La inyección múltiple es un sistema de formación de mezcla para motores de combustión interna con formación de mezcla externa. Se utiliza habitualmente en motores con encendido por chispa que utilizan gasolina como combustible, como el motor Otto , y el motor Wankel . En un motor de inyección múltiple, el combustible se inyecta en el colector de admisión, donde comienza a formar una mezcla combustible de aire y combustible con el aire. Tan pronto como se abre la válvula de admisión, el pistón comienza a aspirar la mezcla que aún se está formando. Habitualmente, esta mezcla es relativamente homogénea y, al menos en los motores de producción para turismos, aproximadamente estequiométrica ; esto significa que hay una distribución uniforme de combustible y aire a través de la cámara de combustión, y suficiente aire presente, pero no más, del necesario para la combustión completa del combustible. El tiempo de inyección y la medición de la cantidad de combustible se pueden controlar mecánicamente (mediante un distribuidor de combustible) o electrónicamente (mediante una unidad de control del motor ). Desde las décadas de 1970 y 1980, la inyección múltiple ha reemplazado a los carburadores en los turismos. Sin embargo, desde finales de la década de 1990, los fabricantes de automóviles comenzaron a utilizar la inyección directa de gasolina , lo que provocó una disminución en la instalación de inyección múltiple en los automóviles de nueva producción.
Hay dos tipos diferentes de inyección múltiple:
En este artículo, se utilizan los términos inyección multipunto (MPI) e inyección de punto único (SPI). En un sistema MPI, hay un inyector de combustible por cilindro, instalado muy cerca de las válvulas de admisión. En un sistema SPI, solo hay un inyector de combustible, generalmente instalado justo detrás de la válvula del acelerador. Los sistemas modernos de inyección múltiple suelen ser sistemas MPI; Los sistemas SPI ahora se consideran obsoletos.
En un motor de inyección múltiple, el combustible se inyecta con una presión relativamente baja (70...1470 kPa) en el colector de admisión para formar un fino vapor de combustible. Este vapor puede formar entonces una mezcla combustible con el aire, y la mezcla es aspirada hacia el cilindro por el pistón durante la carrera de admisión. Los motores Otto utilizan una técnica llamada control de cantidad para establecer el par motor deseado , lo que significa que la cantidad de mezcla aspirada por el motor determina la cantidad de par producido. Para controlar la cantidad de mezcla se utiliza una válvula de estrangulación , por lo que el control de cantidad también se denomina estrangulación del aire de admisión. La estrangulación del aire de admisión cambia la cantidad de aire aspirado por el motor, lo que significa que si se desea una mezcla estequiométrica ( ) de aire y combustible, la cantidad de combustible inyectado debe cambiarse junto con la estrangulación del aire de admisión. Para hacerlo, los sistemas de inyección múltiple tienen al menos una forma de medir la cantidad de aire que actualmente está siendo aspirado por el motor. En los sistemas controlados mecánicamente con un distribuidor de combustible, se utiliza un pistón impulsado por vacío conectado directamente al bastidor de control, mientras que los sistemas de inyección múltiple controlados electrónicamente suelen utilizar un sensor de flujo de aire y un sensor lambda . Sólo los sistemas controlados electrónicamente pueden formar la mezcla estequiométrica de aire y combustible con la precisión suficiente para que un catalizador de tres vías funcione lo suficiente, razón por la cual los sistemas de inyección múltiple controlados mecánicamente, como el Bosch K-Jetronic, ahora se consideran obsoletos. [1]
Como su nombre lo indica, un motor de inyección de punto único (SPI) solo tiene un inyector de combustible. Por lo general, se instala justo detrás de la válvula de mariposa en el cuerpo del acelerador. La inyección de un solo punto era una forma de costo relativamente bajo para que los fabricantes de automóviles redujeran las emisiones de escape para cumplir con las regulaciones más estrictas y al mismo tiempo proporcionaran una mejor "capacidad de conducción" (arranque fácil, funcionamiento suave, ausencia de vacilaciones) que 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 recorrido de la línea de combustible, podrían usarse con pocos o ningún cambio. Esto pospuso los costos de rediseño y herramientas de estos componentes. Sin embargo, la inyección en un solo punto no permite formar mezclas muy precisas, como exigen las normas de emisiones modernas, por lo que se considera una tecnología obsoleta en los turismos. [1] La inyección de punto único 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 los años 1990.
La inyección de punto único ha sido una tecnología conocida desde la década de 1960, pero durante mucho tiempo se ha considerado inferior a los carburadores porque requiere una bomba de inyección y, por tanto, es más complicada. [2] Sólo con la disponibilidad de unidades de control de motor digitales ( ECU ) económicas en la década de 1980, la inyección de punto único se convirtió en una opción razonable para los turismos. Habitualmente se utilizaban sistemas de inyección intermitente y de baja presión de inyección (70...100 kPa) que permitían el uso de bombas de inyección de combustible eléctricas de bajo coste. [3] Un sistema de inyección de punto único muy común utilizado en muchos turismos es el Bosch Mono-Jetronic, que el periodista alemán Olaf von Fersen considera una "combinación de inyección de combustible y carburador". [4]
El sistema se denominó Inyección del cuerpo del acelerador o Inyección de combustible digital por General Motors , Inyección central de combustible por Ford , PGM-CARB por Honda y EGI por Mazda ).
En un motor de inyección multipunto, cada cilindro tiene su propio inyector de combustible, y los inyectores de combustible generalmente se instalan muy cerca de las válvulas de admisión. Así, los inyectores inyectan el combustible a través de la válvula de admisión abierta al cilindro, lo que no debe confundirse con la inyección directa. Ciertos sistemas de inyección multipunto también utilizan tubos con válvulas de asiento alimentadas por un inyector central en lugar de inyectores individuales. Sin embargo, normalmente un motor de inyección multipunto tiene un inyector de combustible por cilindro, una bomba de combustible eléctrica, un distribuidor de combustible, un sensor de flujo de aire [5] y, en los motores modernos, una unidad de control del motor . [6] Las temperaturas cerca de las válvulas de admisión son bastante altas, la carrera de admisión provoca remolinos de aire de admisión y hay mucho tiempo para que se forme la mezcla de aire y combustible. [7] Por lo tanto, el combustible no requiere mucha atomización. [2] La calidad de la atomización está relacionada con la presión de inyección, lo que significa que una presión de inyección relativamente baja (en comparación con la inyección directa) es suficiente para los motores de inyección multipunto. Una presión de inyección baja da como resultado una velocidad relativa aire-combustible baja, lo que provoca gotas de combustible grandes y que se vaporizan lentamente. [8] Por lo tanto, la sincronización de la inyección debe ser precisa para minimizar el combustible no quemado (y, por tanto, las emisiones de HC). Por esta razón, los sistemas de inyección continua como el Bosch K-Jetronic están obsoletos. [1] Los sistemas de inyección multipunto modernos utilizan en su lugar una inyección intermitente controlada electrónicamente. [6]
Desde 1992 hasta 1996 General Motors implementó un sistema llamado Central Port Inyección o Central Port Fuel Inyección. El sistema utiliza tubos con válvulas de asiento de un inyector central para rociar combustible en cada puerto de admisión en lugar del cuerpo central del acelerador [ cita requerida ] . La presión del combustible es similar a un sistema de inyección de un solo punto. CPFI (utilizado de 1992 a 1995) es un sistema de disparo por lotes, mientras que CSFI (de 1996) es un sistema secuencial. [9]
En los motores de inyección múltiple, existen tres métodos principales para medir el combustible y controlar el tiempo de inyección.
En los primeros motores de inyección múltiple con sistemas de inyección totalmente mecánicos, se utilizaba una bomba de inyección accionada por engranajes, cadenas o correas con un mapa de motor mecánico "analógico". Esto permitía inyectar combustible de forma intermitente y con relativa precisión. Normalmente, estas bombas de inyección tienen una leva tridimensional que representa el mapa del motor. Dependiendo de la posición del acelerador, la leva tridimensional se mueve axialmente sobre su eje. Un mecanismo de recogida de tipo rodillo que está conectado directamente al bastidor de control de la bomba de inyección se desplaza sobre la leva tridimensional. Dependiendo de la posición de la leva tridimensional, empuja hacia adentro o hacia afuera los émbolos de la bomba de inyección accionados por el árbol de levas, que controla tanto la cantidad de combustible inyectado como el tiempo de inyección. Los émbolos de inyección crean la presión de inyección y actúan como distribuidores de combustible. Por lo general, hay una varilla de ajuste adicional que está conectada a una celda barométrica y un termómetro de agua de refrigeración, de modo que la masa de combustible pueda corregirse según la presión del aire y la temperatura del agua. [10] Los sistemas de inyección Kugelfischer también tienen un sensor de velocidad del cigüeñal centrífugo mecánico. [11] Los sistemas de inyección multipunto con control mecánico se utilizaron hasta la década de 1970.
En sistemas sin control de sincronización de inyección, el combustible se inyecta continuamente, por lo que no se requiere sincronización de inyección. La mayor desventaja de estos sistemas es que el combustible también se inyecta cuando las válvulas de admisión están cerradas, pero estos sistemas son mucho más simples y menos costosos que los sistemas de inyección mecánica con mapas de motor sobre levas tridimensionales. Sólo hay que determinar la cantidad de combustible inyectado, lo que se puede hacer muy fácilmente con un distribuidor de combustible bastante simple que está controlado por un sensor de flujo de aire impulsado por vacío en el colector de admisión. El distribuidor de combustible no tiene que crear presión de inyección, porque la bomba de combustible ya proporciona presión suficiente para la inyección (hasta 500 kPa). Por lo tanto, estos sistemas se denominan "sin motor" y no necesitan ser accionados por una cadena o correa, a diferencia de los sistemas con bombas de inyección mecánicas. Además, no se requiere una unidad de control del motor. [12] Los sistemas de inyección multipunto "sin motor" sin control de sincronización de inyección, como el Bosch K-Jetronic, se utilizaron comúnmente desde mediados de la década de 1970 hasta principios de la de 1990 en automóviles de pasajeros, aunque antes habían existido ejemplos, como el Rochester Ramjet. ofrecido en versiones de alto rendimiento del motor de bloque pequeño Chevrolet de 1957 a 1965.
Los motores con inyección múltiple y una unidad de control electrónico del motor a menudo se denominan motores con inyección electrónica de combustible (EFI). Normalmente, los motores EFI tienen un mapa de motor integrado en componentes electrónicos discretos, como la memoria de solo lectura . Esto es más fiable y más preciso que una leva tridimensional. El circuito de control del motor utiliza el mapa del motor, así como los datos del flujo de aire, la válvula del acelerador, la velocidad del cigüeñal y la temperatura del aire de admisión para determinar tanto la cantidad de combustible inyectado como el tiempo de inyección. Por lo general, estos sistemas tienen un único riel de combustible presurizado y válvulas de inyección que se abren de acuerdo con una señal eléctrica enviada desde el circuito de control del motor. El circuito puede ser completamente analógico o digital. Los sistemas analógicos como el Bendix Electrojector eran sistemas especializados y se utilizaron desde finales de los años cincuenta hasta principios de los setenta; Los circuitos digitales estuvieron disponibles a finales de la década de 1970 y desde entonces se han utilizado en sistemas electrónicos de control de motores. Una de las primeras unidades de control de motor digitales que se generalizó fue el Bosch Motronic . [13]
Para mezclar aire y combustible correctamente para que se forme una mezcla adecuada de aire y combustible, el sistema de control de inyección necesita saber cuánto aire se aspira hacia el motor, para poder determinar cuánto combustible se debe inyectar en consecuencia. En los sistemas modernos, un medidor de masa de aire integrado en el cuerpo del acelerador mide la masa de aire y envía una señal a la unidad de control del motor para que pueda calcular la masa de combustible correcta. Alternativamente, se puede utilizar un sensor de vacío múltiple. La unidad de control del motor puede utilizar la señal del sensor de vacío del colector, la posición del acelerador y la velocidad del cigüeñal para calcular la cantidad correcta de combustible. En los motores modernos se utiliza una combinación de todos estos sistemas. [5] Los sistemas de control de inyección mecánica, así como los sistemas sin alimentación, normalmente solo tienen un sensor de vacío en el colector de admisión (una membrana o una placa de sensor) que está conectado mecánicamente al bastidor de la bomba de inyección o al distribuidor de combustible. [14]
Los motores con inyección múltiple pueden utilizar inyección continua o intermitente. En un sistema de inyección continua, el combustible se inyecta continuamente, por lo que no hay modos de funcionamiento. Sin embargo, en los sistemas de inyección intermitente, normalmente hay cuatro modos de funcionamiento diferentes. [15]
En un sistema de inyección intermitente simultánea, existe un tiempo de inyección único y fijo para todos los cilindros. Por lo tanto, la sincronización de la inyección es ideal sólo para algunos cilindros; Siempre hay al menos un cilindro al que se le inyecta combustible contra las válvulas de admisión cerradas. Esto provoca tiempos de evaporación del combustible diferentes para cada cilindro.
Los sistemas con inyección de grupo intermitente funcionan de manera similar a los sistemas de inyección simultánea mencionados anteriormente, excepto que tienen dos o más grupos de inyectores de combustible de inyección simultánea. Normalmente, un grupo consta de dos inyectores de combustible. En un motor con dos grupos de inyectores de combustible, se produce una inyección cada media vuelta del cigüeñal, de modo que al menos en algunas zonas del mapa del motor no se inyecta combustible contra una válvula de admisión cerrada. Esta es una mejora con respecto a un sistema de inyección simultánea. Sin embargo, los tiempos de evaporación del combustible siguen siendo diferentes para cada cilindro.
En un sistema de inyección secuencial, cada inyector de combustible tiene una sincronización de inyección fija y correctamente configurada que está sincronizada con el orden de encendido de las bujías y la apertura de la válvula de admisión. De esta manera ya no se inyecta combustible contra las válvulas de admisión cerradas.
La inyección específica del cilindro significa que no hay limitaciones en el tiempo de inyección. El sistema de control de inyección puede configurar el tiempo de inyección para cada cilindro individualmente y no existe una sincronización fija entre los inyectores de cada cilindro. Esto permite que la unidad de control de la inyección inyecte el combustible no sólo según el orden de encendido y los intervalos de apertura de la válvula de admisión, sino que también le permite corregir las irregularidades de carga del cilindro. La desventaja de este sistema es que requiere una determinación de la masa de aire específica del cilindro, lo que lo hace más complicado que un sistema de inyección secuencial.
El primer sistema de inyección múltiple fue diseñado por Johannes Spiel en Hallesche Maschinenfabrik. [16] Deutz inició la producción en serie de motores estacionarios de cuatro tiempos con inyección múltiple en 1898. Grade construyó el primer motor de dos tiempos con inyección múltiple en 1906; Wright y Antoinette construyeron los primeros motores de avión de cuatro tiempos de producción en serie con inyección múltiple ( Antoinette 8V ). [17] En 1912, Bosch equipó el motor de una embarcación con una bomba de inyección improvisada construida a partir de una bomba de aceite, pero este sistema no demostró ser fiable. En la década de 1920, intentaron utilizar una bomba de inyección de motor diésel en un motor Otto de gasolina. Sin embargo, no tuvieron éxito. En 1930 Moto Guzzi construyó el primer motor Otto con inyección múltiple para motocicletas, que con el tiempo fue el primer motor para vehículos terrestres con inyección múltiple. [18] Desde la década de 1930 hasta la década de 1950, los sistemas de inyección múltiple no se utilizaron en los turismos, a pesar de que tales sistemas existían. Esto se debió a que el carburador resultó ser un sistema de formación de mezcla más simple y menos costoso, pero suficiente y que aún no necesitaba ser reemplazado. [14]
En ca. En 1950, Daimler-Benz inició el desarrollo de un sistema de inyección directa de gasolina para sus coches deportivos Mercedes-Benz. Sin embargo, para los turismos se consideró más viable un sistema de inyección múltiple. [14] Con el tiempo, los turismos Mercedes-Benz W 128 , W 113 , W 189 y W 112 se equiparon con motores Otto de inyección múltiple. [19] [20]
Desde 1951 hasta 1956, FAG Kugelfischer Georg Schäfer & Co. desarrolló el sistema de inyección mecánica Kugelfischer. [18] Se utilizó en muchos turismos, como el Peugeot 404 (1962), Lancia Flavia iniezione (1965), BMW E10 (1969), Ford Capri RS 2600 (1970), BMW E12 (1973), BMW E20 ( 1973) y el BMW E26 (1978). [21]
En 1957, Bendix Corporation presentó el Bendix Electrojector , uno de los primeros sistemas de inyección múltiple controlados electrónicamente. [22] Bosch construyó este sistema bajo licencia y lo comercializó a partir de 1967 como D-Jetronic . [21] En 1973, Bosch presentó sus primeros sistemas de inyección multipunto de desarrollo propio, el L-Jetronic electrónico y el K-Jetronic mecánico sin motor . [23] Su sistema Motronic totalmente digital se introdujo en 1979. Encontró un uso generalizado en las berlinas de lujo alemanas. Al mismo tiempo, la mayoría de los fabricantes de automóviles estadounidenses se apegaron a los sistemas de inyección electrónicos de un solo punto. [24] A mediados de la década de 1980, Bosch actualizó sus sistemas de inyección multipunto que no eran Motronic con unidades de control del motor digitales, creando el KE-Jetronic y el LH-Jetronic. [23] Volkswagen desarrolló el sistema de inyección digital "Digijet" para sus motores "Wasserboxer" refrigerados por agua , que evolucionó hasta convertirse en el sistema Volkswagen Digifant en 1985. [4]
Los sistemas de inyección baratos de un solo punto que funcionaban con convertidores catalíticos de dos o tres vías, como el Mono-Jetronic introducido en 1987, [23] permitieron a los fabricantes de automóviles ofrecer una alternativa económica a los carburadores incluso en sus coches económicos, que contribuyó a la amplia difusión de los sistemas de inyección múltiple en todos los segmentos del mercado de turismos durante la década de 1990. [25] En 1995, Mitsubishi introdujo el primer motor Otto de inyección directa de gasolina para turismos, y desde entonces la inyección directa de gasolina ha ido reemplazando a la inyección múltiple, pero no en todos los segmentos del mercado; Varios motores de turismos de nueva producción todavía utilizan inyección multipunto. [26]
