sistemas de inyección en motores...

Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Indutriales

Sistemas de Inyección en Motores Diesel

Autor: Alejandro Castillejo Calle

Tutor: Prof. Dr. D. Tomás Sánchez Lencero

Dep. de Ingeniería Energética

Grupo de Máquinas y Motores Térmicos

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2014

Trabajo Fin de Grado

Grado en Ingeniería de las Tecnologías Indutriales


Autor:

Alejandro Castillejo Calle

Tutor:

Prof. Dr. D. Tomás Sánchez Lencero

Dep. de Ingeniería Energética

Grupo de Máquinas y Motores Térmicos

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2014

Trabajo Fin de Grado: Sistemas de Inyección en Motores Diesel

Autor: Alejandro Castillejo Calle

Tutor: Prof. Dr. D. Tomás Sánchez Lencero

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2014

El Secretario del Tribunal

vii

RESUMEN

El trabajo fin de grado que se ha desarrollado se enmarca en una de las materias que

siempre ha estado vinculadas al Ingeniero Industrial desde los inicios de esta rama de la

ingeniería. Esta materia, los motores de combustión interna alternativos, ha sido objeto de

estudio desde la especialidad mecánica y la especialidad energética aunque, actualmente,

los alumnos de Ingeniería Industrial (especialidad Energética) reciban una formación

mayor que los otros en torno a dichos motores.

Por tanto, este trabajo fin de grado pretende contribuir a ampliar la formación del

autor en esta materia, contemplando aspectos que no pueden ser tratados con la

profundidad que aquí se hace durante las clases regladas de la asignatura

correspondiente. Asimismo, se integran aspectos mecánicos que son inseparables del

tema sobre el que versa el trabajo.

En este sentido, en este trabajo fin de grado se analizan los sistemas de formación de

mezcla de los motores diesel, denominados comúnmente “sistemas de inyección de

combustible”. Estos sistemas están íntimamente ligados al proceso de combustión ya que

el desarrollo de la combustión en estos motores depende fuertemente de los parámetros

fundamentales que caracterizan la inyección del combustible. Es necesario tener presente

que en los motores diesel se quema una mezcla heterogénea que comienza a formarse

dentro del cilindro desde el momento que penetra la primera gota de combustible pero

que, una vez producido el autoencendido y el período de rápida combustión, coexiste,

generalmente durante un tiempo, la formación de la mezcla con la propia combustión y

por tanto la velocidad con la que ésta progresa está condicionada por aquélla.

En el trabajo desarrollado en esta memoria se comienza analizando los principios

básicos de la inyección de combustible, los elementos esenciales que constituyen los

sistemas de inyección de combustible y sus tipologías. Posteriormente se analizan cada

uno de los sistemas de inyección partiendo de los de bomba en línea más tradicionales

hasta los actuales más sofisticados y precisos como el “common rail” que permiten

alcanzar el nivel de prestaciones (potencia/litro, consumo específico, emisiones gaseosas

contaminantes, nivel de ruido, etc.) que el mercado y/o la legislación actual, cada vez más

restrictiva, requiere. Este análisis se hace bajo una misma estructura: aplicaciones,

principio de funcionamiento y sistemas de control.

Finalmente se incluye un apartado a modo de conclusiones y aspectos que a juicio del

autor podrían ser motivo de un trabajo fin de grado que completase el aquí realizado y

otro con el listado de referencias bibliográficas consultadas.

viii

ÍNDICE

Resumen vii

Índice viii

1 Introducción 1

1.1 Planteamiento y objetivos del trabajo 1

1.2 Bosquejo histórico del motor Diesel 3

1.3 El motor diesel 5

2 Principios basicos de inyección del combustible 5

2.1 Tipos de camara de combustión 7

2.1.1 Motores con cámara abierta (inyección directa) 7

2.1.2 Motores con cámara dividida (inyección indirecta) 8

2.2 Distribución de la mezcla 11

2.2.1 Factor de exceso de aire λ 11

2.2.2 Niveles de lambda en motores Diesel 11

2.3 Parámetros de inyección 13

2.3.1 Inicio de la inyección y suministro 13

2.3.2 Cantidad de combustible inyectado 16

2.3.3 Duración de la inyección 17

2.3.4 Curva de inyección 19

2.3.5 Presión de inyección 24

3 Sistemas de inyección de combustible 26

3.1 Función 26

3.2 Suministro de combustible (etapa de baja presión) 26

3.2.1 Depósito de combustible 27

3.2.2 Líneas de transporte 27

3.2.3 Filtro de combustible 27

3.2.4 Bomba de prealimentación 29

3.2.5 Bomba de alimentación 29

3.3 Inyección (etapa de alta presión) 31

3.4 Tipos de sistemas de inyección 31

3.4.1 Sistemas con bomba de inyección en línea 31

3.4.2 Sistemas con bombas de inyección rotativas 32

3.4.3 Sistemas con bombas de inyección individuales 33

3.4.4 Sistemas de inyección Common-Rail 34

4 Sistemas con bomba de inyección en línea 35

4.1 Aplicaciones de las bombas de inyección en línea 36

4.2 Circuito de combustible 37

4.3 Bombas de alimentación 38

4.3.1 Bomba de alimentación de simple efecto 39

ix

4.3.2 Bomba de alimentación de doble efecto 40

4.4 Constitución 40

4.4.1 Elemento de bombeo 42

4.5 Funcionamiento de la bomba de inyección en línea tipo estándar PE 44

4.5.1 Funcionamiento de la regulación del caudal de combustible 45

4.5.2 Formas de las levas 47

4.6 Válvulas de descarga 48

4.6.1 Estrangulador de retroceso 49

4.7 Regulador de velocidad 50

4.7.1 Regulador de maxima velocidad 50

4.7.2 Regulador de minima y máxima velocidad 51

4.7.3 Regulador de todas las velocidades 52

4.8 Variador de avance 52

4.8.1 Principio de funcionamiento 54

4.8.2 Variador de avance de excéntrica 56

4.9 Lubricación de la bomba 58

4.10 Puesta a punto de la bomba en el motor 59

5 Sistemas con bomba de inyección rotativa 60

5.1 Aplicaciones 60

5.2 Diseños 60

5.2.1 Control del caudal de inyección 61

5.2.2 Método de generación de alta presión 61

5.2.3 Tipo de sistema de control 61

5.3 Etapa de baja presión 63

5.3.1 Bomba de alimentación de paletas 63

5.3.2 Válvula reguladora de presión 64

5.3.3 Estrangulador de rebose 64

5.4 Bombas rotativas de émbolo axial VE 65

5.4.1 Diseño y funcionamiento 65

5.4.2 Discos de levas y formas de leva 65

5.4.3 Bomba VE con control de caudal por corredera 66

5.4.4 Bomba VE con control de caudal por electroválvula 69

5.5 Bombas rotativas de émbolos radiales VR 71

5.5.1 Diseño 71

6 Bombas de inyección individuales PF 73

6.1 Aplicaciones 73

6.2 Diseño y operación 73

6.3 Control 74

7 Sistemas con inyector unitario (UIS) 75

7.1 Instalación y accionamiento 75

7.2 Diseño y construcción 76

7.3 Método de operación 78

7.3.1 Inyección principal 78

7.3.2 Preinyección 80

7.4 Electroválvula de alta presión 82

x

7.4.1 Diseño y construcción 82

Principio de operación 82

8 Sistemas con bomba unitaria (UPS) 84

8.1 Instalación y accionamiento 84

8.2 Diseño y construcción 85

9 Sistemas de inyección con acumulador “Common Rail” 86

9.1 Aplicaciones 87

9.2 Diseño y estructura 88

9.3 Componentes de la etapa de alta presión 89

9.3.1 Bomba de alta presión 90

9.3.2 Acumulador de alta presión 92

9.3.3 Sensor de presión 93

9.3.4 Válvula limitadora de presión 94

9.3.5 Válvula reguladora de presión 95

9.3.6 Inyector con electroválvula 97

9.3.7 Inyector piezoeléctrico integrado en la tubería 100

10 Toberas de inyectores 102

10.1 Toberas de inyector de tetón 103

10.2 Toberas de inyector de orificios 104

11 Regulación electronica Diesel (EDC) 105

11.1 Sinopsis del sistema 106

11.1.1 Requisitos 106

11.1.2 Funcionamiento 107

11.1.3 Bloques del sistema 108

11.2 Procesamiento de datos 108

11.3 Control de la inyección 110

Conclusiones 114

Abreviaturas 115

Bibliografía 117

1

1 INTRODUCCIÓN

1.1 Planteamiento y objetivos del trabajo

En el ámbito de los sistemas de producción de potencia los motores de combustión

interna alternativos encuentran su aplicación en:

- la generación de energía eléctrica (motores que accionan generadores

eléctricos desde potencias de menos de 1 kW hasta potencias de más de 80 MW),

- los sistemas propulsivos (automoción, vehículos agrícolas y de obras públicas,

marítima, ferroviaria, aérea),

- otras aplicaciones (motobombas, motosierras, otras herramientas

motorizadas, etc.).

A partir de los años cincuenta del pasado siglo comienza en el estado de California la

preocupación por las emisiones gaseosas de los motores de combustión interna

alternativos de automoción y aparecen las primeras normativas para su regulación en

dicho estado. Posteriormente, estas normativas se extienden al resto de EEUU y otros

países como Japón y más tarde a Europa. Las sucesivas crisis del petróleo de 1973 y la de

1979 y la preocupación asociada por el posible agotamiento del petróleo, así como por la

contaminación atmosférica conduce el desarrollo de los motores, no ya sólo en el campo

de la automoción si no también en otros campos, por el camino de la mejora integral de

todas sus prestaciones no sólo de la potencia específica (kW/l), como había sido hasta

entonces, si no también del consumo específico y de las emisiones gaseosas y sonoras. Así,

la normativa que regula estos parámetros ha ido haciéndose cada vez más restrictiva y ha

supuesto un gran reto para la industria del motor ya que la reducción conjunta de estos

parámetros (consumo y emisiones gaseosas y sonoras) y aumento de la potencia

específica es un objetivo difícil de conjugar.

En esta hoja de ruta, la dieselización de la potencia instalada con motores alternativos a

nivel mundial ha crecido sobremanera en las últimas décadas del pasado siglo y en lo que

va de éste.

Esta dieselización, en el contexto expresado anteriormente, ha supuesto un acicate

notabilísimo en el desarrollo y mejora del diseño de estos motores en todas sus

aplicaciones.

Como es sabido, a causa del principio de funcionamiento de los motores diesel, el

proceso de combustión y por ende el sistema de formación de mezcla, del que depende

2


fuertemente aquél, es de vital importancia.

Este trabajo se circunscribe en este contexto y trata de completar e integrar la

formación del autor en este campo. No trata por tanto de presentar nada nuevo si no de

tratar de manera estructurada los sistemas de inyección de los motores diesel recopilando

lo publicado en distintas referencias bibliográficas e integrándolo en un cuerpo de doctrina

con un hilo conductor. Los objetivos del trabajo pueden resumirse en dos puntos.

- Realizar una revisión ordenada e integral de los sistemas de inyección de los

motores diesel (parámetros que los caracterizan, principio de funcionamiento,

elementos esenciales, control) desde los más simples a los actuales más

sofisticados y precisos.

- Plasmar esta revisión en un documento que sirva para ampliar el conocimiento

de los alumnos de Grado en el campo de los motores diesel de una manera

sintetizada y estructurada.

3


1.2 Bosquejo histórico del motor Diesel

El motor de encendido por compresión nace el 27 de febrero de 1892 cuando el

ingeniero alemán Rudolf Diesel, a quien debe su nombre este motor, presenta en Berlín su

patente.

Diesel llevaba años trabajando en su proyecto de un motor más eficiente que el

utilizado hasta la época, la maquina de vapor, cuyo rendimiento energético era

aproximadamente del 10%. Su idea era crear un motor basado en el ciclo isotérmico que,

de acuerdo a la teoría del físico francés Sadi Carnot, podría operar con una eficencia en

torno al 90%.

Así, Diesel desarrollo su motor inicialmete en papel, basado en el modelo de Carnot.

Este nuevo motor sería comparativamente más pequeño y potente. Diesel estaba

convencido de la potencia y funcionalidad de su motor.

El 23 de febrero de 1893, Diesel recibe el documento oficil de su patente “Nuevo motor

térmico racional”. Unos meses mas tarde alcanza un convenio con el fabricante de

motores MAN (Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg). Su proyecto requería alcanzar una

presión máxxima de compresión de 250 bar, pero por razones mecánicas tuvo que

reducirse a 30 bar, lo que naturalmente tendría un efecto perjudicial en la combustión. Su

primera idea era utilizar carbón pulverizado como combustible. Ese mismo año comienzan

la construcción del motor, finalmente utilizando como combustible el queroseno.

En 1897, con su tercer modelo ensayado, consiguieron demostrar la alta eficiencia de

este motor, un 26.2%. En este modelo el combustible se intruducía en el cilindro mezclado

con aire mediante un compresor.

A finales del siglo XIX, el motor de Diesel ya se utilizaba en la industria y en algunas

locomotoras. En 1903 se contruyó el primer barco movido por un motor diesel. Sin

embargo, este motor aún no se podía utilizar en vehículos por ser demasiado grande,

pesado y ruidoso, debido principalmente a la compleja instalación que requería el sistema

utilizado para inyectar el combustible.

En 1922, el técnico alemán Robert Bosh decidió desarrollar su propio sistema de

inyección para motores Diesel. En 1925 consiguió culminal su proyecto con la bomba de

inyección en línea y en 1927 comenzó la fabricación en serie de ésta.

La bomba inyectora diseñada por Bosch permitió el uso por primera vez del motor

diesel en vehículos. El primero fue un camión fabricado por MAN. Este llevaba un sistema

de inyección directa al cilindro, lo que provocaba que el motor tuviera una mala

combustión con excesivas vibraciones y ruidos.

No fue hasta 1936 cuando se fabricó por primera vez un coche propulsado por un

motor diesel, el Mercedes-Benz 260D. Conseguía dar una potencia de 33 kW (45 CV) con

un consumo de 9.5 l/100km. Este motor tenía como novedad la inyección en una cámara

4


de precombustión. Con esto se consiguió mejorar la combustión y reducir el ruido del

motor, haciendo factible su uso en la automoción.

La bomba de inyección en línea fue el sistema de inyección utilizado en los motores

diesel durante muchos años. A medida que se desarrollaba el campo de la aotomoción se

hacía cada vez mas preciso desarrollar un sistema de inyección más avanzado, pues la

bomba en línea no conseguía dar al motor la aceleración y respuesta suficientes para

poder competir contra los motores de gasolina de la época. Así en 1962 Bosch creó un

nuevo prototipo de bomba inyectora que conseguía satisfacer estos requisitos, la bomba

rotativa.

El desarrollo de las bombas rotativas, debido principalmente a la incorporación de la

electrónica y el aumento de la presión de inyección, hizo que los automóviles con motor

Diesel fueran ganando cada vez mas peso en el mercado.

El desarrollo de los sistemas de inyección ya no solo estaba impulsado por mejorar el

rendimiento del motor. También debía hacer frente a las resticciones sobre emisiones

contaminantes, cada vez más exigentes.

En la actualidad existen sistemas que son capaces de controlar la inyección de forma

totalmente electrónica, con presiones de inyección muy elevadas. Solo así se consigue

cumplir la legislación vigente sobre emisiones.

Con el desarrollo de los sistemas de inyección y la incorporación del uso del

turbocompresor, los automóvles con motor Diesel han conseguido prácticamente igualar

en prestaciones a los de gasolina. Por esto y su mayor eficiencia, el Diesel esta cada vez

más extendido y en los últimos años ha llegado a superar en ventas a los automóviles con

motor de gasolina.

5


1.3 El motor diesel

El motor diesel es un motor de combustión interna alternativo de encendido por

compresión. La combustión de la mezcla se inicia por el autoencendido del combustible

que tras ser inyectado en la cámara de combustión al final de la fase de compresión se ha

evaporado y mezclado con el aire.

Los motores Diesel son los motores de combustión interna alternativos más eficientes,

pudiendo sobrepasar un rendimiento del 50% en el caso de los grandes motores lentos.

El menor consumo de combustible tiene como resultado un menor nivel de

contaminación, esto destaca la importancia del motor diesel.

Pueden ser diseñados para trabajar con un ciclo de 2 o de 4 tiempos dependiendo de

su aplicación. En la automoción casi siempre se usa el de 4 tiempos; las principales

aplicaciones del de 2 tiempos son en el campo naval y el ferroviario, y en los motores

estacionarios para la generación de energía eléctrica. El mayor motor de combustión

interna alternativo existente es un motor diesel de 2 tiempos sobrealimentado de 14

cilindros con una potencia que supera los 80 MW y un rendimiento superior al 50%

(Wärtsilä RT-flex 96C).

2 PRINCIPIOS BASICOS DE INYECCIÓN DEL

COMBUSTIBLE

El proceso de combustión en el motor diesel que influye fuertemente en factores tales

como el rendimiento, las emisiones de los gases de escape y el nivel de ruido, depende en

gran medida de cómo se prepara la mezcla aire-combustible.

Los parámetros de la inyección más influyentes en la calidad de la mezcla formada son

principalmente:

Inicio de la inyección

Curva de inyección y duración de la inyección

Presión de inyección

Número de inyecciones

En los motores diesel, los gases de escape y el ruido de la combustión, se pueden

reducir en gran parte con medidas dentro del motor, es decir, controlando el proceso de

combustión.

6


Hasta la los años 1980 la cantidad de combustible inyectado y el inicio de la inyección

eran controlados únicamente de forma mecánica. Sin embargo, el compromiso con la

limitación de emisiones requiere una alta precisión de los parámetros de inyección (pre-

inyección, inyección principal, cantidad de combustible inyectada, presión de inyección y

comienzo de la inyección) adaptados al estado de operación del motor. Esto sólo es

posible utilizando una unidad de control electrónico ECU (Electronic Control Unit) que

calcula los parámetros de inyección en función de otros parámetros externos como:

temperatura, velocidad del motor, carga, altitud, etc. El control electrónico EDC (Electronic

Diesel Control) se ha extendido de forma general en los motores diesel.

Las normativas sobre emisiones de los gases de escape en el futuro serán cada vez más

estrictas, por lo que habrá que introducir más medidas para minimizar la contaminación.

Las emisiones, además del ruido de la combustión, pueden continuar reduciéndose

usando presiones de inyección más altas, como las que se consiguen con el sistema

bomba-inyector unitario UIS (Unit Inyector System), y con una curva inyección ajustable

independientemente de la presión de acumulación, como ocurre en el sistema common-

rail.

7


2.1 Tipos de camara de combustión

La forma de la cámara de combustión es uno de los factores determinantes en la

calidad de la combustión y, por tanto, del rendimiento del motor y las características de

los gases de escape. Con el diseño adecuado de la cámara de combustión y el movimiento

del pistón se puede conseguir crear turbulencias en el interior del cilindro y así mejorar la

formación de la mezcla aire/combustible.

Según el diseño de la cámara de combustión, los moteres se dividen en dos tipos:

Moteres con cámara de combustión abierta o de inyección directa (el

combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión).

Motores con cámara de combustión dividida o de inyección indirecta (la

inyección tiene lugar en la precámara o cámara de turbulencia).

2.1.1 Motores con cámara abierta (inyección directa)

Una cámara de combustión abierta es aquella en la que el espacio de combustión no

contiene restricciones suficientemente pequeñas como para producir diferencias grandes

de presión entre partes diferentes de la cámara durante el proceso de combustión.

En la cámara abierta la formación de la mezcla aire/combustible depende unicamente

de las características del chorro y del movimiento del aire dentro del cilindro. Por este

motivo, este tipo de motores son muy sensibles a la pulverización del combustible, que

debe ajustarse con precisión para asegurar una mezcla rápida. La formación de la mezcla

se ve favorecida por el uso de altas presiones de inyección y la subdivisión del chorro. En el

caso de los motores de gran velocidad (cilindros pequeños), se favorece el proceso de

mezcla mediante la creación de swirl (movimiento de remolino provocado por la inercia

del aire que entra al cilindro (Figura 1, segunda imagen)) y squish (movimiento del aire al

entrar en el hueco del cilindro, donde se reduce el diámetro de la cámara). El movimiento

del aire favorece la homogeneización de la mezcla y acelera el proceso de combustión.

En los motores de mayor tamaño, la cantidad de movimiento y la energía del chorro

son suficientes para alcanzar una distribución del combustible y velocidad de mezcla

adecuadas.

8


Figura 1. Tipos frecuentes de cámaras de combustión abiertas de motores de encendido por compresión,

(Heywood)

2.1.2 Motores con cámara dividida (inyección indirecta)

Una cámara de combustión dividida es aquella en la que el espacio de combustión se

halla dividido en dos compartimentos distintos, entre los que hay un estrechamiento

suficientemente pequeño para que existan diferencias apreciables de presión entre ellos

durante el proceso de compresión y combustión.

A la parte de la cámara en la que se encuentra el pistón se le conoce por el nombre de

cámara principal y a la otra con el nombre de precámara o antecámara.

En este tipo de cámara de combustión la homogeneización de la mezcla está

fundamentalmente encomendada al propio fluido, como consecuencia de la importante

turbulencia que aparece durante el tránsito del fluido, a través del estrechamiento. El

sistema de inyección juega en este caso un papel secundario, siendo, en general el

inyector de orificio único e inyectado el combustible en la precámara a una presión

comparativamente baja.

Durante la compresión el aire se introduce en la precámara, generándose turbulencia a

su paso a través del orificio de comunicación entre la cámara principal y la precámara. Al

inyectarse el combustible en la precámara la turbulencia favorece la mezcla.

9


Figura 2. Cámaras de combustión divididas típicas de motores de encendido por compresión: a) con

cámara arremolinadota Ricardo Comet; b) con precámara Mercedes, (Heywood)

Las cámaras de combustión divididas han sido muy utilizadas en en los motores de

automóvil y maquinaria agrícola e industrial de pequeña o media cilindrada, ya que con los

sistemas de inyección tradicionales era la única forma de reducir las emisiones de ruido y

gases contaminantes. Con el desarrollo de los sistemas de inyección (mayor presión de

inyección y precisión) se ha podido implantar en estos motores la inyección directa, que ya

se usaba desde un principio en los motores de gran cilindrada, consiguendo un mejor

rendimiento.

11

2.2 Distribución de la mezcla

2.2.1 Factor de exceso de aire λ

El factor de exceso de aire λ (lambda) indica el grado en que la mezcla aire/combustible

se desvía de la relación másica estequiométrica. Se calcula como la relación entre la masa

de aire introducida y la masa de aire requerida para la combustión estequiometrica:

ó é

λ = 1: La masa de aire introducida es igual a la masa de aire teórica requerida

para la combustión completa de todo el combustible inyectado.

λ < 1: La masa de aire introducida es menor que la cantidad requerida y por lo

tanto se tiene una mezcla rica.

λ > 1: La masa de aire introducida es mayor que la cantidad requerida y por lo

tanto se tiene una mezcla pobre.

2.2.2 Niveles de lambda en motores Diesel

Las zonas en las que hay una mezcla rica son las responsables de la formación de

partículas durante la combustión. Para prevenir esto, en los motores Diesel (al contrario

de lo que ocurre en los de gasolina) tienen que funcionar con un exceso de aire.

Los niveles de lambda en motores sobrealimentados a plena carga se encuentran entre

1,15 y 2,0. En ralentí y en vacío, lambda se encuentra por encima de 10.

El factor de exceso de aire es el principal responsable del autoencendido y de la

formación de gases contaminantes.

Los motores Diesel operan con formación de mezcla heterogénea y autoencendido. No

es posible lograr una mezcla completamente homogénea de combustible y aire antes o

durante la combustión. Dentro de esa mezcla heterogénea el factor de exceso de aire

puede variar de forma localizada desde λ=0 (solo combustible) en el chorro cerca del

inyector, hasta λ=∞ (solo aire) en el otro extremo del chorro. Alrededor una gota de

liquido envuelta en vapor, los niveles de λ se encuentran entre 0,2 y 1,5 (Figuras 3 y 4).

Por esto, se puede deducir que mejorando la atomización (alto número de gotas muy

pequeñas), con alto exceso de aire y el movimiento adecuado del flujo de aire, se consigue

reducir las zonas localizadas con bajo lambda. Esto da como resultado menos formación

de partículas durante la combustión.

Principios basicos de inyección del combustible

12

La atomización se consigue optimizar con altas presiones de inyección de hasta 2200

bar que se consiguen con los sistemas Common Rail y con inyector-bomba.

Por otro lado, se trata de obtener la máxima potencia posible de un motor de un cierto

tamaño, o lo que es lo mismo, reducir su tamaño para una determinada potencia, y así

reducir su peso y coste. Para esto el motor debe funcionar con el mínimo exceso de aire

posible a plena carga. Esto lleva a buscar el óptimo que cumpla con las emisiones máximas

permitidas por la legislación vigente obteniendo el máximo rendimiento posible del

motor.

Figura 3. Curva relación aire/combustible en una

gota estática (Robert Bosch GmbH)

Figura 4. Curva relación aire/combustible en una


13

gota en movimiento (Robert Bosch GmbH)

2.3 Parámetros de inyección

2.3.1 Inicio de la inyección y suministro

Inicio de la inyección

El punto en el que se inyecta el combustible dentro de la cámara de combustión tiene

un efecto decisivo sobre el instante en el que se inicia la combustión de la mezcla, y por lo

tanto, sobre el nivel de emisiones, el consumo de combustible y el ruido de la combustión.

Por este motivo, el inicio de la inyección juega el papel más importante en la optimización

del rendimiento del motor.

El inicio de la inyección especifica la posición del cigüeñal, en grados con respecto a la

posición del mismo en el PMS (Punto Muerto Superior), en la que abre la tobera del

inyector y se inyecta el combustible dentro de la cámara.

La posición del pistón relativa al PMS en ese momento, además de la densidad y

temperatura del aire, influye en el flujo de aire dentro de la cámara de combustión. De

acuerdo a esto, el grado de mezcla de aire y combustible depende también del inicio de la

inyección. Por tanto, el inicio de la inyección afecta a las emisiones de elementos como

partículas, óxidos de nitrógeno (NOx), hidrocarburos inquemados (HC) y monóxido de

carbono (CO).

El punto de inicio de inyección varía de acuerdo a la carga, la velocidad y la temperatura

del motor. Para cada motor se determinan unos valores optimizados, teniendo en cuenta

su impacto sobre el consumo de combustible, las emisiones contaminantes y el ruido.

Estos valores se almacenan en un mapa de inicio de inyección (Figura 5 ). La variación del

inicio de inyección dependiendo de la carga se controla también a través de dicho mapa.

Comparado con los sistemas controlados por leva, el common-rail ofrece un mayor

grado de libertad para elegir la cantidad, el instante y la presión de inyección. Como la

presión del combustible se genera por una bomba de alta presión separada y la inyección

se controla por un solenoide o un actuador piezoeléctrico, es posible optimizar la

inyección para cada punto de operación con el sistema de control del motor.

Valores estándar para el inicio de la inyección

En un mapa de datos de un motor diesel, los puntos óptimos de inicio de la combustión

para reducir el consumo de combustible se encuentran en el rango de 0 a 8 grados del

cigüeñal antes del PMS. Como resultado, y en base a los límites legales de emisiones de los

gases de escape, los puntos de inicio de inyección se sitúan en los siguientes rangos

orientativos:


14

Motores de automóvil de inyección directa:

En vacio: entre -2 y 4º (2 grados en el cigüeñal antes del PMS y 4 grados

después del PMS)

Carga parcial: entre -6 y 4º

Plena carga: entre -15 y -6º

Motores de vehículos comerciales (sin EGR)

En vacío: entre -12 y -4º

Plena carga: entre -6 y 2º

Cuando el motor esta frío, el inicio de la inyección tanto para motores de automóvil

como de vehículos comerciales se adelanta ente 3 y 10º. El tiempo de la combustión a

plena carga equivale a un ángulo de giro del cigüeñal de entre 40 y 60º.

Inicio de la inyección avanzado

La mayor temperatura alcanzada durante la compresión se da un poco antes del PMS

del pistón. Si la combustión se inicia mucho antes del PMS, la presión crece bruscamente y

actúa como una fuerza que se opone a la carrera de ascenso del pistón. La perdida de

calor en el proceso disminuye la eficiencia del motor y, por tanto, aumenta el consumo de

combustible. La elevación brusca de la presión de compresión hace también que la

combustión sea más ruidosa.

El mayor incremento de temperatura como consecuencia del inicio de inyección

avanzado tiene como consecuencia un aumento de los niveles de NOx en los gases de

escape y reducción de los HC (Figura 6).

Inicio de la inyección retardado

En condiciones de baja carga, el inicio de la inyección retardado puede dar como

resultado una combustión incompleta y, por tanto, un incremento en las emisiones de

hidrocarburos inquemados y de monóxido de carbono, ya que la temperatura en la

cámara de combustión desciende notablemente.

El compromiso para compensar, por un lado, el consumo especifico de combustible y

las emisiones de hidrocarburos, y por el otro, las emisiones de partículas y NOx, hacen que

la tolerancia sea muy pequeña cuando se modifica el inicio de inyección para ajustarlo a

un determinado motor (Figura 6).


15

Comienzo del suministro

Además del inicio de la inyección, el inicio del suministro es otro aspecto que a menudo

hay que considerar. Esto se refiere al punto en el que la bomba de inyección comienza a

suministrar combustible al inyector.

En los sistemas de inyección antiguos, el inicio del suministro juega un papel

importante a la hora de ajustar una bomba en línea o rotativa a un determinado motor. La

sincronización entre la bomba y el motor se fija al inicio del suministro, ya que éste es más

fácil de definir que el punto real de inicio de inyección, el cual tiene lugar con un cierto

retraso con respecto al inicio del suministro (injection lag). Se puede fijar de esta forma

porque hay una relación definida entre ambos, que se puede medir por tiempo o por el

ángulo barrido por el cigüeñal.

El retraso de la inyección es el resultado del tiempo que tarda la onda de presión en

recorrer el trayecto entre la bomba de alta presión y la tobera del inyector, y por lo tanto,

depende de la longitud de la línea. Para distintas velocidades del motor, el retraso de la

inyección medido en ángulos del cigüeñal es distinto.

Además del retaso en la inyección también existe un retraso en el autoencendido

después del instante en que se inyecta el combustible (ignition lag). También se hace

mayor, medido en ángulo barrido por el cigüeñal, a medida que aumenta la velocidad de

giro del motor.

Figura 5. Inicio de la inyección en función de la

velocidad del motor y la carga, (Robert Bosch

GmbH)

Figura 6. Emisiones de NOx y HC en función del

inicio de inyección, (Robert Bosch GmbH)


16

Para compensar ambos efectos el sistema de inyección debe ser capaz de ajustar el

inicio del suministro en respuesta a la velocidad, la carga y la temperatura del motor.

2.3.2 Cantidad de combustible inyectado

La masa de combustible, , que requiere un cilindro del motor por cada carrera de

trabajo (una cada dos revoluciones en el caso de los motores de 4 tiempos) se calcula

usando la siguiente ecuación:

donde:

P = potencia del motor [kW]

= consumo especifico de combustible del motor [g/kWh]

n= velocidad de giro del motor [rpm]

= numero de cilindros del motor

El volumen correspondiente (cantidad de combustible inyectado), , medido en

o se calcula con la ecuación:

es la densidad del combustible en , que depende de la temperatura.

La potencia del motor, asumiendo que el rendimiento es constante ( ) es

directamente proporcional a la cantidad de combustible inyectado.

La masa de combustible inyectado depende de los siguientes parámetros:

Dosificación de combustible a través de la sección de la tobera del inyector

Duración de la inyección

La variación temporal de la diferencia entre la presión de inyección y la presión

en la cámara de combustión

La densidad del combustible

La desviación entre la cantidad de combustible de referencia programada en el mapa y

la cantidad real inyectada, influye directamente sobre el rendimiento y las emisiones

contaminantes. En los sistemas de inyección de alta precisión controlados

electrónicamente, la cantidad requerida de combustible a inyectar se puede medir con un

alto grado de precisión.


17

2.3.3 Duración de la inyección

Uno de los principales parámetros de la curva inyección es la duración de la inyección.

Durante este periodo, la tobera del inyector está abierta y el combustible fluye dentro de

la cámara de combustión. Este parámetro se especifica en grados del cigüeñal o del árbol

de levas, o en milésimas de segundo. Diferentes procesos de inyección requieren

diferentes duraciones de la inyección, como por ejemplo:

En automóviles con motores de inyección directa la duración es de

aproximadamente 32-38º de giro del cigüeñal

En automóviles con motores de inyección indirecta, aproximadamente 35-40º

En vehículos comerciales con motores de inyección directa, aproximadamente

entre 25-36º

Un ángulo de 30º en el cigüeñal equivale a 15º en el árbol de levas (motores de 4

tiempos). Una velocidad de 2000 rpm en la bomba inyectora, equivale a una duración de

la inyección de 1,25 ms.

Con el objetivo de minimizar el consumo de combustible y las emisiones, la duración de

la inyección debe ser definida en función del punto de operación y del inicio de la

inyección. En la Figura 7 se muestra aproximadamente el efecto de el inicio y la duración

de la inyección sobre el consumo de combustible y las principales emisiones

contaminantes.


18

Figura 7. Consumo de combustible y principales emisiones en función del la duracionón y el inicio de la

inyección, (Robert Bosch GmbH)


19

2.3.4 Curva de inyección

La curva de inyección representa gráficamente el flujo másico de combustible frente al

tiempo en el que es inyectado en la cámara de combustión (Figura 8).

Figura 8. Curvas de inyección de un sistema de convencional (izquierda) y de un sistema Common Rail (derecha),

(Robert Bosch GmbH)

Sistemas controlados por leva

En los sistemas de inyección de combustible controlados por leva, la presión se genera

continuamente a lo largo del proceso por la bomba inyectora. Así, la velocidad de la

bomba repercute directamente en la tasa de suministro de combustible y, por tanto, en la

presión de inyección.

Las bombas inyectoras en línea y las bombas rotativas controladas mecánicamente no

permiten realizar una preinyección. Sin embargo, con un montaje de tobera y porta

inyector con dos muelles, se puede reducir el caudal al inicio de la inyección para mejorar

el ruido de la combustión.

Sí es posible la preinyección en las bombas rotativas controladas por electroválvulas.

También hay sistemas con unidad bomba-inyector equipados con control hidráulico y

mecánico que permiten la preinyección, pero con un límite de tiempo.

En todo caso, en estos sistemas, la generación de presión y el suministro de la cantidad

de combustible inyectado están vinculados con la leva y la bomba inyectora. Esto

repercute en las características de la inyección en:

Al aumentar la velocidad del motor, se incrementa la presión de inyección y la

cantidad de combustible inyectado, hasta alcanzar la presión máxima.

La presión se eleva al inicio de la inyección, pero antes del final de la inyección,

en el instante en que termina el suministro, desciende hasta llegar al valor en el

que cierra la tobera.


20

Eso tiene las siguientes consecuencias:

Se inyectan pequeñas cantidades de combustible a baja presión.

La curva de inyección tiene una forma aproximadamente triangular.

La curva triangular favorece la combustión en régimen de carga parcial y baja velocidad

del motor, ya que la elevación de la presión en la cámara de combustión es menos

pronunciada y esto hace que la combustión sea más silenciosa; sin embargo esta curva no

favorece la combustión a plena carga, donde se consigue un funcionamiento más eficiente

con una curva con forma más cuadrada.

En los motores de inyección indirecta (con pre-cámara), se utilizan inyectores de tetón

para producir un único chorro y definir la curva de inyección. Este tipo de toberas de

inyección controla la sección transversal de salida en función de la elevación de una aguja.

Esto provoca un incremento de presión gradual y, por tanto, una combustión algo más

silenciosa.

Sistemas common-rail

En estos sistemas una bomba genera la presión necesaria en el combustible

independientemente del ciclo de inyección. Esta presión se mantiene prácticamente

constante durante el proceso de inyección. En un sistema con una determinada presión, la

cantidad de combustible inyectado es proporcional al tiempo que el inyector permanece

abierto, y esto es independiente de la velocidad del motor o de la bomba.

Esto tiene como resultado una curva de inyección casi cuadrada con inyecciones de

corta duración y casi constantes, con altas velocidades de pulverización a plena carga que

permiten incrementar la potencia especifica del motor.

Sin embargo, un alto caudal al principio de la inyección (durante el retraso de

encendido) no es beneficioso, en el sentido en que hace que la presión en la cámara de

combustión crezca bruscamente y el proceso de combustión sea más ruidoso. Por eso,

como la inyección se puede controlar de forma precisa, se pueden realizar hasta dos

preinyecciones. Con esto se consigue preacondicionar la cámara de combustión, haciendo

que la presión crezca de forma más progresiva, reduciendo el tiempo de retraso de la

inyección y, por tanto, consiguiendo reducir al mínimo el ruido de la combustión y la

formación de NOx.

Esto es posible debido al control electrónico sobre los inyectores que permite variar la

curva de inyección en función de las condiciones de operación.


21

Funciones de la inyección

Dependiendo de la aplicación para la que esté destinado el motor, se requieren las

siguientes funciones (Figura 9):

Pre-inyección (1): reduce el ruido de la combustión y las emisiones de NOx,

especialmente en los motores de inyección directa.

Gradiente positivo de inyección durante la inyección principal (3): reduce

emisiones de NOx en motores sin válvula EGR.

Gradiente de presión en dos etapas (4): durante la inyección principal reduce

las emisiones de NOx y partículas en motores sin EGR.

Alta presión constante durante la inyección principal (3,7): reduce las emisiones

de partículas durante la operación en motores con EGR.

Inyección secundaria avanzada (8): reduce las emisiones de partículas.

Inyección secundaria avanzada (9).

Figura 9. Patrones de inyección (Robert Bosch GmbH)


22

Pre-inyección

Consiste en la inyección de una pequeña cantidad de combustible (aprox. 1 mg), que se

quema durante la fase de compresión. Con esto se consigue que aumente la presión y la

temperatura en el punto en el que se produce la inyección principal, con lo cual se reduce

el retardo de encendido de la inyección principal. Se reduce el aumento de la presión de

combustión y los picos de presión, lo que se traduce en una combustión más suave y

menos ruido del motor. Esto además tiene un efecto positivo sobre la reducción del

consumo y de las emisiones contaminantes (NOx fundamentalmente).

La inyección previa contribuye indirectamente, a la generación de par motor, mediante

la reducción del retardo de encendido. En función del comienzo de la inyección principal y

de la separación entre la inyección previa y la inyección principal, puede aumentar o

disminuir el consumo específico de combustible.

Por otro lado, las altas temperaturas en la cámara de combustión son favorables para

el arranque en frio y cuando el motor trabaja en el rango de baja carga, ya que estabilizan

la combustión y reducen las emisiones de HC y CO.

De nuevo se presenta un compromiso entre la reducción de ruido y de las emisiones de

NOx, lo que hace que haya que ajustar el intervalo entre pre-inyección e inyección

principal, y la cantidad de combustible pre-inyectado en función del punto de operación.

Figura 10. Efecto de la preinyección en la presion de la cámara de

combustión, (Robert Bosch GmbH)


23

Inyección secundaria retardada

Esta fase trascurre tras la inyección principal, durante la carrera de expansión o de

escape (hasta 200º del cigüeñal después del PMS). Se inyecta una cantidad precisa de

combustible en los gases de escape. El combustible inyectado en esta etapa no

combustiona, pero se evapora por el calor residual de los gases de escape. La mezcla

resultante se expulsa durante la carrera de escape.

La combustión de los hidrocarburos de esta mezcla genera también un incremento de

la temperatura de los gases de escape por la oxidación en el acumulador catalítico. Esta

medida tiene como objetivo regenerar el filtro de partículas y el acumulador de NOx.

Inyección secundaria avanzada

En los sistemas common-rail, la inyección secundaria

transcurre directamente después de la inyección

principal cuando aún se está produciendo la

combustión. Esto hace que se quemen las partículas de

hollín, consiguiendo reducir estas emisiones entre un

20 y un 70%.

Características del “timing” de los sistemas de inyección

La figura 11 representa un ejemplo de una bomba

rotativa de émbolos radiales. La posición de la leva

determina el inicio del suministro, cuando el

combustible sale desde la bomba hacia el inyector. Se

observa que la presión y los parámetros de inyección

varian notablemente entre la bomba y el inyector.

Estos parámetros están determinados por las

características de los componentes que controlan la

inyección (leva, bomba, válvula de alta presión, tuberías

y toberas). Por este motivo, el sistema de inyección

debe ser ajustado con precisión a cada motor.

Estas características son similares en todos los

simtemas de inyección en los que la presión es

generada por un émbolo (bombas de inyección en

línea, inyectores unitarios y bombas unitarias).

Figura 11. Patrones de inyección en

sistemas de accionamiento por leva


24

Volumen perjudicial en sistemas de inyección convencionales

El término “volumen perjudicial” se refiere al volumen en el lado de alta presión de los

sistemas de inyección (lado de alta presión de la bomba inyectora, tuberías de alta presión

y el volumen del inyerior de la tobera y el portainyector. En cada inyección, este volumen

es comprimido y descomprimido. Como resultado de esto, hay una pérdida de compresión

y por lo tanto retraso de la inyección. El combustible que se encuentra en las tuberías es

comprimido por el proceso dinámico generado por la onda de presión. En la Figura 11,

representa el tiempo que tarda el combustible en pasar a través de la línea.

Cuanto mayor sea este volumen, peor será la eficiencia hidráulica del sistema de

inyección. Por eso, cuando se diseña un sistema de inyección la principal consideración es

reducir el volumen perjudicial lo máximo posible. Los sistemas con inyector unitario o

inyector-bomba son los que tienen menor volumen perjudicial, ya que se elimina el

volumen de la tubería entre a bomba y el inyector.

Para garantizar el control uniforme del motor, el volumen perjudicial debe ser igual

para todos los cilindros.

2.3.5 Presión de inyección

La presión generada en el sistema de inyección tiene como finalidad que el combustible

salga del inyector en forma de chorro. Un sistema con alta presión de inyección consigue

que el chorro salga más pulverizado. La colisión del combustible pulverizado con el aire en

el interior de la cámara de combustión causa la atomización del combustible. Así, cuanto

mayor sea la velocidad relativa entre el combustible y el aire, y mayor sea la densidad del

aire, mejor será la atomización del combustible. La presión de inyección en la tobera

puede ser mayor que a la salida de la bomba, debido que en el tramo de tubería se refleja

la onda de presión.

Motores de inyección directa (DI)

En los motores Diesel de inyección directa, la velocidad del aire en la cámara de

combustión es relativamente lenta, ya que sólo se mueve a causa del momento de inercia

de su masa. Esto genera un movimiento en forma de remolino dentro del cilindro (swirl).

La carrera de compresión del pistón intensifica el moviento del aire dentro del cilindro al

forzarlo a entrar en el hueco del pistón, de menor diámetro que el cilindro (squish). A

pesar de esto, en movimiento del aire el menor que en los motores con cámara dividida.

Debido al menor flujo de aire, el combustible debe ser inyectado a mayor presión (la

presión máxima de pico puede estar entre 1000 y 2200 bar). Sin embargo, a excepción de

los sistemas Common Rail, esa presión máxima de pico sólo se alcanza a altos regímenes


25

de giro del motor.

Un factor decisivo para obtener una curva de par ideal con bajo nivel de emisiones de

partículas, es conseguir inyectar el combustible a alta presión cuando el motor funciona a

baja velocidad y plena carga. Como la densidad del aire a baja velocidad es relativamente

baja, se debe limitar la presión máxima de inyección para evitar la deposición del

combustible en las paredes del cilindro. Por encima de las 2000 rpm aproximadamente se

llega a la máxima presión del aire de entrada, y la presión de inyección se puede

incrementar.

Para obtener la máxima eficiencia del motor, el avance de la inyección de debe ajustar

en función de la velocidad del motor. A altas velocidades del motor se requiere una

presión de inyección alta para poder acortar la duración de la inyección.

Figura 12. Influencia del inicio y de la presión de inyección en el consumo

de combustible y en las emisiones de partículas y NOx, (Robert Bosch

GmbH)

Motores con inyección indirecta (IDI)

En los motores diesel con cámara de combustión dividida, la elevación de presión

durante la combustión expulsa la carga fuera de la precámara o cámara de turbulencia,

asemejándose a una inyección neumática. Este proceso transcurre a alta velocidad en la

cámara de turbulencia y en su salida a la cámara de combustión principal.

26

3 SISTEMAS DE INYECCIÓN DE

COMBUSTIBLE

3.1 Función

El sistema de inyección es el responsable de suministrar el combustible al motor. Se

compone de una etapa de baja presión y otra de alta, en la que se encuentra la bomba

inyectora; ésta genera la presión de inyección requerida y suministra el combustible al

circuito de alta presión. A su vez, la bomba inyectora es alimentada a través del circuito de

baja presión, encargado de transportar el combustible desde el depósito y filtrarlo para

garantizar que entre en el circuito de alta presión libre de impurezas y humedad.

3.2 Suministro de combustible (etapa de baja presión)

La función del sistema de suministro de combustible (también denominado sistema de

alimentación) es almacenar y filtrar el combustible requerido y abastecer de éste al

sistema de inyección a la presión de operación requerida. Además se encarga del retorno

del combustible sobrante al depósito de combustible y, en algunos casos, la refrigeración

de éste antes de devolverlo al depósito.

El sistema de alimentación puede variar dependiendo del tipo de sistema de inyección

y las características de la bomba inyectora. A continuación de relacionan los componentes

esenciales del sistema, que más adelante serán descritos detalladamente.

- Depósito de combustible

- Bomba de prealimentación (opcional, puede ir en el interior del depósito de

combustible)

- Filtro preliminar (situado en el interior del depósito de combustible, por donde se

aspira el combustible)

- Unidad de refrigeración del combustible de retorno (opcional)

- Filtro principal de combustible

- Bomba de alimentación de combustible (baja presión)

- Válvula limitadora de presión (suele ir integrada en la bomba de alimentación)

- Conductos de baja presión

- Unidad de control

En sistemas de inyección con bomba rotativa y en algunos casos en sistemas Common

Rail, la bomba de alimentación de combustible está integrada en la bomba de alta presión.

Sistemas de inyección de combustible

27

Figura 13. Sistema de inyección de combustible con bomba de inyección en línea, (Robert Bosch GmbH)

3.2.1 Depósito de combustible

El depósito de combustible debe ser resistente a la corrosión, además de a prueba de

fugas para presiones superiores al doble de la de operación y de al menos 0.3 bar de

sobrepresión y disponer de válvulas de seguridad para el escape de los gases en caso de

que haya sobrepresión. El diseño debe tener en cuenta que no se produzcan fugas cuando

el vehículo, en su caso, se incline y en caso de sacudidas y de impactos. Por último, debe ir

separado del motor, en un lugar en el que se prevenga la ignición del combustible en caso

de accidente.

3.2.2 Líneas de transporte

Compuestos por tubos de metal, flexibles e ignífugos. Así mismo tienen que estar

preparados para no sufrir daños ante movimientos de torsión del bastidor, movimientos

del motor o similares.

Todos los elementos del sistema de transporte de combustible deben estar previstos

para evitar daños en operación provocados por incrementos de temperatura.

3.2.3 Filtro de combustible

Su función es garantizar un nivel pureza del combustible que evite daños en el sistema

de inyección. Su diseño depende del tipo de sistema de inyección y de las condiciones de

operación, es más exigente para sistemas que trabajen a presiones más elevadas como el

common-rail.


28

El sistema completo de filtrado se compone de:

- Filtro preliminar:

Situado en el interior del depósito, filtra el combustible antes de su entrada en la

bomba de alimentación previa. Está formado por una malla capaz de filtrar

partículas de hasta 300 µm.

- Filtro principal:

Las pequeñas partículas sólidas presentes en el combustible quedan atrapadas en

el filtro, por eso tiene un elemento fácilmente extraíble que debe ser sustituido

periódicamente.

Este elemento está constituido por una espiral en forma de v capaz de filtrar

elementos de distintas formas. Es posible montar más de uno, en paralelo

(aumenta la capacidad de almacenamiento) o en serie (filtros multietapa para

mejorar la eficiencia de filtración).

- Separador de humedad:

Este dispositivo, normalmente integrado en el filtro principal, evita que el agua,

libre o emulsionada con el combustible, entre en el equipo de inyección.

El agua es el contaminante más común; entra al sistema de suministro de

combustible cuando el aire húmedo y caliente entra al depósito del vehículo o

equipo, y después condensa en las paredes frías. El agua reduce la lubricidad del

combustible, causando desgaste o atascamiento de piezas con poca tolerancia.

- Precalentador de combustible:

Este componente, integrado en el filtro principal, calienta el combustible

eléctricamente, mediante el agua de refrigeración o mediante el combustible de

retorno.

En invierno o en climas de bajas temperaturas, las parafinas presentes pueden

precipitar formando cristales. Al aumentar la temperatura del combustible antes de

su paso por el filtro, se evita la presencia de esos cristales de parafina que

obstruirían los poros del filtro.

- Bomba manual:

La bomba manual ayuda a llenar y purgar el aire contenido en el sistema de

inyección después de cambiar el filtro o de cualquier otra operación de

mantenimiento. Suele ir integrado en la cubierta del filtro.


29

3.2.4 Bomba de prealimentación

Puede ser una bomba eléctrica (Figura 14) o de accionamiento mecánico. Esta bomba

aspira el combustible del depósito a través del filtro y lo envía por el circuito de baja

presión, pasando por el filtro principal, hasta la bomba de alta presión.

3.2.5 Bomba de alimentación

Bomba eléctrica

(Figura 14)

Se compone de un motor eléctrico que acciona un elemento de bombeo (disco de

rodillos). Se usa en los siguientes sistemas:

Sistemas con bomba rotativa (opcional, sólo como bomba de prealimentación)

En sistemas de inyector unitario (UIS)

En sistemas Common Rail

Figura 14. Esquema de una bomba eléctrica de combustible, (Robert Bosch GmbH)

Bomba de engranajes

(Figura 15)

La bomba de engranajes se usa en los siguientes

casos:

Para todos los sistemas con bombas

individuales en vehículos industriales (unidad

inyector-bomba, unidad bomba-tubería-

inyector y bombas de inyección individuales

PF)

Parcialmente en sistemas Common Rail en

vehículos industriales y automóviles

La bomba de inyección de engranajes está fijada

directamente al motor o, en el caso del Common Rail,

está integrada en la bomba de alta presión. Se acciona Figura 15. Esquema de una bomba de

engranajes, (Robert Bosch GmbH)


30

mecánicamente por medio de un acoplamiento, una rueda dentada o una correa de

distribución.

Sus componetes principales son dos ruedas dentadas que engranan entre sí y que

tienen sentido de giro opuesto, que impelen el combustible de los huecos entre dientes y

la carcasa impulsándolo del lado de aspiración al lado de presión. En el engranaje entre las

dos ruedas se produce un cierre hermético entre ambos lados.

Bomba de paletas

Estas bombas van integradas dendro del cuerpo de las bombas rotativas.

(Ver cápitulo 5, apartado 5.3.1)

Bomba de paletas de bloqueo

(Figura 16)

Su principal uso son sistemas con

bomba-inyector para automóviles.

En la bomba de paletas de bloqueo,

unos muelles presionan dos paletas de

bloqueo contra el rotor. Cuando este gira,

el volumen aumenta en el lado de

aspiración y el combustible se aspira hacia

el interior de la cámara. En el lado de

compresión, el volumen disminuye e

impulsa al combustiblea salir de la cámara.

Estas bombas pueden aspirar el

combustible velocidades de giro bajas.

Figura 16. Esquema de una bomba de paletas de

bloqueo, (Robert Bosch GmbH)


31

3.3 Inyección (etapa de alta presión)

El sistema de inyección se encarga de inyectar la cantidad adecuada de combustible a

alta presión dentro de la cámara de combustión en el momento adecuado.

Los principales componentes son la bomba de inyección, encargada de dar al

combustible la presión adecuada, y los inyectores; ambos están unidos por la línea de alta

presión (excepto en los sistemas con bombas de inyección individuales). En todos los casos

la tobera de cada inyector sobresale dentro de la cámara de combustión de cada cilindro.

En la mayoría de los sistemas, la tobera o boquilla del inyector deja pasar el

combustible cuando se alcanza una determinada presión de apertura, y cierra cuando la

presión cae por debajo de este valor. Sólo se controla de forma externa, mediante un

controlador electrónico, en el caso de los sistemas common-rail.

En el capítilo 10 se detallan los dos tipos de toberas principales que existen.

En los siguientes capítulos se explica el funcionamiento, de forma general, de todos los

tipos de bombas inyectoras.

3.4 Tipos de sistemas de inyección

3.4.1 Sistemas con bomba de inyección en línea

El elemento principal de bombeo de este tipo de bombas se compone de un cilindro y

un émbolo. Éste se encarga de comprimir el combustible para que sea inyectado a una

determinada presión. La bomba tiene tantos elementos de bombeo como cilindros el

motor. El movimiento de sube y baja de cada embolo lo provoca un árbol de levas,

accionado por el motor, y un muelle que provoca el descenso.

Los elementos de bombeo están dispuestos en línea dentro de la bomba. Su carrera no

puede variar, por lo que necesitan un sistema que varíe la cantidad de combustible

bombeado. Para ello el émbolo tiene una serie de ranuras inclinadas y mediante un

mecanismo que lo hace girar, permite la variación de la carrera útil en función de la carga y

el número de revoluciones del motor. El funcionamiento de este sistema es algo

complicado de resumir, por lo que se tratará con detalle en el próximo punto.

Otro de los elementos principales de estas bombas es la válvula de descarga. Se

encuentra situada entre el elemento de bombeo y la tubería de alta presión que conduce

el combustible al inyector. Estas válvulas hacen que la inyección se corte bruscamente.


32

Bomba de inyección en línea tipo PE estándar

Este fue el primer tipo de bomba inyectora. Su invención permitió el uso por primera

vez del motor diesel en vehículos.

El comienzo de la inyección está determinado por una lumbrera de admisión situada en

la parte inferior del cilindro, que es cerrada por el émbolo cuando este empieza a subir. La

ranura del émbolo y su ángulo de giro determinan el fin de la carrera útil y, por tanto, el

caudal de inyección. El giro de los émbolos lo efectúa una cremallera o varilla de

regulación que puede ser controlada por un regulador mecánico de fuerza centrifuga (este

fue el primer sistema diseñado) o, en el caso de las bombas más modernas, con un

mecanismo actuador eléctrico (EDC).

Bomba de inyección en línea con válvula de corredera

Esta bomba se diferencia de la de inyección en línea estándar PE en que puede variar

con facilidad la carrera del émbolo. Tiene un elemento móvil (corredera) que se desliza

sobre el émbolo de la bomba mediante un eje actuador convencional, con lo que puede

modificarse la carrera, y con ello también el comienzo de la inyección. La posición de la

válvula corredera se ajusta en función de diversos parámetros para optimizar el proceso

de combustión. En comparación con la bomba de inyección en línea estándar, la bomba

de inyección en línea con válvula de corredera tiene un grado de libertad de adaptación

adicional.

3.4.2 Sistemas con bombas de inyección rotativas

Estas bombas tienen, al igual que las bombas en línea, un regulador mecánico que

ajusta el caudal de inyección, además de un regulador de avance de inyección que puede

ser hidráulico o electrónico. También pueden tener un único elemento de control

electrónico que realiza ambas funciones. En éstas, los elementos mecánicos se sustituyen

por actuadores electrónicos.

Las bombas rotativas solo tienen un elemento de bombeo de alta presión que

distribuye el combustible a todos los inyectores.

Bomba de inyección rotativa de embolo axial (VE)

Lleva integrada una bomba de alimentación de paletas que aspira combustible del

depósito y lo suministra al interior de la cámara de la bomba de inyección. Un único

émbolo distribuidor central, que gira mediante un disco de levas, se encarga de la

generación de presión y la distribución a los diversos cilindros. Durante una vuelta del eje

de accionamiento, el émbolo realiza tantas carreras como cilindros del motor a abastecer.

Los resaltes de leva en el lado inferior del disco de leva se deslizan sobre los rodillos del


33

anillo de rodillos y originan así en el émbolo distribuidor un movimiento de elevación

adicional al movimiento de giro.

Las bombas rotativas de émbolo axial convencionales disponen de un regulador de

revoluciones mecánico (por fuerza centrifuga), o con mecanismo actuador regulado

electrónicamente. Tienen una corredera de regulación que determina la carrera útil y

dosifica el caudal de inyección. El comienzo de suministro de la bomba puede regularse

mediante un anillo de rodillos (variador de avance). En la bomba rotativa de émbolo axial

controlada por electroválvula, existe una electroválvula de alta presión controlada

electrónicamente, que dosifica el caudal de inyección, en lugar de la corredera de

inyección. Las señales de control y regulación son procesadas en dos unidades de control

electrónicas ECU (unidad de control de bomba y unidad de control de motor).

Bomba de inyección rotativa de émbolos radiales

Esta bomba rotativa utiliza émbolos radiales accionados por un anillo de levas, pueden

ser dos o cuatro. Una electroválvula de alta presión dosifica el caudal de inyección. El

comienzo de la inyección se regula mediante el giro del anillo de levas, con el variador de

avance. Igual que en la bomba de émbolo axial controlada por electroválvula, todas las

señales de control y regulación se procesan en las unidades de control electrónicas ECU.

Mediante la activación apropiada del elemento actuador se regula el número de

revoluciones.

3.4.3 Sistemas con bombas de inyección individuales

Bombas de inyección individuales PF

Estas bombas tienen diversas aplicaciones: motores pequeños, locomotoras diesel,

motores navales, maquinaria de construcción, etc. El sistema que utilizan para conseguir la

presión de inyección es el mismo que el del elemento de bombeo de la bomba de

inyección en línea estándar PE.

No tienen árbol de levas propio, sino uno común a todas se encuentra sobre el árbol

de levas correspondiente al control de válvulas del motor. Por este motivo no es posible la

variación del avance mediante un giro del árbol de levas. Aquí puede conseguirse un

ángulo de variación de algunos grados mediante la regulación de un elemento intermedio

(por ejemplo situando un balancín entre el árbol de levas y el impulsor de rodillo). En

motores grandes, el regulador mecánico-hidráulico o electrónico está integrado en el

cuerpo del motor.


34

Unidad bomba-inyector UIS

La bomba de inyección y el inyector son una única pieza. Cada cilindro lleva una unidad,

montada en la culata del motor. Al igual que las bombas de inyección individuales son

accionadas por un árbol de levas montado sobre el bloque del motor; bien directamente

mediante un empujador, o indirectamente mediante balancín.

Debido a la supresión de las tuberías de alta presión, se puede conseguir una presión

de inyección de hasta 2000 bar (mayor que en los sistemas con bomba inyectora común).

Con esta elevada presión de inyección y mediante la regulación electrónica del comienzo y

fin de inyección es posible mejorar el proceso de combustión, reduciendo notablemente el

consumo de combustible y las emisiones contaminantes del motor diesel.

Unidad bomba-tubería-inyector UPS

Este sistema trabaja según el mismo procedimiento que la unidad de bomba-inyector,

pero está dividido en módulos (bomba individual, tubería e inyector). También dispone de

una unidad de inyección por cada cilindro del motor, accionada por un árbol de levas.

En este caso, debido a la regulación electrónica, también se consigue una reducción del

consumo y las emisiones.

3.4.4 Sistemas de inyección Common-Rail

Este sistema, como su nombre indica, dispone de un “raíl” o acumulador común para

todas las líneas de inyección. En él se acumula el combustible suministrado por la bomba

de alta presión. Esta presión es independiente del régimen de giro del motor y del caudal

de inyección.

El acumulador suministra el combustible a alta presión a todos los inyectores, que

abren y cierran por medio de electroválvulas. La unidad de control electrónica ECU, en

función de unos parámetros almacenados, del régimen del motor y de la carga gestiona la

inyección actuando sobre las electroválvulas.

Al igual que en los sistemas de unidad bomba-inyector, el preciso control de la

inyección, consigue reducir notablemente el consumo de combustible y las emisiones

contaminantes.

35

4 SISTEMAS CON BOMBA DE INYECCIÓN EN

LÍNEA

Como ya se había mencionado, este tipo de bomba fue diseñada por Robert Bosch a

principios del siglo XX; desde entonces la compañía Robert Bosch GmbH, fundada por él

mismo, ha sido el principal fabricante de este tipo de bombas.

Ha sido la más utilizada y lo sigue siendo en vehículos pesados; en turismos lo fue

hasta la década de los 60 cuando se vio sustituida por las bombas rotativas, más pequeñas

y aptas para motores rápidos.

Este tipo de bombas son de constitución muy robusta y de una fiabilidad mecánica

contrastada. Sus inconvenientes son su tamaño, peso y que están limitadas a un número

de revoluciones, lo que las hacen aptas para vehículos pesados pero no para turismos.

Los principales elementos que la componen son:

- Elementos de bombeo colocados en línea, uno por cada cilindro del motor.

- Un regulador de velocidad que puede ser centrifugo, neumático o hidráulico.

- Un variador de avance automático de inyección acoplado al sistema de arrastre de

la bomba.

- Válvulas de descarga

- Además, suele llevar acoplada la bomba de alimentación.

Figura 17. Bomba de inyección en línea PE, (Robert Bosch GmbH)

1. Carcasa de la bomba

2. Regulador de velocidad mecánico

3. Bomba de suministro

4. Dispositivo de avance

5. LDA

6. Válvulas de descarga

Sistemas con bomba de inyección en línea

36

4.1 Aplicaciones de las bombas de inyección en línea

Las bombas de inyección en línea se utilizan en motores con potencias que van desde

10 hasta 200 kW/cilindro; esto es posible gracias a la extensa gama de modelos que existe

de estas bombas.

Actualmente se utilizan sobre todo en motores diesel instalados en camiones,

autobuses, tractores y otra maquinaria de uso agrícola y de construcción. Otros campos

de aplicación son los motores navales y los estacionarios, desde grandes motores

industriales hasta los más pequeños utilizados en grupos electrógenos.

Existen bombas de distintos tamaños que se adaptan a la potencia del motor que van

alimentar. Los tipos de bombas se reúnen en series cuyos rendimientos se solapan en los

máximos y mínimos. Dentro de las bombas de inyección en línea PE existen dos

construcciones distintas. Por un lado tenemos las denominadas "M" y "A" y por el otro las

"MW" y "P".

A continuación se muestra una clasificación de las bombas de inyección más comunes

usadas en vehículos, con los valores máximos de presión de inyección y potencia por

cilindro de cada tipo:

Clasificación de la bombas de inyección en linea PE

Características: Tipos:

M A MW P3000 P7100

Presión de inyección (bar)

550 750 1100 950 1300

Aplicación Turismos y

vehículos de transporte

Camiones ligeros y medianos, tractores, motores industriales

Camiones de gran tonelaje, motores

industriales

Potencia por cilindro (kW/cilindro)

20 27 36 60 160


37

4.2 Circuito de combustible

La bomba de inyección se acompaña de un circuito de alimentación que le suministra

combustible (Ver cápitulo 3, apartado 3.2). A través de él la bomba de alimentación aspira

el combustible del depósito y lo bombea hacia la bomba de inyección a una presión

conveniente, que oscila entre 1 y 2 bar. El sobrante de este combustible tiene salida a

través de la válvula de descarga situada en la bomba de inyección, retornando al depósito.

Esta válvula de descarga controla la presión del combustible en el circuito.

En vehículos donde la distancia y la altura del depósito con respecto a la bomba de

inyección estén muy alejados, se instala una bomba de alimentación, normalmente ésta se

encuentra acoplada a la bomba de inyección. Según las condiciones de funcionamiento del

motor y de sus características constructivas, se requieren distintos sistemas de

alimentación de la bomba de inyección (Figura 18).

Si el filtro de combustible está en las proximidades inmediatas del motor, pueden

formarse burbujas de gas dentro del sistema de tuberías. Para evitar esto resulta

necesario "barrer" la cámara de admisión de la bomba de inyección. El combustible

sobrante vuelve al depósito de combustible a través de la válvula de descarga y de la

tubería de retorno.

En algunos casos, especialmente cuando se prevé que en el entorno de operación del

motor hay una temperatura ambiente elevada, puede utilizarse un circuito de

alimentación como el representado en la figura 18 (derecha). En este circuito el filtro de

combustible lleva también instalada una válvula de descarga a través de la cual una parte

del combustible retorna al depósito durante el funcionamiento, arrastrando eventuales

burbujas de gas o vapor. Las burbujas de gas que se forman en la cámara de admisión de

la bomba de inyección son evacuadas por el combustible a través de la tubería de retorno.

El barrido continuo de la cámara de admisión refrigera la bomba de inyección e impide

que se formen burbujas de gas.


38

Figura 18. Esquemas de un sistema de inyección con bomba en línea

4.3 Bombas de alimentación

(Figura 19)

El combustible tiene que llegar a la cámara de admisión de la bomba de inyección con

una presión de aproximadamente 1 bar para garantizar el llenado de la cámara de

admisión. Esta presión se puede conseguir utilizando un depósito de combustible

instalado por encima de la bomba de inyección (alimentación por gravedad), o bien

recurriendo a una bomba de alimentación. Este es el caso de la mayoría de los vehículos,

donde el depósito de combustible se instala por debajo y alejado de la bomba de

inyección. La bomba de alimentación se encarga de aspirar combustible del depósito y

suministrarlo a presión a la cámara de admisión de la bomba de inyección a través de un

filtro de combustible.

La bomba de alimentación es generalmente una bomba mecánica de émbolo fijada a la

bomba de inyección y accionada por el árbol de levas de esta. Además la bomba puede

venir equipada con un cebador o bomba manual que sirve para llenar y purgar el lado de

admisión del sistema de inyección para la puesta en servicio o tras efectuar operaciones

de mantenimiento.

Existen bombas de alimentación de simple y de doble efecto. Según el tamaño de la

bomba se acoplan en la misma una o dos bombas de alimentación.


39

Figura 19. Estructura interna de una bomba de alimentación, (Robert Bosch GmbH)

4.3.1 Bomba de alimentación de simple efecto

(Figura 20)

Esta bomba está constituida por dos cámaras separadas por un émbolo móvil. El

émbolo es empujado por una leva excéntrica a través del impulsor de rodillo y un perno

de presión. Durante la carrera intermedia, el combustible se introduce en la cámara de

presión a través de la válvula de retención instalada en el lado de alimentación. Durante la

carrera de admisión y alimentación, el combustible es impulsado desde la cámara de

presión hacia la bomba de inyección por el émbolo que retrocede por efecto de la fuerza

del muelle. Al mismo tiempo, la bomba de alimentación aspira también combustible

desde el depósito a través de la válvula de retención del lado de admisión, haciéndolo

pasar por un pre-purificador.

Si la presión en la tubería de alimentación sobrepasa un determinado valor, la fuerza

del muelle del émbolo deja de ser suficiente para que se realice una carrera de trabajo

completa. Con esto se reduce el caudal de alimentación, pudiendo llegar a hacerse cero si

la presión sigue aumentando. De este modo, la bomba de alimentación protege el filtro de

combustible contra presiones excesivas.


40

Figura 20. Esquema de funcionamiento de una bomba de alimentación de simple efecto, (Robert Bosch GmbH)

4.3.2 Bomba de alimentación de doble efecto

Esta bomba cuenta con dos válvulas de retención adicionales que convierten la cámara

de admisión y la cámara de presión de la bomba de alimentación de simple efecto, en una

cámara de admisión y de presión combinadas, es decir al mismo tiempo que hace la

admisión, hace también la alimentación. La bomba no realiza carrera intermedia. A cada

carrera de la bomba de alimentación de doble efecto, el combustible es aspirado hacia

una cámara, siendo impulsado simultáneamente desde la otra cámara hacia la bomba de

inyección. Por lo tanto, cada carrera es al mismo tiempo de alimentación y de admisión. Al

contrario de lo que ocurre en la bomba de simple efecto, el caudal de alimentación nunca

puede hacerse cero. Por lo tanto, en la tubería de impulsión o en el filtro de combustible

tiene que preverse una válvula de descarga a través de la cual pueda retornar al depósito

el exceso de combustible bombeado.

4.4 Constitución

(Figura 21)

En la figura 21 se puede ver la sección de una bomba de inyección en línea en la que

aparecen todos los elementos que componen la unidad de bombeo.

Se puede ver que dispone de un cárter o cuerpo, de aleación de aluminio-silicio, que

aloja en su parte inferior o cárter inferior, al árbol de levas, que tiene tantas levas como

cilindros el motor. En el lateral del cárter inferior de bomba, se encuentra la bomba de

alimentación, que recibe movimiento del mismo árbol de levas de la bomba de inyección,

por medio de una excéntrica labrada en él.


41

Cada una de las levas acciona un elemento llamado empujador o taqué. Este posee un

rodillo que, debido a la acción del muelle, se encuentra en contacto con la leva. El

empujador a su vez da movimiento al émbolo, que se desliza en el interior del cilindro, que

se comunica por medio de unos orificios laterales llamados lumbreras con la canalización,

por donde le llega el combustible procedente de la bomba de alimentación.

Además del movimiento de subida y bajada del pistón, éste puede girar un cierto

ángulo sobre su eje vertical, ya que la parte inferior tiene un saliente, que encaja con el

manguito cilíndrico, que a su vez rodea la parte inferior del cilindro y que, en su parte

superior, lleva adosada la corona dentada, que engrana con la barra cremallera. El

movimiento de esta barra cremallera hace girar a la corona dentada, quien comunica su

giro al pistón, por medio del manguito cilíndrico y el saliente de la parte inferior del

pistón.

La parte superior del cilindro, está cerrada por la válvula de retención, que ajusta sobre

su asiento, por la acción del muelle.

Cuando el saliente de la leva acciona el empujador, este acciona el pistón, haciéndolo

subir. Tras quedar tapadas las lumbreras que comunican el cilindro con la canalización el

pistón comienza a comprimir el combustible encerrado en el cilindro hasta que se alcanza

una determinada presión en el cilindro, que provoca la apertura de la válvula, venciendo la

acción del muelle antagonista, en ese momento el combustible sale por el cilindro hacia el

inyector correspondiente.

Cuando ha pasado el saliente de la leva, el impulsor baja por la acción del muelle,

haciendo bajar a su vez el émbolo, que vuelve a ocupar la posición representada en la

figura 21, permitiendo de nuevo el llenado del cilindro a través de sus aberturas laterales.

Mientras tanto, la válvula ha bajado y cerrado el paso de combustible al inyector.


42

Figura 21. Sección de una bomba de inyección en línea, (Robert Bosch GmbH)

4.4.1 Elemento de bombeo

(Figura 22)

La bomba de inyección tiene tantos elementos de bombeo como cilindros el motor.

Cada elemento de bombeo, está constituido por un cilindro y un pistón. Cada cilindro se

comunica con la tubería de admisión por medio de las lumbreras, y con el conducto de

salida al inyector por medio de una válvula de retención que se mantiene cerrada, por la

acción del muelle antagonista, hasta que el combustible alcanza la presión de inyección.

El pistón se ajusta en el cilindro con una precisión del orden de varias micras. Tiene una

forma peculiar que permite variar la cantidad de combustible que se inyecta; en su parte


43

inferior el pistón tiene un rebaje circular que se comunica con la cara superior del pistón

por medio de una rampa helicoidal y una ranura vertical.

En la parte inferior, el pistón lleva un dedo de mando o saliente, que encaja en un

manguito cilíndrico, sobre el que se fija la corona dentada, que engrana con la cremallera.

El movimiento de la cremallera, puede hacer girar el pistón un cierto ángulo sobre su eje

vertical.

En ciertos tipos de bombas, la cremallera es reemplazada por una barra corredera, que

lleva unas escotaduras en las que encaja el dedo de mando que forma el pistón en su

parte inferior.

Figura 22. Esquema del elemento de bombeo, (Robert Bosch GmbH)


44

Figura 23. Embolo de la unidad de bombeo, (Robert Bosch GmbH)

4.5 Funcionamiento de la bomba de inyección en línea tipo

estándar PE

(Figura 24)

El émbolo o pistón realiza un movimiento de sube y baja en el interior del cilindro. El

movimiento de descenso se produce debido a la acción del muelle cuando el saliente de la

leva, en su giro, deja de actuar sobre el empujador. La subida del pistón se produce

cuando la leva actúa sobre el empujador, venciendo el empuje del muelle.

Cuando el pistón desciende crea una depresión en el interior del cilindro que permite la

entrada de combustible cuando el pistón ha destapado las lumbreras de admisión. Debido

a la presión del combustible en el conducto de alimentación, provocada por la bomba de

alimentación, el cilindro se llena completamente. Al comienzo de esta subida, las

lumbreras no están tapadas y por ello, parte del combustible es devuelto al conducto de

alimentación.

Si la ranura vertical del pistón, está situada frente a la lumbrera de admisión, el interior

del cilindro comunica con el conducto de alimentación, por lo que, aunque suba el pistón,

no se comprime el combustible en el cilindro y, por lo tanto, no hay inyección. Esta

posición del pistón, corresponde al suministro nulo de la bomba de inyección.

Si la ranura vertical no está frente a la lumbrera de admisión se produce la inyección.

Tras cerrar la lumbrera de admisión, en la subida del pistón, la presión del combustible en

el interior del cilindro va aumentando hasta que el valor de esta presión es superior a la

fuerza que ejerce el muelle de la válvula de retención. En ese momento ésta se abre

venciendo la fuerza de su muelle, con lo cual, el combustible pasa al conducto de

inyección que comunica el elemento de inyección con el inyector. El comienzo de la

inyección, se produce siempre en el mismo instante o, mejor dicho, para la misma


45

posición del pistón. Mientras el combustible no salga por el inyector, la presión en todo el

circuito irá aumentando a medida que el pistón vaya subiendo. En el momento que esta

presión es superior a la del tarado del inyector, este permite el paso del combustibles al

cilindro del motor, comenzando en este momento la inyección.

El final de la inyección depende de la posición de la rampa helicoidal. Llegado el pistón

a cierta altura, ésta pone en comunicación el cilindro con el conducto de alimentación, con

lo cual, desciende bruscamente la presión en el interior del cilindro.

El cierre de la válvula de readmisión, debido a la acción conjunta de su muelle y de la

presión existente en el conducto de salida, mantiene en esta canalización una cierta

presión, llamada residual, que permite en el siguiente ciclo una subida de presión más

rápida y un funcionamiento mejor del inyector.

Figura 24. Fases de funcionamiento del elemento de bombeo, (Robert Bosch GmbH)

4.5.1 Funcionamiento de la regulación del caudal de combustible

(Figuras 25 y 26)

A diferencia del motor de gasolina, donde la variación de la carga se obtiene

modificando la cantidad de mezcla aire-gasolina que entra en el cilindro; en el motor

Diesel, esta variación se obtiene actuando únicamente sobre la cantidad de gasóleo

inyectado en el cilindro, es decir, modificando la duración de la inyección.

La cantidad de combustible inyectado depende de la longitud de la carrera efectuada

por el pistón, desde el cierre de la lumbrera de admisión, hasta la puesta en comunicación

de ésta con el cilindro, por medio de la rampa helicoidal.

El fin de la inyección depende de la posición de la rampa helicoidal con respecto a la

lumbrera de admisión. Esta posición puede ser modificada haciendo girar el pistón sobre

su eje vertical, por medio de una cremallera que engrana sobre la corona dentada fijada


46

sobre el casquillo cilíndrico, que a su vez mueve al pistón. La cremallera es movida por el

pedal del acelerador, o automáticamente por medio de un regulador, y da movimiento

simultáneamente a todos los elementos de inyección de la bomba.

Figura 25. Esquema regulación de elementos de bombeo, (Robert Bosch GmbH)

Moviendo la cremallera en uno u otro sentido, pueden conseguirse carreras de

inyección más o menos largas que corresponden:

- Inyección nula

- Inyección parcial

- Inyección máxima

Figura 26. Posibles posiciones de la cremallera, (Robert Bosch GmbH)

En un motor Diesel para provocar su paro debemos cortar el suministro de combustible

que inyectamos en sus cilindros, para ello es necesario desplazar a la cremallera hasta su

posición de suministro nulo. Para esto, los motores dotados con bomba de inyección en

línea llevan un dispositivo de mando accionado, por un tirador y cable desde el tablero de

mandos del vehículo, o bien, electrónicamente.


47

4.5.2 Formas de las levas

(Figura 27)

La leva tiene la función de accionar el émbolo. Su forma influye sobre la duración de la

inyección, el rendimiento de la bomba y la velocidad de la alimentación. Los criterios para

el diseño de la leva son la carrera y la velocidad de levantamiento (velocidad de émbolo)

con relación al ángulo de leva.

Para propiciar un rápido corte de inyección se aprovecha la zona central de la leva,

donde la velocidad de levantamiento es grande. La inyección termina antes de que dicha

velocidad de levantamiento alcance su máximo valor. Esto es necesario para que la

compresión superficial entre el impulsor de rodillo y la leva no sobrepase un valor

determinado. Por esta razón, en cada proceso de inyección se respeta una distancia de

seguridad de 0,3 mm.

Para la aplicación práctica existen diversas formas de levas. Esto es necesario, ya que

las diferentes formas de las cámaras de combustión del motor y los distintos métodos de

combustión exigen condiciones de inyección individuales. Por este motivo se realiza un

ajuste especial del proceso de inyección por parte de la leva a cada tipo de motor.

Partiendo de formas de levas estándar pueden construirse levas de forma divergente, a fin

de conseguir una inyección óptima y una presión máxima.

Se utilizan formas de levas simétricas, asimétricas y con seguro contra retroceso. Estas

últimas hacen que el motor no pueda arrancar en el sentido de giro contrario. La forma de

leva a aplicar depende del tipo de la bomba, del diseño del motor y de su campo de

aplicación.

Figura 27. Formas de las levas, (Robert Bosch GmbH)

Las diferencias de presiones que se originan entre la parte superior de la válvula de

reaspiración y la parte inferior, obligan a ésta a cerrarse, ayudada al mismo tiempo por la

acción de su muelle, impidiendo así que el combustible situado en el circuito de inyección

pudiera retornar a la bomba.

Aunque la compresión del pistón cesa no ocurre lo mismo con la inyección, que


48

continua un breve instante de tiempo debido a la presión restante en el circuito de

inyección. Esta presión desciende a medida que disminuye la cantidad de combustible que

hay en el circuito y que continúa entrando al cilindro. Llegado un momento determinado,

la presión es menor que la del tarado del inyector, en cuyo caso cesa la inyección de forma

violenta.

El pistón de la bomba sigue subiendo hasta el PMS pero ya sin comprimir el

combustible, que se escapa por la rampa helicoidal al circuito de combustible por las

lumbreras de admisión.

4.6 Válvulas de descarga

(Figura 28)

La válvula de descarga (también llama válvula de presión o válvula de reaspiración) se

encuentra entre la bomba de inyección y la tubería que conecta la propia bomba con el

inyector.

Su misión es descargar la tubería de inyección tras concluir la fase de alimentación de la

bomba, extrayendo un volumen exactamente definido de la tubería para, por una parte,

mantener la presión en la tubería (así la siguiente inyección se realizará sin retardo

alguno) y, por otra parte, asegurar, igualmente, la caída brusca de la presión del

combustible en los conductos para obtener el cierre inmediato del inyector, evitando así

cualquier mínima salida de combustible, unida al rebote de la aguja sobre su asiento.

Funcionamiento

Al final de la inyección por parte del elemento de bombeo cae la presión en el cilindro

y, por tanto, la válvula de presión desciende bajo la acción del muelle. El macho de válvula

se introduce en el porta-válvula, antes de que el cono de válvula descienda sobre su

asiento, aislando la bomba del tubo de alimentación del inyector.

El descenso final de la válvula realiza una reaspiración de un determinado volumen

dentro de la canalización; cuando ésta cierra, el émbolo de descarga aspira también un

pequeño volumen de combustible. Esto da lugar a una expansión rápida del combustible,

provocando un descenso de presión en la tubería y, en consecuencia, el cierre brusco del

inyector, cortando así la alimentación de combustible al cilindro del motor para evitar el

goteo. Este volumen de combustible está calculado para una longitud determinada de

tubería, por lo que no se debe variar la longitud de ésta en caso de reparación.

Para conseguir una adaptación deseada a los caudales de alimentación, en

determinado casos especiales, se utilizan válvulas compensadoras que presentan un

tallado adicional en el émbolo de descarga.


49

Figura 28. Estructura interna de una válvula de presión, (Robert Bosch GmbH)

4.6.1 Estrangulador de retroceso

(Figura 29)

Está situado entre la válvula de presión y la tubería que alimenta al inyector. Puede

instalarse en el racor de impulsión acompañando a la válvula de presión.

Este elemento se utiliza para reducir en el sistema de

alta presión fenómenos de desgaste producidos por los

cambios rápidos de presión (cavitación). Durante la

alimentación la presión del combustible es tan alta que

la placa de la válvula es comprimida contra el muelle,

con lo que el combustible puede fluir hacia el inyector

sin obstáculos. Al final de la carrera útil del elemento de

bombeo, el cierre de la aguja del inyector provoca una

onda de presión en sentido contrario al de la

alimentación. Esto puede ser causa de cavitación. Al

mismo tiempo, el muelle de presión empuja la placa de

válvula contra su asiento, por lo que el combustible tiene que retroceder pasando por la

sección del estrangulador, amortiguándose así la onda de presión, haciéndola

imperceptible.

Figura 29. Estrangulador de retroceso, (Robert

Bosch GmbH)


50

4.7 Regulador de velocidad

Los reguladores empleados para bombas de inyección en línea pueden ser de tres

tipos:

Mecánicos (basan su funcionamiento en los efectos de la fuerza centrífuga)

Neumáticos (de vacío)

Electrónicos, EDC

La función principal del regulador de velocidad es limitar la velocidad máxima del motor

en vacío. Sin este sistema de control el motor en vacío se podría acelerar sin control hasta

llegar a la autodestrucción.

Dependiendo del diseño, también puede tener la misión de regular la velocidad de

ralentí y de mantener una velocidad constante al variar el par resistente del motor o

cuando éste trabaja en vacío, actuando sobre la cremallera que regula la carrera útil del

émbolo en el cilindro. Como es sabido la cantidad de combustible a inyectar en los

cilindros depende de la posición que ocupe la cremallera, ésta es accionada por el pedal

del acelerador.

Podría ocurrir, por ejemplo, que al descender por una pendiente (el par resistente del

motor decrece) el motor se revolucione; en este caso, el regulador para máxima velocidad

desplaza la cremallera, de forma que disminuya el caudal de combustible a inyectar a

medida que aumenta el número de revoluciones.

Según su misión los reguladores pueden ser:

De máxima velocidad

De mínima y máxima velocidad

De todas las velocidades

4.7.1 Regulador de maxima velocidad

(Figura 30)

Los reguladores de maxima velocidad están

destinados para motores diesel que mueven

maquinaria a su velocidad nominal. El trabajo del

regulador es mantener el motor a su velocidad

máxima, no siendo necesario el control de la

velocidad de ralentí ni el control durante el arranque.

Si la velocidad del motor sube por encima de la

velocidad nominal, nvo, causa del decremento de la

carga, el regulador mueve la cremallera para reducir

el suministro (Figura 30). La máxima velocidad en

vacio, nno, se alcanza cuando el motor se descarga Figura 30. Mapa caracteristico de un regulador

de máxima velocidad, (Robert Bosch GmbH)


51

completamente. La diferencia entre nvo y nno esta determinada por la respuesta

proporcional del regurador.

4.7.2 Regulador de minima y máxima velocidad

(Figura 31)

Los motores Diesel utilizados en vehículos no requieren el control de la velocidad en el

rango entre el ralentí y la máxima velocidad. Dentro de este rango, la cremallera de

control de la bomba inyectora es accionada directaente por el pedal del acelerador bajo el

control del conductor. Este regulador únicamente se encarga de evitar que el motor se

pueda parar estando en ralentí, y también de limitar la velocidad máxima del motor.

El regulador para velocidad mínima del motor actúa cuando, estando la cremallera en

posición de mínimo consumo, la carga o par resistente en el motor aumenta (por ejemplo

al conectarse el compresor del aire acondicionado), con lo cual, al decrecer el número de

revoluciones, el motor podría calarse. En estas condiciones, el regulador desplaza a la

cremallera para aumentar el suministro de combustible de forma que evita que el motor

se pare. También se encarga aumentar el suministro durante el arranque en frío.

Figura 31. Mapa caracteristico de un regulador de mínima y máaxima velocidad con control de par,

(Robert Bosch GmbH)


52

4.7.3 Regulador de todas las velocidades

(Figura 32)

Los reguladores de todas las velocidades actúan cuando se produce cualquier variación

del régimen motor que no sea la deseada por el conductor. Se utilizan principalmente en

motores industriales y de maquinaria agrícola, pues en ellos interesa mantener un

régimen del motor constante, cualquiera que sean las resistencias opuestas al motor

(pendientes a superar, dureza mayor del terreno, etc.). En ellos, el conductor selecciona el

régimen más apropiado para realizar el trabajo y el regulador actúa manteniendo ese

régimen, en todos los momentos en que pueda producirse variación debido a las

diferentes condiciones de trabajo por las que atraviesa el motor.

Figura 32. Mapa característico de un regulador de todas las velocidades, (Robert Bosch GmbH)

4.8 Variador de avance

Cuando se inyecta el combustible, éste necesita un cierto tiempo para evaporarse,

mezclarse con el aire y que se produzca la inflamación de la mezcla. A este tiempo se le

llama retraso al encendido y depende de varios factores: tendencia del combustible a

inflamarse, relación de compresión del motor, temperatura del aire de admisión, grado de

pulverización del combustible, proceso de formación de la mezcla, etc.


53

El retraso al encendido comienza a tener más importancia a medida que aumenta el

régimen de giro del motor, ya que la carrera completa se realiza en menor tiempo y, por

tanto, la inflamación del combustible ocurre con más retraso respecto a la posición del

pistón. El hecho de que la inflamación del combustible se produzca con retraso genera

algunos problemas como: un funcionamiento más ruidoso del motor, mayor consumo,

generación de NOx y de humos de escape debido a que parte del combustible no se

quema correctamente, pérdida de potencia del motor, etc.

Para evitar estos problemas, la bomba inyectora debe disponer de un elemento que

actué sobre el árbol de levas de la misma y así poder sincronizar el principio de inyección

en los elementos de bombeo por medio del giro en el árbol de levas un cierto ángulo que

puede variar hasta 8º. Este elemento es el variador de avance, que se encarga de

adelantar el momento de la inyección a medida que aumenta el régimen de giro del

motor.

Figura 33. Elementos de un variador de avance, (Robert Bosch GmbH)


54

4.8.1 Principio de funcionamiento

(Figura 34)

El regulador está formado por un plato acoplado al árbol de levas de la bomba por

medio del manguito roscado (plato de acoplamiento). En este plato y sobre los pernos van

situados los contrapesos o masas centrifugas en cuyos rebajes de forma circular se acopla

la brida de mando, formada por los salientes de acoplamiento en los contrapesos y las

garras de arrastre, a través de las cuales la bomba recibe el movimiento del motor.

La posición y regulación de los salientes, con respecto a las masas centrífugas, se realiza

por medio de unos muelles y unas arandelas de reglaje, que unen los salientes con los

pernos del plato de acoplamiento, alojándose en los huecos del saliente. El conjunto va

cerrado por medio de la cápsula soporte y la tapa.

Cuando el motor aumenta su velocidad, los contrapesos, por efecto de la fuerza

centrífuga, tienden a desplazarse hacia el exterior, empujando a los salientes de la brida

de mando, que se desplazan comprimiendo a los muelles y disminuyendo, por tanto, el

ángulo de acoplamiento en la brida de arrastre. Como esta brida no puede adelantarse ni

retrasarse por estar unida a la transmisión del motor, son los pernos los que se desplazan

en el sentido de avance de la bomba. Con ello arrastran el plato de acoplamiento con el

árbol de levas y, por tanto, logran un adelanto de las levas del mismo.

De esta forma, la fuerza centrífuga de los contrapesos actúa en contra de la forma de

los muelles, pero en el sentido de rotación de los pernos de la brida de acoplamiento, de

modo que esta brida (y por tanto el árbol de levas) se adelanta a la brida de mando en

proporción al número de revoluciones del motor. Con ello se adelanta el comienzo de la

inyección en la bomba.

El ángulo de avance a la inyección varía entre un máximo y un mínimo según el

desplazamiento de los contrapesos, limitado por medio del rebaje o guía circular de los

mismos, de forma que el desplazamiento de las masas es relativamente grande para un

pequeño valor de fuerza centrífuga y se reduce a medida que la fuerza centrífuga

aumenta; es decir, que el desplazamiento es mayor para un número de revoluciones bajo

y se reduce a medida que el número de revoluciones aumenta.

De esta forma se obtiene la fuerza suficiente para la variación angular, incluso con

reducido número de revoluciones. Cuando existe una gran fuerza centrífuga, para la

variación angular basta un recorrido más pequeño de las masas, ya que la fuerza

centrífuga aumenta con el cuadrado de la velocidad.

El reglaje o variación del ángulo de avance se efectúa poniendo o quitando arandelas

entre el muelle y su asiento del saliente, con lo cual se consigue dar mayor o menor

presión al muelle y, por tanto, favorecer o no la acción de los contrapesos sobre el

mecanismo de arrastre.


55

Figura 34. Principio de funcionamiento de un regulador de avance, (Robert Bosch GmbH)

Figura 35. Funcionamiento de un variador de avance, (Robert Bosch GmbH)


56

4.8.2 Variador de avance de excéntrica

Este tipo de regulador puede estar contenido en una estructura abierta o cerrada.

Normalmente va montado sobre el árbol de levas de la bomba de inyección, pero también

es posible su instalación sobre un eje intermedio. Para su lubricación el variador de avance

cerrado va provisto de una carga de aceite suficiente para engrasarlo durante toda su vida

útil. El variador de avance abierto se lubrica directamente por conexión al circuito del

aceite lubricante del motor.

Constitución

(Figura 36)

El cuerpo del variador de avance de excéntrica de tipo abierto está unido a una rueda

dentada mediante una rosca. Dentro del cuerpo van alojados, de forma que puedan girar,

el disco de reglaje con el buje así como las excéntricas de ajuste y de compensación. Estas

dos excéntricas son conducidas por un bulón fijado firmemente en el cuerpo. Los bulones

de los contrapesos se insertan en el orificio de la excéntrica de ajuste. En los contrapesos

van dispuestos por parejas los muelles de presión, que también son guiados por un bulón.

Los contrapesos están asegurados contra un posible desplazamiento axial.

Figura 36. Estructura interna de un variador de avance de excentrica, (Robert

Bosch GmbH)


57

Funcionamiento

(Figura 37)

El variador de avance abierto es accionado a través de rueda dentada, accionada

directamente por la cadena o correa de distribución. La unión entre el accionamiento y el

buje queda establecida por parejas de excéntricas acopladas entre sí. Las excéntricas se

encuentran en los orificios del disco de reglaje y son conducidas por los bulones del

cuerpo. A través de estos bulones se transmite al buje el movimiento impulsor del cuerpo.

Cuando el motor está parado, los muelles de presión mantienen los contrapesos en la

posición inicial. Al funcionar el motor, es decir, al incrementarse el número de

revoluciones, aumenta la fuerza centrífuga. Los contrapesos se desplazan hacia el exterior

provocando así un giro de las excéntricas. A causa de este movimiento giratorio, el buje

cambia de posición respecto al cuerpo, con lo que se modifica el momento de inyección.

Con el variador de avance de excéntricas es posible un ángulo de hasta 30º respecto al

cigüeñal del motor.

Figura 37. Funcionamiento un variador de avance de excentricas, (Robert Bosch GmbH)


58

4.9 Lubricación de la bomba

En la mayoría de los casos estas bombas se lubrican por medio del circuito lubricante

del motor. Se lubrica tanto la parte de la bomba donde están los elementos de bombeo

como el regulador centrífugo de velocidad. Con este tipo de lubricación, la bomba de

inyección está exenta de mantenimiento. El aceite del motor filtrado se hace llegar a la

bomba de inyección y al regulador a través de una tubería, por un orificio de entrada. En

caso de fijación de la bomba al motor, en bandeja, el aceite lubricante vuelve al motor a

través de una tubería de retorno, mientras que en caso de fijación mediante brida frontal

lo hace a través del alojamiento del árbol de levas o de orificios especiales (Figura 38).

En el caso de bombas de inyección sin conexión al circuito del aceite del motor el aceite

lubricante se cambia cuando se desmonta la bomba de inyección o cuando el motor se

somete a una revisión general. La bomba se llena de aceite lubricante a través del

capuchón de purga de aire o el filtro de purga de aire existente en el tapón.

El nivel de aceite se controla al mismo tiempo que se realizan los cambios de aceite del

motor previstos por el fabricante de este último. El aceite sobrante (por entrada de

combustible de fuga) se evacua, mientras que si falta tendrá que rellenarse.

Las bombas y los reguladores con circuito de aceite separado poseen respectivamente

una varilla para controlar el nivel del aceite.

Figura 38. Lubricación de la bomba de inyección, (Robert Bosch GmbH)


59

4.10 Puesta a punto de la bomba en el motor

(Figura 39)

Para hacer la puesta a punto, se recurre a las marcas del comienzo de la inyección que

se encuentran en el motor y en la bomba de inyección. Normalmente se toma como base

la carrera de compresión del cilindro nº 1 del motor, pero por razones específicas de los

motores pueden aplicarse también otras posibilidades. Por esta razón deben tenerse en

cuenta los datos facilitados por el fabricante del motor.

En el motor Diesel, la marca del comienzo de la alimentación se encuentra

generalmente en el volante de inercia, en la polea de la correa trapezoidal o en el

amortiguador de vibraciones (damper). En la bomba de inyección, el comienzo de la

alimentación para el cilindro de bomba nº 1 tiene lugar cuando la marca practicada en la

mitad no móvil del acoplamiento o bien en el variador de avance coincide con la raya

marcada en el cuerpo de la bomba. En las bombas abridadas, las marcas están en la rueda

dentada del accionamiento y en el piñón insertable.

La posición, la disposición y la designación de los cilindros del motor son indicadas por

el fabricante de éste y han de tenerse en cuenta en cualquier caso. El cilindro de bomba nº

1 es el más próximo al accionamiento (polea) de la bomba de inyección. Antes del montaje

ha de hacerse coincidir, en sentido de giro, la marca de comienzo de alimentación de la

bomba de inyección con la raya marcada en el cuerpo, o bien se ajustará el comienzo de la

alimentación según el método de rebose a alta presión.

Figura 39. Puesta a punto de una bomba de inyección en línea,

(Robert Bosch GmbH)

60

5 SISTEMAS CON BOMBA DE INYECCIÓN

ROTATIVA

Este tipo de bomba también se conoce como bomba distribuidora. Este tipo de bombas

nació de la necesidad de mejorar el comportamiento de los motores diesel pequeños

utilizados en vehículos de turismo. Estos motores requerían un sistema de inyección de

alto rendimiento capaz de realizar inyecciones más rápidas y precisas, y que además fuera

más ligero y compacto, para adaptarse mejor a las necesidades de estos vehículos. La

bomba de inyección rotativa cumplía estos requisitos.

Estas bombas podían lograr presiones de inyección mayores que sus antecesoras, lo

que supuso también supuso una mejora en el consumo y en la reducción de los niveles de

emisiones.

5.1 Aplicaciones

Los ámbitos de aplicación de estas bombas son motores diesel de entre 3 y 6 cilindros

de turismos, vehículos comerciales, tractores y vehículos industriales ligeros y medianos,

con una potencia de hasta 50 kW por cilindro.

Desde su introducción en 1962, la bomba rotativa de émbolo axial se convirtió en la

más usada en los automóviles diesel durante muchos años. En motores con inyección

indirecta llegan a presiones de hasta 350 bar.

En 1996 apareció la bomba rotativa de émbolo radial. Estas bombas consiguen

presiones de hasta 1900 bar, lo que las hace más apropiadas para motores de inyección

directa.

Generalmente para motores con potencias inferiores a 30 kW por cilindro se usan las

de émbolo axial y para potencias superiores las de émbolos radiales.

5.2 Diseños

Las bombas de inyección rotativas se pueden clasificar de acuerdo a tres criterios:

método de control del caudal de inyección, método de generación de presión y tipo de

sistemas de control (Figura 40).

Sistemas con bomba de inyección rotativa

61

5.2.1 Control del caudal de inyección

Control por corredera

En la bomba de inyección rotativa de émbolo axial convencional existe una corredera

de regulación que determina la carrera útil y dosifica el caudal de inyección. El comienzo

de suministro es regulado por un variador de avance hidráulico. Puede ajustarse mediante

la posición del anillo de levas (variador de avance).

Control por electroválvula

Las bombas rotativas de émbolo axial más avanzadas, controladas electrónicamente,

disponen de una electroválvula de alta presión que abre y cierra la salida de la cámara de

alta presión. De esta forma se controla electrónicamente el inicio y duración del

suministro. Las bombas de émbolos radiales siempre son controladas por electroválvulas.

5.2.2 Método de generación de alta presión

Las bombas rotativas tienen un solo elemento de bombeo para todos los cilindros.

Dependiendo del diseño la presión se genera por un émbolo axial o varios émbolos

radiales. El émbolo central rotativo abre y cierra las ranuras que comunican con las

tuberías de alimentación de los inyectores, distribuyendo así el combustible a cada cilindro

en el momento adecuado.

Bombas rotativas de émbolo axial VE: Comprimen el combustible por medio de un

émbolo o pistón que se mueve en dirección axial al eje de la bomba.

Bombas rotativas de émbolos radiales VR: Tienen entre 2 y 4 émbolos radiales al eje

de la bomba encargados de la generación de alta presión y el suministro del combustible.

5.2.3 Tipo de sistema de control

El control de velocidad se puede realizar por medio de un regulador mecánico o un

sistema de control electrónico EDC (Electronic Diesel Control).

El sistema de control EDC ofrece muchas ventajas sobre el regulador mecánico:

Menor consumo de combustible, menos emisiones, mayor potencia y par

motor. Todo esto es debido al control más preciso del inicio de la inyección y la

cantidad de combustible inyectado.


62

Velocidad de ralentí menor y la posibilidad de ajustarlo cuando se activan

elementos auxiliares (por ejemplo: el aire acondicionado), gracias al mejor

control sobre la velocidad del motor.

Funcionamiento más sofisticado (amortiguador de activo, funcionamiento más

silencioso, velocidad de crucero).

Mejora de las funciones de diagnosis.

Funciones de control adicionales (función de pre-calentamiento, recirculación

de los gases de escape EGR, control de la presión del aire de alimentación,

inmovilización electrónica del motor, etc.).

Intercambio de datos con otros sistemas electrónicos de control (sistema de

control de tracción, etc.) y de esta forma integración en una red general de

control del vehículo.

Figura 40. Clasificación de los tipos de bombas rotativas, (Robert Bosch GmbH)


63

5.3 Etapa de baja presión

Las bombas rotativas tienen una parte de baja presión donde llevan integrada una

bomba de paletas encargada de suministrar el combustible a la parte de alta presión. Los

componentes esenciales de la parte de baja presión son:

la bomba de alimentación de paletas

la válvula reguladora de presión

el estrangulador de rebose

5.3.1 Bomba de alimentación de paletas

(Figura 41)

Esta montada en torno al eje de accionamiento de la bomba de inyección. El rotor está

centrado sobre el eje y es accionado por una chaveta del disco. El rotor de aletas está

rodeado por un anillo excéntrico.

Las cuatro paletas del rotor son presionadas hacia el exterior, contra el anillo

excéntrico, por efecto de la fuerza centrífuga debida al movimiento de rotación. El

combustible llega al cuerpo de la bomba de inyección a través del canal de alimentación y

pasa por una abertura en forma de riñón. Por efecto de la rotación, el combustible que se

encuentra entre las aletas, es transportado hacia el recinto superior y penetra en el

interior de la bomba de inyección a través de un taladro. Al mismo tiempo, a través de un

segundo taladro, una parte del combustible llega a la válvula reguladora de presión.

Figura 41. Bomba de paletas, (Robert Bosch GmbH)

1. Eje de accionamiento

2. Válvula reguladora de

presión

3. Anillo de apoyo

4. Rueda dentada de

accionamiento del

regulador de caudal

de combustible

5. Garra del eje

6. Anillo excéntrico

7. Estrangulador de

rebose.


64

5.3.2 Válvula reguladora de presión

(Figura 42)

Situada cerca de la bomba de alimentación de aletas. Esta válvula lleva un émbolo

presionado por un muelle. Si la presión de combustible excede un determinado valor, el

émbolo de la válvula abre el orificio de retorno, de forma que el combustible pueda

retornar a la entrada de la bomba de alimentación de aletas. La presión de apertura de la

válvula la determina la tensión previa del muelle de compresión.

Figura 42. Válvula reguladora de presión, (Robert Bosch GmbH)

5.3.3 Estrangulador de rebose

(Figura 43)

El estrangulador de rebose va roscado en la parte superior de la bomba de inyección.

Permite el retorno de un caudal variable de combustible al depósito a través de un

pequeño orificio con el objetivo principal de refrigerar la bomba. El taladro ofrece una

resistencia a la salida de combustible, por lo que tiene definido una caudal de combustible

de retorno, permitiendo mantener la presión en el interior de la bomba.

Figura 43. Estrangulador de rebose, (Robert Bosch GmbH)


65

5.4 Bombas rotativas de émbolo axial VE

5.4.1 Diseño y funcionamiento

El movimiento rotativo del eje de accionamiento se transmite al émbolo distribuidor

por medio de un acoplamiento. Las garras del eje de accionamiento y del disco de levas

engranan en el disco cruceta dispuesto entre ellas. Por medio del disco de levas, el

movimiento giratorio del eje de accionamiento se convierte en un movimiento de

elevación y giro. Esto se debe a que la trayectoria de las levas del disco discurre sobre los

rodillos del anillo. El émbolo distribuidor es solidario al disco de levas por medio de una

pieza de ajuste. El desplazamiento del émbolo distribuidor hacia el punto muerto superior

está asegurado por el perfil del disco de levas. Los dos muelles del émbolo, dispuestos

simétricamente, que reposan sobre la cabeza distribuidora y actúan sobre el émbolo

distribuidor a través de un puente elástico, provocan el desplazamiento del émbolo al

punto muerto inferior. Además, dichos muelles impiden que el disco de levas pueda

separarse a causa de la elevada aceleración de los rodillos del anillo. Para que el émbolo

distribuidor no pueda salirse de su posición central a causa de la acción centrifuga, se ha

de determinar con precisión la altura de los muelles que están perfectamente coordinados

(Figura 44).

5.4.2 Discos de levas y formas de leva

Además de la función motriz del eje de accionamiento, el disco de levas influye sobre la

presión y la duración de la inyección. Estos parámetros son función de la carrera y la

velocidad de elevación de la leva. El avance del inicio de la inyección se regula mediante el

giro del disco de levas. La inyección se debe adaptar a cada motor, por eso, para cada tipo

de motor se calcula una pista especial de levas que luego se coloca sobre la cara frontal del

disco de levas.

Figura 44. Elementos de la bomba de alta presión, (Robert Bosch GmbH)

1. Eje de accionamiento

2. Disco cruceta

3. Anillo de rodillos

4. Rodillo

5. Disco de levas

6. Arandelas de ajuste

7. Embolo distribuidor

8. Puente elástico

9. Corredera de

regulación

10. Cabeza distribuidora

11. Muelle

12. Racor de impulsión

(válvula de

reaspiración).


66

5.4.3 Bomba VE con control de caudal por corredera

Figura 45. Esquema bomba émbolo axial con control del caudal por corredera, (Robert Bosch GmbH)

El inicio del suministro viene determinado por el punto en el que el plato de levas se

eleva, desplazando al embolo hacia el PMS. Se ajusta mediante el giro del anillo de rodillos

(variador de avance).

La duración del suministro la determina la posición de la corredera (Figura 45, 5).

Mientras el orificio de descarga esté cerrado, el embolo está bombeando combustible al

canal correspondiente. El suministro finaliza cuando este orificio queda fuera de la

corredera. El combustible bombeado por el émbolo se descarga por este orificio, ya que

por el canal de inyección correspondiente tiene que vencer la fuerza del muelle de la

válvula de descarga.

La posición de la corredera, que marca la carrera efectiva del émbolo de bombeo,

puede estar controlada por:

Un regulador mecánico. Su principio de funcionamiento es el mismo que el

utilizado en las bombas de inyección en línea. En este tipo de bombas el

variador de avance está controlado por un elemento hidromecánico que actúa

en función del número de revoluciones del motor (Figura 46).

Un actuador electromagnético (solenoide). Disponen de un sistema de

regulación electrónica (EDC) que ajusta la posición de la corredera mediante un

electroimán. La posición del variador de avance también está controlada por un

actuador electromagnético (Figura 47).


67

Figura 46. Bomba VE con regulador de corredera y control mecánico. Componentes.

Figura 47. Bomba VE con regulador de corredera y EDC

1. Bomba de alimentación

(etapa de baja presión)

2. Bomba de alta presión con

elemento distribuidor

3. Regulador mecánico

4. Electroválvula de parada

5. Variador de avance


68

Fases de la generación de alta presión y distribución del combustible

(Figura 48)

Entrada de combustible (a)

Con el émbolo en la posición de reposo (PMI), el combustible entra a la cámara de alta

presión a través del canal de entrada y la ranura de control.

Suministro de combustible (b, c)

Durante la carrera de ascenso (del

PMI al PMS), el émbolo cierra el canal de

entrada, sometiendo a presión al

combustible que se encuentra en el

recinto de alta presión (b).

Durante el movimiento giratorio del

émbolo la ranura de distribución coincide

con uno de los orificios que tiene la

cabeza distribuidora y que alimenta a

uno de los inyectores. (c)

Fin de alimentación (d)

La alimentación de combustible

concluye en el momento en el que la

corredera de regulación abre los orificios

de descarga.

Entrada de combustible

Cuando el émbolo retorna del PMS

hacia el PMI, en su movimiento

alternativo y rotativo, se cierra la ranura

de distribución y se abre el canal de

entrada, de forma que se vuelve a llenar

de combustible el recinto de alta presión.

Figura 48. Fases de la generación de alta presión y distribución del

combustible, (Robert Bosch GmbH)


69

5.4.4 Bomba VE con control de caudal por electroválvula

(Figura 49)

El principio de funcionamiento del elemento de bombeo es el mismo que en las

bombas con caudal regulado por corredera. El movimiento alternativo del émbolo se

produce de igual manera, por la rotación del disco de levas sobre el anillo de rodillos. Sin

embargo, la apertura y cierre del suministro de combustible están controlados por una

electroválvula.

Esto permite un control más preciso de la inyección y la posibilidad de realizar

preinyección. Además gracias al cierre de la electroválvula, que permite un mejor sellado,

se consiguen presiones de inyección más altas (del orden de 1.400 bar), haciéndolas más

aptas para sistemas de inyección directa.

Figura 49. Bomba rotativa de embolo axial con control de caudal por electroválvula, (Robert Bosch GmbH)


70

Fases del suministro

(Figura 50)

Succión (a)

A medida que el émbolo desciende

hacia el PMI, el combustible entra a la

cámara de alta presión. La electroválvula

se encuentra abierta.

Carrera efectiva (b)

Cuando el émbolo se encuentra en el

PMI, antes de que los rodillos entren en

contacto con las levas, la ECU de la

bomba envía a la electroválvula la señal

para que cierre.

Con la válvula cerrada, cuando el

émbolo comienza a ascender, el

combustible no puede salir por donde ha

entrado. Entonces pasa por el canal de

inyección correspondiente, según la

posición del émbolo distribuidor y

cuando alcanza la presión necesaria para

vencer el muelle antagonista de la válvula

de retención comienza el suministro.

Carrera residual (c)

Una vez que se ha inyectado el

combustible necesario, la ECU corta la

corriente a la electroválvula de forma

que ésta abre dejando salir el

combustible bombeado en el resto de la

carrera.

Figura 50. Fases del suministro en una bomba

rotativa con control de caudal por electroválvula,

(Robert Bosch GmbH)


71

5.5 Bombas rotativas de émbolos radiales VR

Estas bombas producen presiones de inyección mayores que las de émbolo axial, por lo

que también requieren más potencia para accionarlas (hasta 4,5 kW comparado con 3 kW

en el caso de la bomba de émbolo axial). Por este motivo su uso suele estar destinado a

vehículos de mayor potencia. Se usan en turismos y en vehículos industriales con

potencias de hasta 50 kW/cilindro.

Todos los modelos de estas bombas tienen regulación electrónica y control del caudal

por electroválvulas.

5.5.1 Diseño

(Figura 52)

La bomba es accionada directamente por el eje de accionamiento. Los principales

componentes de estas bombas son:

El anillo de levas

Los soportes de los rodillos y los rodillos

Los émbolos de bombeo

El disco de arrastre

La sección frontal del eje distribuidor

El movimiento giratorio del eje de accionamiento es transmitido mediante un disco de

arrastre directamente al eje distribuidor. Las ranuras guía sirven simultáneamente para

guiar los soportes de los rodillos que recorren la pista interior del anillo de levas. El

número de levas en el interior de la pista corresponde al número de cilindros del motor.

En la cabeza del eje distribuidor se encuentran los émbolos de bombeo dispuestos de

forma radial con respecto a eje de la bomba. Los émbolos de suministro están apoyados

sobre los soportes de los rodillos, de esta forma se mueven solidarios a ellos de acuerdo al

perfil de la pista de la leva, comprimiendo el combustible en la cámara central. Pueden

tener 2, 3 o 4 émbolos dependiendo del número de cilindros del motor y del tipo de

aplicación. (Figura 511)


72

Figura 51. Distintas configuraciones de los émbolos radiales, (Robert Bosch GmbH)

Figura 52. Esquema de una bomba VR, (Robert Bosch GmbH)

73

6 BOMBAS DE INYECCIÓN INDIVIDUALES

PF

6.1 Aplicaciones

Se usan en motores diesel con aplicaciones “off-road”, desde pequeños motores con

potencias entre 4 y 75 kW por cilindro (tractores, maquinaria para la construcción,

generadores eléctricos), hasta motores a gran escala con potencias de hasta 1000kW por

cilindro (locomotoras, barcos…). En el caso de estos últimos pueden trabajar con gasoil de

alta viscosidad y aceites pesados.

Estas bombas destacan por su durabilidad y facilidad de mantenimiento.

6.2 Diseño y operación

(Figura 53)

El principio de operación de estas bombas es el mismo que el de las bombas en línea

tipo PE, con la diferencia de que hay una por cada cilindro del motor. El émbolo del

elemento de bombeo es idéntico en ambas bombas. Las bombas individuales no llevan un

árbol de levas propio, son accionadas de forma externa por el árbol de levas que controla

las válvulas del motor. La designación PF indica que la bomba está controlada por un árbol

de levas externo.

Algunas de estas bombas de menor tamaño pueden tener 2, 3 o 4 cilindros. Sin

embargo la mayoría de los diseños son de un solo cilindro.

Al ser accionadas directamente por el árbol de levas del motor, no es posible variar el

avance girando el árbol de levas. Es posible variarlo unos grados añadiendo algún

elemento intermedio, por ejemplo con una manivela oscilante entre la leva y el rodillo

empujador como se observa en la figura 53.

Al ir montadas directamente sobre el bloque del motor, la tubería de alta presión que

lleva el combustible hasta el inyector es más corta que en el caso de las bombas inyectoras

convencionales. El menor tamaño de tubería implica una inyección más precisa con menor

tiempo de retraso desde el suministro.

Bombas de inyección individuales PF

74

Figura 53. Sistema de variación de avance en bombas individuales tipo PF, (Robert Bosch GmbH)

Se distinguen básicamente dos tipos de bombas de inyección:

Tipo PFR: Llevan incorporado un rodillo empujador que se encuentra en

contacto directo con la leva y acciona el embolo.

Tipo PF y PFE: En este caso el rodillo empujador va montado sobre el motor y

no como parte de la bomba. Son más comunes en los motores pequeños.

6.3 Control

Igual que en las bombas en línea tipo PE, para controlar el número de revoluciones del

motor se ajusta el suministro mediante el giro del émbolo, variando así la carrera útil. El

giro del émbolo se controla mediante una varilla externa a la bomba que mueve la

cremallera. Esta, a su vez, es accionada por el regulador.

En los motores grandes el regulador va montado directamente sobre el bloque del

motor. El regulador puede ser electrónico o hidromecánico, y en pocos casos puramente

mecánico.

Entre la cremallera de control de cada bomba y la varilla accionada por el regulador hay

un muelle que hace de unión, de forma que si la cremallera de una de las bombas

individuales se obstruye no afecte al funcionamiento de las demás bombas.

75

7 SISTEMAS CON INYECTOR UNITARIO

(UIS)

En los sistemas con inyector unitario UIS (Unit Injector System), también llamado

unidad inyector-bomba, la bomba de inyección, la electroválvula de alta presión que

controla la inyección y el inyector forman una unidad individual, llamada inyector-bomba.

Esta construcción compacta hace más fácil el suministro y reduce el retraso de inyección.

Esto se debe a que la línea de alta presión entre la bomba y la tobera de inyección es muy

corta, y por tanto, el volumen de compresión es muy pequeño.

La presión máxima que se alcanza en un sistema UIS varía según el tipo de bomba y la

aplicación y se sitúa entre 1.800 y 2.200 bar en motores de vehículos comerciales y hasta

2.050 bar en turismos.

7.1 Instalación y accionamiento

(Figura 54)

Los sistemas UIS se montan directamente sobre la culata del motor (uno por cada

cilindro) y son accionados por el árbol de levas del motor a través de un balancín. La curva

de inyección esta directamente influenciada por la forma de la leva. Están diseñados para

que el émbolo se mueva más lento durante el llenado de la bomba (movimiento de

ascenso), para prevenir el arrastre de aire, y más rápido durante la inyección (movimiento

de descenso), para lograr la presión de suministro adecuada.

Sistemas con inyector unitario (UIS)

76

Figura 54. Instalación del sistema bomba-inyector en un vehículo comercial, (Robert Bosch GmbH)

7.2 Diseño y construcción

(Figura 55)

El combustible se filtra antes de entrar en la tobera haciéndolo pasar por unos orificios

(aprox. 500) de menos de 0,1mm taladrados con láser. El cuerpo de la unidad inyector-

bomba sirve de cilindro de la bomba. La tobera está integrada en el inyector.

El muelle presiona el émbolo contra el balancín y a éste sobre la leva. De esta forma el

émbolo, el balancín y la leva están siempre en contacto durante el funcionamiento.

Los inyectores unitarios usados en vehículos comerciales suelen ser modelos de mayor

tamaño que llevan la electroválvula integrada dentro del inyector. Sin embargo en los

turismos la electroválvula va montada fuera del cuerpo de la bomba para reducir el

tamaño del inyector.

En la unidad inyector-bomba se distinguen tres partes principales:

Generación de alta presión: Los componentes principales de la generación de

alta presión son el cuerpo de la bomba con el émbolo y el muelle antagonista.

Electroválvula de alta presión: Tiene la misión de determinar el momento y la

duración de la inyección.

Inyector: Pulveriza el combustible a alta presión en el interior de la cámara de

combustión. El inyector está adosado al cuerpo de la unidad inyector-bomba

mediante la tuerca de fijación.

1. Balancín

2. Árbol de levas del motor

3. Electroválvula

4. Tobera o boquilla

5. Solenoide

6. Émbolo

7. Inyector unitario

8. Cámara de

combustión


77

Figura 55. Unidad bomba-inyector para coches, (Robert Bosch GmbH)

1. Perno esférico

2. Muelle de reposición

3. Émbolo de bomba

4. Cuerpo de bomba

5. Conector

6. Núcleo magnético

7. Muelle de compensación

8. Aguja de electroválvula

9. Inducido

10. Bobina de electroimán

11. Retorno de combustible

(parte de baja presión)

12. Junta

13. Taladros de entrada (aprox.

500 agujeros taladrados

con láser como filtro)

14. Tope hidráulico (unidad de

amortiguación)

15. Asiento de aguja

16. Arandela de estanqueidad

17. Cámara de combustión del

motor

18. Aguja del inyector

19. Tuerca de fijación

20. Inyector integrado

21. Culata del motor

22. Muelle de compresión

(muelle de inyector)

23. Embolo acumulador

(émbolo alternativo)

24. Cámara acumuladora

25. Cámara de alta presión

(recinto del elemento)

26. Muelle de electroválvula

27. Árbol de levas del motor

28. Balancín de rodillo


78

7.3 Método de operación

El principio de funcionamiento para la inyección principal es el mismo para las unidades

utilizadas en vehículos comerciales y en turismos. La pre-inyección se efectúa en los

motores de turismos mediante un sistema mecánico-hidráulico y en los vehículos

comerciales mediante control electrónico por activación de la electroválvula.

7.3.1 Inyección principal

La inyección principal se puede subdividir en cuatro etapas (Figura 56):

Carrera de aspiración (a)

El muelle antagonista mueve el émbolo hacia arriba durante la rotación de la leva.

El combustible, que se encuentra permanentemente bajo sobrepresión, fluye

desde la parte de baja presión de la alimentación de combustible, a través de los

taladros de entrada integrados en el bloque del motor y el canal de entrada de

combustible, a la cámara de baja presión. En esta fase la electroválvula se

encuentra abierta. El combustible llega a través de un taladro de comunicación a

la cámara de alta presión.

Carrera previa (b)

El émbolo de bomba baja debido al giro de la leva de accionamiento. La

electroválvula está abierta de forma que el émbolo fuerza al combustible a pasar,

a través del canal de retorno de combustible, a la parte de baja presión de la

alimentación de combustible.

Carrera de suministro e inyección de combustible (c)

La unidad de control ECU suministra corriente a la bobina del electroimán de la

válvula, de modo que la aguja de la electroválvula es atraída al asiento, cortándose

la comunicación entre la cámara de alta presión y la parte de baja presión. Este

momento se denomina "comienzo de inyección eléctrico". El cierre de la aguja de

la electroválvula se traduce en un cambio de la corriente de la bobina.

La presión del combustible en la cámara de alta presión aumenta debido al

descenso del émbolo de la bomba, por lo que aumenta también la presión en la

tobera.

Al alcanzarse la presión de apertura del inyector (aprox. 300 bar) se levanta la

aguja del inyector y el combustible es inyectado en la cámara de combustión

("comienzo de inyección real"). A causa del elevado caudal impulsado por el

émbolo de la bomba, la presión sigue aumentando durante todo el proceso de


79

inyección. El punto de máxima presión se alcanza durante la transición entre la

carrera de inyección y la carrera residual.

Carrera residual (d)

En cuanto se desconecta la bobina del electroimán, la electroválvula se abre

después de un breve tiempo de retardo y abre nuevamente el paso entre la

cámara de alta presión y la parte de baja presión. En este instante la presión cae

de repente hasta que llega al valor de cierre del inyector y termina la inyección.

Los sistemas de inyector-bomba son intrínsecamente seguros. Es decir, en caso de fallo

o mal funcionamiento, lo máximo que puede ocurrir es una sola inyección descontrolada.

Si la electroválvula permanece abierta no se podrá inyectar, puesto que el combustible

fluirá de vuelta a la parte de baja presión y no es posible que la presión pueda aumentar.

Cuando la electroválvula está permanentemente cerrada, el combustible no puede

entrar a la cámara de alta presión y tampoco habría inyección.

Puesto que la unidad inyector-bomba está montada en la culata, está expuesta a

temperaturas elevadas. Para mantener en el nivel más bajo posible las temperaturas en la

unidad, se refrigera mediante el combustible que retorna a la parte de baja presión.

Figura 56. Principio de funcionamiento de la unidad bomba-inyector. Etapas de la inyección principal, (Robert Bosch GmbH)


80

7.3.2 Preinyección

Las unidades inyector-bomba utilizadas en motores de turismos diesel disponen de un

sistema de control mecánico-hidráulico para realizar una preinyección, compuesto por un

émbolo y una cámara de acumulación. Este proceso, hasta que comienza la inyección

principal, se puede dividir en cuatro etapas (Figura 57):

Posición inicial (a)

La aguja del inyector y el émbolo del acumulador se encuentran en su asiento. La

electroválvula está abierta, con lo cual no puede aumentar la presión.

Comienzo de la preinyección (b)

En cuanto se cierra la electroválvula, la presión comienza a aumentar. Al

alcanzarse la presión de apertura del inyector para la preinyección, se levanta la

aguja del inyector y la inyección previa comienza. Esta presión es

significativamente menor que para la inyección principal (aprox. 180 bar) debido a

que el muelle se encuentra menos comprimido. Durante esta fase, la carrera de la

aguja del inyector está limitada hidráulicamente mediante una unidad de

amortiguación.

Fin de la inyección preinyección (c)

La presión sigue aumentando y esto hace que el émbolo acumulador se levante de

su asiento y se establezca una comunicación entre la cámara de alta presión y la

cámara de acumulación. La disminución de presión originada y el aumento

simultáneo de la tensión previa del muelle de compresión hacen que la aguja del

inyector se cierre, finalizando la inyección.

La cantidad de combustible inyectado es del orden de y depende de la

presión de apertura y de la elevación del émbolo acumulador.

Comienzo de la inyección principal (d)

Debido al movimiento continuo del émbolo sigue aumentando la presión en la

cámara de alta presión. Debido a la compresión del muelle, la presión requerida

ahora para la apretura de la aguja es mayor (aprox. 300 bar) que para la

preinyección. Al alcanzarse la presión de apertura, empieza la inyección principal.

El intervalo de tiempo entre la inyección previa y la principal está determinado por la

elevación del émbolo acumulador (que en parte está determinada por la tensión del

muelle de compresión) y por la velocidad del motor. Suele estar aproximadamente entre

0,2 y 0,6 ms.


81

Figura 57. Etapas de la preinyección en un sistema UIS, (Robert Bosch GmbH)


82

7.4 Electroválvula de alta presión

(Figura 58)

La electroválvula de alta presión controla la presión de acumulación, el inicio de la

inyección y la duración de la inyección.

7.4.1 Diseño y construcción

Se puede dividir en dos partes: válvula e imán.

Válvula

La válvula consta de la aguja de válvula, el cuerpo de válvula y el muelle.

El asiento de cierre del cuerpo de válvula es un rectificado cónico y la aguja de la válvula

posee igualmente un asiento de superficie cónica. El ángulo de la aguja es algo mayor que

el cuerpo de la válvula. Con la válvula cerrada, cuando la aguja presiona contra el cuerpo

de válvula, el cuerpo de válvula y la aguja de válvula hacen contacto únicamente sobre una

línea (y no sobre una superficie), el asiento de válvula. Gracias a esta disposición de doble

cono, el sellado es muy eficiente. Se les aplica un proceso de mecanizado de alta precisión

para asegurar un ajuste perfecto.

Imán

El imán está compuesto de un estator fijo y el inducido móvil. El estator se compone de

un núcleo magnético, una bobina y los contactos eléctricos con su enchufe

correspondiente.

El inducido está fijado en la aguja de la válvula. En la posición de no excitación, hay aire

entre el estator y el inducido.

Principio de operación

Válvula abierta

La electroválvula está abierta siempre que no esté actuando, es decir, cuando no se

aplica corriente a la bobina. La fuerza ejercida por el muelle de compresión en la aguja

empuja ésta contra el tope, de forma que queda abierta la sección de paso entre la aguja y

el cuerpo de la válvula, en la zona correspondiente al asiento de la válvula. De esta forma

están conectadas entre sí las zonas de alta presión y baja presión de la bomba. En esta

posición el combustible puede entrar y salir de la cámara de alta presión.


83

Válvula cerrada

La ECU acciona la bobina cuando va a tener lugar la inyección. La corriente de

excitación genera un flujo magnético en los componentes del circuito (núcleo magnético,

disco magnético e inducido). Este flujo magnético genera una fuerza que atrae el inducido

hacia el disco magnético y con de esta manera mueve la aguja hacia el cuerpo de la

válvula. El inducido es desplazado hasta que la aguja y el cuerpo de la válvula entran en

contacto en la junta de asiento y cierra la válvula. Entre el inducido y el disco magnético

continúa habiendo un hueco de aire residual.

La fuerza magnética no solamente tiene que atraer el inducido, sino que tiene que

vencer al mismo tiempo la fuerza ejercida por el muelle de la válvula, y seguir resistiendo a

la misma. Además, la fuerza magnética debe mantener en contacto las superficies de

sellado con una fuerza determinada para resistir la presión de la cámara.

Cuando la electroválvula está cerrada, la presión se eleva en la cámara de alta presión

durante el descenso del émbolo para facilitar la inyección. Para detener el proceso de

inyección, la ECU desactiva el paso de corriente por la bobina. En ese instante termina la

atracción debida al flujo magnético y el muelle fuerza a la aguja a volver a su posición de

reposo. Así, se vuelve a abrir la válvula y la presión en la cámara de combustión se reduce.

Figura 58. Electroválvula de alta presión, (Robert Bosch GmbH)

84

8 SISTEMAS CON BOMBA UNITARIA (UPS)

El sistema de bomba unitaria UPS (Unit Pump System), también llamado unidad

bomba-tubería-inyector, se utiliza en vehículos comerciales y motores grandes. La misión y

el funcionamiento del UPS son parecidos a los sistemas bomba-inyector UIS. La única

diferencia entre los dos sistemas es que el UPS separa la generación de la alta presión con

la inyección por medio de una corta tubería.

8.1 Instalación y accionamiento

(Figura 59)

En estos sistemas la tobera va instalada en un porta inyector montado en la culata,

mientras que en los sistemas UIS va integrada directamente en el inyector.

La bomba va montada al lado del bloque del motor y es accionada directamente por el

árbol de levas mediante un rodillo empujador. Esto ofrece algunas ventajas con respecto

al UIS:

No necesita ningún diseño nuevo en la culata

Rigidez de accionamiento al no ser necesarios balancines

Manejo sencillo a la hora de hacer reparaciones ya que la bomba se puede

desmontar fácilmente

Figura 59. Motor con sistema de bomba unitaria

Sistemas con bomba unitaria (UPS)

85

8.2 Diseño y construcción

(Figura 60)

A diferencia del inyector unitario, existe una tubería de alta presión entre la bomba y el

inyector. Estas líneas deber ser capaces de soportar permanentemente la presión máxima

de la bomba y las fluctuaciones de alta frecuencia en la presión que ocurren durante las

pausas en la inyección. Se utiliza tubo de acero sin uniones. Las tuberías deben ser lo más

cortas posibles e iguales para todas las bombas individuales en un mismo motor.

Figura 60. Esquema de la unidad bomba-tubería-inyector, (Robert Bosch GmbH)

86

9 SISTEMAS DE INYECCIÓN CON

ACUMULADOR “COMMON RAIL”

El Common Rail es uno de los sistemas de inyección más perfeccionados que existen

actualmente. Permite cumplir todos los requisitos planteados a los motores diesel, que

cada vez son más estrictos. La integración de los sistemas Common Rail en los motores

diesel de inyección directa ha supuesto un paso más en la mejora de estos motores.

Debido al preciso control de la inyección, que permite mejorar la combustión, no sólo se

consigue reducir las emisiones contaminantes, también reducir el consumo de

combustible, aumentar la potencia y reducir las vibraciones y el sonido del motor.

La principal ventaja que presenta el sistema Common Rail es la capacidad de variar

fácilmente la presión y el tiempo de inyección dentro de un amplio rango. Esto se consigue

separando los componentes de generación de presión (bomba de alta presión) y de

inyección de combustible (inyectores electrónicos). El “raíl” o conducto actúa como

acumulador de presión. De esta forma la presión en el acumulador es independiente del

régimen de giro del motor y del caudal de inyección, cosa que no se podía conseguir en los

sistemas con levas descritos anteriormente.

Este sistema es muy parecido al que ya se venía utilizando en los motores de inyección

directa de gasolina, con la diferencia de que la presión máxima en ellos era de 5 o 6 bar,

mientras que los sistemas Common Rail actuales superan 2000 bar.

Figura 61. Esquema de un sistema Common Rail en un motor de 4 cilindros, (Robert Bosch GmbH)

Sistemas de inyección con acumulador “Common Rail”

87

9.1 Aplicaciones

El sistema de inyección Common Rail con motores de inyección directa se usa

actualmente en prácticamente todo tipo de vehículos:

Automóviles con motores diesel de todos los tamaños: desde utilitarios con

motores de 3 cilindros, 800 cc, 30 kW (41 cv) de potencia, par motor de 100 Nm

y un consumo de 3.5 l/100km; hasta automóviles de gama alta con motores de

8 cilindros, 4 litros de cilindrada, 250 kW (340 CV) de potencia y un par motor

de 700 Nm

Camiones ligeros con motores de hasta 30 kW/cilindro.

Maquinaria de uso agrícola y para la construcción.

Camiones pesados, locomotoras y barcos con grandes motores que pueden

llegar hasta los 200 kW/cilindro.

El sistema Common Rail ofrece una gran flexibilidad en lo relativo a la adaptación de la

inyección al motor. Esto se consigue mediante:

Elevada presión de inyección, que puede superar los 2000 bar en los sistemas

de última generación.

Presión de inyección adaptada al estado de servicio (200… 2000 bar).

Comienzo variable de la inyección.

Posibilidad de efectuar varias inyecciones previas y posteriores (incluso

postinyecciones muy retardadas).

Todo esto hace que se consiga esa mejora en cuanto a potencia, rendimiento,

reducción de emisiones, etc. Esto ha hecho que hoy en día el common-rail se haya

convertido en el sistema de inyección directa más utilizado en los motores diesel

modernos y de elevadas prestaciones para turismos.


88

9.2 Diseño y estructura

Los componentes del sistema de inyección se pueden diferenciar en tres grupos

principales (Figura 62):

Etapa de baja presión: formada por los componentes que se encargan del

suministro del combustible a la etapa de alta presión.

( Ver cápitulo 3, apartado 3.2)

Sistema de alta presión, compuesto por: bomba de alta presión, “raíl” o

acumulador de combustible, inyectores y líneas de alta presión.

Sistema de Regulación Electronica EDC (Electronic Diesel Control). Lo

constituyen una serie de sensores (medidor de masa de aire, sensor de

velocidad del cigüeñal, sensor del pedal del acelerador…), la unidad de control

ECU (Electronic Control Unit) y los actuadores.

(Ver cápitulo 11).

Los componentes principales del sistema Common Rail son los inyectores. Están

equipados de una válvula de acción rápida (una electroválvula o, en el caso de las últimas

generaciones, un actuador piezoeléctrico) que abre y cierra la tobera del inyector. Esto

permite el control por separado del proceso de inyección para cada cilindro. Todos los

inyectores se alimentan desde un raíl común, de ahí el origen del término “Common Rail”.

Una de las características principales de este sistema es que la presión puede variar

dependiendo del punto de operación del motor. El ajuste de la presión se efectúa

mediante la válvula reguladora de presión o la unidad de dosificación, controlada por la

ECU que, a su vez, recibe información del sensor de presión del acumulador.

Figura 62. Módulos del sistema Common Rail, (Robert Bosch GmbH)


89

9.3 Componentes de la etapa de alta presión

(Figura63)

La etapa de alta presión se divide en tres sectores: generación de presión, acumulación

de presión y dosificación del combustible. La generación de presión la lleva a cabo la

bomba de alta presión. La acumulación de la presión se efectúa en el “rail” o acumulador,

en el cual está montado el sensor de presión y la válvula reguladora o limitadora de

presión. Los inyectores se encargan de la dosificación exacta del combustible, asegurando

el momento y el volumen de inyección correcto.

Todos los sectores están interconectados mediante tuberías de combustible de alta

presión.

Figura 63. Etapa de alta presión del sistema Common Rail, (Robert Bosch GmbH)


90

9.3.1 Bomba de alta presión

(Figura 64)

La bomba de alta presión se encuentra en la intersección entre la parte de baja presión

y la parte de alta presión. Su función es asegurar el suministro de la cantidad de

combustible necesario a la presión adecuada para todas las condiciones de

funcionamiento del motor y durante toda la vida útil del motor. Además debe mantener

una reserva de combustible necesaria para un arranque rápido del motor y para la elevar

rápidamente la presión en el acumulador.

La bomba genera permanentemente la presión necesaria en el acumulador,

independientemente de la inyección de combustible. Por esta razón, en comparación con

sistemas de inyección convencionales, no es necesaria la compresión durante el proceso

de inyección.

En los sistemas para turismos se utiliza para la generación de presión una bomba de 3

émbolos radiales (dispuestos con un ángulo de 120º entre ellos). En los vehículos

industriales se utilizan bombas de disposición en serie de 2 émbolos. Estas bombas se

suelen montar en el mismo lugar que las bombas rotativas. Es accionada por el motor

mediante un embrague, una rueda dentada, una cadena o una correa dentada. El número

de revoluciones de la bomba mantiene con ello una relación de desmultiplicación fija con

respecto al número de revoluciones del motor.

Los émbolos, situados en el interior de la bomba, comprimen el combustible. Con tres

carreras de alimentación por giro se generan en la bomba de émbolos radiales carreras de

alimentación solapadas (sin interrupción de la alimentación), pares de accionamiento

máximo reducidos y una carga uniforme del accionamiento de la bomba.

En los sistemas para turismos, el par motor necesario para mover la bomba es de

16Nm, sólo aproximadamente 1/9 del necesario para una bomba rotativa equivalente. La

potencia necesaria para el accionamiento de la bomba crece de forma proporcional a la

presión fijada en el acumulador y al número de revoluciones de la bomba (caudal de

alimentación). En un motor de 2 litros, en régimen nominal y con una presión de 1.350 bar

en el acumulador, la bomba de alta presión absorbe una potencia de 3,8 kW (con un

rendimiento mecánico de aprox. el 90%).

La mayor demanda de energía de los sistemas Common Rail en comparación con los

sistemas de inyección convencionales tiene su origen en los volúmenes de fuga y de

control existentes en el inyector y, en el caso de las bombas de primera generación, en la

reducción de la presión a la presión del sistema deseada mediante la válvula reguladora de

presión. Las bombas de émbolos radiales de generaciones posteriores incorporan una

válvula electromagnética que dosifica el combustible en la parte de baja presión. Con esta

regulación se mejora el rendimiento energético, por la reducción de la demanda de

energía de la bomba y de la temperatura máxima del combustible.


91

Lubricación

Las bombas de émbolos radiales de alta presión utilizadas en los turismos se lubrican

con combustible. En los sistemas para vehículos industriales se utilizan bombas de

émbolos radiales lubricadas con combustible o con aceite, pero también bombas de

disposición en serie de 2 émbolos lubricadas con aceite. Las bombas lubricadas con aceite

poseen mayor robustez en caso de ser peor la calidad del combustible.

Figura 64. Esquema de una bomba de alta presión de un sistema Common Rail, (Robert Bosch GmbH)


92

9.3.2 Acumulador de alta presión

(Figura 65)

Función

El “rail” o conducto tiene la misión de almacenar combustible a alta presión. El

volumen acumulado debe amortiguar las oscilaciones de presión producidas por el

suministro pulsante de la bomba y por los procesos de inyección, garantizando que la

presión permanezca constante al abrirse el inyector. El volumen debe ser lo

suficientemente grande para satisfacer este requisito y a la vez lo suficientemente

pequeño para garantizar una rápida generación de presión en el arranque.

Además de la función de acumulación de combustible, también se encarga de distribuir

el combustible a los inyectores.

Diseño y funcionamiento

El acumulador lleva montado un sensor de presión y una válvula limitadora o

reguladora de presión. El sensor de presión mide la presión del combustible, envía la señal

a la ECU y esta actúa sobre la válvula reguladora para mantener la presión requerida.

El acumulador debe estar lleno continuamente de combustible a presión para

abastecer a los inyectores.

Figura 65. Acumulador de presión, (Robert Bosch GmbH)


93

9.3.3 Sensor de presión

(Figura 67)

El combustible fluye a través de un taladro en el ”rail” hacia el sensor de presión del

mismo, cuya membrana del sensor cierra herméticamente el final del taladro. A través de

un orificio en el taladro ciego llega a la membrana el combustible sometido a presión.

Sobre esta membrana se encuentra el elemento piezorresistivo que transforma la presión

en una señal eléctrica. Esta señal se transmite a la ECU que la interpreta como un valor de

presión.

El sensor de presión trabaja según el siguiente principio:

La resistencia eléctrica de las capas aplicadas sobre la membrana, varía si cambia su

forma. Este cambio de forma (aprox. 20µm a 1500 bar) que se establece por la presión del

sistema, origina una variación de la resistencia eléctrica y genera un cambio de tensión en

el puente de resistencia abastecido con 5 V.Esta tensión es del orden de 0 a 80 mV (según

la presión existente) y es amplificada por el circuito evaluador hasta un margen de 0,5 a

4,5 V (Figura 66).

La medición exacta de la presión en el ”rail” es imprescindible para el funcionamiento

del sistema. Por este motivo son también muy pequeñas las tolerancias admisibles para el

sensor de presión en la medición de presión. La precisión de la medición en el margen de

servicio principal es de aproximadamente ±2% del valor final. En caso de fallar el sensor de

presión del “raíl”, se activa la válvula reguladora de presión con una función de

emergencia "a ciegas" mediante valores preestablecidos.

Figura 67. Sensor de alta presión,

(Robert Bosch GmbH) Figura 66. Curva del sensor de alta presion,

(Robert Bosch GmbH)


94

9.3.4 Válvula limitadora de presión

La misión de esta válvula equivalente a la de una válvula de sobrepresión. Esta válvula

limita la presión en el acumulador abriendo un orificio de rebose en caso de aumentar en

exceso la presión.

Estructura y funcionamiento

(Figura 68)

Esta válvula es un componente que trabaja mecánicamente. Consta de las siguientes

piezas:

Una carcasa con rosca exterior para enroscarla en el raíl o conducto

Una conexión en la tubería de retorno hacia el depósito de combustible

Un émbolo móvil

Un muelle de compresión

La carcasa tiene un taladro en el lado de conexión del raíl, que puede cerrarse

mediante la presión del extremo cónico del émbolo en el asiento de estanqueizado de la

carcasa. En servicio normal, el muelle presiona el émbolo sobre el asiento, de forma que

se mantiene cerrado el raíl. Cuando se sobrepasa la presión máxima admitida en el

sistema, el émbolo se levanta por la presión que ejerce el combustible, venciendo la fuerza

del muelle antagonista. Entonces el combustible sale y disminuye la presión en el raíl. El

combustible retorna al depósito de combustible a través de una tubería colectora.

Figura 68. Esquema de una válvula limitadora de presión, (Robert Bosch GmbH)


95

9.3.5 Válvula reguladora de presión

Función

Tiene la misión de ajustar y mantener la presión en el raíl, en función del estado de

carga del motor:

En caso de una presión demasiado alta, la válvula reguladora de la presión abre

de forma que una parte del combustible retorna al depósito.

En el caso de una presión demasiado baja, la válvula cierra estanqueizando así

el lado de alta presión contra el lado de alta presión.

Estructura

(Figura 69)

La válvula reguladora de presión tiene una brida de sujeción para su fijación a la bomba

de alta presión o al acumulador. El inducido presiona una bola contra el asiento para

eliminar la conexión entre el lado de alta presión y el de baja presión; para ello, el muelle

de la válvula presiona el inducido hacia abajo, y por otra parte, un electroimán que ejerce

una fuerza sobre el inducido.

Para la lubricación y la eliminación del calor se refrigera con combustible el inducido

completo.

Funcionamiento

La válvula reguladora de la presión tiene dos circuitos de regulación:

Un circuito regulador eléctrico lento para el ajuste de un valor de presión

medio variable en el acumulador, y

Un circuito regulador mecánico-hidráulico rápido para compensar las

oscilaciones de presión de alta frecuencia.

Válvula reguladora de presión no activada

La alta presión existente en el acumulador o en la salida de la bomba de alta presión es

superior a la afluencia de alta presión de la válvula reguladora de presión. Debido a que el

electroimán sin corriente no ejerce ninguna fuerza, la acción de la alta presión es superior

a la fuerza elástica, de forma que la válvula permanece más o menos abierta según el

caudal de suministro. El muelle está dimensionado de forma que se ajuste una presión del

orden de 100 bar.


96

Válvula reguladora de presión activada

Si debe elevarse la presión en el circuito de alta presión, deberá generarse una fuerza

magnética además de la fuerza elástica. La válvula reguladora de presión se activa, y por

tanto se cierra, hasta que queden compensadas la fuerza de alta presión por un lado y las

fuerzas magnéticas y elástica por otro. La válvula queda entonces en una posición abierta

y mantiene constante la presión. Mediante la variación de la apertura se compensa el

caudal de suministro de la bomba y el combustible extraído por los inyectores. La fuerza

magnética del electroimán es proporcional a la corriente de activación. Se realiza

mediante una modulación de duración de impulsos. La frecuencia de impulsos de 1kHz es

suficientemente alta para evitar movimientos perturbadores del inducido u oscilaciones

de presión en el acumulador.

Figura 69. Esquema de una válvula reguladora de presión,

(Robert Bosch GmbH)


97

9.3.6 Inyector con electroválvula

Los inyectores utilizados en los sistemas common-rail se activan de forma eléctrica, a

diferencia de los utilizados en otros sistemas que se activan mecánicamente. Con esto se

consigue más precisión a la hora de inyectar el combustible y se simplifica el sistema de

inyección.

Estructura

(Figura 70)

El inyector puede dividirse en tres bloques funcionales:

El inyector de orificios (Ver cápitulo 10)

El servosistema hidráulico

La electroválvula

El combustible a alta presión procedente del acumulador entra hacia la tobera y la

cámara de control de la válvula a través del estrangulador de alimentación. La cámara de

control está unida con el retorno de combustible a través del estrangulador de salida, que

puede abrirse por una válvula electromagnética.

Funcionamiento

(Figura 70)

La función del inyector puede dividirse en cuatro estados de servicio, con el motor en

marcha y la bomba de alta presión en funcionamiento:

Inyector cerrado (con alta presión presente)

Apertura del inyector (comienzo de inyección)

Inyector totalmente abierto

Cierre del inyector (final de inyección)

Estos estados de servicio se regulan mediante la distribución de fuerzas en los

componentes del inyector. Si el motor no está en marcha y no hay presión en el

acumulador, la presión de un muelle mantiene el inyector cerrado.

Inyector cerrado (estado de reposo) (a)

La electroválvula no está activada en estado de reposo y por lo tanto se encuentra

cerrado el estrangulamiento de salida que hace que la presión del combustible sea igual

en la cámara de control que en el volumen de cámara de la tobera por lo que la aguja del

inyector permanece ajustada sobre su asiento en la tobera, empujada por el muelle del

inyector.


98

Apertura del inyector (comienzo de inyección) (b)

El inyector se encuentra en posición de reposo. La electroválvula se activa con la

llamada corriente de excitación, que hace que abra rápidamente la electroválvula.

La fuerza del electroimán activado ahora es superior a la fuerza del muelle de la válvula.

El inducido levanta la bola de la válvula de su asiento y abre el estrangulador de salida.

Tras un breve periodo de tiempo se reduce la corriente de atracción a una corriente de

mantenimiento de menor intensidad en el electroimán. Con la apertura del estrangulador

de salida puede fluir el combustible desde la cámara de control de válvula a la cámara

hueca situada encima y volver al depósito de combustible a través de las tuberías de

retorno. El estrangulador de entrada impide una compensación completa de la presión y

disminuye la presión en la cámara de control de válvula. Esto conduce a que la presión en

la cámara de control sea menor que la presión existente en la cámara de la tobera. La

reducción de la presión en la cámara de control de la válvula conduce a una disminución

de la fuerza sobre el émbolo de mando y da lugar a la apertura de la aguja del inyector. En

este momento comienza la inyección.

Inyector totalmente abierto

La velocidad de apertura de la aguja del inyector queda determinada por la diferencia

de flujo entre el estrangulador de entrada y el de salida. El émbolo de mando alcanza su

tope superior y permanece retenido ahí mediante un volumen de combustible con efecto

amortiguador (tope hidráulico). Este volumen se produce por el flujo de combustible que

se establece entre el estrangulador de entrada y de salida. La tobera del inyector está

ahora totalmente abierta y el combustible es inyectado en la cámara de combustión con

una presión prácticamente equivalente a la existente en el acumulador. La distribución de

fuerzas en el inyector es similar a la existente durante la fase de apertura. El caudal de

combustible es, con una presión determinada, proporcional al tiempo de conexión de la

válvula electromagnética y es independiente del número de revoluciones del motor o de

la bomba (inyección controlada temporalmente).

Cierre del inyector (final de inyección) (c)

En el momento en que se desactiva la electroválvula, el muelle presiona el inducido

hacia abajo y la bola de la válvula cierra el estrangulador de salida. Al cerrarse el

estrangulador de salida se genera de nuevo en la cámara de control una presión

equivalente a la existente en el acumulador, a través del estrangulador de entrada. Este

aumento de presión supone un incremento de fuerza ejercido sobre el émbolo de mando.

La fuerza generada en la cámara de control de válvula y la fuerza del muelle superan ahora


99

la fuerza del volumen de la cámara de tobera sobre la aguja, por lo que ésta se cierra

sobre su asiento y finaliza la inyección. La velocidad de cierre de la aguja queda

determinada por el flujo proveniente del estrangulador de entrada.

La activación indirecta de la aguja del inyector se efectúa mediante un sistema de servo

asistencia hidráulico debido a que la válvula electromagnética no es capaz de generar

directamente la fuerza necesaria para abrir rápidamente la aguja.

Los volúmenes de control y de fuga en las guías en la aguja y el émbolo se conducen de

nuevo al depósito de combustible a través de la tubería de retorno de combustible.

Figura 70. Estructura y funcionamiento de un inyector con electroválvula, (Robert Bosch GmbH)


100

9.3.7 Inyector piezoeléctrico integrado en la tubería

Para la 3ª generación del sistema Common Rail se desarrolló un nuevo tipo de inyector,

que trabaja con un actuador piezoeléctrico en lugar de una electroválvula. El actuador

piezoeléctrico es mucho más rápido que las electroválvulas empleadas hasta entonces,

pero necesita un diseño adaptado para poder aprovechar realmente las ventajas de este

sistema.

Estructura y requisitos

(Figura 71)

La estructura de este inyector se puede dividir en los siguientes grupos:

Modulo actuador

Acoplador hidráulico o multiplicador

Válvula de control o servoválvula

Módulo de inyector

En la concepción del inyector ha primado el

concepto de conseguir una elevada resistencia total

en la cadena formada por el actuador, el acoplador

hidráulico y la válvula de control.

Otra característica constructiva especial es la

eliminación de las fuerzas mecánicas en la aguja del

inyector, tal y como podían generarse en los

inyectores con válvula electromagnética a través de

una varilla de presión. En conjunto, se han podido

reducir de forma eficaz las masas móviles y el

rozamiento, mejorándose además la estabilidad y la

deriva del inyector en comparación con sistemas

convencionales.

El sistema de inyección ofrece además la

posibilidad de obtener muy cortas distancias entre

los procesos de inyección y ajustar con más

precisión la cantidad y el instante de la dosificación

del combustible. Puede realizar hasta cinco

procesos de inyección por ciclo.

Mediante el estrecho acoplamiento de la servo

válvula a la aguja del inyector se obtiene una

reacción inmediata de la aguja al accionar el

actuador. El tiempo de retardo entre el comienzo Figura 71. Estructura de un inyector

piezoeléctrico, (Robert Bosch GmbH)


101

eléctrico de la activación y la reacción hidráulica de la aguja del inyector es de

aproximadamente 150 microsegundos. De esta forma se pueden conseguir intervalos y

caudales de inyección más pequeños.

Gracias a su diseño, se ha reducido drásticamente la cantidad de fuga del actuador al

circuito de baja presión, con la consecuencia de un incremento del rendimiento hidráulico

del sistema.

Funcionamiento

(Figura 72)

La servoválvula controla directamente la aguja. El caudal de inyección se regula

mediante el tiempo de activación de la válvula. Estando en reposo, la servoválvula se

encuentra cerrada (posición inicial). El sector de alta presión está separado del de baja. El

inyector se mantiene cerrado mediante la presión en la cámara de control. Mediante la

activación del actuador piezoeléctrico se abre la servoválvula y se cierra el orificio de

derivación. Mediante la relación de flujo del estrangulador de salida y el estrangulador de

alimentación se reduce la presión en la cámara de control y se abre el inyector. El caudal

de control resultante fluye a través de la servoválvula al circuito de baja presión del

sistema completo.

Para iniciar el proceso de cierre se descarga el actuador y la servoválvula vuelve a dejar

libre el conducto de derivación. Mediante el estrangulador de alimentación y el

estrangulador de salida se rellena de nuevo la cámara de control en dirección de retroceso

y se incrementa la presión en la cámara de control. Tan pronto como se alcanza el nivel de

presión necesario, comienza a moverse la aguja del inyector y finaliza el proceso de

inyección.

Figura 72. Función de la servoválvula, (Robert Bosch GmbH)

102

10 TOBERAS DE INYECTORES

La tobera es el elemento del inyector a través del cual se inyecta el combustible a alta

presión en la cámara de combustión del motor. Es un elemento determinante en la

formación de la mezcla y la combustión y, por tanto, su efecto es fundamental en las

prestaciones del motor. Están diseñados para ser lo más efectivos posibles, en función del

tipo de cámara de combustión en el que se vayan a usar y del sistema de inyección.

El conjunto inyector/portainyector va montado en la culata del motor. El portainyector

sirve para fijar el inyector en la culata. El portainyector está comunicado con la tubería de

alimentación de alta presión y la de retorno (Figura 73).

Se distinguen dos tipos principales de inyectores según el diseño de la tobera:

Inyectores de tetón (motores de inyección indirecta)

Inyectores de orificios (motores de inyección directa)

Dentro de estos dos tipos de inyectores existen diversas variantes, previstas para los

diferentes tipos de motores.

Figura 73. Estructura de un inyector, (Robert Bosch GmbH)

1. Entrada de combustible

2. Tuerca de racor para tubería de

alimentación

3. Conexión para combustible de retorno

4. Arandelas de ajuste de presión

5. Canal de alimentación

6. Muelle

7. Perno de presión


9. Tuerca de fijación del portainyector a

la culata del motor.

Toberas de inyectores

103

10.1 Toberas de inyector de tetón

(Figura 74)

Estas toberas se usan sólo en motores de inyección indirecta (con precámara o cámara

de turbulencia). En estos motores la preparación de la mezcla de combustible y aire se

efectúa principalmente mediante el efecto de la turbulencia del aire en el interior del

cilindro, asistida por un chorro de inyección con la forma apropiada. No son aptas para

sistemas de inyección directa ya que los picos de presión en el interior de la cámara de

combustión la abrirían. El diseño fundamental de las distintas toberas con este sistema es

el mismo, la única diferencia entre ellas está en la geometría del tetón.

Dentro del cuerpo del inyector se encuentra la aguja. Esta es presionada hacia abajo

por el muelle de forma que el tetón, que se encuentra en su punta, es presionado sobre su

asiento, sellando el conducto de salida y manteniendo así la tobera cerrada. En el

momento en el que se produce el suministro, la presión en la cámara aumenta, actuando

sobre la aguja e impulsándola hacia arriba. Cuando se alcanza la presión de apertura

(110…170 bar), la aguja sube y el tetón se separa de su asiento abriendo el orificio de

salida.

Gracias a la forma del tetón, que se va estrechando hacia la punta, se consigue que el

caudal de inyección sea variable, de forma que aumenta a medida que sube la aguja. Al

abrir el inyector, se inyecta una cantidad muy pequeña de combustible que irá

aumentando a medida que se levanta mas la aguja (efecto estrangulador), llegando a la

máxima inyección de combustible cuando la aguja se levanta a su máxima apertura. El

inyector de tetón y el estrangulador asegura una combustión más suave y por

consiguiente, una marcha menos dura del motor (menor ruido de combustión), ya que el

aumento de la presión de combustión es progresivo.

Variando las dimensiones y la geometría del tetón se consiguen modificar las

características del chorro de inyección para ajustarlo a los requerimientos de cada motor.

Figura 74. Sección de una tobera de inyector de tetón, (Robert Bosch GmbH)


2. Cuerpo del inyector

3. Cono de impulsión

4. Cámara de presión

5. Tetón de inyección.

Toberas de inyectores

104

10.2 Toberas de inyector de orificios

(Figura 75)

En los sistemas de inyección directa, la presión de apertura del inyector puede estar

entre 150 y 350 bar y las presiones de inyección son mucho más altas que en los sistemas

de inyección indirecta. Por esto es necesario un diseño diferente de los inyectores.

La punta de la tobera tiene forma esférica. En su pared hay unos orificios que varían en

número y diámetro dependiendo del diseño del inyector, de las características del sistema

de inyección y de los requisitos del motor. Suelen tener múltiples orificios, aunque los hay

también de un solo orificio. En función del diseño de la cámara de combustión, el orificio

de inyección del inyector de orificio único puede estar dispuesto central o lateralmente. En

el caso de inyectores de varios orificios de inyección, estos pueden estar dispuestos

simétrica o asimétricamente.

El extremo de la aguja y su asiento tienen forma de cono. El control de la elevación de

la aguja, en los sistemas Common Rail y de inyector unitario, se realiza mediante una

electroválvula o un elemento piezoeléctrico. Su funcionamiento se detalla en los

respectivos apartados

Figura 75. Sección de una tobera de inyector de orificios,

(Robert Bosch GmbH)

1. Cuerpo del inyector


3. Asiento del inyector

4. Taladro ciego

5. Agujero de inyección

105

11 REGULACIÓN ELECTRONICA DIESEL

(EDC)

El control electrónico del motor Diesel permite una configuración de los parámetros de

inyección precisa y variable, adaptada a las condiciones de funcionamiento. Sólo así

pueden satisfacerse los múltiples requisitos planteados a un motor Diesel moderno. El

sistema de Regulación Electrónica Diesel EDC (Electronic Diesel Control) se subdivide en

tres bloques (Figura 76):

Sensores y transmisores de valor de refrrencia

Unidad de control ECU (Electronic Control Unit)

Elementos de regulación (actuadorores)

Figura 76. Bloques del sistema EDC, (Robert Bosch GmbH)

Regulación electronica Diesel (EDC)

106

11.1 Sinopsis del sistema

11.1.1 Requisitos

La reducción del consumo de combustible y de las emisiones de sustancias nocivas

(NOx, CO, HC y partículas) con un incremento simultáneo de la potencia o del par motor

constituyen los objetivos de desarrollo actuales en el sector de la técnica Diesel. Esto ha

originado en los últimos años una mayor utilización de motores Diesel de inyección

directa. Gracias a la mejor formación de la mezcla se ha conseguido reducir en un 10-20%

el consumo de combustible de estos motores en comparación con los usados

anteriormente de inyección indirecta.

Además a los nuevos motores Diesel se le plantean elevadas exigencias en relación con

el confort de marcha y con las emisiones de ruido.

Esto conduce a un aumento de los requisitos del sistema de inyección y a su regulación

con respecto a:

las altas presiones de inyección

conformación del desarrollo de inyección

inyección previa y, en su caso, inyección posterior

caudal de inyección, presión de sobrealimentación y comienzo de inyección

daptados atodos los estados de servicio

caudal de arranque dependiente de la temperatura

regulación del régimen de ralentí independiente de la carga

recirculación regulada de gases de escape

regulación de la velocidad de marcha

La regulación mecánica de revoluciones convencional registra con diversos dispositivos

de adaptación los distintos estados de servicio y garantiza una gran calidad de la

preparación de la mezcla. Sin embargo, se limita a un circuito regulador sencillo en el

motor y no puede registrar diversas magnitudes de importante influencia, o no las registra

con suficiente rapidez.

El sistema EDC evolucionó, a medida que aumentaban las exigencias, de un sistema

sencillo con eje actuador activado eléctricamente a un complejo control electrónico del

motor que tiene que procesar un gran número de datos en tiempo real.


107

11.1.2 Funcionamiento

La Regulación Electrónica Diesel (EDC) moderna es capaz de satisfacer dichas

exigencias, gracias al incremento durante los últimos años de la capacidad de cálculo de

los microprocesadores.

Contrariamente a los vehículos diesel con bombas convencionales de inyección

reguladas mecánicamente, en un sistema EDC, el conductor no tiene ninguna influencia

directa sobre el caudal de combustible inyectado a través del pedal del acelerador y un

cable de accionamiento. El caudal de inyección se determina, en función de diferentes

variables:

• Deseo del conductor (posición del pedal del acelerador)

• Estado de servicio

• Temperatura del motor

• Intervencion de otros sistemas

• Efectos sobre las emisiones de contaminantes

El caudal de inyección se calcula en la unidad de control a partir de estas variables.

También puede variarse el momento de inyección. Esto requiere un extenso concepto de

seguridad que reconoce las desviaciones que se producen y aplica las correspondientes

medidas conforme a sus efectos (limitar el par motor, por ejemplo). El sistema EDC

contiene por ello varios circuitos reguladores.

La regulación electrónica diesel permite también el intercambio de datos con otros

sistemas electrónicos como por ejemplo el ABS o el ESP. Con ello se puede integrar el

control del motor en el sistema total del vehículo.

El sistema EDC está completamente integrado en el sistema de diagnóstico del

vehículo.


108

11.1.3 Bloques del sistema

(Figura 76)

La regulación electrónica diesel EDC se divide en tres bloques de sistema:

1. Sensores y transmisores de valor teórico: registran las condiciones de servicio (por

ejemplo, número de revoluciones del motor) y los valores teóricos (por ejemplo,

la posición del pedal del acelerador), transformando las magnitudes físicas en

señales eléctricas.

2. La unidad de control: procesa las informaciones de los sensores y transmisores de

los valores teóricos en base a determinados procesos de cálculo matemáticos

(algoritmos de control y regulación). Controla los elementos de regulación

mediante mediante señales de salida eléctricas. La unidad de control viene a ser

además la interfaz hacia los demás sistemas para el diagnóstico del vehículo.

3. Elementos de regulación (actuadores): transforman las señales eléctricas de salida

de la unidad de control en magnitudes mecánicas (por ejemplo, de la

electroválvula para la inyección).

11.2 Procesamiento de datos

La tarea esencial del sistema EDC es el control del caudal y del momento de inyección.

El sistema de inyección Common Rail también regula la presión de inyección. Además, la

unidad de control del motor controla los diferentes elementos actuadores en todos los

sistemas. La regulación de la inyección debe estar adaptada a cada vehículo y a cada

motor. Solo así pueden interactuar todos los componentes de forma óptima (Figura 77).

La unidad de control evalúa las señales que recibe de los sensores y las limita a un nivel

de tensión admisible. El microprocesador calcula a partir de estos datos de entrada y

según los mapas almacenados, el momento y la duración de la inyección, y las transforma

en señales características que están adaptadas a la carrera del pistón. Este programa de

cálculo se denomina “ECU software”.

Debido a la precisión requerida y al alto dinamismo del motor Diesel, es necesaria una

gran capacidad de cálculo. Mediante las señales de salida se activan los elementos que

sumnistran la potencia eléctrica correspondiente a los actuadores.


109

Figura 77. Secuencia básica de la regulacion electrónica, (Robert Bosch GmbH)


110

11.3 Control de la inyección

En la figura 78 se muestra de un esquema de las funciones de reguración que se

pueden llevar a cabo con la unidad de control EDC para cada tipo de sistema de inyección.

Figura 78. Funciones de regulación de la unidad de control EDC, (Robert Bosch GmbH)


111

Caudal de arranque

Al efectuar el arranque se calcula el caudal de inyección en función de la temperatura

del líquido refrigerante y del régimen de giro del motor. Las secuencias para determinar el

caudal de arranque se emiten desde el momento de la conexión del interruptor de

encendido hasta que se alcanza el número de revoluciones mínimo.

El conductor no tiene ninguna influencia sobre el caudal de arranque.

Servicio de marcha

Bajo servicio de marcha normal, se calcula el caudal de inyección en función de la

posición del pedal del acelerador y del número de revoluciones. El cálculo se basa en

diagramas de curvas características y otras varibles que recibe de los sensores

(temperatura del combustible, del refrigerante y del aire de admisión). De esta forma, la

potencia del vehiculo se adapta mejor a los deseos del conductor.

Regulación de ralentí

La funcion de regulación del ralentí (LLR) es ajustar un régimen teórico definido del

ralentí cuando el acelerador no está accionado. Este régimen teórico puede variar en

función del estado de servicio del motor; así, por ejemplo, se establece normalmente un

número de revoluciones al ralentí mayor cuando el motor está frío que cuando está

caliente. El ralentí debe ser lo mas bajo posible por motivos de consumo y de emisiones.

Regulacion del número de revoluciones final (limitación de caudal)

Su función es proteger al motor, deteniendo la inyección, cuando se supera el número

máximo de revoluciones determinado.

Amortiguación activa de tirones

En un cambio de carga repentino, el cambio del par motor provoca vibraciones y

tirones en la cadena cinemática del vehiculo.

El amortiguador activo de tirones reduce estas oscilaciones periódicas del régimen,

variando el caudal de inyección con el mismo periodo de oscilación; al aumentar el

número de revoluciones, se inyecta menos caudal; al disminuir el número de revoluciones,

se inyecta más caudal.


112

Regulación de la suavidad de marcha

Debido a tolerancias mecánicas y a envejecimiento, no todos los cilindros del motor

generan el mismo par motor. Esto tiene como consecuencia un funcionamiento "no

redondo" del motor, especialmente al ralentí. El regulador de la suavidad de marcha

determina las variaciones del régimen después de cada combustión y las compara entre sí.

El caudal de inyección para cada cilindro se ajusta entonces en base a las diferencias de

revoluciones, de forma tal que todos los cilindros contribuyen por igual a la generación del

par motor. El regulador de suavidad de marcha actúa únicamente en el margen inferior de

revoluciones.

Limitación del caudal de referencia

No siempre debe inyectarse el caudal de combustible deseado por el conductor o

físicamente posible. Esto puede tener las siguientes razones:

emisión excesiva de contaminantes y/o particulas

sobrecarga mecánica debido a un par motor excesivo o exceso de revoluciones

sobrecarga térmica debido a temperatura excesiva de los gases de escape, del

líquido refrigerante, del aceite o del turbocompresor.

Corrección de altura

A medida que aumenta la altitud, desciende la presión atmosférica. Por este motivo

también disminuye el llenado del cilindro con aire de combustión. Si se inyectara el mismo

caudal que con la presión atmosférica alta, se produciría una expulsión de humos excesiva

a causa de la carencia de aire.

El sensor de presión del entorno registra la presión atmosférica. Con ello es posible

reducir el caudal de inyección cuando se está a mayor altitud. La presión atmosférica

también influye en la regulación de la presión de sobrealimentación y la limitación del par

motor.

Desconexión de cilindros

Si se desea un par motor reducido a altos regímenes de giro del motor, se tiene que

inyectar muy poco combustible. Otra posibilidad es desconectar cilindros. Para esto se

desconectan la mitad de los inyectores y los restantes inyectan un caudal de combustible

mayor. Este caudal puede dosificarse con una precisión más alta.


113

Parada del motor

El principio de operación de autodetonacion tiene como consecuencia que el motor

Diesel solo pueda pararse interrumpiendo la entrega de combustible al sistema de

inyección.

En el caso de la regulación electrónica diesel, el motor se para mediante la orden de la

unidad de control "caudal de inyección cero".

114

CONCLUSIONES

- Es posible establecer un análisis de los distintos sistemas de inyección diesel de

manera estructurada y comprobar que todos ellos pueden ser sistematizados

- Ha sido posible ver cómo la evolución en el tiempo de estos sistemas no es otra que

la consecución de una respuesta más precisa a los requerimientos que conducen a

una mejora de la combustión y en consecuencia de las prestaciones del motor

(potencia específica, par motor, consumo específico y emisiones gaseosas y de nivel

de ruido).

Finalmente el autor sugiere como continuación de este trabajo, otro de las mismas

características que analice los sistemas de tratamiento y control de emisiones gaseosas.

115

ABREVIATURAS

ECU: Unidad de Control Electrónico (inglés: Electronic Control Unit)

EDC: Regulación Electrónica Diesel (inglés: Electronic Diesel Control)

PMS: Punto Muerto Superior. Momento de la carrera en el que el pistón se encuentra en

su punto más alto y el volumen de la cámara de combustión es el mínimo posible.

PMI: Punto Muerto Inferior. Momento de la carrera en el que el pistón se encuentra en su

punto más bajo y el volumen de la cámara de combustión es el máximo posible.

EGR: Sistema de recirculación de los gases de escape para el control de emisiones

contaminantes (inglés: Exhaust Gas Recirculation)

UIS: (inglés: Unit Injector Sistem)

UPS: (ingles: Unit Pump Sistem)

117

BIBLIOGRAFÍA

“Motores de Combustión Interna Alternativos”. T. Sánchez Lencero, A Muñoz Blanco, F.J.

Jímenez Espadafor. Sección de publicaciones ETSI Universidad de Sevilla, 2009

“Diesel-Engine Management, 4th Edition”. Robert Bosch GmbH, 2005.

“Automotive Handbook, 7th Edition”. Robert Bosch GmbH, 2007.

“Manual de la técnica del automóvil, 3ª Edición”. Robert Bosch GmbH, 1996.

“Sistemas de inyección Diesel por acumulador Common Rail”. Robert Bosch GmbH, 2005.

sistemas de inyección en motores...

Documents