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Inyección directa de gasolina

La inyección directa de gasolina ( GDI ), también conocida como inyección directa de gasolina ( PDI ), [1] es un sistema de formación de mezcla para motores de combustión interna que funcionan con gasolina (gasolina), donde el combustible se inyecta en la cámara de combustión . Esto es distinto de los sistemas de inyección en colector , que inyectan combustible en el colector de admisión (colector de entrada).

El uso de GDI puede ayudar a aumentar la eficiencia del motor y la potencia específica, así como a reducir las emisiones de escape. [2]

El primer motor GDI que llegó a producción se introdujo en 1925 para un motor de camión de baja compresión. Varios automóviles alemanes utilizaron un sistema GDI mecánico de Bosch en la década de 1950, sin embargo, el uso de la tecnología siguió siendo poco frecuente hasta que Mitsubishi introdujo un sistema GDI electrónico en 1996 para automóviles producidos en masa. El GDI ha sido adoptado rápidamente por la industria automotriz en los últimos años, aumentando en los Estados Unidos del 2,3% de la producción para los vehículos del año modelo 2008 a aproximadamente el 50% para el año modelo 2016. [3] [4]

Principio de funcionamiento

Modos de carga

El 'modo de carga' de un motor de inyección directa se refiere a cómo se distribuye el combustible en toda la cámara de combustión:

Modo de carga homogéneo

En el modo de carga homogénea , el motor funciona con una mezcla homogénea de aire y combustible ( ), lo que significa que hay una mezcla (casi) perfecta de combustible y aire en el cilindro. El combustible se inyecta al comienzo de la carrera de admisión para darle al combustible inyectado el mayor tiempo posible para mezclarse con el aire, de modo que se forme una mezcla homogénea de aire y combustible. [5] Este modo permite utilizar un catalizador convencional de tres vías para el tratamiento de los gases de escape. [6]

En comparación con la inyección múltiple, la eficiencia del combustible solo aumenta muy ligeramente, pero la potencia específica es mejor, [7] por lo que el modo homogéneo es útil para la llamada reducción de tamaño del motor . [6] La mayoría de los motores de gasolina de turismos con inyección directa utilizan el modo de carga homogénea. [8] [9]

Modo de carga estratificada

El modo de carga estratificada crea una pequeña zona de mezcla de combustible y aire alrededor de la bujía, que está rodeada de aire en el resto del cilindro. Esto da como resultado que se inyecte menos combustible en el cilindro, lo que genera relaciones aire-combustible generales muy altas de , [10] con relaciones aire-combustible medias de a carga media y a plena carga. [11] Idealmente, la válvula de mariposa permanece abierta tanto como sea posible para evitar pérdidas por estrangulamiento. El par se establece entonces únicamente mediante el control de par de calidad, lo que significa que solo se manipula la cantidad de combustible inyectado, pero no la cantidad de aire de admisión, para establecer el par del motor. El modo de carga estratificada también mantiene la llama alejada de las paredes del cilindro, lo que reduce las pérdidas térmicas. [12]

Como las mezclas demasiado pobres no se pueden encender con una bujía (debido a la falta de combustible), la carga debe estratificarse (por ejemplo, se debe crear una pequeña zona de mezcla de combustible y aire alrededor de la bujía). [13] Para lograr dicha carga, un motor de carga estratificada inyecta el combustible durante las últimas etapas de la carrera de compresión. A menudo se utiliza una "cavidad de remolino" en la parte superior del pistón para dirigir el combustible hacia la zona que rodea la bujía . Esta técnica permite el uso de mezclas ultra pobres que serían imposibles con carburadores o inyección de combustible convencional en el colector. [14]

El modo de carga estratificada (también llamado modo de "combustión ultra pobre") se utiliza con cargas bajas, con el fin de reducir el consumo de combustible y las emisiones de escape. Sin embargo, el modo de carga estratificada se desactiva para cargas más altas, y el motor cambia al modo homogéneo con una relación aire-combustible estequiométrica de para cargas moderadas y una relación aire-combustible más rica para cargas más altas. [15]

En teoría, un modo de carga estratificada puede mejorar aún más la eficiencia del combustible y reducir las emisiones de escape, [16] sin embargo, en la práctica, el concepto de carga estratificada no ha demostrado tener ventajas de eficiencia significativas sobre un concepto de carga homogénea convencional, pero debido a su combustión pobre inherente, se forman más óxidos de nitrógeno , [17] que a veces requieren un adsorbedor de NOx en el sistema de escape para cumplir con las regulaciones de emisiones. [18] El uso de adsorbedores de NOx puede requerir combustibles con bajo contenido de azufre, ya que el azufre evita que los adsorbedores de NOx funcionen correctamente. [19] Los motores GDI con inyección de combustible estratificada también pueden producir mayores cantidades de material particulado que los motores con inyección múltiple, [20] a veces requiriendo filtros de partículas en el escape (similares a un filtro de partículas diésel ) para cumplir con las regulaciones de emisiones de los vehículos. [21] Por lo tanto, varios fabricantes de automóviles europeos han abandonado el concepto de carga estratificada o nunca lo usaron en primer lugar, como el motor de gasolina Renault 2.0 IDE de 2000 ( F5R ), que nunca vino con un modo de carga estratificada, [22] o los motores BMW N55 de 2009 y Mercedes-Benz M256 de 2017 que abandonaron el modo de carga estratificada utilizado por sus predecesores. El Grupo Volkswagen había utilizado la inyección estratificada de combustible en motores de aspiración natural etiquetados como FSI , sin embargo, estos motores han recibido una actualización de la unidad de control del motor para desactivar el modo de carga estratificada. [23] Los motores Volkswagen turboalimentados etiquetados como TFSI y TSI siempre han utilizado el modo homogéneo. [24] Al igual que los últimos motores VW, los motores de gasolina de inyección directa más nuevos (a partir de 2017 en adelante) generalmente también utilizan el modo de carga homogénea más convencional, junto con la sincronización variable de válvulas, para obtener una buena eficiencia. Los conceptos de carga estratificada en su mayoría se han abandonado. [25]

Modos de inyección

Las técnicas habituales para crear la distribución deseada de combustible en toda la cámara de combustión son la inyección guiada por pulverización , la inyección guiada por aire o la inyección guiada por la pared . La tendencia en los últimos años es hacia la inyección guiada por pulverización, ya que actualmente da como resultado una mayor eficiencia de combustible.

Inyección directa guiada por pared

En los motores con inyección guiada por la pared, la distancia entre la bujía y la boquilla de inyección es relativamente alta. Para que el combustible llegue cerca de la bujía, se rocía contra una cavidad de remolino en la parte superior del pistón (como se ve en la imagen del motor Ford EcoBoost a la derecha), que guía el combustible hacia la bujía. Los puertos de entrada de aire de remolino o de volteo especiales ayudan en este proceso. El momento de la inyección depende de la velocidad del pistón, por lo tanto, a velocidades más altas del pistón, el momento de la inyección y el momento del encendido deben avanzar con mucha precisión. A bajas temperaturas del motor, algunas partes del combustible en el pistón relativamente frío se enfrían tanto que no pueden quemarse correctamente. Al cambiar de carga del motor baja a carga media del motor (y, por lo tanto, adelantar el momento de la inyección), algunas partes del combustible pueden terminar inyectándose detrás de la cavidad de remolino, lo que también da como resultado una combustión incompleta. [26] Por lo tanto, los motores con inyección directa guiada por la pared pueden sufrir altas emisiones de hidrocarburos . [27]

Inyección directa guiada por aire

Al igual que en los motores con inyección guiada por la pared, en los motores con inyección guiada por aire la distancia entre la bujía y la boquilla de inyección es relativamente grande. Sin embargo, a diferencia de los motores con inyección guiada por la pared, el combustible no entra en contacto con partes (relativamente) frías del motor, como la pared del cilindro y el pistón. En lugar de rociar el combustible contra una cavidad de remolino, en los motores con inyección guiada por aire el combustible es guiado hacia la bujía únicamente por el aire de admisión. Por lo tanto, el aire de admisión debe tener un movimiento de remolino o volteo especial para dirigir el combustible hacia la bujía. Este movimiento de remolino o volteo debe mantenerse durante un período de tiempo relativamente largo, de modo que todo el combustible sea empujado hacia la bujía. Sin embargo, esto reduce la eficiencia de carga del motor y, por lo tanto, la potencia de entrega. En la práctica, se utiliza una combinación de inyección guiada por aire y guiada por la pared. [28] Solo existe un motor que depende únicamente de la inyección guiada por aire. [29]

Inyección directa guiada por pulverización

En los motores con inyección directa guiada por pulverización, la distancia entre la bujía y la boquilla de inyección es relativamente pequeña. Tanto la boquilla de inyección como la bujía se encuentran entre las válvulas del cilindro. El combustible se inyecta durante las últimas etapas de la carrera de compresión, lo que provoca una formación de mezcla muy rápida (y no homogénea). Esto da como resultado grandes gradientes de estratificación del combustible, lo que significa que hay una nube de combustible con una proporción de aire muy baja en su centro y una proporción de aire muy alta en sus bordes. El combustible solo puede encenderse entre estas dos "zonas". La ignición se produce casi inmediatamente después de la inyección para aumentar la eficiencia del motor. La bujía debe colocarse de tal manera que esté exactamente en la zona donde la mezcla es inflamable. Esto significa que las tolerancias de producción deben ser muy bajas, porque solo una pequeña desalineación puede provocar una disminución drástica de la combustión. Además, el combustible enfría la bujía, inmediatamente antes de que se exponga al calor de la combustión. Por lo tanto, la bujía debe poder soportar muy bien los choques térmicos. [30] A bajas velocidades del pistón (y del motor), la velocidad relativa del aire y el combustible es baja, lo que puede provocar que el combustible no se vaporice correctamente, lo que da como resultado una mezcla muy rica. Las mezclas ricas no se queman correctamente y provocan la acumulación de carbono. [31] A altas velocidades del pistón, el combustible se esparce más dentro del cilindro, lo que puede alejar las partes inflamables de la mezcla tanto de la bujía que ya no puede encender la mezcla de aire y combustible. [32]

Tecnologías complementarias

Otros dispositivos que se utilizan para complementar la GDI en la creación de una carga estratificada incluyen la sincronización variable de válvulas , la elevación variable de válvulas y el colector de admisión de longitud variable . [33] Además, la recirculación de gases de escape se puede utilizar para reducir las altas emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) que pueden resultar de la combustión ultra pobre. [34]

Desventajas

La inyección directa de gasolina no tiene la acción de limpieza de válvulas que se proporciona cuando el combustible se introduce en el motor antes del cilindro. [35] En los motores que no son GDI, la gasolina que viaja a través del puerto de admisión actúa como un agente de limpieza para la contaminación, como el aceite atomizado. La falta de una acción de limpieza puede provocar un aumento de los depósitos de carbón en los motores GDI. Los fabricantes de terceros venden tanques de recolección de aceite que se supone que previenen o reducen esos depósitos de carbón.

La capacidad de producir potencia máxima a altas velocidades del motor (RPM) es más limitada para los motores GDI, ya que hay un período de tiempo más corto disponible para inyectar la cantidad necesaria de combustible. En la inyección en el colector (así como en los carburadores y la inyección de combustible en el cuerpo del acelerador), se puede agregar combustible a la mezcla de aire de admisión en cualquier momento. Sin embargo, un motor GDI está limitado a inyectar combustible durante las fases de admisión y compresión. Esto se convierte en una restricción a altas velocidades del motor (RPM), cuando la duración de cada ciclo de combustión es más corta. Para superar esta limitación, algunos motores GDI (como los motores Toyota 2GR-FSE V6 y Volkswagen EA888 I4 ) también tienen un conjunto de inyectores de combustible en el colector para proporcionar combustible adicional a altas RPM. Estos inyectores de combustible en el colector también ayudan a limpiar los depósitos de carbón del sistema de admisión.

La gasolina no proporciona el mismo nivel de lubricación para los componentes del inyector que el diésel, lo que a veces se convierte en un factor limitante en las presiones de inyección utilizadas por los motores GDI. La presión de inyección de un motor GDI suele estar limitada a aproximadamente 20 MPa (2,9 ksi), para evitar un desgaste excesivo de los inyectores. [36]

Impactos adversos sobre el clima y la salud

Si bien se le atribuye a esta tecnología el aumento de la eficiencia del combustible y la reducción de las emisiones de CO2 , los motores GDI producen más aerosoles de carbono negro que los motores de inyección de combustible en puerto tradicionales. El carbono negro, un potente absorbente de la radiación solar, posee importantes propiedades de calentamiento climático. [37]

En un estudio publicado en enero de 2020 en la revista Environmental Science and Technology , un equipo de investigadores de la Universidad de Georgia (EE. UU.) predijo que el aumento de las emisiones de carbono negro de los vehículos propulsados ​​por GDI aumentará el calentamiento climático en las áreas urbanas de EE. UU. en una cantidad que excede significativamente el enfriamiento asociado con una reducción de CO 2 . Los investigadores también creen que el cambio de los motores tradicionales de inyección de combustible en puerto (PFI) al uso de la tecnología GDI casi duplicará la tasa de mortalidad prematura asociada con las emisiones de los vehículos, de 855 muertes anuales en los Estados Unidos a 1.599. Estiman el costo social anual de estas muertes prematuras en $ 5.95 mil millones. [38]

Historia

1911–1912

Uno de los primeros inventores que intentó la inyección directa de gasolina fue el Dr. Archibald Low , quien le dio a su motor el título engañoso de Motor de Inducción Forzada, cuando lo único que se forzaba era la admisión del combustible. Reveló detalles de su prototipo de motor a principios de 1912, [39] y el diseño fue desarrollado aún más por el constructor de motores a gran escala FE Baker Ltd durante 1912 [40] y los resultados se mostraron en su stand en la feria Olympia Motor Cycle en noviembre de 1912. El motor era un motor de motocicleta de cuatro tiempos de alta compresión, con el combustible de gasolina presurizado por separado a 1000 psi y admitido en el cilindro "en el momento de mayor compresión" por una pequeña válvula rotativa, con encendido simultáneo por una bujía y una bobina vibratoria que permitía que la chispa continuara durante toda la fase de combustión. El combustible que se inyectaba se describía como en fase de vapor después de haber sido calentado por el cilindro del motor. La presión del combustible se regulaba en la bomba de combustible y la cantidad de combustible admitido se controlaba por medios mecánicos en la válvula de admisión rotativa. Parece que FE Baker no llevó más allá este diseño radical.

1916–1938

Aunque la inyección directa solo se empezó a utilizar comúnmente en motores de gasolina desde el año 2000, los motores diésel han utilizado combustible inyectado directamente en la cámara de combustión (o en una cámara de precombustión) desde el primer prototipo exitoso en 1894.

En 1916 se construyó en Alemania un primer prototipo de motor GDI para el avión Junkers . El motor se diseñó inicialmente como motor diésel, pero pasó a ser diseñado para gasolina cuando el Ministerio de Guerra alemán decretó que los motores de las aeronaves debían funcionar con gasolina o benceno. Al ser un diseño de dos tiempos con compresión del cárter , un fallo de encendido podría destruir el motor, por lo que Junkers desarrolló un sistema GDI para evitar este problema. Se realizó una demostración de este prototipo de motor a funcionarios de aviación poco antes de que cesara el desarrollo debido al final de la Primera Guerra Mundial. [41]

El motor Hesselman es un diseño de motor híbrido que fue producido por varios fabricantes desde 1925 hasta 1951. [42] En un motor Hesselman, el combustible no se inyecta durante la carrera de succión junto con el aire, como sería el caso en un motor de ciclo Otto convencional, sino que se inyecta durante la carrera de compresión un poco antes de la chispa. [43] Los motores Hesselman podían utilizar una amplia variedad de combustibles, incluida la gasolina, pero generalmente funcionaban con combustibles diésel convencionales. [42]

1939–1995

Durante la Segunda Guerra Mundial, la mayoría de los motores de aviación alemanes utilizaban GDI, como el motor radial BMW 801 , los motores alemanes V12 invertido Daimler-Benz DB 601 , DB 603 y DB 605 , y los motores V12 invertidos Junkers Jumo 210 G, Jumo 211 y Jumo 213 de diseño similar . Los motores de aviación aliados que utilizaban sistemas de inyección de combustible GDI eran el motor radial Shvetsov ASh-82 FNV de la Unión Soviética y el motor radial Wright R-3350 Duplex Cyclone de 18 cilindros con una cilindrada de 54,9 litros.

La empresa alemana Bosch había estado desarrollando un sistema GDI mecánico para automóviles desde la década de 1930 [44] y en 1952 se introdujo en los motores de dos tiempos del Goliath GP700 y el Gutbrod Superior. Este sistema era básicamente una bomba de inyección directa diésel de alta presión con una válvula de mariposa de admisión configurada. Estos motores ofrecían un buen rendimiento y tenían hasta un 30% menos de consumo de combustible que la versión con carburador, principalmente con cargas bajas del motor. [44] Un beneficio adicional del sistema era tener un tanque separado para el aceite del motor que se agregaba automáticamente a la mezcla de combustible, lo que evitaba que los propietarios tuvieran que mezclar su propia mezcla de combustible de dos tiempos. [45] El Mercedes-Benz 300SL de 1955 también utilizó un sistema GDI mecánico temprano de Bosch, por lo que se convirtió en el primer motor de cuatro tiempos en utilizar GDI. Hasta mediados de la década de 2010, la mayoría de los automóviles con inyección de combustible utilizaban inyección múltiple, por lo que era bastante inusual que estos primeros automóviles utilizaran un sistema GDI posiblemente más avanzado. [ ¿ Investigación original? ]

Durante la década de 1970, los fabricantes estadounidenses American Motors Corporation y Ford desarrollaron prototipos de sistemas mecánicos de GDI llamados Straticharge y Programmed Combustion (PROCO) respectivamente. [46] [47] [48] [49] Ninguno de estos sistemas llegó a producción. [50] [51]

1997-presente

El Mitsubishi Galant de 1996 para el mercado japonés fue el primer automóvil producido en masa en utilizar un motor GDI, cuando se introdujo una versión GDI del motor de cuatro cilindros en línea Mitsubishi 4G93 . [52] [53] Posteriormente se trajo a Europa en 1997 en el Carisma . [54] También desarrolló el primer motor GDI de seis cilindros, el motor Mitsubishi 6G74 V6, en 1997. [55] Mitsubishi aplicó esta tecnología ampliamente, produciendo más de un millón de motores GDI en cuatro familias en 2001. [56] Aunque se utilizó durante muchos años, el 11 de septiembre de 2001 MMC reclamó una marca registrada para el acrónimo "GDI". [57] Varios otros fabricantes japoneses y europeos introdujeron motores GDI en los años siguientes. La tecnología GDI de Mitsubishi también fue licenciada por Peugeot, Citroën, Hyundai, Volvo y Volkswagen. [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64]

El motor Toyota 2GR-FSE V6 de 2005 fue el primero en combinar inyección directa e indirecta. El sistema (denominado "D-4S") utiliza dos inyectores de combustible por cilindro: un inyector de combustible tradicional de colector (baja presión) y un inyector de combustible directo (alta presión) y se utiliza en la mayoría de los motores Toyota. [65]

En las carreras de Fórmula Uno, la inyección directa se hizo obligatoria para la temporada 2014 , con la regulación 5.10.2 que establece: "Solo puede haber un inyector directo por cilindro y no se permiten inyectores antes de las válvulas de admisión ni después de las válvulas de escape". [66]

En motores de dos tiempos

Existen beneficios adicionales del GDI para los motores de dos tiempos , relacionados con la limpieza de los gases de escape y la lubricación del cárter.

El aspecto de barrido es que la mayoría de los motores de dos tiempos tienen abiertos tanto los puertos de admisión como de escape durante la carrera de escape, para mejorar la limpieza de los gases de escape del cilindro. Esto hace que parte de la mezcla de combustible y aire entre en el cilindro y luego salga del mismo, sin quemarse, a través del puerto de escape. Con la inyección directa, solo el aire (y, por lo general, algo de aceite) proviene del cárter y el combustible no se inyecta hasta que el pistón se eleva y todos los puertos están cerrados.

La lubricación del cárter se logra en los motores GDI de dos tiempos inyectando aceite en el cárter, lo que da como resultado un menor consumo de aceite que el método más antiguo de inyectar aceite mezclado con combustible en el cárter. [67]

En los motores de dos tiempos se utilizan dos tipos de GDI: el de baja presión asistido por aire y el de alta presión. Los sistemas de baja presión (como el utilizado en el scooter Aprilia SR50 de 1992 ) utilizan un compresor de aire accionado por el cigüeñal para inyectar aire en la culata. A continuación, un inyector de baja presión pulveriza el combustible en la cámara de combustión, donde se vaporiza al mezclarse con el aire comprimido. En los años 90, la empresa alemana Ficht GmbH desarrolló un sistema GDI de alta presión, que Outboard Marine Corporation (OMC) introdujo en 1997 para los motores marinos con el fin de cumplir con las normas de emisiones más estrictas. Sin embargo, los motores tenían problemas de fiabilidad y OMC se declaró en quiebra en diciembre de 2000. [68] [69] El Evinrude E-Tec es una versión mejorada del sistema Ficht, que se lanzó en 2003 [70] y ganó un premio a la excelencia en aire limpio de la EPA en 2004. [71]

Envirofit International , una organización estadounidense sin fines de lucro, ha desarrollado kits de actualización de inyección directa para motocicletas de dos tiempos (utilizando tecnología desarrollada por Orbital Corporation Limited ) en un proyecto para reducir la contaminación del aire en el sudeste asiático. [72] Los 100 millones de taxis y motocicletas de dos tiempos en el sudeste asiático son una de las principales causas de contaminación para la región. [73] [74]

Véase también

Referencias

  1. ^ "Cámara de los Lores - Méritos de los instrumentos estatutarios - Vigésimo quinto informe".
  2. ^ Alfred Böge (ed.): Vieweg Handbuch Maschinenbau Grundlagen und Anwendungen der Maschinenbau-Technik . 18.ª edición, Springer, 2007, ISBN 978-3-8348-0110-4 , pág. L 91 
  3. ^ "Informe preliminar de evaluación técnica: evaluación intermedia de las normas de emisiones de gases de efecto invernadero de los vehículos ligeros y de las normas corporativas de economía de combustible promedio para los años modelo 2022-2025" (PDF) . 19 de agosto de 2015. Archivado (PDF) del original el 12 de agosto de 2016.
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  8. ^ Richard van Basshuysen (ed.): Ottomotor mit Direkteinspritzung und Direkteinblasung: Ottokraftstoffe · Erdgas · Methan · Wasserstoff. 4.a edición, Springer, Wiesbaden 2017, ISBN 978-3-658-12215-7 , pág. 52 
  9. ^ Richard van Basshuysen (ed.): Ottomotor mit Direkteinspritzung und Direkteinblasung: Ottokraftstoffe · Erdgas · Methan · Wasserstoff. 4.a edición, Springer, Wiesbaden 2017, ISBN 978-3-658-12215-7 , pág. 27 
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