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Sistema de inyección Diesel

Al final de la carrera de compresión el aire que ha entrado al cilindro durante la carrera de admisión previa, ha sido confinado a un pequeño volumen llamado cámara de combustión y sometido a una fuerte compresión y está muy caliente. Si en ese momento se inyecta al interior del cilindro la cantidad adecuada de combustible Diesel pulverizado, este se inflamará y producirá el debido incremento de presión que actúa sobre el pistón para producir la carrera de fuerza del motor. El mecanismo que se ocupa de dosificar, pulverizar e introducir al cilindro en el instante y por el tiempo adecuados el combustible al cilindro se llama sistema de inyección.

El proceso de inyectar combustible en el motor Diesel puede resumirse en pocas palabras como se ha hecho, y aparentemente parece ser simple, pero en realidad está rodeado de un gran número de particularidades que hacen de él, una de las mayores conquistas tecnológicas realizadas por el hombre en la mecánica de precisión del siglo XX. Baste decir que este sistema tiene que poder inyectar con gran exactitud y a grandes presiones (entre 120 y 400 kg/cm²), volúmenes de líquido que pueden ser comparables con el de la cabeza de un alfiler, con un comienzo y tiempo de duración muy exactos, a frecuencias que pueden llegar a mas de 2000 ciclos por segundo, y por un período de millones de ciclos sin fallo. Súmele a eso que la inyección se produce en una cámara donde hay combustión simultánea a la inyección, en un ambiente caliente y agresivo y me dirá si no es un verdadero milagro tecnológico haberlo conseguido y perfeccionado.

Contenido del artículo
Mecanismo de avance
Pulverizado del combustible
Dosificación de combustible
Característica de inyección
Velocidad máxima
Velocidad mínima
Esquema del sistema
Para preparar el terreno y que usted pueda conocer las particularidades básicas relacionadas que hacen complejo el funcionamiento del sistema de inyección, hagamos un análisis de los factores involucrados en el proceso.

Mecanismo de avance



El combustible que entra al cilindro lo hace de forma líquida, para que este combustible se inflame luego de entrar en contacto con el aire caliente capaz de inflamarlo, tiene que calentarse, evaporarse y mezclarse con el aire para que se produzca el encendido. Este proceso aunque breve, toma cierto tiempo, por lo que el comienzo de la inyección debe hacerse un determinado tiempo antes de que el pistón haya alcanzado el punto muerto superior, a fin de que el combustible se evapore, mezcle e inflame antes de que el pistón llegue al punto adecuado después del punto muerto superior, y aproveche al máximo el incremento de presión producto de la combustión para producir trabajo útil.

Como este tiempo de preparación de la mezcla dentro del cilindro, antes de producirse la inflamación es un tiempo fijo (en realidad cambia, pero muy poco) mientras el motor puede girar a velocidades notablemente diferentes entre ralentí y la velocidad máxima, el instante del comienzo de la inyección con respecto a la posición del pistón, debe ser diferente para cada régimen de velocidad y así poder lograr que en todo el rango de trabajo del motor, las presiones máximas del ciclo se produzcan en el instante adecuado a la posición del pistón una vez comenzada la inflamación.

Este tiempo de anticipación al punto muerto superior en que se comienza la inyección se mide en grados de ángulo de giro del cigüeñal y se conoce cono ángulo de avance a la inyección. En un motor Diesel rápido puede estar, para altas velocidades, en el orden de los 30 a 40 grados. Tenemos entonces que el sistema de inyección debe cumplir una primera condición.

Condición 1: El ángulo de avance a la inyección debe ser variable en función de la velocidad de giro del motor.

Pulverizado del combustible

Para que el proceso de evaporación, mezclado e inflamación del combustible sea lo mas eficiente, estable y corto posible, este debe ser inyectado en la cámara de combustión como uno o mas aerosoles con partículas sumamente finas, a alta velocidad y bien dirigidas para que lleguen a todas partes de la cámara de combustión, con independencia de la velocidad de giro del motor.  De esta forma se produce un mejor mezclado y un contacto íntimo con todo el aire caliente para aprovechar su calor en la evaporación y preparación de la mezcla del aire y el combustible tanto antes del comienzo de la inflamación, como después, durante el proceso de quemado en todo el rango de trabajo.

El comienzo y fin de la inyección (formación del aerosol) deben ser abruptos, veamos:
  • Las primeras gotas que salen del aerosol ya deben estar sumamente pulverizadas. Si esta condición no se cumple, y se producen al inicio, gotas grandes de combustible, estas demoran en evaporarse, y como el combustible se inyecta de manera continua, cuando se produzca el encendido se habrá acumulado mucho combustibles dentro del cilindro lo que produce una inflamación masiva de excesivo combustible con el consecuente incremento violento de la presión. Este incremento violento de la presión además de afectar las piezas del mecanismo pistón-biela-manivela reduce notablemente la eficiencia del motor.
  • Si el sistema de inyección interrumpe el aerosol de manera gradual, las últimas gotas producidas se han atomizado a baja presión y ya no son pequeñas, el proceso de evaporación se hace lento y el quemado de este combustible puede realizarse muy tarde en la carrera de fuerza e incluso no quemarse del todo con la consecuente pérdida de potencia y rendimiento del motor.
De aquí surge una segunda condición que se debe cumplir:

Condición 2: El combustible debe ser inyectado al cilindro como un aerosol muy fino, cuyo comienzo y fin debe ser abrupto.

Dosificación del combustible

Los motores Diesel al igual que cualquier otro motor funcionan en el automóvil en un rango amplio de entrega de potencia y velocidad de rotación, esta potencia se obtiene a expensas del combustible por lo que a mas potencia mas combustible. Esta potencia entregada por el motor se hace a voluntad del conductor oprimiendo mas o menos el pedal de acelerador de acuerdo a la necesidad del camino.

En el motor Diesel convencional, el conducto de entrada de aire al motor es siempre el mismo, sin nada que interfiera el libre paso del aire a no ser las propias pérdidas por rozamiento del conducto, de esta manera el cilindro del motor se llena siempre completamente de aire por lo que la entrega de potencia dependerá solo de la cantidad de combustible que se inyecte.

Durante el funcionamiento a las revoluciones de ralentí, solo hay que producir potencia para vencer las pérdidas internas del motor y las de los agregados acoplados (ventilador, generador etc.) durante este estado de trabajo la cantidad de combustible que se inyecta es un volumen muy pequeño, mientras que durante el trabajo a potencia máxima el volumen inyectado es muchas veces superior. La tercera condición que debe cumplir:

Condición 3: La cantidad de combustible inyectado debe ser exacta de acuerdo a la carga del motor.

Característica de inyección

El proceso de la inyección del volumen de combustible al cilindro comienza como ya hemos visto, algunos grados antes del punto muerto superior, como este proceso dura determinado tiempo y el cigüeñal está en constante giro, terminará algunos grados pasado el punto muerto superior y antes de acercarse al punto muerto inferior. La dinámica del mecanismo biela-cigüeñal determina la forma en que debe crecer la presión dentro del cilindro para que el trabajo del motor tenga la máxima eficiencia, al mismo tiempo que las piezas no estén sometidas a cargas excesivas.

Para adaptarse a los requerimientos óptimos del mecanismo biela-cigüeñal, la cantidad de combustible inyectado por unidad de tiempo durante el proceso de inyección debe cumplir ciertos requisitos. El comportamiento de la entrega de combustible al cilindro por unidad de tiempo se le llama característica de inyección.

En el gráfico de la derecha (figura 1) muestra la forma teórica óptima en que debe producirse la inyección.

El eje vertical representa el volumen de combustible inyectado y el eje horizontal el ángulo de giro del cigüeñal.

Pueden diferenciarse claramente dos zonas, nombradas como 1 y 2.

En la zona 1comienza abruptamente la inyección de una pequeña cantidad de combustible por unidad de tiempo durante un breve lapso de giro del cigüeñal. Este combustible en pequeña cantidad se inyecta durante el tiempo de demora de la inflamación a fin de preparar e iniciar el encendido sin que se acumulen grandes cantidades de combustible dentro del cilindro, luego, cuando ya se ha producido la inflamación, y dentro de la cámara de combustión hay alta temperatura y gases incandescentes que aceleran en mucho la velocidad de evaporación-inflamación del combustible, se aumenta al ritmo adecuado para su combustión gradual en la carrera de fuerza (zona 2). Finalmente y en el instante apropiado se interrumpe drásticamente la inyección.

En los motores reales esta condición teórica no se alcanza, pero los fabricantes de motores tratan de hacer sus sistemas que cumplan lo mejor posible esta condición. De aquí la cuarta condición:

Condición 4: El ritmo de la inyección debe cumplir con cierto patrón.

Velocidad máxima

En el motor de gasolina existe un estrechamiento del conducto de admisión, este estrechamiento supone unas elevadas pérdidas por rozamiento durante el llenado del cilindro, por esta condición la velocidad final de giro del motor se auto limita, ya que a medida que crece la velocidad de giro, crece también la velocidad de entrada del aire y por consiguiente las pérdidas por rozamiento. Finalmente y a altas velocidades de giro, la cantidad de aire que entra al cilindro es muy pobre y la potencia que se obtiene solo alcanza para vencer las pérdidas mecánicas del propio motor. El motor no puede acelerar mas.

En el motor Diesel, el conducto de admisión se construye para que sus pérdidas por rozamiento sean lo menor posible y así lograr siempre un llenado máximo del cilindro, de esta forma la velocidad máxima de giro del motor no se auto limita como en el caso del motor de gasolina.

Como la velocidad de giro del motor Diesel no puede crecer indefinidamente debido a que dentro del motor se producen fuerzas crecientes con la velocidad, que ponen en peligro la integridad del motor, resulta imprescindible limitar la máxima velocidad de giro a un valor seguro. Esta regulación de la velocidad se consigue cortando la entrega de combustible.

Condición 5: El sistema de inyección debe garantizar una velocidad de giro máxima del motor aun sin carga.
grafico
Figura 1



Velocidad mínima

A menos que se desee lo contrario, cuando se suelta el acelerador de un motor Diesel este debe mantenerse funcionando a baja velocidad constante de rotación (ralentí). Como la carga del motor a la velocidad de ralentí puede variar considerablemente en diferentes momentos de uso, por ejemplo; puede que esté o no esté accionando un compresor de aire acondicionado, o de refrigeración, o de los frenos de vehículo, o un sistema de accionamiento hidráulico etc. no basta con establecer una cantidad fija de combustible inyectado para que se mantenga girando a velocidad estable en ralentí. Si se hiciera así el motor se aceleraría cuando baja la carga o se detendría cuando sube, por esta razón el sistema debe cumplir otra condición:

Condición 6: El sistema debe mantener fija la velocidad de rotación en ralentí con independencia de la carga del motor.

Esquema del sistema

Durante el desarrollo del motor Diesel, los fabricantes han elaborado diferentes sistemas mecánicos que cumplen con los requisitos de trabajo descritos anteriormente, uno de los mas utilizados y del que nos ocuparemos aquí es el sistema Bosch.

En la figura de la derecha se representa de manera esquemática un sistema Bosh de inyección.

En él, una bomba capaz de dosificar y elevar la presión a los valores necesarios para la inyección y en el momento preciso del combustible, gira arrastrada por el motor a través de un acoplamiento, esta bomba es la bomba de inyección. Unos conductos de alta presión llevan el combustible hasta los inyectores, que son los encargados de producir el aerosol dentro del cilindro.

Una pequeña bomba adosada a la bomba de inyección y accionada por esta, trasiega el combustible desde el depósito y la alimenta haciéndolo pasar por un juego de filtros. La capacidad de bombeo de esta bomba de trasiego es muy superior a las necesidades del motor, lo que sirve para incluir un regulador de presión que adecua y estabiliza la presión de alimentación a la bomba de inyección, desviando por el retorno el combustible en exceso. Este combustible en exceso sirve además para refrigerar la bomba de inyección.

Un mecanismo especial encargado de regular el avance a la inyección se interpone entre el acoplamiento al motor y la bomba de inyección. Al final de la bomba y acoplado a ella, se encuentra el regulador de velocidad, este regulador incluye una palanca de accionamiento que se acopla al mecanismo del pedal del acelerador, desde donde el conductor puede aumentar y disminuir la potencia o velocidad de giro del motor.

Cada uno de los elementos integrantes del sistema se ha tratado en artículo aparte para no hacer muy extensa esta página. Pulse sobre alguno de los componentes para ir a esos artículos.
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