Tecnologa del AutomvilBlog para los apasionados de la tecnologa del automvilCommon rail en el motor diselPublicado porAutastecCommon rail es un eslogan que se traduce por ral comn, indicando que los inyectores reciben la presin de combustible desde la misma rampa o ral; ral o rampa comn. Este sistema de inyeccin es habitual en los motores degasolinaconinyeccin indirecta, pues entra a los cilindros mezcla de aire y gasolina, regulada por la posicin de la mariposa (acelerador), y elinicio de la explosin se hace por la chispa en la bujaen cada cilindro. En los motoresdiseles diferente puesel gasleo es inyectado siempre en la cmara de combustino en su entorno, yla combustin se produce por contacto de las gotas de gasleo con aire muy caliente. Es decir se ha de hacer la inyeccin en el motor disel en el instante exacto y con el caudal adaptado a la aceleracin en cada inyector.El motor disel se inici con inyeccin directa, pues eran motores grandes de vehculos de carga, pero no era vlido para el automvil por anomalas en la combustin al reducir el tamao, concretamente el dimetro de los cilindros. En este artculo se explica de forma resumida y didctica el camino seguido hasta llegar a la inyeccin con control electrnico independiente de los inyectores, que se conoce como Common rail.Precmara de combustin y bomba de inyeccinPara que el gasleo pueda iniciar su combustin es imprescindible que est lo ms pulverizado posible y que entre en contacto con aire suficientemente caliente al final del tiempo de compresin. Un camino utilizado desde hace muchos aos en el automvil es la precmara de combustin, despus veremos una breve historia de la imposibilidad de aplicar la inyeccin directa en aquellos coches con motores pequeos comparados con los de los camiones. La siguiente animacin explica el motor disel con precmara de combustin y la bomba de inyeccin. Se prescinde de los elementos de distribucin para dar ms claridad a las imgenes: Aparece laprecmara de combustin; estsituada en la culatay comunica con la cmara de combustin en el cilindro Inyector; incideenel interior dela precmarade combustin Alrededor del cilindro y en la culata estn las zonas por donde circula el lquido de refrigeracin del motor Funcionamiento del motor Alsubir el pistn;comprime y calienta el aire, pero las zonas prximas a laperiferia del cilindroalcanzanmenos temperaturapues estn prximas al sistema de refrigeracin del motor Lazona de airemscaliente es la centralen el cilindro, y es por dondecomunica con la precmara, que se llena de aire comprimido y muy caliente Alinyectar el gasleoen el interior de la precmaraentra rpidamente en combustin, lo que provoca que el resto del gasleo que se continua inyectando pase rpidamente al cilindro quemndose con parte del aire que contiene. El resultado es una combustin gil y con menos ruido pues la precmara hace algo de aislante Se ve a continuacin un motor disel de 4 cilindros en lnea con precmara de combustin La inyeccin disel consta principalmente de: Bomba de inyeccin; se representa una bomba rotativa, toma el gasleo del depsito, aumenta su presin y lo distribuye por orden a cada uno de los inyectores. La bomba est generalmente accionada por el arrastre de la distribucin, en la imagen se ve como es movida desde el cigeal (ya comentamos al principio que no se representan los componentes de distribucin). No se ha representado el filtro de gasleo a la entrada de la bomba Circuito de inyeccin; son conductos que llevan el gasleo a presin desde la bomba a cada uno de los inyectores. El caudal de gasleo que enva la bomba a los inyectores es proporcional a la aceleracinAnlisis de la precmara y funcionamiento del inyectorEl sistema de precmara en el motor disel permite agilizar la combustin y que el motor pueda funcionar correctamente a ms RPM, lo que se traduce en ms potencia. Adems reduce ruido y vibraciones, porqu sustituirla?. Lo vemos en la siguiente animacin: Al subir el pistn comprime el aire, ms en la zona central separada de la refrigeracin del motor El aire caliente entra en la precmara, que conserva calor de anteriores combustiones, lo que favorece el inicio de las combustiones de las primeras gotas de gasleo inyectadas La inyeccin continua, ahora sobre un frente de llama que le transporta a la parte superior del cilindro donde hay ms aire para completar la combustin Peroel aumento de presin que se produce en el interior de la precmara no se traduce en empuje sobre el pistn, es para transportar y calentar el resto del gasleo propiciando su combustin sobre el pistn, y esta combustin si se convierte en energa y movimiento til para el motor Se estima queentre un 15 y 20% del gasleoinyectado en la precmarano se aprovecha para generar energa til, ya encontraremos una solucin Ahora vamos a conocer el funcionamiento delinyector mecnico por presin, que se representa en radiografa: Unaaguja con forma cnica(verde) est en el interior delcuerpo del inyector(azul) l gasleo llega al inyector por su parte superior y mediante un conducto interno desemboca en la zona cnica de la aguja Unmuelle sobre la agujala empuja impidiendo la salida de gasleo por el orificio situado en el extremo cnico del cuerpo del inyector. Al llegarpresindesde la bombavence al muelleempujando hacia arriba la aguja que libera la salida, es lainyeccin, que se mantiene el tiempo que est llegando la presin desde la bomba Con elmotor froel aire de compresin que entra en la precmara se enfra Se incorpora un sistemapara la puesta en marcha del motor en fro, que cuenta con bujasde precalentamientoubicadas en el interior de cada precmara de combustin. Al dar el contacto las bujas se calientan hasta ponerse incandescentes, durante el proceso se enciende un testigo especfico en el cuadro Al llegar a estar incandescentes se apaga el testigo indicando que se puede arrancar el motor El gasleo inyectado incide sobre la buja incandescente lo que facilita la combustin Tras un periodo de tiempo las bujas de precalentamiento se desconectanInyeccin directa en el automvilEl motor disel en sus orgenestena lainyeccin directa, sobre el pistn en la cmara de combustin, eran motores grandescon gran dimetrode cilindro de forma queel gasleo inyectado incida en la zona central calienteque, como se ha comentado es de gran dimetro. La combustin es buena y el motor funciona sin problemas. Peroalintentarreducirel tamao del motor para su aplicacin en automviles,el dimetro del cilindrose reduce lo queafecta a la combustin, de hecho es la razn de haber utilizado durante muchos aos la precmara de combustin. Vamos a resumir las vicisitudes para poder utilizar la inyeccin directa disel en motores pequeos para automviles, con la animacin siguiente: Pistn con cabeza plana; es el motor que vemos a la izquierda Al subir el pistn comprime el aire, pero las zonas perifricas se enfran por contacto con las paredes del cilindro refrigeradas La zona caliente central es proporcionalmente pequea Al inyectarel gasleoparte de las gotasinciden en la zona caliente y se queman bien, pero otrasvan a contactar con las zonas de aire ms fras, no se queman bien Estas combustiones desfasadas y sin control ejercen picos de presin desequilibrados sobre elpistn llegando a su destruccin.Este sistema apto para grandes disel no es utilizable en motores ms pequeos para automviles Pistn con cmara Heron(es una forma ms o menos cncava en la cabeza del pistn) y aparece en la imagen del centro; Al subir el pistnen el interior de la cmara hay aire caliente que no est en contacto con las paredesms fras del cilindro El gasleose inyecta en esta zona caliente, quemndose bien Pero las combustiones de las gotas de gasleo se entrecruzan produciendo ruido y vibraciones, que no impiden el funcionamiento, pero restan confort y es un aspecto valorado por el conductor de un automvil Pistn con cmara toroidal y cono central(se conoce como cmara de turbulencia); El aire central se mantiene calienteen compresin, no est en contacto con las paredes fras del cilindro En realidad lazona calientesobre el pistn tieneforma de toroidey sobre estase inyecta el gasleo por varias salidasdesde el inyector Se producen tantas combustiones como salidas de inyeccin, se han representado cinco El recorrido de las combustiones por la cmara toroidal no provoca tantas vibraciones y el ruido es algo menor. Es la solucin ms adecuada para el motor disel de inyeccin directa destinado a automvilesEsta cmara de turbulencia es utilizada, con algunas variaciones geomtricas, por prcticamente todos los automviles de turismo y tambin se aplica en motores disel ms grandes por su buen rendimiento.Bomba mecnica + turbocompresor bomba electrnicaEl motor disel funciona con exceso de aire y salen por el escape mucha cantidad de gases, es lo ideal para el funcionamiento del turbocompresor, pero antes vamos a conocer el paso de la bomba de inyeccin mecnica a la de control electrnico, con la colaboracin de esta animacin: Vemos un motor de cuatro cilindros en lnea con inyeccin directa y pistones con cmara de turbulencia Labomba de inyeccin mecnicarotativa va enviando la presin alternativamente a cada inyector Al incorporarel turbocompresorsemete al motor ms aire a presiny se aade algo ms de gasleo; se obtieneun gran aumento de par y potenciacon consumos menores al poder alargar los desarrollos de transmisin Perolas combustiones resultan sensiblemente ms enrgicasapareciendo ms vibraciones y ruido. Estos hechos limitan las posibilidades de la sobrealimentacin por lo que se busca como reducir estos efectos en la combustin El siguiente paso es someter a labomba de inyeccin a control electrnico; el momento de inyeccin se produce con extrema precisin y lasinyeccionesse hacen msprogresivas, especialmente durante las fases de aceleracin. Se reduce ruido y vibraciones pero se resiente la respuesta del motor Hay que seguir investigando para encontrar soluciones ms eficientesComparando los dos sistemas de gestin de la bomba de inyeccin que hemos visto, mecnica y electrnica, se llega a la conclusin de que en ambos casos se gestionan conjuntamente todos los inyectores desde la bomba, con la electrnica de forma ms precisa.Common railEl Common rail es un eslogan, pero en realidad lo que indica es quecada inyector est controlado de forma electrnica individualmente, con la siguiente animacin iniciamos su explicacin: Bomba de presin de inyeccin; su funcin es generar la presin de inyeccin predeterminada de forma constante durante el funcionamiento del motor, pero no la distribuye a los inyectores Common railo ral comn o rampa comn;recibe el gasleo a presindesde la bomba ylo almacena. Tiene generalmente forma de rampa, pero tambin puede ser esfrico o de cualquier otra forma Desde el common rail se alimentan de presin los inyectores, peroen las entradas de cada inyector hay un control electrnico Funcionamiento;cada inyeccin se divide en fases o ciclos, de forma que cada inyector abre varias veces aportando el gasleo secuencialmente, lo que reduce las vibraciones y ruido, es lamulti inyeccinque se explica con ms detalle a continuacinDetalle de actuacin del Common rail; multi inyeccin El Common rail, control independiente de cada inyector, permite que la cantidad de gasleo que se ha de inyectar se haga en fases, primero una pequea cantidad por los orificios de salida, cinco en la imagen. Al ser poco gasleo la posible asimetra de las combustiones no provoca vibraciones A continuacin, y yasobre un frente de llama,se aportan ms secuenciasde inyeccinde gasleo que se queman ms fcilmente, en la animacin se han incluido cinco fases o secuencias de inyeccin Al ir aportando progresivamente, y de forma sumamente rpida, las fases de inyeccin se logra controlar la combustin con excelentes resultados en rendimiento y confort; menos consumo, baja contaminacin, ms prestaciones, menos ruido y vibraciones. La divisin del caudal de cada inyeccin en fases es la multi inyeccin como ya se ha comentado Arranque en fro; al mantenerse el aire comprimido en la cmara de turbulencia, sin contacto con las paredes del cilindro, se enfra menos por lo que el arranque con el motor fro es ms fcil. El sistema de precalentamiento, que aparece en la animacin, hara falta para temperaturas ambientales bajas, pero interviene habitualmente al arrancar el motor para facilitar la combustin y reducir la contaminacinSi comparamos la inyeccin con bomba mecnica, electrnica y common rail se llega a estas deducciones: Con bomba mecnica la actuacin del acelerador es transmitida directamente a los inyectores; buenas prestaciones, ms con turbo, pero con exceso de contaminacin, ruido y vibraciones, adems de algo ms de consumo Con bomba electrnica se amortigua la actuacin sobre el acelerador antes de llegar a los inyectores, lo que merma algo las prestaciones, menos si se cuenta con turbocompresor. Se reduce la contaminacin y el consumo, pero se mantienen ms vibraciones y ruido de las que normalmente se aceptan por conductores de coches particulares Con turbo y common rail se controla electrnicamente la combustin de cada cilindro, manteniendo una buena conexin entre el acelerador y la respuesta del motor. Aporta los mejores resultados en todos los aspectos de uso del automvil.Se ha utilizado otra tecnologa en el motor disel del automvil para accionar los inyectores; es el sistema Inyector Bomba, que combina el control mecnico con el electrnico, ya no se utiliza (2014) por su falta de adaptacin al filtro antipartculas (FAP) incorporado en los motores disel con la norma EURO 5. En otraocasin,ya comentaremoseste sistema de inyeccin disel.