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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.
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:
1.- 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.
2.- 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.
Figura 1.
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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.
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 2
se representa de manera esquemática un sistema Bosh de
inyección.
Figura 2. Esquema del
sistema de inyección Bosh.
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 adecúa 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 principales integrantes del sistema se ha
tratado en
artículo aparte, y a continuación se brindan enlaces a tales artículos.
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Variador de avance
a la inyección.
Bomba de
inyección.
Regulador de velocidad.
Inyectores.
Tubos de alta presión.
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