La inyección de combustible es la introducción de combustible en un motor de combustión interna , más comúnmente en motores de automóviles , por medio de un inyector de combustible. Este artículo se centra en la inyección de combustible en motores de pistón alternativo y rotativos Wankel .
Todos los motores de encendido por compresión (por ejemplo, los motores diésel ) y muchos motores de encendido por chispa (es decir, los motores de gasolina , como Otto o Wankel ) utilizan inyección de combustible de un tipo u otro. Los motores diésel producidos en masa para automóviles de pasajeros (como el Mercedes-Benz OM 138 ) estuvieron disponibles a fines de la década de 1930 y principios de la de 1940, siendo los primeros motores con inyección de combustible para uso en automóviles de pasajeros. [1] En los motores de gasolina de automóviles de pasajeros, la inyección de combustible se introdujo a principios de la década de 1950 y gradualmente ganó prevalencia hasta que reemplazó en gran medida a los carburadores a principios de la década de 1990. [2] La principal diferencia entre la carburación y la inyección de combustible es que la inyección de combustible atomiza el combustible a través de una pequeña boquilla a alta presión, mientras que la carburación se basa en la succión creada por el aire de admisión acelerado a través de un tubo Venturi para atraer combustible hacia la corriente de aire.
El término "inyección de combustible" es vago y comprende varios sistemas distintos con principios funcionales fundamentalmente diferentes. Por lo general, lo único que todos los sistemas de inyección de combustible tienen en común es la falta de carburación . Hay dos principios funcionales principales de los sistemas de formación de mezcla para motores de combustión interna: formación de mezcla interna y formación de mezcla externa . Un sistema de inyección de combustible que utiliza la formación de mezcla externa se denomina sistema de inyección múltiple . Existen dos tipos de sistemas de inyección múltiple: inyección multipunto (o inyección de puerto) e inyección de punto único (o inyección del cuerpo del acelerador ). Los sistemas de formación de mezcla interna se pueden separar en varias variedades diferentes de inyección directa e indirecta, siendo el más común el sistema de inyección common-rail , una variedad de inyección directa. El término "inyección electrónica de combustible" se refiere a cualquier sistema de inyección de combustible controlado por una unidad de control del motor .
En las siguientes secciones se describen las funciones fundamentales de un sistema de inyección de combustible. En algunos sistemas, un solo componente realiza varias funciones.
La inyección de combustible se realiza rociando combustible presurizado en el motor. Por lo tanto, se necesita un dispositivo para presurizar el combustible, como una bomba de combustible.
El sistema debe determinar la cantidad adecuada de combustible a suministrar y controlar el flujo de combustible para suministrar esta cantidad.
Varios de los primeros sistemas de inyección mecánica utilizaban bombas de inyección controladas por hélice relativamente sofisticadas que dosificaban el combustible y creaban presión de inyección. Desde la década de 1980, se han utilizado sistemas electrónicos para controlar la dosificación del combustible. Los sistemas más recientes utilizan una unidad de control electrónico del motor que dosifica el combustible, controla el tiempo de encendido y controla otras funciones del motor.
El inyector de combustible es, en realidad, una boquilla rociadora que realiza la etapa final del suministro de combustible al motor. El inyector está ubicado en la cámara de combustión , el colector de admisión o, con menos frecuencia, el cuerpo del acelerador .
Los inyectores de combustible que también controlan la dosificación se denominan "válvulas de inyección", mientras que los inyectores que realizan las tres funciones se denominan inyectores unitarios .
La inyección directa significa que el combustible se inyecta en la cámara de combustión principal de cada cilindro. [3] El aire y el combustible se mezclan solo dentro de la cámara de combustión. Por lo tanto, solo se aspira aire al motor durante la carrera de admisión. El esquema de inyección es siempre intermitente (ya sea secuencial o individual por cilindro).
Esto se puede hacer con un chorro de aire [4] o hidráulicamente, siendo este último método el más común en los motores de automóviles. Normalmente, los sistemas de inyección directa hidráulica pulverizan combustible en el aire dentro del cilindro o la cámara de combustión. La inyección directa se puede lograr con una bomba de inyección convencional controlada por hélice, inyectores unitarios o un sofisticado sistema de inyección common-rail. Este último es el sistema más común en los motores de automóviles modernos.
Durante el siglo XX, la mayoría de los motores de gasolina utilizaban un carburador o inyección indirecta de combustible. El uso de la inyección directa en los motores de gasolina se ha vuelto cada vez más común en el siglo XXI.
En un sistema common rail, el combustible del tanque de combustible se suministra a un colector común (llamado acumulador ), y luego se envía a través de tuberías a los inyectores, que lo inyectan en la cámara de combustión. El acumulador tiene una válvula de alivio de alta presión para mantener la presión y devolver el exceso de combustible al tanque de combustible. El combustible se rocía con la ayuda de una boquilla que se abre y se cierra con una válvula de aguja operada por solenoide . [5] Los diésel common rail de tercera generación utilizan inyectores piezoeléctricos para una mayor precisión, con presiones de combustible de hasta 300 MPa o 44.000 psi . [6]
Los tipos de sistemas common-rail incluyen la inyección guiada por aire [7] y la inyección guiada por pulverización . [7]
Utilizados por los motores diésel, estos sistemas incluyen:
Este método de inyección se utilizaba anteriormente en muchos motores diésel. Los tipos de sistemas incluyen:
El sistema M , utilizado en algunos motores diésel desde la década de 1960 hasta la de 1980, rociaba el combustible sobre las paredes de la cámara de combustión, [12] a diferencia de la mayoría de los otros sistemas de inyección directa que rocian el combustible en el centro de la cámara.
Los sistemas de inyección múltiple son comunes en los motores de gasolina, como el motor Otto y el motor Wankel . En un sistema de inyección múltiple, el aire y el combustible se mezclan fuera de la cámara de combustión, de modo que se aspira una mezcla de aire y combustible hacia el motor. Los principales tipos de sistemas de inyección múltiple son la inyección multipunto y la inyección monopunto .
Estos sistemas utilizan un diseño de inyección continua o de inyección intermitente . [13] En un sistema de inyección continua, el combustible fluye en todo momento desde los inyectores de combustible, pero a un caudal variable. El sistema de inyección continua automotriz más común es el sistema Bosch K-Jetronic , introducido en 1974 y utilizado hasta mediados de la década de 1990 por varios fabricantes de automóviles. Los sistemas de inyección intermitente pueden ser secuenciales , en los que la inyección se sincroniza para coincidir con la carrera de admisión de cada cilindro; por lotes , en los que el combustible se inyecta a los cilindros en grupos, sin una sincronización precisa con la carrera de admisión de ningún cilindro en particular; simultáneo , en el que el combustible se inyecta al mismo tiempo a todos los cilindros; o por cilindro , en el que la unidad de control del motor puede ajustar la inyección para cada cilindro individualmente. [13]
La inyección multipunto (también llamada "inyección de puerto") inyecta combustible en los puertos de admisión justo antes de la válvula de admisión de cada cilindro , en lugar de en un punto central dentro de un colector de admisión. [14] Normalmente, los sistemas de inyección multipunto utilizan múltiples inyectores de combustible, [15] pero algunos sistemas, como el sistema de inyección de puerto central de GM, utilizan tubos con válvulas de asiento alimentadas por un inyector central en lugar de múltiples inyectores. [16]
La inyección de un solo punto (también llamada "inyección en el cuerpo del acelerador") [17] utiliza un inyector en un cuerpo del acelerador montado de manera similar a un carburador en un colector de admisión . Al igual que en un sistema de inducción carburado, el combustible se mezcla con el aire antes de ingresar al colector de admisión. [15] La inyección de un solo punto fue una forma relativamente económica para que los fabricantes de automóviles redujeran las emisiones de escape para cumplir con las regulaciones más estrictas y, al mismo tiempo, proporcionar una mejor "capacidad de conducción" (arranque fácil, funcionamiento suave, sin tartamudeo del motor) de la que se podía obtener con un carburador. Muchos de los componentes de soporte del carburador, como el filtro de aire, el colector de admisión y el enrutamiento de la línea de combustible, se podían usar con pocos o ningún cambio. Esto pospuso los costos de rediseño y herramientas de estos componentes. La inyección de un solo punto se utilizó ampliamente en automóviles de pasajeros y camionetas ligeras fabricados en Estados Unidos durante 1980-1995, y en algunos automóviles europeos a principios y mediados de la década de 1990. En EE. UU., el motor G10 del Chevrolet Metro 2000 se convirtió en el último motor disponible en un vehículo vendido en Estados Unidos que utilizaba inyección de cuerpo del acelerador.
En los motores diésel de inyección indirecta (así como en los motores Akroyd), hay dos cámaras de combustión: la cámara de combustión principal y una precámara (también llamada antecámara) [18] que está conectada a la principal. El combustible se inyecta solo en la precámara (donde comienza a quemarse) y no directamente en la cámara de combustión principal. Por lo tanto, este principio se llama inyección indirecta. Existen varios sistemas de inyección indirecta ligeramente diferentes que tienen características similares. [19]
Los tipos de inyección indirecta utilizados por los motores diésel incluyen:
En 1872, George Bailey Brayton obtuvo una patente para un motor de combustión interna que utilizaba un sistema de inyección de combustible neumático, también inventado por Brayton: inyección por chorro de aire . [21] : 413 En 1894, Rudolf Diesel copió el sistema de inyección por chorro de aire de Brayton para el motor diésel, pero también lo mejoró. [22] : 414 Aumentó la presión del chorro de aire de 4-5 kp/cm 2 (390-490 kPa) a 65 kp/cm 2 (6400 kPa). [23] : 415 Mientras tanto, el primer sistema de inyección en colector fue diseñado por Johannes Spiel en 1884, mientras trabajaba en Hallesche Maschinenfabrik en Alemania. [24]
En 1891, el motor de aceite británico Herbert-Akroyd se convirtió en el primer motor en utilizar un sistema de inyección de combustible presurizado. [25] [26] Este diseño, llamado motor de bulbo caliente, utilizaba una "bomba de sacudidas" para dispensar aceite combustible a alta presión a un inyector. Otro desarrollo en los primeros motores diésel fue la cámara de precombustión, que fue inventada en 1919 por Prosper l'Orange [27] para evitar los inconvenientes de los sistemas de inyección por chorro de aire. La cámara de precombustión hizo posible producir motores de tamaño adecuado para automóviles y MAN Truck & Bus presentó el primer motor diésel de inyección directa para camiones en 1924. [20] Las bombas de inyección diésel de mayor presión fueron introducidas por Bosch en 1927.
En 1898, la empresa alemana Deutz AG comenzó a producir motores estacionarios de gasolina de cuatro tiempos [28] con inyección múltiple. [ cita requerida ] El motor de avión Antoinette 8V de 1906 (el primer motor V8 del mundo) fue otro de los primeros motores de cuatro tiempos que utilizaba inyección múltiple. El primer motor de gasolina con inyección directa fue un motor de avión de dos tiempos diseñado por Otto Mader en 1916. [29] Otro de los primeros motores de encendido por chispa que utilizó inyección directa fue el motor Hesselman de 1925 , diseñado por el ingeniero sueco Jonas Hesselman. [30] [31] Este motor podía funcionar con una variedad de combustibles (como petróleo, queroseno, gasolina o gasóleo) [32] y utilizaba un principio de carga estratificada mediante el cual el combustible se inyecta hacia el final de la carrera de compresión y luego se enciende con una bujía .
El motor diésel para camión Cummins Modelo H se introdujo en Estados Unidos en 1933. [33] En 1936, el motor diésel Mercedes-Benz OM 138 (que utiliza una cámara de precombustión) se convirtió en uno de los primeros motores con inyección de combustible utilizados en un automóvil de pasajeros de producción en masa. [34]
Durante la Segunda Guerra Mundial , varios motores de gasolina para aviones utilizaban sistemas de inyección directa, como el Junkers Jumo 210 europeo , el Daimler-Benz DB 601 , el BMW 801 y el Shvetsov ASh-82FN (M-82FN) . Los sistemas de inyección directa alemanes se basaban en los sistemas de inyección diésel utilizados por Bosch, Deckel, Junkers y l'Orange. [35] Alrededor de 1943, el Rolls-Royce Merlin y el Wright R-3350 habían cambiado de carburadores tradicionales a inyección de combustible (llamados "carburadores de presión" en ese momento), sin embargo, estos motores usaban inyección en el colector del cuerpo del acelerador, en lugar de los sistemas de inyección directa de los motores alemanes. A partir de 1940, el motor Mitsubishi Kinsei serie 60 utilizó un sistema de inyección directa, junto con el motor Mitsubishi Kasei relacionado de 1941. En 1943, se agregó un sistema de inyección de combustible de baja presión al motor radial Nakajima Homare Modelo 23. [36]
El primer sistema de inyección directa de gasolina producido en serie fue desarrollado por Bosch y utilizado inicialmente en pequeños motores de gasolina de dos tiempos para automóviles. Introducido en el pequeño sedán Goliath GP700 de 1950 , también se añadió al motor Gutbrod Superior en 1952. Este sistema controlado mecánicamente era esencialmente una bomba de inyección directa diésel de alta presión especialmente lubricada del tipo que se rige por el vacío detrás de una válvula de mariposa de admisión. [37] Un sistema de inyección directa mecánica de Bosch también se utilizó en el ocho cilindros en línea utilizado en el coche de carreras de Fórmula Uno Mercedes-Benz W196 de 1954. El primer motor de gasolina de inyección directa de cuatro tiempos para un turismo se lanzó al año siguiente, en el coche deportivo Mercedes-Benz 300SL . [38] Sin embargo, el motor sufrió problemas de lubricación debido a que la gasolina diluía el aceite del motor, [39] [40] y los motores Mercedes-Benz posteriores cambiaron a un diseño de inyección múltiple. Del mismo modo, la mayoría de los sistemas de inyección de gasolina anteriores a la década de 2000 utilizaban el diseño de inyección múltiple, menos costoso.
A lo largo de la década de 1950, varios fabricantes introdujeron sus sistemas de inyección múltiple para motores de gasolina. Lucas Industries había comenzado a desarrollar un sistema de inyección de combustible en 1941 y en 1956 se utilizó en los coches de carreras Jaguar. [41] En las 24 Horas de Le Mans de 1957 , los coches que ocuparon el 1.º al 4.º puesto fueron los Jaguar D-Type que utilizaban un sistema de inyección de combustible Lucas. [42] También en 1957, General Motors introdujo la opción Rochester Ramjet , que consistía en un sistema de inyección de combustible para el motor V8 del Chevrolet Corvette. Durante la década de 1960, los sistemas de inyección de combustible también fueron producidos por Hilborn , [43] SPICA [44] y Kugelfischer .
Hasta ese momento, los sistemas de inyección de combustible habían utilizado un sistema de control mecánico. En 1957, se introdujo el sistema estadounidense Bendix Electrojector , que utilizaba electrónica analógica para el sistema de control. El Electrojector estaba destinado a estar disponible para el automóvil mediano Rambler Rebel , sin embargo, los problemas de confiabilidad hicieron que no se ofreciera la opción de inyección de combustible. [45] [46] [47] [48] [49] En 1958, el Chrysler 300D , el DeSoto Adventurer , el Dodge D-500 y el Plymouth Fury ofrecieron el sistema Electrojector, convirtiéndose en los primeros automóviles conocidos en utilizar un sistema de inyección electrónica de combustible (EFI). [50]
Las patentes del Electrojector se vendieron posteriormente a Bosch, que desarrolló el Electrojector hasta convertirlo en el Bosch D-Jetronic . [51] El D-Jetronic se fabricó entre 1967 y 1976 y se utilizó por primera vez en el VW 1600TL/E . El sistema era un sistema de velocidad/densidad que utilizaba la velocidad del motor y la densidad del aire del colector de admisión para calcular la cantidad de combustible que se debía inyectar. En 1974, Bosch introdujo el sistema K-Jetronic , que utilizaba un flujo continuo de combustible desde los inyectores (en lugar del flujo pulsado del sistema D-Jetronic). El K-Jetronic era un sistema de inyección mecánico que utilizaba un émbolo accionado por la presión del colector de admisión que luego controlaba el flujo de combustible hacia los inyectores. [52]
También en 1974, Bosch introdujo el sistema L-Jetronic , un sistema de flujo pulsado que utilizaba un medidor de flujo de aire para calcular la cantidad de combustible necesaria. El sistema L-Jetronic se adoptó ampliamente en los automóviles europeos durante las décadas de 1970 y 1980. Como sistema que utiliza inyectores de combustible controlados electrónicamente que se abren y cierran para controlar la cantidad de combustible que ingresa al motor, el sistema L-Jetronic utiliza los mismos principios básicos que los sistemas de inyección electrónica de combustible (EFI) modernos.
Antes de 1979, la electrónica de los sistemas de inyección de combustible utilizaba electrónica analógica para el sistema de control. El sistema de inyección de combustible multipunto Bosch Motronic (también entre los primeros sistemas en los que el sistema de encendido está controlado por el mismo dispositivo que el sistema de inyección de combustible) fue el primer sistema producido en masa en utilizar electrónica digital . El sistema de inyección de combustible de un solo punto Ford EEC-III , introducido en 1980, fue otro de los primeros sistemas de inyección de combustible digital. [53] [54] Estos y otros sistemas electrónicos de inyección en colector (que utilizan inyección en el puerto o inyección en el cuerpo del acelerador) se generalizaron durante la década de 1980 y, a principios de la década de 1990, habían reemplazado a los carburadores en la mayoría de los nuevos automóviles con motor de gasolina vendidos en los países desarrollados.
Los sistemas de inyección antes mencionados para motores de turismos de gasolina -excepto el Mercedes-Benz 300 SL de 1954-1959- utilizaban todos inyección múltiple (es decir, los inyectores situados en los puertos de admisión o el cuerpo del acelerador, en lugar de dentro de la cámara de combustión). Esto empezó a cambiar cuando el primer sistema de inyección directa de gasolina producido en serie para turismos fue un sistema common rail introducido en el motor Mitsubishi 6G74 V6 de 1997. [55] [56] El primer sistema common-rail para un motor diésel de turismo fue el motor Fiat Multijet [ ancla rota ] de cuatro cilindros en línea, [57] introducido en el modelo Alfa Romeo 156 1.9 JTD de 1999. Desde la década de 2010, muchos motores de gasolina han cambiado a inyección directa (a veces en combinación con inyectores múltiples separados para cada cilindro). De forma similar, muchos motores diésel modernos utilizan un diseño common-rail.
La inyección de carga estratificada se utilizó en varios motores de gasolina a principios de la década de 2000, como el motor Volkswagen 1.4 FSI introducido en 2000. Sin embargo, los sistemas de carga estratificada prácticamente dejaron de usarse a fines de la década de 2010, debido al aumento de las emisiones de gases de escape NOx y partículas, junto con el aumento del costo y la complejidad de los sistemas.
