TFG. Alejandro Castillejo Calle

Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniera de las Tecnologas Indutriales

Sistemas de Inyeccin en Motores Diesel

Autor: Alejandro Castillejo Calle

Tutor: Prof. Dr. D. Toms Snchez Lencero

Dep. de Ingeniera Energtica

Grupo de Mquinas y Motores Trmicos

Escuela Tcnica Superior de Ingeniera

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2014

Trabajo Fin de Grado

Grado en Ingeniera de las Tecnologas Indutriales


Autor:

Alejandro Castillejo Calle

Tutor:

Prof. Dr. D. Toms Snchez Lencero

Dep. de Ingeniera Energtica

Grupo de Mquinas y Motores Trmicos

Escuela Tcnica Superior de Ingeniera

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2014

Trabajo Fin de Grado: Sistemas de Inyeccin en Motores Diesel

Autor: Alejandro Castillejo Calle

Tutor: Prof. Dr. D. Toms Snchez Lencero

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

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificacin 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

ingeniera. Esta materia, los motores de combustin interna alternativos, ha sido objeto de

estudio desde la especialidad mecnica y la especialidad energtica aunque, actualmente,

los alumnos de Ingeniera Industrial (especialidad Energtica) reciban una formacin

mayor que los otros en torno a dichos motores.

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

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

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

correspondiente. Asimismo, se integran aspectos mecnicos 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 formacin de

mezcla de los motores diesel, denominados comnmente sistemas de inyeccin de

combustible. Estos sistemas estn ntimamente ligados al proceso de combustin ya que

el desarrollo de la combustin en estos motores depende fuertemente de los parmetros

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

que en los motores diesel se quema una mezcla heterognea 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 perodo de rpida combustin, coexiste,

generalmente durante un tiempo, la formacin de la mezcla con la propia combustin y

por tanto la velocidad con la que sta progresa est condicionada por aqulla.

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

bsicos de la inyeccin de combustible, los elementos esenciales que constituyen los

sistemas de inyeccin de combustible y sus tipologas. Posteriormente se analizan cada

uno de los sistemas de inyeccin partiendo de los de bomba en lnea ms tradicionales

hasta los actuales ms sofisticados y precisos como el common rail que permiten

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

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

restrictiva, requiere. Este anlisis 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 podran ser motivo de un trabajo fin de grado que completase el aqu realizado y

otro con el listado de referencias bibliogrficas consultadas.

viii

NDICE

Resumen vii

ndice viii

1 Introduccin 1

1.1 Planteamiento y objetivos del trabajo 1

1.2 Bosquejo histrico del motor Diesel 3

1.3 El motor diesel 5

2 Principios basicos de inyeccin del combustible 5

2.1 Tipos de camara de combustin 7

2.1.1 Motores con cmara abierta (inyeccin directa) 7

2.1.2 Motores con cmara dividida (inyeccin indirecta) 8

2.2 Distribucin de la mezcla 11

2.2.1 Factor de exceso de aire 11

2.2.2 Niveles de lambda en motores Diesel 11

2.3 Parmetros de inyeccin 13

2.3.1 Inicio de la inyeccin y suministro 13

2.3.2 Cantidad de combustible inyectado 16

2.3.3 Duracin de la inyeccin 17

2.3.4 Curva de inyeccin 19

2.3.5 Presin de inyeccin 24

3 Sistemas de inyeccin de combustible 26

3.1 Funcin 26

3.2 Suministro de combustible (etapa de baja presin) 26

3.2.1 Depsito de combustible 27

3.2.2 Lneas de transporte 27

3.2.3 Filtro de combustible 27

3.2.4 Bomba de prealimentacin 29

3.2.5 Bomba de alimentacin 29

3.3 Inyeccin (etapa de alta presin) 31

3.4 Tipos de sistemas de inyeccin 31

3.4.1 Sistemas con bomba de inyeccin en lnea 31

3.4.2 Sistemas con bombas de inyeccin rotativas 32

3.4.3 Sistemas con bombas de inyeccin individuales 33

3.4.4 Sistemas de inyeccin Common-Rail 34

4 Sistemas con bomba de inyeccin en lnea 35

4.1 Aplicaciones de las bombas de inyeccin en lnea 36

4.2 Circuito de combustible 37

4.3 Bombas de alimentacin 38

4.3.1 Bomba de alimentacin de simple efecto 39

ix

4.3.2 Bomba de alimentacin de doble efecto 40

4.4 Constitucin 40

4.4.1 Elemento de bombeo 42

4.5 Funcionamiento de la bomba de inyeccin en lnea tipo estndar PE 44

4.5.1 Funcionamiento de la regulacin del caudal de combustible 45

4.5.2 Formas de las levas 47

4.6 Vlvulas 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 mxima 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 excntrica 56

4.9 Lubricacin de la bomba 58

4.10 Puesta a punto de la bomba en el motor 59

5 Sistemas con bomba de inyeccin rotativa 60

5.1 Aplicaciones 60

5.2 Diseos 60

5.2.1 Control del caudal de inyeccin 61

5.2.2 Mtodo de generacin de alta presin 61

5.2.3 Tipo de sistema de control 61

5.3 Etapa de baja presin 63

5.3.1 Bomba de alimentacin de paletas 63

5.3.2 Vlvula reguladora de presin 64

5.3.3 Estrangulador de rebose 64

5.4 Bombas rotativas de mbolo axial VE 65

5.4.1 Diseo 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 electrovlvula 69

5.5 Bombas rotativas de mbolos radiales VR 71

5.5.1 Diseo 71

6 Bombas de inyeccin individuales PF 73

6.1 Aplicaciones 73

6.2 Diseo y operacin 73

6.3 Control 74

7 Sistemas con inyector unitario (UIS) 75

7.1 Instalacin y accionamiento 75

7.2 Diseo y construccin 76

7.3 Mtodo de operacin 78

7.3.1 Inyeccin principal 78

7.3.2 Preinyeccin 80

7.4 Electrovlvula de alta presin 82

x

7.4.1 Diseo y construccin 82

Principio de operacin 82

8 Sistemas con bomba unitaria (UPS) 84

8.1 Instalacin y accionamiento 84

8.2 Diseo y construccin 85

9 Sistemas de inyeccin con acumulador Common Rail 86

9.1 Aplicaciones 87

9.2 Diseo y estructura 88

9.3 Componentes de la etapa de alta presin 89

9.3.1 Bomba de alta presin 90

9.3.2 Acumulador de alta presin 92

9.3.3 Sensor de presin 93

9.3.4 Vlvula limitadora de presin 94

9.3.5 Vlvula reguladora de presin 95

9.3.6 Inyector con electrovlvula 97

9.3.7 Inyector piezoelctrico integrado en la tubera 100

10 Toberas de inyectores 102

10.1 Toberas de inyector de tetn 103

10.2 Toberas de inyector de orificios 104

11 Regulacin 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 inyeccin 110

Conclusiones 114

Abreviaturas 115

Bibliografa 117

1

1 INTRODUCCIN

1.1 Planteamiento y objetivos del trabajo

En el mbito de los sistemas de produccin de potencia los motores de combustin

interna alternativos encuentran su aplicacin en:

- la generacin de energa elctrica (motores que accionan generadores

elctricos desde potencias de menos de 1 kW hasta potencias de ms de 80 MW),

- los sistemas propulsivos (automocin, vehculos agrcolas y de obras pblicas,

martima, ferroviaria, area),

- otras aplicaciones (motobombas, motosierras, otras herramientas

motorizadas, etc.).

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

preocupacin por las emisiones gaseosas de los motores de combustin interna

alternativos de automocin y aparecen las primeras normativas para su regulacin en

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

pases como Japn y ms tarde a Europa. Las sucesivas crisis del petrleo de 1973 y la de

1979 y la preocupacin asociada por el posible agotamiento del petrleo, as como por la

contaminacin atmosfrica conduce el desarrollo de los motores, no ya slo en el campo

de la automocin si no tambin en otros campos, por el camino de la mejora integral de

todas sus prestaciones no slo de la potencia especfica (kW/l), como haba sido hasta

entonces, si no tambin del consumo especfico y de las emisiones gaseosas y sonoras. As,

la normativa que regula estos parmetros ha ido hacindose cada vez ms restrictiva y ha

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

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

especfica es un objetivo difcil de conjugar.

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

nivel mundial ha crecido sobremanera en las ltimas dcadas del pasado siglo y en lo que

va de ste.

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

notabilsimo en el desarrollo y mejora del diseo de estos motores en todas sus

aplicaciones.

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

proceso de combustin y por ende el sistema de formacin de mezcla, del que depende

2


fuertemente aqul, es de vital importancia.

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

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

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

lo publicado en distintas referencias bibliogrficas e integrndolo en un cuerpo de doctrina

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

- Realizar una revisin ordenada e integral de los sistemas de inyeccin de los

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

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

sofisticados y precisos.

- Plasmar esta revisin 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 histrico del motor Diesel

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

ingeniero alemn Rudolf Diesel, a quien debe su nombre este motor, presenta en Berln su

patente.

Diesel llevaba aos trabajando en su proyecto de un motor ms eficiente que el

utilizado hasta la poca, la maquina de vapor, cuyo rendimiento energtico era

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

de acuerdo a la teora del fsico francs Sadi Carnot, podra operar con una eficencia en

torno al 90%.

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

Este nuevo motor sera comparativamente ms pequeo 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

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

motores MAN (Maschinenfabrik Augsburg-Nrnberg). Su proyecto requera alcanzar una

presin mxxima de compresin de 250 bar, pero por razones mecnicas tuvo que

reducirse a 30 bar, lo que naturalmente tendra un efecto perjudicial en la combustin. Su

primera idea era utilizar carbn pulverizado como combustible. Ese mismo ao comienzan

la construccin 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 intruduca 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 contruy el primer barco movido por un motor diesel. Sin

embargo, este motor an no se poda utilizar en vehculos por ser demasiado grande,

pesado y ruidoso, debido principalmente a la compleja instalacin que requera el sistema

utilizado para inyectar el combustible.

En 1922, el tcnico alemn Robert Bosh decidi desarrollar su propio sistema de

inyeccin para motores Diesel. En 1925 consigui culminal su proyecto con la bomba de

inyeccin en lnea y en 1927 comenz la fabricacin en serie de sta.

La bomba inyectora diseada por Bosch permiti el uso por primera vez del motor

diesel en vehculos. El primero fue un camin fabricado por MAN. Este llevaba un sistema

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

combustin con excesivas vibraciones y ruidos.

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

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

un consumo de 9.5 l/100km. Este motor tena como novedad la inyeccin en una cmara

4


de precombustin. Con esto se consigui mejorar la combustin y reducir el ruido del

motor, haciendo factible su uso en la automocin.

La bomba de inyeccin en lnea fue el sistema de inyeccin utilizado en los motores

diesel durante muchos aos. A medida que se desarrollaba el campo de la aotomocin se

haca cada vez mas preciso desarrollar un sistema de inyeccin ms avanzado, pues la

bomba en lnea no consegua dar al motor la aceleracin y respuesta suficientes para

poder competir contra los motores de gasolina de la poca. As en 1962 Bosch cre un

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

rotativa.

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

electrnica y el aumento de la presin de inyeccin, hizo que los automviles con motor

Diesel fueran ganando cada vez mas peso en el mercado.

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

rendimiento del motor. Tambin deba hacer frente a las resticciones sobre emisiones

contaminantes, cada vez ms exigentes.

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

totalmente electrnica, con presiones de inyeccin muy elevadas. Solo as se consigue

cumplir la legislacin vigente sobre emisiones.

Con el desarrollo de los sistemas de inyeccin y la incorporacin del uso del

turbocompresor, los automvles con motor Diesel han conseguido prcticamente igualar

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

ms extendido y en los ltimos aos ha llegado a superar en ventas a los automviles con

motor de gasolina.

5


1.3 El motor diesel

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

compresin. La combustin de la mezcla se inicia por el autoencendido del combustible

que tras ser inyectado en la cmara de combustin al final de la fase de compresin se ha

evaporado y mezclado con el aire.

Los motores Diesel son los motores de combustin interna alternativos ms 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

contaminacin, esto destaca la importancia del motor diesel.

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

su aplicacin. En la automocin 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 generacin de energa elctrica. El mayor motor de combustin

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%

(Wrtsil RT-flex 96C).

2 PRINCIPIOS BASICOS DE INYECCIN DEL

COMBUSTIBLE

El proceso de combustin 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 cmo se prepara la mezcla aire-combustible.

Los parmetros de la inyeccin ms influyentes en la calidad de la mezcla formada son

principalmente:

Inicio de la inyeccin

Curva de inyeccin y duracin de la inyeccin

Presin de inyeccin

Nmero de inyecciones

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

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

combustin.

6


Hasta la los aos 1980 la cantidad de combustible inyectado y el inicio de la inyeccin

eran controlados nicamente de forma mecnica. Sin embargo, el compromiso con la

limitacin de emisiones requiere una alta precisin de los parmetros de inyeccin (pre-

inyeccin, inyeccin principal, cantidad de combustible inyectada, presin de inyeccin y

comienzo de la inyeccin) adaptados al estado de operacin del motor. Esto slo es

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

calcula los parmetros de inyeccin en funcin de otros parmetros externos como:

temperatura, velocidad del motor, carga, altitud, etc. El control electrnico 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 sern cada vez ms

estrictas, por lo que habr que introducir ms medidas para minimizar la contaminacin.

Las emisiones, adems del ruido de la combustin, pueden continuar reducindose

usando presiones de inyeccin ms altas, como las que se consiguen con el sistema

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

independientemente de la presin de acumulacin, como ocurre en el sistema common-

rail.

7


2.1 Tipos de camara de combustin

La forma de la cmara de combustin es uno de los factores determinantes en la

calidad de la combustin y, por tanto, del rendimiento del motor y las caractersticas de

los gases de escape. Con el diseo adecuado de la cmara de combustin y el movimiento

del pistn se puede conseguir crear turbulencias en el interior del cilindro y as mejorar la

formacin de la mezcla aire/combustible.

Segn el diseo de la cmara de combustin, los moteres se dividen en dos tipos:

Moteres con cmara de combustin abierta o de inyeccin directa (el

combustible se inyecta directamente en la cmara de combustin).

Motores con cmara de combustin dividida o de inyeccin indirecta (la

inyeccin tiene lugar en la precmara o cmara de turbulencia).

2.1.1 Motores con cmara abierta (inyeccin directa)

Una cmara de combustin abierta es aquella en la que el espacio de combustin no

contiene restricciones suficientemente pequeas como para producir diferencias grandes

de presin entre partes diferentes de la cmara durante el proceso de combustin.

En la cmara abierta la formacin de la mezcla aire/combustible depende unicamente

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

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

debe ajustarse con precisin para asegurar una mezcla rpida. La formacin de la mezcla

se ve favorecida por el uso de altas presiones de inyeccin y la subdivisin del chorro. En el

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

mezcla mediante la creacin 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 dimetro de la cmara). El movimiento

del aire favorece la homogeneizacin de la mezcla y acelera el proceso de combustin.

En los motores de mayor tamao, la cantidad de movimiento y la energa del chorro

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

adecuadas.

8


Figura 1. Tipos frecuentes de cmaras de combustin abiertas de motores de encendido por compresin,

(Heywood)

2.1.2 Motores con cmara dividida (inyeccin indirecta)

Una cmara de combustin dividida es aquella en la que el espacio de combustin se

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

suficientemente pequeo para que existan diferencias apreciables de presin entre ellos

durante el proceso de compresin y combustin.

A la parte de la cmara en la que se encuentra el pistn se le conoce por el nombre de

cmara principal y a la otra con el nombre de precmara o antecmara.

En este tipo de cmara de combustin la homogeneizacin de la mezcla est

fundamentalmente encomendada al propio fluido, como consecuencia de la importante

turbulencia que aparece durante el trnsito del fluido, a travs del estrechamiento. El

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

inyector de orificio nico e inyectado el combustible en la precmara a una presin

comparativamente baja.

Durante la compresin el aire se introduce en la precmara, generndose turbulencia a

su paso a travs del orificio de comunicacin entre la cmara principal y la precmara. Al

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

9


Figura 2. Cmaras de combustin divididas tpicas de motores de encendido por compresin: a) con

cmara arremolinadota Ricardo Comet; b) con precmara Mercedes, (Heywood)

Las cmaras de combustin divididas han sido muy utilizadas en en los motores de

automvil y maquinaria agrcola e industrial de pequea o media cilindrada, ya que con los

sistemas de inyeccin tradicionales era la nica forma de reducir las emisiones de ruido y

gases contaminantes. Con el desarrollo de los sistemas de inyeccin (mayor presin de

inyeccin y precisin) se ha podido implantar en estos motores la inyeccin directa, que ya

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

rendimiento.

11

2.2 Distribucin de la mezcla

2.2.1 Factor de exceso de aire

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

se desva de la relacin msica estequiomtrica. Se calcula como la relacin entre la masa

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

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

para la combustin completa de todo el combustible inyectado.

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

tanto se tiene una mezcla rica.

> 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 formacin de

partculas durante la combustin. 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 ralent y en vaco, lambda se encuentra por encima de 10.

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

formacin de gases contaminantes.

Los motores Diesel operan con formacin de mezcla heterognea y autoencendido. No

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

durante la combustin. Dentro de esa mezcla heterognea el factor de exceso de aire

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

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

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

Por esto, se puede deducir que mejorando la atomizacin (alto nmero de gotas muy

pequeas), 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 formacin

de partculas durante la combustin.

Principios basicos de inyeccin del combustible

12

La atomizacin se consigue optimizar con altas presiones de inyeccin de hasta 2200

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

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

tamao, o lo que es lo mismo, reducir su tamao para una determinada potencia, y as

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

posible a plena carga. Esto lleva a buscar el ptimo que cumpla con las emisiones mximas

permitidas por la legislacin vigente obteniendo el mximo rendimiento posible del

motor.

Figura 3. Curva relacin aire/combustible en una

gota esttica (Robert Bosch GmbH)

Figura 4. Curva relacin aire/combustible en una


13

gota en movimiento (Robert Bosch GmbH)

2.3 Parmetros de inyeccin

2.3.1 Inicio de la inyeccin y suministro

Inicio de la inyeccin

El punto en el que se inyecta el combustible dentro de la cmara de combustin tiene

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

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

Por este motivo, el inicio de la inyeccin juega el papel ms importante en la optimizacin

del rendimiento del motor.

El inicio de la inyeccin especifica la posicin del cigeal, en grados con respecto a la

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

inyector y se inyecta el combustible dentro de la cmara.

La posicin del pistn relativa al PMS en ese momento, adems de la densidad y

temperatura del aire, influye en el flujo de aire dentro de la cmara de combustin. De

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

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

partculas, xidos de nitrgeno (NOx), hidrocarburos inquemados (HC) y monxido de

carbono (CO).

El punto de inicio de inyeccin vara 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 inyeccin (Figura 5 ). La variacin del

inicio de inyeccin dependiendo de la carga se controla tambin a travs 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 presin de inyeccin. Como la

presin del combustible se genera por una bomba de alta presin separada y la inyeccin

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

inyeccin para cada punto de operacin con el sistema de control del motor.

Valores estndar para el inicio de la inyeccin

En un mapa de datos de un motor diesel, los puntos ptimos de inicio de la combustin

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

cigeal antes del PMS. Como resultado, y en base a los lmites legales de emisiones de los

gases de escape, los puntos de inicio de inyeccin se sitan en los siguientes rangos

orientativos:


14

Motores de automvil de inyeccin directa:

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

despus del PMS)

Carga parcial: entre -6 y 4

Plena carga: entre -15 y -6

Motores de vehculos comerciales (sin EGR)

En vaco: entre -12 y -4

Plena carga: entre -6 y 2

Cuando el motor esta fro, el inicio de la inyeccin tanto para motores de automvil

como de vehculos comerciales se adelanta ente 3 y 10. El tiempo de la combustin a

plena carga equivale a un ngulo de giro del cigeal de entre 40 y 60.

Inicio de la inyeccin avanzado

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

del pistn. Si la combustin se inicia mucho antes del PMS, la presin crece bruscamente y

acta como una fuerza que se opone a la carrera de ascenso del pistn. La perdida de

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

combustible. La elevacin brusca de la presin de compresin hace tambin que la

combustin sea ms ruidosa.

El mayor incremento de temperatura como consecuencia del inicio de inyeccin

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

escape y reduccin de los HC (Figura 6).

Inicio de la inyeccin retardado

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

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

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

cmara de combustin 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 partculas y NOx, hacen que

la tolerancia sea muy pequea cuando se modifica el inicio de inyeccin para ajustarlo a

un determinado motor (Figura 6).


15

Comienzo del suministro

Adems del inicio de la inyeccin, el inicio del suministro es otro aspecto que a menudo

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

suministrar combustible al inyector.

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

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

sincronizacin entre la bomba y el motor se fija al inicio del suministro, ya que ste es ms

fcil de definir que el punto real de inicio de inyeccin, 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 relacin definida entre ambos, que se puede medir por tiempo o por el

ngulo barrido por el cigeal.

El retraso de la inyeccin es el resultado del tiempo que tarda la onda de presin en

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

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

inyeccin medido en ngulos del cigeal es distinto.

Adems del retaso en la inyeccin tambin existe un retraso en el autoencendido

despus del instante en que se inyecta el combustible (ignition lag). Tambin se hace

mayor, medido en ngulo barrido por el cigeal, a medida que aumenta la velocidad de

giro del motor.

Figura 5. Inicio de la inyeccin en funcin de la

velocidad del motor y la carga, (Robert Bosch

GmbH)

Figura 6. Emisiones de NOx y HC en funcin del

inicio de inyeccin, (Robert Bosch GmbH)


16

Para compensar ambos efectos el sistema de inyeccin 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 ecuacin:

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 ecuacin:

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 parmetros:

Dosificacin de combustible a travs de la seccin de la tobera del inyector

Duracin de la inyeccin

La variacin temporal de la diferencia entre la presin de inyeccin y la presin

en la cmara de combustin

La densidad del combustible

La desviacin 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 inyeccin de alta precisin controlados

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

alto grado de precisin.


17

2.3.3 Duracin de la inyeccin

Uno de los principales parmetros de la curva inyeccin es la duracin de la inyeccin.

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

la cmara de combustin. Este parmetro se especifica en grados del cigeal o del rbol

de levas, o en milsimas de segundo. Diferentes procesos de inyeccin requieren

diferentes duraciones de la inyeccin, como por ejemplo:

En automviles con motores de inyeccin directa la duracin es de

aproximadamente 32-38 de giro del cigeal

En automviles con motores de inyeccin indirecta, aproximadamente 35-40

En vehculos comerciales con motores de inyeccin directa, aproximadamente

entre 25-36

Un ngulo de 30 en el cigeal equivale a 15 en el rbol de levas (motores de 4

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

la inyeccin de 1,25 ms.

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

la inyeccin debe ser definida en funcin del punto de operacin y del inicio de la

inyeccin. En la Figura 7 se muestra aproximadamente el efecto de el inicio y la duracin

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

contaminantes.


18

Figura 7. Consumo de combustible y principales emisiones en funcin del la duracionn y el inicio de la

inyeccin, (Robert Bosch GmbH)


19

2.3.4 Curva de inyeccin

La curva de inyeccin representa grficamente el flujo msico de combustible frente al

tiempo en el que es inyectado en la cmara de combustin (Figura 8).

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

(Robert Bosch GmbH)

Sistemas controlados por leva

En los sistemas de inyeccin de combustible controlados por leva, la presin se genera

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

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

presin de inyeccin.

Las bombas inyectoras en lnea y las bombas rotativas controladas mecnicamente no

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

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

el ruido de la combustin.

S es posible la preinyeccin en las bombas rotativas controladas por electrovlvulas.

Tambin hay sistemas con unidad bomba-inyector equipados con control hidrulico y

mecnico que permiten la preinyeccin, pero con un lmite de tiempo.

En todo caso, en estos sistemas, la generacin de presin y el suministro de la cantidad

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

repercute en las caractersticas de la inyeccin en:

Al aumentar la velocidad del motor, se incrementa la presin de inyeccin y la

cantidad de combustible inyectado, hasta alcanzar la presin mxima.

La presin se eleva al inicio de la inyeccin, pero antes del final de la inyeccin,

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 pequeas cantidades de combustible a baja presin.

La curva de inyeccin tiene una forma aproximadamente triangular.

La curva triangular favorece la combustin en rgimen de carga parcial y baja velocidad

del motor, ya que la elevacin de la presin en la cmara de combustin es menos

pronunciada y esto hace que la combustin sea ms silenciosa; sin embargo esta curva no

favorece la combustin a plena carga, donde se consigue un funcionamiento ms eficiente

con una curva con forma ms cuadrada.

En los motores de inyeccin indirecta (con pre-cmara), se utilizan inyectores de tetn

para producir un nico chorro y definir la curva de inyeccin. Este tipo de toberas de

inyeccin controla la seccin transversal de salida en funcin de la elevacin de una aguja.

Esto provoca un incremento de presin gradual y, por tanto, una combustin algo ms

silenciosa.

Sistemas common-rail

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

independientemente del ciclo de inyeccin. Esta presin se mantiene prcticamente

constante durante el proceso de inyeccin. En un sistema con una determinada presin, 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 inyeccin casi cuadrada con inyecciones de

corta duracin y casi constantes, con altas velocidades de pulverizacin a plena carga que

permiten incrementar la potencia especifica del motor.

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

encendido) no es beneficioso, en el sentido en que hace que la presin en la cmara de

combustin crezca bruscamente y el proceso de combustin sea ms ruidoso. Por eso,

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

preinyecciones. Con esto se consigue preacondicionar la cmara de combustin, haciendo

que la presin crezca de forma ms progresiva, reduciendo el tiempo de retraso de la

inyeccin y, por tanto, consiguiendo reducir al mnimo el ruido de la combustin y la

formacin de NOx.

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

curva de inyeccin en funcin de las condiciones de operacin.


21

Funciones de la inyeccin

Dependiendo de la aplicacin para la que est destinado el motor, se requieren las

siguientes funciones (Figura 9):

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

especialmente en los motores de inyeccin directa.

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

emisiones de NOx en motores sin vlvula EGR.

Gradiente de presin en dos etapas (4): durante la inyeccin principal reduce

las emisiones de NOx y partculas en motores sin EGR.

Alta presin constante durante la inyeccin principal (3,7): reduce las emisiones

de partculas durante la operacin en motores con EGR.

Inyeccin secundaria avanzada (8): reduce las emisiones de partculas.

Inyeccin secundaria avanzada (9).

Figura 9. Patrones de inyeccin (Robert Bosch GmbH)


22

Pre-inyeccin

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

quema durante la fase de compresin. Con esto se consigue que aumente la presin y la

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

el retardo de encendido de la inyeccin principal. Se reduce el aumento de la presin de

combustin y los picos de presin, lo que se traduce en una combustin ms suave y

menos ruido del motor. Esto adems tiene un efecto positivo sobre la reduccin del

consumo y de las emisiones contaminantes (NOx fundamentalmente).

La inyeccin previa contribuye indirectamente, a la generacin de par motor, mediante

la reduccin del retardo de encendido. En funcin del comienzo de la inyeccin principal y

de la separacin entre la inyeccin previa y la inyeccin principal, puede aumentar o

disminuir el consumo especfico de combustible.

Por otro lado, las altas temperaturas en la cmara de combustin son favorables para

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

la combustin y reducen las emisiones de HC y CO.

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

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

principal, y la cantidad de combustible pre-inyectado en funcin del punto de operacin.

Figura 10. Efecto de la preinyeccin en la presion de la cmara de

combustin, (Robert Bosch GmbH)


23

Inyeccin secundaria retardada

Esta fase trascurre tras la inyeccin principal, durante la carrera de expansin o de

escape (hasta 200 del cigeal despus 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 combustin de los hidrocarburos de esta mezcla genera tambin un incremento de

la temperatura de los gases de escape por la oxidacin en el acumulador cataltico. Esta

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

Inyeccin secundaria avanzada

En los sistemas common-rail, la inyeccin secundaria

transcurre directamente despus de la inyeccin

principal cuando an se est produciendo la

combustin. Esto hace que se quemen las partculas de

holln, consiguiendo reducir estas emisiones entre un

20 y un 70%.

Caractersticas del timing de los sistemas de inyeccin

La figura 11 representa un ejemplo de una bomba

rotativa de mbolos radiales. La posicin de la leva

determina el inicio del suministro, cuando el

combustible sale desde la bomba hacia el inyector. Se

observa que la presin y los parmetros de inyeccin

varian notablemente entre la bomba y el inyector.

Estos parmetros estn determinados por las

caractersticas de los componentes que controlan la

inyeccin (leva, bomba, vlvula de alta presin, tuberas

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

debe ser ajustado con precisin a cada motor.

Estas caractersticas son similares en todos los

simtemas de inyeccin en los que la presin es

generada por un mbolo (bombas de inyeccin en

lnea, inyectores unitarios y bombas unitarias).

Figura 11. Patrones de inyeccin en sistemas de accionamiento por leva


24

Volumen perjudicial en sistemas de inyeccin convencionales

El trmino volumen perjudicial se refiere al volumen en el lado de alta presin de los

sistemas de inyeccin (lado de alta presin de la bomba inyectora, tuberas de alta presin

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

es comprimido y descomprimido. Como resultado de esto, hay una prdida de compresin

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

comprimido por el proceso dinmico generado por la onda de presin. En la Figura 11,

representa el tiempo que tarda el combustible en pasar a travs de la lnea.

Cuanto mayor sea este volumen, peor ser la eficiencia hidrulica del sistema de

inyeccin. Por eso, cuando se disea un sistema de inyeccin la principal consideracin es

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

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

volumen de la tubera 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 Presin de inyeccin

La presin generada en el sistema de inyeccin tiene como finalidad que el combustible

salga del inyector en forma de chorro. Un sistema con alta presin de inyeccin consigue

que el chorro salga ms pulverizado. La colisin del combustible pulverizado con el aire en

el interior de la cmara de combustin causa la atomizacin del combustible. As, cuanto

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

aire, mejor ser la atomizacin del combustible. La presin de inyeccin en la tobera

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

la onda de presin.

Motores de inyeccin directa (DI)

En los motores Diesel de inyeccin directa, la velocidad del aire en la cmara de

combustin es relativamente lenta, ya que slo 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 compresin del pistn intensifica el moviento del aire dentro del cilindro al

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

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

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

presin mxima de pico puede estar entre 1000 y 2200 bar). Sin embargo, a excepcin de

los sistemas Common Rail, esa presin mxima de pico slo se alcanza a altos regmenes


25

de giro del motor.

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

partculas, es conseguir inyectar el combustible a alta presin 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 presin mxima de inyeccin para evitar la deposicin del

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

llega a la mxima presin del aire de entrada, y la presin de inyeccin se puede

incrementar.

Para obtener la mxima eficiencia del motor, el avance de la inyeccin de debe ajustar

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

presin de inyeccin alta para poder acortar la duracin de la inyeccin.

Figura 12. Influencia del inicio y de la presin de inyeccin en el consumo

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

GmbH)

Motores con inyeccin indirecta (IDI)

En los motores diesel con cmara de combustin dividida, la elevacin de presin

durante la combustin expulsa la carga fuera de la precmara o cmara de turbulencia,

asemejndose a una inyeccin neumtica. Este proceso transcurre a alta velocidad en la

cmara de turbulencia y en su salida a la cmara de combustin principal.

26

3 SISTEMAS DE INYECCIN DE

COMBUSTIBLE

3.1 Funcin

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

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

inyectora; sta genera la presin de inyeccin requerida y suministra el combustible al

circuito de alta presin. A su vez, la bomba inyectora es alimentada a travs del circuito de

baja presin, encargado de transportar el combustible desde el depsito y filtrarlo para

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

3.2 Suministro de combustible (etapa de baja presin)

La funcin del sistema de suministro de combustible (tambin denominado sistema de

alimentacin) es almacenar y filtrar el combustible requerido y abastecer de ste al

sistema de inyeccin a la presin de operacin requerida. Adems se encarga del retorno

del combustible sobrante al depsito de combustible y, en algunos casos, la refrigeracin

de ste antes de devolverlo al depsito.

El sistema de alimentacin puede variar dependiendo del tipo de sistema de inyeccin

y las caractersticas de la bomba inyectora. A continuacin de relacionan los componentes

esenciales del sistema, que ms adelante sern descritos detalladamente.

- Depsito de combustible

- Bomba de prealimentacin (opcional, puede ir en el interior del depsito de

combustible)

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

aspira el combustible)

- Unidad de refrigeracin del combustible de retorno (opcional)

- Filtro principal de combustible

- Bomba de alimentacin de combustible (baja presin)

- Vlvula limitadora de presin (suele ir integrada en la bomba de alimentacin)

- Conductos de baja presin

- Unidad de control

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

Rail, la bomba de alimentacin de combustible est integrada en la bomba de alta presin.

Sistemas de inyeccin de combustible

27

Figura 13. Sistema de inyeccin de combustible con bomba de inyeccin en lnea, (Robert Bosch GmbH)

3.2.1 Depsito de combustible

El depsito de combustible debe ser resistente a la corrosin, adems de a prueba de

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

sobrepresin y disponer de vlvulas de seguridad para el escape de los gases en caso de

que haya sobrepresin. El diseo debe tener en cuenta que no se produzcan fugas cuando

el vehculo, en su caso, se incline y en caso de sacudidas y de impactos. Por ltimo, debe ir

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

de accidente.

3.2.2 Lneas de transporte

Compuestos por tubos de metal, flexibles e ignfugos. As mismo tienen que estar

preparados para no sufrir daos ante movimientos de torsin del bastidor, movimientos

del motor o similares.

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

para evitar daos en operacin provocados por incrementos de temperatura.

3.2.3 Filtro de combustible

Su funcin es garantizar un nivel pureza del combustible que evite daos en el sistema

de inyeccin. Su diseo depende del tipo de sistema de inyeccin y de las condiciones de

operacin, es ms exigente para sistemas que trabajen a presiones ms elevadas como el

common-rail.


28

El sistema completo de filtrado se compone de:

- Filtro preliminar:

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

bomba de alimentacin previa. Est formado por una malla capaz de filtrar

partculas de hasta 300 m.

- Filtro principal:

Las pequeas partculas slidas presentes en el combustible quedan atrapadas en

el filtro, por eso tiene un elemento fcilmente extrable que debe ser sustituido

peridicamente.

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

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

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

mejorar la eficiencia de filtracin).

- 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 inyeccin.

El agua es el contaminante ms comn; entra al sistema de suministro de

combustible cuando el aire hmedo y caliente entra al depsito del vehculo o

equipo, y despus condensa en las paredes fras. 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

elctricamente, mediante el agua de refrigeracin 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

obstruiran los poros del filtro.

- Bomba manual:

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

inyeccin despus de cambiar el filtro o de cualquier otra operacin de

mantenimiento. Suele ir integrado en la cubierta del filtro.


29

3.2.4 Bomba de prealimentacin

Puede ser una bomba elctrica (Figura 14) o de accionamiento mecnico. Esta bomba

aspira el combustible del depsito a travs del filtro y lo enva por el circuito de baja

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

3.2.5 Bomba de alimentacin

Bomba elctrica

(Figura 14)

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

rodillos). Se usa en los siguientes sistemas:

Sistemas con bomba rotativa (opcional, slo como bomba de prealimentacin)

En sistemas de inyector unitario (UIS)

En sistemas Common Rail

Figura 14. Esquema de una bomba elctrica 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 vehculos industriales (unidad

inyector-bomba, unidad bomba-tubera-

inyector y bombas de inyeccin individuales

PF)

Parcialmente en sistemas Common Rail en

vehculos industriales y automviles

La bomba de inyeccin de engranajes est fijada

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

est integrada en la bomba de alta presin. Se acciona Figura 15. Esquema de una bomba de

engranajes, (Robert Bosch GmbH)


30

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

distribucin.

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

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

la carcasa impulsndolo del lado de aspiracin al lado de presin. En el engranaje entre las

dos ruedas se produce un cierre hermtico entre ambos lados.

Bomba de paletas

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

(Ver cpitulo 5, apartado 5.3.1)

Bomba de paletas de bloqueo

(Figura 16)

Su principal uso son sistemas con

bomba-inyector para automviles.

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

aspiracin y el combustible se aspira hacia

el interior de la cmara. En el lado de

compresin, el volumen disminuye e

impulsa al combustiblea salir de la cmara.

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 Inyeccin (etapa de alta presin)

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

alta presin dentro de la cmara de combustin en el momento adecuado.

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

combustible la presin adecuada, y los inyectores; ambos estn unidos por la lnea de alta

presin (excepto en los sistemas con bombas de inyeccin individuales). En todos los casos

la tobera de cada inyector sobresale dentro de la cmara de combustin de cada cilindro.

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

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

presin cae por debajo de este valor. Slo se controla de forma externa, mediante un

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

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

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

tipos de bombas inyectoras.

3.4 Tipos de sistemas de inyeccin

3.4.1 Sistemas con bomba de inyeccin en lnea

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

un mbolo. ste se encarga de comprimir el combustible para que sea inyectado a una

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

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

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

Los elementos de bombeo estn dispuestos en lnea dentro de la bomba. Su carrera no

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

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

mecanismo que lo hace girar, permite la variacin de la carrera til en funcin de la carga y

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

complicado de resumir, por lo que se tratar con detalle en el prximo punto.

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

encuentra situada entre el elemento de bombeo y la tubera de alta presin que conduce

el combustible al inyector. Estas vlvulas hacen que la inyeccin se corte bruscamente.


32

Bomba de inyeccin en lnea tipo PE estndar

Este fue el primer tipo de bomba inyectora. Su invencin permiti el uso por primera

vez del motor diesel en vehculos.

El comienzo de la inyeccin est determinado por una lumbrera de admisin situada en

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

ranura del mbolo y su ngulo de giro determinan el fin de la carrera til y, por tanto, el

caudal de inyeccin. El giro de los mbolos lo efecta una cremallera o varilla de

regulacin que puede ser controlada por un regulador mecnico de fuerza centrifuga (este

fue el primer sistema diseado) o, en el caso de las bombas ms modernas, con un

mecanismo actuador elctrico (EDC).

Bomba de inyeccin en lnea con vlvula de corredera

Esta bomba se diferencia de la de inyeccin en lnea estndar PE en que puede variar

con facilidad la carrera del mbolo. Tiene un elemento mvil (corredera) que se desliza

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

modificarse la carrera, y con ello tambin el comienzo de la inyeccin. La posicin de la

vlvula corredera se ajusta en funcin de diversos parmetros para optimizar el proceso

de combustin. En comparacin con la bomba de inyeccin en lnea estndar, la bomba

de inyeccin en lnea con vlvula de corredera tiene un grado de libertad de adaptacin

adicional.

3.4.2 Sistemas con bombas de inyeccin rotativas

Estas bombas tienen, al igual que las bombas en lnea, un regulador mecnico que

ajusta el caudal de inyeccin, adems de un regulador de avance de inyeccin que puede

ser hidrulico o electrnico. Tambin pueden tener un nico elemento de control

electrnico que realiza ambas funciones. En stas, los elementos mecnicos se sustituyen

por actuadores electrnicos.

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

distribuye el combustible a todos los inyectores.

Bomba de inyeccin rotativa de embolo axial (VE)

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

depsito y lo suministra al interior de la cmara de la bomba de inyeccin. Un nico

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

generacin de presin y la distribucin a los diversos cilindros. Durante una vuelta del eje

de accionamiento, el mbolo 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 as en el mbolo distribuidor un movimiento de elevacin

adicional al movimiento de giro.

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

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

electrnicamente. Tienen una corredera de regulacin que determina la carrera til y

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

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

controlada por electrovlvula, existe una electrovlvula de alta presin controlada

electrnicamente, que dosifica el caudal de inyeccin, en lugar de la corredera de

inyeccin. Las seales de control y regulacin son procesadas en dos unidades de control

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

Bomba de inyeccin rotativa de mbolos radiales

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

ser dos o cuatro. Una electrovlvula de alta presin dosifica el caudal de inyeccin. El

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

avance. Igual que en la bomba de mbolo axial controlada por electrovlvula, todas las

seales de control y regulacin se procesan en las unidades de control electrnicas ECU.

Mediante la activacin apropiada del elemento actuador se regula el nmero de

revoluciones.

3.4.3 Sistemas con bombas de inyeccin individuales

Bombas de inyeccin individuales PF

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

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

presin de inyeccin es el mismo que el del elemento de bombeo de la bomba de

inyeccin en lnea estndar PE.

No tienen rbol de levas propio, sino uno comn a todas se encuentra sobre el rbol

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

variacin del avance mediante un giro del rbol de levas. Aqu puede conseguirse un

ngulo de variacin de algunos grados mediante la regulacin de un elemento intermedio

(por ejemplo situando un balancn entre el rbol de levas y el impulsor de rodillo). En

motores grandes, el regulador mecnico-hidrulico o electrnico est integrado en el

cuerpo del motor.


34

Unidad bomba-inyector UIS

La bomba de inyeccin y el inyector son una nica pieza. Cada cilindro lleva una unidad,

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

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

mediante un empujador, o indirectamente mediante balancn.

Debido a la supresin de las tuberas de alta presin, se puede conseguir una presin

de inyeccin de hasta 2000 bar (mayor que en los sistemas con bomba inyectora comn).

Con esta elevada presin de inyeccin y mediante la regulacin electrnica del comienzo y

fin de inyeccin es posible mejorar el proceso de combustin, reduciendo notablemente el

consumo de combustible y las emisiones contaminantes del motor diesel.

Unidad bomba-tubera-inyector UPS

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

pero est dividido en mdulos (bomba individual, tubera e inyector). Tambin dispone de

una unidad de inyeccin por cada cilindro del motor, accionada por un rbol de levas.

En este caso, debido a la regulacin electrnica, tambin se consigue una reduccin del

consumo y las emisiones.

3.4.4 Sistemas de inyeccin Common-Rail

Este sistema, como su nombre indica, dispone de un ral o acumulador comn para

todas las lneas de inyeccin. En l se acumula el combustible suministrado por la bomba

de alta presin. Esta presin es independiente del rgimen de giro del motor y del caudal

de inyeccin.

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

abren y cierran por medio de electrovlvulas. La unidad de control electrnica ECU, en

funcin de unos parmetros almacenados, del rgimen del motor y de la carga gestiona la

inyeccin actuando sobre las electrovlvulas.

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

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

contaminantes.

35

4 SISTEMAS CON BOMBA DE INYECCIN EN

LNEA

Como ya se haba mencionado, este tipo de bomba fue diseada por Robert Bosch a

principios del siglo XX; desde entonces la compaa Robert Bosch GmbH, fundada por l

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

Ha sido la ms utilizada y lo sigue siendo en vehculos pesados; en turismos lo fue

hasta la dcada de los 60 cuando se vio sustituida por las bombas rotativas, ms pequeas

y aptas para motores rpidos.

Este tipo de bombas son de constitucin muy robusta y de una fiabilidad mecnica

contrastada. Sus inconvenientes son su tamao, peso y que estn limitadas a un nmero

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

Los principales elementos que la componen son:

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

- Un regulador de velocidad que puede ser centrifugo, neumtico o hidrulico.

- Un variador de avance automtico de inyeccin acoplado al sistema de arrastre de

la bomba.

- Vlvulas de descarga

- Adems, suele llevar acoplada la bomba de alimentacin.

Figura 17. Bomba de inyeccin en lnea PE, (Robert Bosch GmbH)

1. Carcasa de la bomba

2. Regulador de velocidad mecnico

3. Bomba de suministro

4. Dispositivo de avance

5. LDA

6. Vlvulas de descarga

Sistemas con bomba de inyeccin en lnea

36

4.1 Aplicaciones de las bombas de inyeccin en lnea

Las bombas de inyeccin en lnea 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 agrcola y de construccin. Otros campos

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

industriales hasta los ms pequeos utilizados en grupos electrgenos.

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

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

mximos y mnimos. Dentro de las bombas de inyeccin en lnea PE existen dos

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

"MW" y "P".

A continuacin se muestra una clasificacin de las bombas de inyeccin ms comunes

usadas en vehculos, con los valores mximos de presin de inyeccin y potencia por

cilindro de cada tipo:

Clasificacin de la bombas de inyeccin en linea PE

Caractersticas: Tipos:

M A MW P3000 P7100

Presin de inyeccin (bar)

550 750 1100 950 1300

Aplicacin Turismos y

vehculos 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 inyeccin se acompaa de un circuito de alimentacin que le suministra

combustible (Ver cpitulo 3, apartado 3.2). A travs de l la bomba de alimentacin aspira

el combustible del depsito y lo bombea hacia la bomba de inyeccin a una presin

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

travs de la vlvula de descarga situada en la bomba de inyeccin, retornando al depsito.

Esta vlvula de descarga controla la presin del combustible en el circuito.

En vehculos donde la distancia y la altura del depsito con respecto a la bomba de

inyeccin estn muy alejados, se instala una bomba de alimentacin, normalmente sta se

encuentra acoplada a la bomba de inyeccin. Segn las condiciones de funcionamiento del

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

alimentacin de la bomba de inyeccin (Figura 18).

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

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

necesario "barrer" la cmara de admisin de la bomba de inyeccin. El combustible

sobrante vuelve al depsito de combustible a travs de la vlvula de descarga y de la

tubera de retorno.

En algunos casos, especialmente cuando se prev que en el entorno de operacin del

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

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

combustible lleva tambin instalada una vlvula de descarga a travs de la cual una parte

del combustible retorna al depsito durante el funcionamiento, arrastrando eventuales

burbujas de gas o vapor. Las burbujas de gas que se forman en la cmara de admisin de

la bomba de inyeccin son evacuadas por el combustible a travs de la tubera de retorno.

El barrido continuo de la cmara de admisin refrigera la bomba de inyeccin e impide

que se formen burbujas de gas.


38

Figura 18. Esquemas de un sistema de inyeccin con bomba en lnea

4.3 Bombas de alimentacin

(Figura 19)

El combustible tiene que llegar a la cmara de admisin de la bomba de inyeccin con

una presin de aproximadamente 1 bar para garantizar el llenado de la cmara de

admisin. Esta presin se puede conseguir utilizando un depsito de combustible

instalado por encima de la bomba de inyeccin (alimentacin por gravedad), o bien

recurriendo a una bomba de alimentacin. Este es el caso de la mayora de los vehculos,

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

inyeccin. La bomba de alimentacin se encarga de aspirar combustible del depsito y

suministrarlo a presin a la cmara de admisin de la bomba de inyeccin a travs de un

filtro de combustible.

La bomba de alimentacin es generalmente una bomba mecnica de mbolo fijada a la

bomba de inyeccin y accionada por el rbol de levas de esta. Adems la bomba puede

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

admisin del sistema de inyeccin para la puesta en servicio o tras efectuar operaciones

de mantenimiento.

Existen bombas de alimentacin de simple y de doble efecto. Segn el tamao de la

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


39

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

4.3.1 Bomba de alimentacin de simple efecto

(Figura 20)

Esta bomba est constituida por dos cmaras separadas por un mbolo mvil. El

mbolo es empujado por una leva excntrica a travs del impulsor de rodillo y un perno

de presin. Durante la carrera intermedia, el combustible se introduce en la cmara de

presin a travs de la vlvula de retencin instalada en el lado de alimentacin. Durante la

carrera de admisin y alimentacin, el combustible es impulsado desde la cmara de

presin hacia la bomba de inyeccin por el mbolo que retrocede por efecto de la fuerza

del muelle. Al mismo tiempo, la bomba de alimentacin aspira tambin combustible

desde el depsito a travs de la vlvula de retencin del lado de admisin, hacindolo

pasar por un pre-purificador.

Si la presin en la tubera de alimentacin sobrepasa un determinado valor, la fuerza

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

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

la presin sigue aumentando. De este modo, la bomba de alimentacin protege el filtro de

combustible contra presiones excesivas.


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

4.3.2 Bomba de alimentacin de doble efecto

Esta bomba cuenta con dos vlvulas de retencin adicionales que convierten la cmara

de admisin y la cmara de presin de la bomba de alimentacin de simple efecto, en una

cmara de admisin y de presin combinadas, es decir al mismo tiempo que hace la

admisin, hace tambin la alimentacin. La bomba no realiza carrera intermedia. A cada

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

una cmara, siendo impulsado simultneamente desde la otra cmara hacia la bomba de

inyeccin. Por lo tanto, cada carrera es al mismo tiempo de alimentacin y de admisin. Al

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

puede hacerse cero. Por lo tanto, en la tubera de impulsin o en el filtro de combustible

tiene que preverse una vlvula de descarga a travs de la cual pueda retornar al depsito

el exceso de combustible bombeado.

4.4 Constitucin

(Figura 21)

En la figura 21 se puede ver la seccin de una bomba de inyeccin en lnea en la que

aparecen todos los elementos que componen la unidad de bombeo.

Se puede ver que dispone de un crter o cuerpo, de aleacin de aluminio-silicio, que

aloja en su parte inferior o crter inferior, al rbol de levas, que tiene tantas levas como

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

alimentacin, que recibe movimiento del mismo rbol de levas de la bomba de inyeccin,

por medio de una excntrica labrada en l.


41

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

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

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

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

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

Adems del movimiento de subida y bajada del pistn, ste puede girar un cierto

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

manguito cilndrico, 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 pistn, por medio del manguito cilndrico y el saliente de la parte inferior del

pistn.

La parte superior del cilindro, est cerrada por la vlvula de retencin, que ajusta sobre

su asiento, por la accin del muelle.

Cuando el saliente de la leva acciona el empujador, este acciona el pistn, hacindolo

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

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

una determinada presin en el cilindro, que provoca la apertura de la vlvula, venciendo la

accin 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 accin del muelle,

haciendo bajar a su vez el mbolo, que vuelve a ocupar la posicin representada en la

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

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


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Figura 21. Seccin de una bomba de inyeccin en lnea, (Robert Bosch GmbH)

4.4.1 Elemento de bombeo

(Figura 22)

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

Cada elemento de bombeo, est constituido por un cilindro y un pistn. Cada cilindro se

comunica con la tubera de admisin por medio de las lumbreras, y con el conducto de

salida al inyector por medio de una vlvula de retencin que se mantiene cerrada, por la

accin del muelle antagonista, hasta que el combustible alcanza la presin de inyeccin.

El pistn se ajusta en el cilindro con una precisin 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 pistn tiene un rebaje circular que se comunica con la cara superior del pistn

por medio de una rampa helicoidal y una ranura vertical.

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

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

El movimiento de la cremallera, puede hacer girar el pistn un cierto ngulo 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 pistn en su

parte inferior.

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


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

4.5 Funcionamiento de la bomba de inyeccin en lnea tipo

estndar PE

(Figura 24)

El mbolo o pistn realiza un movimiento de sube y baja en el interior del cilindro. El

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

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

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

Cuando el pistn desciende crea una depresin en el interior del cilindro que permite la

entrada de combustible cuando el pistn ha destapado las lumbreras de admisin. Debido

a la presin del combustible en el conducto de alimentacin, provocada por la bomba de

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

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

alimentacin.

Si la ranura vertical del pistn, est situada frente a la lumbrera de admisin, el interior

del cilindro comunica con el conducto de alimentacin, por lo que, aunque suba el pistn,

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

posicin del pistn, corresponde al suministro nulo de la bomba de inyeccin.

Si la ranura vertical no est frente a la lumbrera de admisin se produce la inyeccin.

Tras cerrar la lumbrera de admisin, en la subida del pistn, la presin del combustible en

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

fuerza que ejerce el muelle de la vlvula de retencin. En ese momento sta se abre

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

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

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


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posicin del pistn. Mientras el combustible no salga por el inyector, la presin en todo el

circuito ir aumentando a medida que el pistn vaya subiendo. En el momento que esta

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

cilindro del motor, comenzando en este momento la inyeccin.

El final de la inyeccin depende de la posicin de la rampa helicoidal. Llegado el pistn

a cierta altura, sta pone en comunicacin el cilindro con el conducto de alimentacin, con

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

El cierre de la vlvula de readmisin, debido a la accin conjunta de su muelle y de la

presin existente en el conducto de salida, mantiene en esta canalizacin una cierta

presin, llamada residual, que permite en el siguiente ciclo una subida de presin ms

rpida y un funcionamiento mejor del inyector.

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

4.5.1 Funcionamiento de la regulacin del caudal de combustible

(Figuras 25 y 26)

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

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

Diesel, esta variacin se obtiene actuando nicamente sobre la cantidad de gasleo

inyectado en el cilindro, es decir, modificando la duracin de la inyeccin.

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

por el pistn, desde el cierre de la lumbrera de admisin, hasta la puesta en comunicacin

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

El fin de la inyeccin depende de la posicin de la rampa helicoidal con respecto a la

lumbrera de admisin. Esta posicin puede ser modificada haciendo girar el pistn sobre

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


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

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

simultneamente a todos los elementos de inyeccin de la bomba.

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

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

inyeccin ms o menos largas que corresponden:

- Inyeccin nula

- Inyeccin parcial

- Inyeccin mxima

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

posicin de suministro nulo. Para esto, los motores dotados con bomba de inyeccin en

lnea llevan un dispositivo de mando accionado, por un tirador y

TFG. Alejandro Castillejo Calle

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