación, pero lo suficientemente alta como para prevenir la carbonización. Esto es llamado (rendimiento térmico), y es determinado por el rango térmico de la bujía. Es importante tener esto presente, porque según el tipo de motor, especialmente el número de veces que se produce la chispa en la unidad de tiempo (régimen motor) nos va a determinar la temperatura de funcionamiento.

La bujía trabaja como un intercambiador de calor sacando energía térmica de la cámara de combustión, y transfiriendo el calor fuera de la cámara de combustión hacia la culata, y de ahí al sistema de refrigeración del motor. El rango térmico está definido como la capacidad de una bujía para disipar el calor.

Componentes de un motor doble árbol de levas a la cabeza (DOHC) de gasolina del ciclo de cuatro tiempos:

(E) árbol de levas de escape. (I) árbol de levas de admisión. (S) bujía. (V) Válvulas. (P) Pistón. (R) Biela. (C) Cigüeñal. (W) Conductos de líquido refrigerante.

La bujía tiene dos funciones primarias:

1. Inflamar la mezcla de aire y combustible.2. Disipar el calor generado en la cámara de combustión hacia el sistema de

refrigeración del motor (rango térmico).

Transmisión del calor de la bujía a la culata: izquierda bujía de grado térmico elevado, derecha grado térmico bajo

La bujía participa en el inicio de la tercera fase (combustión-expansión) del ciclo de cuatro tiempos. Una bujía debe tener las siguientes características:

Estanca a la presión: a pesar de las distintas condiciones de funcionamiento no debe permitir el paso de gases desde el interior del cilindro al exterior del mismo.

Resistencia del material aislante a los esfuerzos térmicos, mecánicos y eléctricos: no debe ser atacado por los hidrocarburos y los ácidos que se forman durante la combustión. Debe mantenerse sus propiedades de aislamiento eléctrico sin partirse por las exigencias mecánicas.

Adecuada graduación térmica: para asegurar a la bujía un funcionamiento correcto, la temperatura de la misma parte situada debe oscilar entre 500 y 600 °C. La forma de la bujía y más concretamente la longitud del aislante central cerámico, darán la capacidad de transmisión de calor a la culata, lo cual determinará la temperatura estable de funcionamiento.

La tasa de transferencia de calor se determina por:

La profundidad del aislador. Flujo de gases frescos alrededor de la bujía. La construcción/materiales del electrodo central y el aislante de porcelana.

Tipos de fallas que pueden presentar

Tradicionalmente, sobre todo antes de la aparición del encendido electrónico y de la inyección electrónica el análisis del aspecto de la bujía permitía determinar las condiciones de funcionamiento del motor, sobre todo de la proporción de mezcla aire/combustible, la temperatura de funcionamiento, etc. Hoy día los sistemas de encendido electrónico, la desaparición del distribuidor, y hasta de los cables de alta tensión, así como la corrección milimétrica de la mezcla de aire y combustible han minimizado las perturbaciones debidas a la bujía.

Carbonización húmeda

Cuando la bujía presenta una apariencia oscura brillante, se tienen problemas de paso de aceite, el cual afecta el funcionamiento de la bujía ya que el aceite impide el paso de la chispa entre los electrodos de la bujía causando dificultades en el arranque. Causas de la carbonización:

Casos típicos:

Vehículos con mantenimiento inadecuado. Motos de motocross utilizadas para pasear. Bujías mal elegidas (demasiado frías) para un motor de altas prestaciones. Uso de gasolina de bajo octanaje.

De origen mecánico:

Contra presión del cárter. Válvula PCV obstruida. Junta de culata deteriorada. Guías o retenes de válvula deteriorados. Segmentos de pistones desgastados.

Consecuencias si no se corrige:

El motor se puede apagar y no volver a arrancar. Se dañará el catalizador (si lo tiene). Consumirá demasiado aceite. Aumento de las emisiones de monóxido de carbono (CO) y de hidrocarburos (HC).

Solución correcta:

Si se reconoce una o más posibles causas de origen mecánico éstas deben repararse. Si se reconoce que existe otra causa, debe instalarse bujías con rango térmico más

caliente que se encuentren en sintonía con las condiciones operativas del motor.

Carbonización seca

A medida que se acumula el carbón en la punta de encendido, en el aislador ocurrirán fugas de alto voltaje resultando en falla de encendido, causando dificultades en el arranque y la marcha. Causas de la carbonización:

Mezcla aire/combustible muy rica. Ajuste incorrecto del carburador, estrangulador. Sistema de inyección de combustible defectuoso. Marcha en ralentí prolongada. Bujía demasiado fría.

Sobrecalentamiento

La superficie del aislador en la punta de encendido tiene una coloración blanca con sedimentos moteados. Cuando la temperatura de la bujía excede los 870 °C, la punta de encendido actúa como fuente de calor encendiendo la mezcla antes que la chispa, ocasionando así una combustión anormal dañando ocasionalmente al motor. Causas del sobrecalentamiento:

Tiempo de encendido demasiado adelantado. Mezcla aire/combustible demasiado pobre. Sistema de inyección de combustible defectuoso. Agua de enfriamiento y lubricantes insuficiente. La presión aplicada al turbocompresor es demasiado alta en un motor turbosoplado. Apriete insuficiente de la bujía. Sedimentos acumulados en la cámara de combustión. Bujía demasiado caliente.

Suciedad por plomo

Generalmente apareció como un sedimento café-amarillento en la punta del aislador, esto no puede ser detectado por un multímetro a temperatura ambiental, la falta de encendido se detecta cuando la bujía alcanza una temperatura entre 370 °C y 420 °C. Ahora el uso de plomo en gasolina está prohibido para que este tipo de suciedad no se genere.

Depósitos

Si se acumulan depósitos en la punta de encendido, la temperatura de la bujía se elevará demasiado, y provocará pre-ignición dañando el pistón.

Desgaste normal

Los electrodos desgastados tendrán dificultad para producir las chispas, no mostrará potencia el motor, y gastará más combustible, por lo que será necesario instalar bujías nuevas.

Diferentes estados de las bujías

estado normal vitrificada desgastada incrustada

llena de carbonilla puenteada explotada engrasada

Grado térmico de una bujía

El grado térmico (rango térmico) es una medida de la capacidad de la bujía para disipar el calor desde la cámara de combustión hacia la culata. El grado térmico de una bujía no tiene relación con el voltaje de funcionamiento. La medida del grado térmico se determina por diversos factores; ante todo la longitud del aislante central de cerámica y su capacidad para absorber y transferir el calor de combustión, el material del aislador y el material del electrodo central.

Es la habilidad que tienen las bujías para disipar el calor existente en la cámara de combustión hacia el sistema de enfriamiento del mismo motor.

El rango térmico se expresa mediante un número. Un número más alto representa una bujía de tipo caliente. Un número más bajo representa una bujía de tipo frío, aunque esto depende

de la numeración de cada marca. El rango térmico es muy importante ya que una selección inadecuada de

éste repercutiría en daños para el motor.

En estas siguientes ilustraciones, podemos ver la disposición de los electrodos, siendo los de las imágenes A, B, y C, electrodos de una masa. Los de la ilustración D y E, son electrodos de dos masas. Los de la imagen F, de tres masas, y los de la imagen G, de cuatro masas. Finalmente, la imagen H muestra un electrodo anular:

Distribuidor (automóvil)

El distribuidor es un elemento del sistema de encendido en los motores de ciclo Otto (motores de gasolina, etanol y gas) que envía la corriente eléctrica de alto voltaje, procedente de la bobina de encendido, mediante un dedo o rotor giratorio en el orden requerido por el ciclo de encendido de cada uno de los cilindros hasta las bujías de cada uno de ellos.

Esta corriente convertida en chispa al llegar al electrodo de la bujía produce la combustión de la mezcla que se encuentra comprimida dentro del cilindro al final de la carrera de compresión, haciendo subir la presión en la cámara, empujando al pistón, hacia fuera, produciendo un trabajo útil transmitido a la biela y luego al cigüeñal. Esta es la carrera de expansión o de explosión.

El primer distribuidor lo realizó la empresa Delco, del grupo automotor General Motors. Hoy en día por motivos de fiabilidad en el funcionamiento ha dejado de montarse, dando lugar a los encendidos de tipo "Estático", DIS o de bobina individual.

Distribuidor clásico con corrector de avance por depresión

Modo de funcionamiento

El rotor gira asentado sobre el extremo superior del eje del distribuidor, y en tanto lo hace va efectuando sucesivos envíos de corriente a cada una de las bujías del motor.

Esta acción se produce al pasar (no tocando) a los puntos metálicos de la tapa del distribuidor en forma alternativa, en el orden indicado, y a una velocidad tal que se puedan producir las cuatro explosiones en una vuelta del mismo. Esto en un motor de 4 tiempos significa que ha de girar a la mitad de las revoluciones del motor, es decir cuando el motor gira a 3000 rpm se producen 6000 chispas por minuto, 1500 en cada cilindro.

El procedimiento para producir en el sistema bobina-rotor-bujía la chispa de alta es interrumpir mediante el ruptor o "platinos", la corriente del circuito de baja de la bobina, sincronizado con el mecanismo de distribución. Por ello el ruptor se encuentra alojado dentro del distribuidor con unas levas en número tal que producen las chispas indicadas en el párrafo anterior.

Dicha corriente es trasportada por los denominados cables de bujía y es recibida por ellas para producir la explosión o combustión dentro de cada cilindro. A su vez, la corriente recibida por el distribuidor proviene de la bobina de ignición, que se halla conectada a la conexión central de la tapa de dicho distribuidor, mediante un cable de características similares a los anteriormente mencionados.

El orden de encendido más usual para el tipo de motor más popular, el de cuatro cilindros en línea, es 1-3-4-2, siendo el "1" normalmente el más cercano a la distribución y el "4" el más alejado, situado al lado del volante motor.

Sistema de encendido tradicional por platinos y distribuidor

Tamaño y materiales que lo conforman

Sus dimensiones varían según el tamaño del distribuidor al cual se acopla, guardando proporciones (por regla general) con el tamaño del distribuidor en donde se encuentra asentado. Puede oscilar entre 3 a 10 cm, en su largo; y 2 a 4 cm, en su ancho.

El material con el cual está construido es plástico (simil baquelita) de muy alta dureza y resistencia al calor. Luego cuenta con una placa de bronce, sujeta al plástico por un engarce y un remache, y finalmente (en su parte posterior) una pieza de acero (de forma cilíndrica y aplanada en un extremo), que cumple la función de hacer contacto con la placa de bronce mencionada anteriormente y también actuar de traba para que el rotor quede bien sujeto al lugar en donde va asentado, es decir al extremo superior del eje del distribuidor.

Durabilidad de la pieza

Es conveniente que, aproximadamente, cada 25.000 km se revise el rotor, como así también la tapa del distribuidor (que es de un material similar al que conforma el elemento del cual trata este artículo). De observarse que no están en buenas condiciones o existe algún desgaste en los mismos, es aconsejable su reemplazo.

Tapa de distribuidor

Sistemas modernos de encendido

Los modernos sistemas de encendido que (en la actualidad) poseen los vehículos con motor ciclo Otto, mayoritariamente están equipados con sistemas de funcionamiento electrónico, primero con distribuidor aunque sin “platinos”, y últimamente con encendido directo (DIS), en el cual las bobinas producen la chispa simultáneamente en los dos cilindros cuyos pistones suben y bajan paralelos, o sea la pareja 1- 4 y la pareja 2-3, aprovechándose la chispa solamente en uno de ellos a la vez.

El motivo de la reciente eliminación de este componente que los motores llevaron durante décadas, es la eliminación del arrastre mecánico, y los problemas de derivaciones y electroerosiones entre rotor y contactos de salida de alta. Esto ha desplazado el uso del distribuidor y consecuentemente del rotor. Sin embargo todavía muchos vehículos utilizan aquel sistema convencional, que podría considerarse como más fácil de reparar frente a la aparición de fallas. Esto es por tratarse de un sistema mecánico, frente a otro electrónico que en principio es más fiable, pero que a veces debido al calentamiento, por ejemplo, puede verse más afectado y dejar de funcionar en forma inmediata a la avería, sin posibilidad alguna de reparación inminente.

Sistema de Encendido del motor

El encendido del motor es un sistema de producción y distribución, en el caso de más de un cilindro, de la chispa de alta tensión necesaria en la bujía para producir el encendido provocado en los motores de gasolina (ciclo Otto) ya sean de 2 o de 4 tiempos (2T y 4T).

Constitución

El sistema consta en esencia de:

Bobina de encendido inductiva (s) de alta tensión, con circuito primario y secundario. Dispositivo de interrupción del primario en sincronismo con el ciclo del/los cilindro/s. Dispositivo de conexión y de distribución de la corriente de alta tensión del secundario

a la(s). Bujía (s)

Funcionamiento

Sistema de encendido clásico por platinos (ruptor) y distribuidor, de un motor de 4 cilindros

Bobina doble de "chispa perdida", de un Citroën 2CV

Bobina

Es un transformador inductivo con núcleo de hierro y dos devanados, uno de pocas espiras alimentado con el voltaje de batería (12V) desde el contacto o primario, y otro paralelo con 1000 veces más espiras, llamado secundario, genera en el devanado secundario una corriente de alta tensión, en este caso 12000 V, cuando se interrumpe bruscamente el circuito de primario.

Dispositivo de interrupción del primario

Antiguamente mecánico, los llamados "platinos" o ruptor, ha sido paulatinamente sustituido por dispositivos electrónicos, esencialmente transistores de potencia con sincronización electrónica mediante sensores en partes móviles del motor.

Esquema función bobina:

(A) encendido clásico por ruptor. (B) encendido electrónico. (Lp) primario. (Ls) secundario. (S) ruptor. (C) condensador. (T) transistor de mando del primario.

Dispositivo de distribución de la corriente de alta a las bujías

Se hacía antiguamente de forma mecánica mediante el Distribuidor, hoy día se hace de forma estática, ya que se agrupan las bujías por parejas en los cilindros cuyos pistones trabajan paralelos, es decir con un desfase de 360º en sus ciclos, y últimamente incluso acoplando una bobina por bujía, distribuyéndose únicamente la función de corte del primario desde la unidad electrónica de control o de mando (calculador de la gestión motor)

Bujía

En la bujía (s) se produce entre sus electrodos, dentro de la cámara de combustión, un arco de plasma de unos 2 ms de duración, que enciende la mezcla previamente comprimida, generando un aumento de presión considerable el cual se aprovecha en la carrera útil de trabajo del pistón.

Posibles averías

Las debidas a problemas mecánicos del sistema, como desajuste del ruptor o platinos, o del distribuidor del motor hoy día desaparecidos con el encendido electrónico integral. Las debidas a problemas eléctricos, como interrupciones o cortocircuitos en la bobina. Las debidas a desajustes del avance, como la Detonación (motor alternativo).

Encendido electrónico

El encendido electrónico es un sistema de encendido para motores de ciclo Otto tanto de dos tiempos (2T) como cuatro tiempos (4T) en el cual la función de

interrumpir la corriente del primario de la bobina para generar por autoinducción la alta tensión necesaria en la bujía no se hace por medios mecánicos como en el sistema de ruptor o platinos, sino mediante uno o varios transistores.

Encendido por descarga capacitiva (CDI) para un motor monocilíndrico

Ventajas

Ausencia de desgastes debido a la ausencia de leva para abrir y cerrar los platinos u otras piezas mecánicas.

Se posibilita el aumento de la corriente de primario lo cual beneficia el secundario y por tanto la energía disponible para la chispa en la bujía.

No se desajusta, por lo que no requiere puesta a punto.

Inconvenientes

Más costoso en caso de reparar una avería (muy poco usual).

Tipos principales

Con distribuidor y generación de señal de sincronización interna al mismo Con distribuidor y generación de señal de sincronización externa al mismo Sin distribuidor y una bobina para cada dos bujías, con cables de alta tensión

(Encendido DIS). Sin distribuidor y con bobinas individuales sin cables de alta (Encendido directo).

DISTRIBUIDOR DE ENCENDIDO

El Distribuidor de Encendido recibe movimiento del árbol de levas y su función principal es repartir a cada una de las bujías, en la secuencia y momento preciso el impulso de alta (alta tensión)  generado por la bobina de encendido. Dentro de los  componentes que constituyen el distribuidor encontramos, como se ha dicho: el ruptor, la leva, el condensador y la pipa o rotor.

 CONCEPTOS BASICOS SOBRE: "EL RUPTOR"

Es un interruptor accionado por una leva a través de un patín de fibra que desliza sobre la misma. Este interruptor se encarga de abrir y cerrar el circuito primario de la bobina de encendido al ritmo del número de revoluciones del motor. Los contactos del ruptor, uno fijo llamado yunque y otro móvil llamado martillo, son de acero al tungsteno de elevado punto de fusión.

 ¿COMO FUNCIONA LA "LEVA"?

Tiene forma de polígono regular (cuadrada, hexagonal, etc.), según el número de cilindros del motor. Sus vértices están redondeados y determinan el ángulo de apertura y cierre de los contactos del ruptor. La leva en su movimiento genera dos ángulos. Se llama ángulo de leva o ángulo de cierre (αc) al descrito por la leva mientras los contactos están cerrados. Se llama ángulo de apertura (αa) al descrito por la leva mientras los contactos están abiertos.

El valor medio de cierre de contactos (valor porcentual) es conocido como Dwell y se define como la fracción de tiempo durante el cual están cerrados los contactos del ruptor con respecto al tiempo total de un ciclo de encendido. Una separación entre contactos grande (α de cierre pequeño) favorece el encendido en bajas revoluciones; mientras que una separación pequeña (α de cierre grande) beneficia su comportamiento en altas revoluciones. La separación correcta la marca el fabricante en los catálogos correspondientes y suele ser de 0,40 mm aproximadamente. 

FUNCIONAMIENTO DEL RUPTOR EN COMBINACIÓN CON LA BOBINA

Contactos cerrados

Al cerrarse los contactos del ruptor, y con la llave de contacto accionada, el circuito primario se conecta a masa. Con ello, se inicia un campo magnético en

función de la tensión de la batería y la resistencia del primario. Cuando una bobina se conecta a voltaje de forma instantánea, la intensidad que pasa por ella, y por tanto el campo magnético generado por la misma, no se produce de forma instantánea sino que, debido a su autoinducción, la intensidad va creciendo progresivamente hasta alcanzar un valor máximo conocido como corriente de reposo. El ángulo de cierre de contactos debe ser suficientemente amplio para asegurar que a cualquier régimen de giro la bobina tenga tiempo suficiente para cargarse completamente.

Contactos abiertos

Una vez que se forma el campo magnético, la leva del distribuidor sigue girando y se abren los contactos. La corriente del primario se interrumpe y con ello se disipa rápidamente el campo magnético. Según la ley de inducción, sabemos que las tensiones inducidas en el primario y en el secundario de la bobina son proporcionales al campo magnético inductor, al número de espiras y a la rapidez de la variación de campo. La tensión del primario alcanza así varios cientos de voltios. Esta tensión inducida en el primario se traduce en otra en el secundario que alcanzaría valores de 30 kV aproximadamente como tensión disponible (régimen en vacío sin bujía que produzca consumo al secundario).

La relación de tensiones entre el primario y el secundario viene dada por la relación entre el número de espiras de ambos arrollamientos. Intercalando entre el circuito secundario y masa un elemento consumidor (bujía), se produce el salto de chispa entre sus electrodos. A la tensión necesaria para que esto ocurra se le llama tensión de encendido. La diferencia entre la tensión disponible y la tensión de encendido se denomina tensión de reserva.

UN COMPONENTE IMPORTANTE: "EL CONDENSADOR"

Su misión es reducir el arco eléctrico que se produce entre los contactos del ruptor en el momento de la apertura. De no existir, dicho arco eléctrico ocasionaría la rápida destrucción de estos contactos. De esta forma también conseguimos una interrupción muchísimo más rápida de la corriente en el circuito primario debido a la mayor velocidad de la variación de flujo. Con ello logramos una f.e.m. inducida en el secundario de valores más elevados.

Está formado por dos placas conductoras (láminas de estaño o aluminio) separadas por material aislante (papel parafinado). El conjunto se presenta en forma de cilindro donde una placa se conecta a la caja metálica (borne de masa) y la otra a un cable que sale al exterior (borne +). Se conecta en paralelo con los contactos del ruptor y la capacidad del mismo debe ser la prescrita para cada sistema de encendido ya que en caso contrario aparecerían defectos en los contactos del ruptor. En general la capacidad de los condensadores de encendido oscila entre 0,2 y 0,3 μF (1 μF = 1 × 10–6 F).

La capacidad de un condensador depende exclusivamente de sus características geométricas. El condensador también actúa como antiparasitario, al absorber las chispas que se producen en otros circuitos inductivos instalados en el automóvil, impidiendo que sean captados por los receptores de radio.

 LA "PIPA O ROTOR" 

Consiste en un contacto móvil que va acoplado en la parte alta del eje de la leva. Está fabricado de material aislante (generalmente de resina artificial) y dispone de una lámina metálica en su parte superior por la que recibe la alta tensión del borne central de la tapa del distribuidor a través de un carboncillo el cual, gracias a un muelle, tiene asegurado el contacto con dicha lámina metálica. Mediante el giro, el rotor distribuye esa alta tensión a las bujías, según el orden de encendido, a través de las conexiones interiores de dicha tapa. La conducción de corriente entre el rotor y las conexiones de la tapa se realiza sin contacto mecánico para evitar desgastes. Debido a la alta tensión de la que disponemos, dicha conducción se efectúa a través de un arco voltaico.

Hemos de señalar que la distancia que existe entre la punta de la lámina metálica y los contactos de las conexiones interiores de la tapa, suele ser de, aproximadamente 0,3 mm. Tanto la tapa del distribuidor, como el rotor propiamente dicho, sólo admiten una posición de montaje. Esto es debido a que debe existir un perfecto sincronismo en todo momento entre la tapa, el rotor y la leva. Algunos modelos de pipa incorporan un limitador de giro que consta de un brazo sujeto al centro de la misma por un muelle. Dicho brazo se desplaza al alcanzar un número determinado de revoluciones, con lo cual se deriva la corriente de alta a masa impidiendo que el motor supere por sus medios esas revoluciones.

Carburadores

Carburación

El carburador de un motor de encendido por chispa sirve para dosificar el combustible dentro de la corriente de aire (en la proporción requerida por la velocidad y la carga). En la preparación y adecuación de la mezcla aire-combustible que requiere el motor para condiciones operativas dadas no solo interviene el carburador (cuyo rol primario es dosificar el combustible de acuerdo a la masa de aire que aspira el motor y también pulverizarlo, mezclarlo y vaporizarlo en pequeña proporción), sino también el múltiple de admisión en donde prácticamente se vaporiza la mayor parte del combustible cuyas fracciones más pesadas completan su vaporización dentro del cilindro.

Los 2 parámetros que definen el estado de operación de un vehículo son:

1. La velocidad de giro del motor (RPM).2. El estado de carga del motor (%).

De cuyas variaciones se pueden obtener 3 combinaciones:

a) Variación de la velocidad a carga constante.b) Variación de la carga a velocidad constante.c) Variación simultánea de la velocidad y de la carga.

La condición (c) es la más frecuente de un auto en la ciudad, la (b) se puede asimilar a la marcha en rutas abiertas y la (a) cuando se trepa manteniendo fija la posición del acelerador y la relación de transmisión.

Se dice régimen estacionario si la potencia y velocidad del motor varían progresivamente sin que altere su temperatura de funcionamiento.

Se puede decir que cualquiera sea la velocidad de operación existe para cada estado de carga una definida riqueza de mezcla para obtener máxima potencia y otra bien definida para lograr máximo rendimiento.

Se dice régimen transitorio cuando la potencia y la velocidad del motor varían rápidamente. Dentro de las condiciones operativas de régimen transitorio están:

Puesta en marcha. Calentamiento. Aceleración. Deceleración.

Puesta en marcha: (arranque en frío) al poner el motor en marcha (principalmente en ambientes fríos) la mayor parte de las fracciones pesadas del combustible en estado líquido (o si llegan a vaporizar) se condensan al tocar las paredes frías del múltiple de admisión. Por ello es necesario aumentar la riqueza de la mezcla por encima del normal (valores lambda de 0,8 a 0,9), consiguiendo una verdadera carburación de superficie y la riqueza que llega a los cilindros supere el límite de inflamabilidad (utilizo el cebador).

Calentamiento: A medida que la temperatura va aumentando, las condiciones mejorando, por ende la mezcla se puede ir empobreciendo, y cuando se llega a la temperatura de régimen se alcanza el equilibrio de mezcla entre el carburador y los cilindros.

Aceleración: Tenemos aceleración cuando se pasa de una marcha determinada a otra de plena carga (con o sin aumento de velocidad) dependiendo esto de la curva de utilización sobre el cual se transmite. Cuando se produce la aceleración solamente el aire y las fracciones livianas de combustible que se vaporizan llegan a los cilindros, no así las pesadas ya que estas no llegaron a vaporizarse (empobreciendo la mezcla). Para evitar esto hay que inyectar una cierta cantidad adicional de combustible finamente pulverizado (bomba de pique o de aceleración).

Deceleración: Corresponde al cierre brusco de la mariposa del acelerador, lo que provoca un aumento de la depresión, y el combustible líquido que circula por el múltiple se vaporiza enriqueciendo la mezcla sobre los valores admitidos por el motor. Es por eso que si el sistema de baja [ralentí] no está bien regulado el motor puede detenerse ya que los carburadores no tienen ningún sistema corrector (como se tienen en el caso de la aceleración).

En definitiva el carburador debe ser capaz de entregar las riquezas de mezclas que requiere el motor para todo su campo de carga y velocidad, tanto en estado de régimen estacionario como en marcha transitoria.

Condiciones que debe cumplir la mezcla, ésta debe ser:

Gaseosa. Combustible. Homogénea. Densa. Se debe distribuir uniformemente a todos los cilindros.

Gaseosa: Debido a que el combustible debe llegar vaporizado a los cilindros y ésta condición se cumple en el tramo del múltiple de admisión (entre el carburador y el cilindro), es por ello que para satisfacer esta condición se requiere un adecuado diseño del mismo (múltiple de admisión), ya que si la vaporización se produce muy rápido el volumen aumenta al pasar de un estado a otro y luego tendremos una disminución del rendimiento volumétrico. Si por el contrario se produce lentamente tendremos que la mezcla que ingresa a los cilindros será más pobre que las suministradas por el carburador y más heterogéneas.

En general se realiza un calentamiento localizado de la mezcla a fin de apresurar la vaporización de las moléculas más grandes de combustible (las que podrán terminar de vaporizarse en el cilindro). Con menor frecuencia se utiliza el calentamiento del aire antes que ingrese al carburador, sus inconvenientes son:

Disminuye la densidad del aire (porque se calienta). La cantidad de calor que transporta es pequeña (dada su baja conductividad

térmica).

Combustible: Para que el aire y el combustible puedan inflamarse por la chispa, tienen que estar mezclados en proporciones bien definidas, las cuales van a depender del tipo de combustible y de las condiciones de presión y temperatura a las que están sometidos. Para las naftas comerciales esos valores oscilan entre lambdas de 0,85 y 1,6.

Homogénea: Esto se consigue con una buena pulverización y mezclado, pero como esto trae aparejado una pérdida de carga en el múltiple (que se traduce como disminución del rendimiento volumétrico) es necesario balancear entre homogeneidad de la carga gaseosa y una eficiente pulverización.

Densa: Esto trae como beneficio un buen rendimiento volumétrico.

Distribución uniforme: El hecho que todo el combustible no este vaporizado en su recorrido a través del múltiple trae como consecuencia que los cilindros no reciban la misma cantidad y calidad de mezcla.

Como se ve, el tramo del múltiple de admisión que corresponde al carburador está regulado por 2 válvulas del tipo mariposa. La más cercana al filtro de aire se llama cebador y puede comandarse manualmente o en forma automática. La otra mariposa es comandada por el pedal del acelerador.

Como el cebador está totalmente abierto durante la marcha normal del motor, la depresión en el Venturi será función de la posición (más o menos abierta) de la mariposa de aceleración y la velocidad de circulación del aire dependerá del régimen (RPM) del motor. Es decir, que la depresión (al depender del régimen y de la posición de la mariposa) será función del estado de carga del motor.

La mariposa de aceleración divide al múltiple en 2 zonas: corriente arriba (de la mariposa hacia el filtro de aire) y corriente abajo (desde la mariposa a los cilindros). Veremos cómo actúan las depresiones en cada zona:

DepresiónValores

extremosVelocidad de

rotación (RPM)Abertura de

MariposaEstado de operación

Corriente Máximo Máxima Máxima Marcha a plena carga y

arribaMínimo

MínimaMínima

velocidad.

Marcha mínima en vacío.

Corriente abajo

Máximo

Mínimo

Máxima

Mínima

Nula

Máxima

Motor trabajando como freno, al descender una pendiente.

Marcha mínima en carga, trepando una pendiente.

El problema del carburador elemental es que solo satisface los requerimientos del motor en un solo punto (A). Para estados de carga mayores nos entrega mezclas más ricas que las requeridas y para estados de carga menores nos entrega mezclas más pobres que las requeridas.

Podríamos aclarar que se puede variar la posición relativa del punto (A) variando el diámetro del orificio calibrado (gicleur), pero el problema sigue para todos los otros estados de carga (resto de puntos que forman la curva de requerimientos del motor). En consecuencia decimos que el carburador elemental es incapaz de satisfacer los requerimientos del motor.

Existen diversos sistemas (denominados automáticos) que hacen que los carburadores sean capaces de suministrar la mezcla que en cada estado de carga (de operación) necesita el motor.

Para corregir el aumento de riqueza se puede actuar sobre el gasto de aire, el gasto de combustible o sobre ambos simultáneamente (ver apunte de carburación):

Los sistemas que actúan sobre el aire son antiguos y ya no se usan. Constan de una válvula comandada por la depresión en el Venturi y ésta permite el ingreso de una cantidad de aire adicional (aire secundario) que corrige el exceso de riqueza.

Dentro de los sistemas que actúan sobre el combustible se encuentran:

Puesta en derivación del orificio calibrado: El sistema consiste de 2 pulverizadores, uno de ellos con su orificio calibrado actúa como carburador elemental, en cambio el otro (denominado secundario) está alimentado por un tubo abierto a la atmosfera (denominado

pozo compensador), este pozo recibe el combustible a través de la cuba pasando por su orificio calibrado.

Orificio sumergido: Donde el orificio sumergido va a suministrar un caudal de combustible proporcional a la depresión reinante en el Venturi y la equivalente altura z (diferencia de altura entre el nivel de la cuba (que es mayor) y el del pulverizador).

Sistemas de automaticidad

Dentro de las condiciones operativas de régimen estacionario están:

Marcha en baja (ralentí) que puede ser en baja carga o en vacío. Marcha a máxima potencia. De carga parcial.

Dentro de las condiciones operativas de régimen transitorio están:

Puesta en marcha [arranque en frío] (se compensa con el cebador). Aceleración (se compensa con la bomba de pique o de aceleración). Deceleración.

Sistema de lubricación

Sistema de refrigeración

Combustibles

Combustibles (Diesel)

Índice de cetano

El número o índice de cetano guarda relación con el tiempo que transcurre entre la inyección del combustible y el comienzo de su combustión, denominado “Intervalo de encendido”. Una combustión de calidad ocurre cuando se produce una ignición rápida seguida de un quemado total y uniforme del combustible.

Cuanto más elevado es el número de cetano, menor es el retraso de la ignición y mejor es la calidad de combustión. Por el contrario, aquellos combustibles (carburantes) con un bajo número de cetano requieren mayor tiempo para que ocurra la ignición y después queman muy rápidamente, produciendo altos índices de elevación de presión.

Si el número de cetano es demasiado bajo, la combustión es inadecuada y da lugar a ruido excesivo, aumento de las emisiones, reducción en el rendimiento del vehículo y aumento de la fatiga del motor. Humo y ruido excesivos son problemas comunes en los vehículos diésel, especialmente bajo condiciones de arranque en frío.

En definitiva, es un indicativo de la eficiencia de la reacción que se lleva a cabo en los motores de combustión interna.

Definición

Un gasóleo posee número de cetano igual a X si, en el motor normalizado, presenta un intervalo de encendido equivalente al de una mezcla de X % en volumen de cetano (hexadecano I.C. = 100) con (100 – X) % en volumen de α – metil – naftaleno (I.C. = 0)

La precisión del método es ± 2 unidades de número de cetano.

En una primera aproximación, puede considerarse que el valor de cetano de los componentes petrolíferos se comporta de modo inverso al de octano: los mejores resultados se obtienen con –parafinas (como el propio cetano) mientras que aromáticos y alcoholes ofrecen un pobre resultado.

Índice de cetano y número de cetano

Las normas de calidad para el gasóleo de automoción, gasóleo A y B, incluyen dos diferentes medidas del intervalo de encendido.

Número de cetano: ............... > 51 en gasóleos A y > 49 para gasóleos B

Índice de cetano: .................. > 46 en gasóleos A y > 46 para gasóleos B

¿Cuál es la diferencia entre número e índice de cetano?

La necesidad de tener dos especificaciones para la misma propiedad surgió por la dificultad práctica de medir según normas estrictas (ensayo en motor normalizado C.F.R.). Los operadores petrolíferos buscaron alternativas que reprodujesen con suficiente fidelidad el comportamiento del combustible, pero más asequible en cuanto a tiempo y especialización.

Número de cetano

Correspondería el valor que obtuviese el combustible comercial, analizado en el motor de ensayo según la norma ASTM D 613. Al referirse al producto final, refleja la acción de los posibles aditivos mejoradores. Entre estos, es muy común la utilización de diversos nitratos orgánicos (alquilo o amilo).

Índice de cetanito pacha

Es un número calculado a partir de la densidad y punto de ebullición de los hidrocarburos que componen la base del carburante. El método de cálculo siempre ha estrictamente normalizado, durante bastante tiempo se utilizó una ecuación de dos variables para su determinación (ASTM D976), pero modernamente se aplica otra correlación más precisa (ASTM D4737), que opera con cuatro variables. Tiene la forma:

IC4737 = 45,2 + 0,0892 T10N + [0,131 + 0,901B] T50N + [0,0523 + 0,420B] T90N + 0,00049 [T210N - T290N] + 107B + 60B2

Siendo:

D = Densidad a 15 °C [g/mL] determinada según método ASTM D 1298.

B = [ e**( -3.5 )*( D - 0.85 ) ] -1

T10 = Temperatura (ºC) a la que destila el 10% según Método ASTM D 86.

T10N = T10 - 215,

T50 = Temperatura (ºC) a la que destila el 50% según Método ASTM D 86.

T50N = T50 - 260,

T90 = Temperatura (ºC) a la que destila el 90% según Método ASTM D 86.

T90N = T90 - 310.

T10, T50 y T90 han de corregirse para la presión atmosférica normalizada.

Esta determinación se realiza sobre la base hidrocarbonada en exclusiva, por lo que no incorpora el posible efecto de los aditivos mejoradores. Esto explica que el I.C (índice de cetano) exigido sea inferior al N.C (número de cetano).

¿Qué significa el índice de cetano?

En el combustible diesel, el cetano es un indicativo de la capacidad o facilidad de ignición.

Se puede medir en laboratorio en un motor especialmente acondicionado para ello. En este caso se habla del "Número de Cetano".

Calculado a partir de los datos de la destilación se dice del "Indice de Cetano".

La diferencia entre los dos puede ser del orden de 1 a 2 puntos.

Entre mayor es el cetano, mayor será la facilidad de ignición del combustible e indica mejor calidad.

Existen otras asociaciones del comportamiento del motor con el cetano tales como que a mayor cetano menor ruido del motor, aceleración más amortiguada, etc.

En Colombia se expenden actualmente tres tipos de diesel: un diesel Extra o de bajo azufre (máximo 0,12 por ciento en peso), parecido al City Diesel, con un cetano típico de 47 y un mínimo de 45. Se distribuye únicamente en Bogotá. El diesel Corriente, con un cetano de 45 y contenido de azufre máximo típico de 0,37 por ciento y un máximo de 0,45 por ciento en peso, el cual se distribuye en el resto del país. Y un diesel Marino con un cetano mínimo de 45, contenido de azufre típico de 0,4 por ciento y ligeramente más pesado que el diesel Corriente. Se destina a actividades de pesca marina. Si comparamos los diesel de Colombia con los que consumen en el escenario internacional encontramos que el diesel que consume Estados Unidos tiene un cetano mínimo de 40 y un contenido de azufre promedio de 0,03 por ciento en peso.

En la Unión Europea se consume un diesel con cetano superior a 50 y contenidos de azufre promedio de 0,02 por ciento, con tendencia a bajar a 0,003 por ciento a partir del año 2005.

El cetano y la altitud

Contrario a lo que sucede con la gasolina, entre mayor sea la altitud mayor será el requerimiento de cetano.

El azufre contenido en el diesel o en cualquier combustible, reacciona en la cámara de combustión de los motores para formar óxidos de azufre (SOx) los cuales al salir por el tubo de escape viajan por la atmósfera y con la humedad que encuentran allí reacciona hasta formar ácido sulfúrico (H2SO4), el cual precipita con la lluvia formando la llamada lluvia ácida. También es importante el impacto que los óxidos de azufre generan en la salud de las personas expuestas en las ciudades. Esta es la principal razón por la cual la Unión Europea, que usa más el automóvil diesel que los Estados Unidos, ha fijado metas muy estrictas en cuanto a contenido de azufre en los combustibles.

Así es como Alemania ya tiene Diesel con 0,001 por ciento de azufre en algunas estaciones de servicio. Los gobiernos incentivan con exención de impuestos a los refinadores que produzcan combustibles de bajo azufre. Es importante anotar que retirar el azufre de los combustibles es una tarea costosa para el refinador. Existe una asociación entre la generación de material particulado y el contenido de azufre del combustible. A mayor contenido de azufre del combustible, mayor será emisión de material particulado.

Combustibles (Otto)

Número de octano

El Número de octano, a veces denominado octanaje, es una escala que mide la capacidad antidetonante del combustible(como la gasolina) cuando se comprime dentro del cilindro de un motor.

Es una propiedad esencial en los combustibles utilizados en los motores de encendido por bujía, que siguen un ciclo termodinámico próximo al Ciclo Otto.

En efecto, la eficacia del motor aumenta con altos índices de compresión, pero solamente mientras el combustible utilizado soporte ese nivel de compresión sin sufrir combustión prematura o detonación.

Definición

Un carburante tiene un número de octano igual a X si, en el motor C.F.R. provoca un martilleo equivalente al observado para una mezcla de X partes, en volumen de isoctano (N.O. = 100) y (100 - X) partes de n-heptano (I.O. = 0)

El N.O. fue definido alrededor de 1930. En aquella época, se eligieron dos hidrocarburos puros, conocidos por su comportamiento extremo desde el punto de vista de la detonación:

n-heptano, al que se asignó convencionalmente el valor de N.O. = 0 Isoctano, 2,2,4-trimetilpentano, una isoparafina refractaria a la detonación al que se

asignó el N.O. = 100

Este comportamiento de los hidrocarburos es genérico: Las n-parafinas detonan con facilidad, mientras que i-parafinas (y aromáticos) son refractarias.

Algunos combustibles (como el GLP, GNL, etanol y metanol, entre otros) poseen un índice de octano mayor de 100. Utilizar un combustible con un octanaje superior al que necesita un motor no lo perjudica ni lo beneficia. Si se tiene previsto que un motor vaya a usar combustible de octanaje alto, puede diseñarse con una relación de compresión más alta y mejorar su rendimiento.

Los índices de octano en motores de explosión

Si un combustible no posee el índice de octano suficiente en motores con elevadas relación de compresión (están comprendidas entre 8,5 y 10,5), se producirá el "autoencendido" de la mezcla, es decir, la combustión es demasiado rápida y dará lugar a una detonación prematura en la fase de compresión, que hará que el pistón sufra un golpe brusco y reducirá drásticamente el rendimiento del motor, llegando incluso a provocar graves averías. A este fenómeno también se le conoce entre los mecánicos como picado de bielas o pistoneo o cascabeleo.

Aunque comercialmente suele hablarse de un sólo Número de Octano, las especificaciones técnicas de los distintos países incluyen dos valores, que miden el comportamiento de la gasolina para dos situaciones diferentes:

R.O.N. [Research Octane Number]: Es el que suele figurar en la estaciones de servicio. Representa, de manera aproximada, el comportamiento en ciudad: Bajo régimen con numerosas aceleraciones.

M.O.N. [Motor Octane Number]: Octanaje probado en un motor estático. Intenta reproducir la situación en carretera, alto régimen y conducción regular.

Así, por ejemplo, a la denominada "Gasolina Eurosuper 95" se le exige:

R.O.N. > 95 M.O.N. > 85

Ambos se miden en el mismo motor de prueba, pero a diferentes variables de ensayo, para simular los dos supuestos.

R.O.N.

En los motores a gasolina de baja eficiencia se recomienda usar gasolinas con bajo nivel de octanaje, debido a la baja relación de compresión con la que operan en sus cilindros. Donde se nota mucho esta relación es en automóviles nuevos a los que, al suministrarles gasolina con bajo octanaje, se nota un pistoneo generado por la explosión prematura del combustible en la cámara de combustión. A mayor compresión se requiere mayor octanaje para que sea eficiente el uso del combustible.

M.O.N.

La diferencia con el RON es que se sobrecarga más el motor en el ensayo: se utiliza una mezcla precalentada, el motor más revolucionado y tiempos de ignición variables. Típicamente, y dependiendo de la composición del combustible, el MON de una gasolina moderna puede estar unos 10 puntos por debajo del RON (sensibilidad de la nafta).

Sensibilidad

Se denomina así a la diferencia entre los valores de R.O.N. y M.O.N. Es distinta para cada componente de la gasolina comercial, resultando una variable determinante en la economía de la formulación de gasolinas.

Producción de gasolinas

Las gasolinas no son un producto directo del refinado del petróleo, sino que se trata de una compleja mezcla, con punto de ebullición comprendido entre ambiente y 180 °C, cuyo componente principal son hidrocarburos, acompañado en diferentes proporciones por productos oxigenados, estos últimos, con preferencia, de origen biológico.

Los hidrocarburos presentes en el petróleo presentan número de octano muy inferiores a los requeridos por las especificaciones de las gasolinas comerciales. Por este motivo es necesario someterlos a reacciones químicas que incrementen esta propiedad. Las más tradicionales son:

Nafta de F.C.C. (craqueo catalítico): Este proceso convierte componentes pesados, en particular Gasóleo de vacío, en diferentes hidrocarburos ligeros, de los cuales, alrededor del 50% es la denominada "Nafta de FCC" apropiada para ser formulada en la gasolina final.

Isomerización: Las n-parafinas ligeras (C5 a C7) se transforman en i-parafinas.

Reformado catalítico: Las naftas pesadas (C6 a C9) son convertidas en aromáticos.

Alquilación: A partir de i-butano y buteno se sintetiza i-octano.

Eterificación: El i-buteno reacciona con un alcohol inferior, metanol para producir M.T.B.E. y, más frecuente en la actualidad, bioetanol, generando E.T.B.E. Esta reacción también puede llevarse a cabo con i-pentenos, abunndantes en la nafta de FCC y coproducto en las unidades de producción de olefinas; en este caso, los éteres obtenidos serían T.A.M.E. o T.A.E.T. según que el alcohol fuese metanol o etanol.

Bioetanol. Todavía componente minoritario en la mayor parte de los países, pero con creciente participación.

A partir de estas corrientes (y otras de menor importancia) se realiza la formulación (blending en idioma inglés) a fin de que el producto resultante cumpla con las especificaciones fijadas por la normativa aplicable en cada país: Número de octano, la estabilidad/seguridad del producto durante su transporte y/o almacenamiento, su comportamiento en las condiciones de funcionamiento del motor, etc. sin olvidar otros parámetros determinantes de las emisiones al medio ambiente.

Para visualizar mejor la complejidad de la formulación, hay que considerar que en una refinería moderna, ninguna de las corrientes individuales anteriormente señaladas, presenta las especificaciones de las gasolinas comerciales. Existe software específico para determinar la mejor composición de las formulaciones, gasolinas u otros productos. Es frecuente la inclusión de estos procesos dentro de los programas (Programación Lineal o No Lineal) que optimizan el funcionamiento completo de la refinería.

Mejoradores del Número de octano

Pronto se descubrió que algunas sustancias, añadidas en pequeñas dosis (0,15 / 0,60 g/l) mejoraba notablemente el poder antidetonante. El más empleado ha sido el Tetraetilo de plomo (T.E.L. Tetra Ethyl Lead, en lengua inglesa) que incrementa el Número de Octano entre 2 y 4 unidades. Se han utilizado otros compuestos organómetálicos (naftenatos de manganeso, en particular), pero sin alcanzar la extensión del anterior.

La creciente preocupación por la incidencia del uso de carburantes sobre la salud de los ciudadanos, condujo a la progresiva eliminación de aditivos que contuviesen metales; en la actualidad, están prohibidos en la mayor parte de los países.

Modernamente, sin que pueda hablarse en rigor de "aditivos" se incorporan compuestos oxigenados: Éteres como el Etil Terc Butil Éter (ETBE) y Alcoholes como etanol o butanol, que además de tener Números de Octano superiores a 110, si son de origen biológico, contribuyen a la sostenibilidad de los recursos.

Sistemas de inyección (complemento)

Esquema de embolo de inyección diesel

KE-Jetronic

Regulador de presión de combustible