Inyección Directa

La mezcla de combustible-aire se realiza directamente en la cámara de combustión, no en el colector de admisión. Esto significa que la admisión solo absorbe aire, y el combustible se inyecta a alta presión en la cámara.

Ventajas de la Inyección Directa

• Consumo reducido: Al asignar un inyector a cada cilindro, se asegura la cantidad de combustible necesaria, exactamente dosificada, en el momento oportuno y en cualquier estado de carga.
• Bajas emisiones: Las emisiones contaminantes (hidrocarburos, óxidos nítricos y monóxido de carbono) se reducen hasta un 99% con la mediación de un catalizador de tres vías. El dióxido de carbono (CO2), causante del «efecto invernadero», solo se puede reducir disminuyendo el consumo de combustible.
• Mayor potencia: La utilización de estos sistemas permite optimizar la forma de los colectores de admisión, lo que mejora el llenado de los cilindros. El resultado es una mayor potencia específica y un aumento del par motor.
• Gases de escape menos contaminantes: La concentración de contaminantes depende directamente de la proporción aire/gasolina. Los sistemas de inyección permiten ajustar en todo momento la cantidad necesaria de combustible respecto a la cantidad de aire que entra en el motor.

Downsizing

El término «downsizing» se refiere a la estrategia de elevar el rendimiento y la eficiencia a partir de motores más pequeños, pero tecnológicamente más evolucionados. La idea es simple: si a un motor convencional se le reduce la cilindrada y se le aplica sobrealimentación (turbo), se puede mantener o incluso aumentar su potencia respecto a un motor de mayor cilindrada.

Dado que el motor es más pequeño, presenta menos pérdidas por fricción entre sus elementos, lo que reduce el consumo. Además, al ser sobrealimentado, el trabajo de renovación de carga o de inyectar mezcla fresca requiere un menor gasto energético que en un motor de aspiración natural. Esta estrategia, combinada con la inyección directa y sistemas como el Start & Stop, ayuda enormemente a cumplir las normativas de reducción de emisiones, ya que al quemar menor cantidad de combustible, se emiten menos gases contaminantes.

Sistema Common-Rail (Conducto Común)

El sistema Common-Rail es un sistema de inyección electrónica diseñado principalmente para motores diésel. El combustible almacenado a baja presión es aspirado por una bomba de transferencia y enviado a un conducto común (el «rail») que alimenta a todos los inyectores. Una segunda bomba de alta presión inyecta el combustible al cilindro a presiones extremadamente altas, típicamente entre 1500 y 1600 bares.

Ventajas del Common-Rail

La principal ventaja es el control electrónico del suministro de combustible, permitiendo realizar hasta cinco preinyecciones antes de la inyección principal. Esto optimiza la preparación de la mezcla para una combustión óptima, lo que resulta en:

• Un nivel sonoro mucho más bajo.
• Un mejor rendimiento del motor.

La óptima atomización del combustible, controlada por una centralita electrónica, y la alta presión de trabajo aumentan la potencia en todo el rango de revoluciones, reducen el consumo y disminuyen las emisiones contaminantes (especialmente óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos sin quemar).

Emisiones Dañinas Controladas por el Catalizador

La función del convertidor catalítico es evitar la salida de un gran porcentaje de gases contaminantes a la atmósfera. Esto se logra mediante reacciones químicas internas que generan una combustión de baja presión. Específicamente, el catalizador evita la salida de más del 90% de CO (monóxido de carbono), HC (hidrocarburos) y NOx (óxidos de nitrógeno).

El catalizador está compuesto por un monolito cerámico que lleva incrustados materiales catalizantes como el Rodio, el Paladio y el Platino. Estos materiales permiten realizar las siguientes reacciones:

Reacciones Químicas en el Catalizador

Reacciones de Oxidación:

• CO + O2 = CO2
• HC + O2 = CO + H2O

Reacción de Reducción:

• NOx = N2 + O2

Un vehículo puede estar equipado con un catalizador de oxidación, con dos catalizadores (uno de reducción seguido de uno de oxidación), o con un catalizador de tres vías, que realiza las tres reacciones en una sola unidad.

Sonda Lambda: Regulación de Emisiones en Motores de Combustión Interna (MCI)

Funcionamiento

Mediante el circuito de regulación asistido por una o dos sondas lambda, se identifican y corrigen las desviaciones de la relación aire-combustible deseada. El principio de regulación se basa en la medición del contenido de oxígeno residual en los gases de escape, lo cual es una medida directa de la composición de la mezcla aportada al motor.

Regulación de Dos Puntos

La sonda lambda de dos puntos, dispuesta delante del catalizador, suministra una tensión baja (U < 0,2 V) en el margen pobre (lambda > 1) y una tensión alta (U > 0,8 V) en el margen rico (lambda < 1).

La tensión de la sonda se transforma en la unidad de control del motor en una señal de dos puntos, que es la magnitud de entrada para la regulación lambda. Esta regulación actúa sobre la formación de la mezcla, ajustando el caudal de combustible inyectado. La magnitud de ajuste varía su dirección con cada salto de tensión de la sonda.

• Si la tensión de la sonda es alta (mezcla rica), la magnitud de ajuste regula hacia una mezcla pobre.
• Si la tensión de la sonda es baja (mezcla pobre), regula hacia una mezcla rica.

Con esta regulación de dos puntos, la mezcla aire/combustible se puede regular a valores de lambda alrededor de «lambda = 1» (estequiométrico). La «medición errónea» típica de la sonda, condicionada por la variación de la composición de los gases de escape, se compensa conformando la evolución de la magnitud de ajuste de modo asimétrico.

Regulación Lambda Constante (Sonda de Banda Ancha)

La sonda lambda de banda ancha suministra una señal de tensión constante. Esto permite medir no solo el margen lambda (mezcla rica o pobre), sino también las desviaciones exactas de «lambda = 1». Esto resulta en un mejor comportamiento de regulación y una elevada dinámica, ya que la regulación lambda puede reaccionar más rápidamente a una divergencia de la mezcla.

El alcance de regulación de la sonda de banda ancha es amplio (valores lambda dentro del margen de «lambda = 0,7…3,0»). Por lo tanto, la regulación lambda constante es apropiada para el funcionamiento con mezclas pobres o ricas en motores de inyección directa de gasolina.

Regulación con Dos Sondas

La precisión de la regulación lambda con una sola sonda antes del catalizador es limitada debido a las notables influencias medioambientales. Por ello, se ha implementado una segunda sonda lambda (calefactada) después del catalizador. Esta sonda sirve para:

1. Comprobar el funcionamiento del catalizador.
2. Llevar a cabo una autoadaptación de la sonda precatalizador.

El posicionamiento de las sondas es crucial. Las sondas están expuestas a altos niveles de suciedad en los gases de escape. La sonda postcatalizador está menos expuesta a la suciedad. Sin embargo, si solo se instalara una sonda después del catalizador, la reacción de la regulación lambda sería demasiado lenta debido a los largos recorridos de los gases de escape.

Regulación Lambda en la Inyección Directa de Gasolina

El catalizador acumulador de NOx presenta una doble función: la acumulación de NOx y la oxidación de HC y CO durante el funcionamiento con mezcla pobre. Para el funcionamiento con «lambda = 1», se requiere una función estable de tres vías.

La sonda lambda delante del catalizador vigila la composición estequiométrica de la mezcla. La sonda de dos puntos detrás del catalizador acumulador de NOx, que integra un sensor de NOx, vigila el comportamiento combinado de acumulación de O2 y NOx (identificando el fin de la fase de desacumulación de NOx).

En la figura inferior (FSi), el sistema de escape está ejecutado en versión de dos caudales en la zona delantera para aumentar el par a regímenes bajos. Cada ramal de escape posee un precatalizador propio, unido al colector de escape correspondiente.

Dos sondas de banda ancha actúan como sondas precatalizador y vigilan la composición de la mezcla. Detrás de los precatalizadores hay dos sondas de dos puntos que vigilan el efecto de los precatalizadores.

Posteriormente, los dos ramales confluyen en el catalizador-acumulador de NOx. Este retiene temporalmente los óxidos nítricos (NOx) durante el funcionamiento en modo de mezcla pobre. El sensor NOx vigila el grado de saturación y da origen al ciclo de regeneración del catalizador-acumulador.

Diferencias de Funcionamiento según Combustibles en MCI

Uso de Gas Natural en Motores de Combustión Interna

El gas natural es un hidrocarburo compuesto principalmente por metano (CH4). Su poder calorífico por kilogramo es muy similar al de los combustibles derivados del petróleo. Para que un motor funcione con gas natural, debe ser de explosión (Ciclo Otto), con encendido provocado por bujías. El gas natural posee un índice de octano en torno a 130.

El proceso de combustión es muy similar al de un motor de gasolina. El aire aspirado se mezcla en el colector de admisión con el gas natural (por efecto Venturi o por inyección). La mezcla se introduce en el cilindro por la válvula de admisión para ser posteriormente comprimida y explosionada tras saltar la chispa en la bujía.

¿Por qué los Motores Diésel tienen una Relación de Compresión Mayor que los Motores de Gasolina?

El principal desafío en los motores de encendido por chispa (gasolina) es evitar la autodetonación por compresión. En contraste, en los motores diésel se busca provocar esta ignición anticipadamente.

Por esta razón, en los motores de gasolina, la relación de compresión no suele sobrepasar valores bajos (ej. 8:1), mientras que en los motores diésel se alcanzan valores mucho más elevados, de hasta 22:1, para garantizar un arranque satisfactorio.

Debido a que los motores diésel alcanzan presiones tan elevadas, son más pesados, robustos y de mayores dimensiones que los de gasolina, lo que contribuye a que su vida útil sea significativamente más larga, aunque también son más caros.

Los motores diésel precisan una mayor cantidad de aire en la combustión para compensar posibles malas condiciones de la mezcla. Por ello, no es necesario regular la entrada de aire al modificar el régimen del motor y su carga. Cuando se necesita variar el régimen de carga, se actúa solamente sobre la cantidad de combustible inyectado. Esto ofrece la ventaja de que, para cargas bajas, al no tener válvula mariposa, se disminuye la resistencia a la entrada de aire, mejorando el rendimiento al disminuir las pérdidas por bombeo.

Gracias a esto, los motores diésel proporcionan un par motor prácticamente constante para casi cualquier régimen de velocidad de giro, dando lugar a una curva característica de par casi plana.

Debido a los elevados valores de presión y al método de introducción de combustible, los motores diésel son más ruidosos que los motores de gasolina, produciendo un sonido muy característico. No obstante, presentan un rendimiento térmico mucho más elevado que los de gasolina.

Turbocompresores

Los turbocompresores son sistemas de sobrealimentación que emplean una turbina centrífuga para accionar, mediante un eje coaxial, un compresor centrífugo. El sistema está compuesto por un compresor y una turbina unidos por un eje común. La turbina es accionada por los gases de escape del motor, proporcionando la energía necesaria al compresor. Generalmente, se emplean compresores radiales y turbinas centrípetas.

El compresor está colocado en la entrada del colector de admisión. El movimiento giratorio que le transmite la turbina eleva la presión del aire que entra por el filtro, mejorando la alimentación del motor. Estos sistemas alcanzan velocidades superiores a las 100,000 rpm, por lo que es crucial el sistema de engrase de los cojinetes del eje común. Además, las temperaturas a las que está sometido el turbo son muy altas (alrededor de 700°C).

Este tipo de sistemas se utiliza especialmente en motores diésel. En algunos países, el uso de turbocompresores permite obtener una mayor potencia máxima para una cilindrada dada, lo que puede resultar en menores impuestos vehiculares.

Ventajas del Turbocompresor

Dado que el turbo es activado por la energía de los gases de escape (que de otro modo se desperdiciaría), un motor turboalimentado ofrece múltiples beneficios:

• Puede incrementar la potencia de un motor diésel hasta en un 35% por encima de la versión estándar.
• Un motor de cuatro o seis cilindros puede trabajar con la eficiencia de un V8 sin turbo.
• La carcasa de la turbina actúa como un absorbente del ruido de los gases de escape.
• La sección del compresor reduce el ruido de admisión.

Desventajas del Turbocompresor

• Cuando el acelerador se pisa poco y el régimen de vueltas es bajo, los gases de escape se reducen considerablemente, provocando que el turbo apenas trabaje (fenómeno conocido como turbo lag). La respuesta del motor es menos brillante, salvo que se utilice una marcha corta.
• El mantenimiento es más exigente que el de un motor estándar, requiriendo un aceite de mayor calidad y cambios de aceite más frecuentes, ya que el lubricante está sometido a condiciones de temperatura mucho más duras.
• Requieren mejores materiales y sistemas de lubricación.

Impacto Ambiental y Control de Emisiones en MCI

El impacto ambiental de los Motores de Combustión Interna (MCI) está estrechamente relacionado con la necesidad de reducir los niveles de emisión de sustancias tóxicas, los llamados «gases de efecto invernadero» (CO2, metano, óxido nitroso) y la disminución de los niveles de ruido.

Las discusiones globales sobre el efecto invernadero reflejan la necesidad de un enfoque integral para mitigar los efectos del calentamiento global.

Función del Catalizador y la Proporción Estequiométrica

El catalizador es un componente clave para el control y la reducción de los gases nocivos expulsados por el MCI (tanto en motores de gasolina/Ciclo Otto como en diésel). Está compuesto por filtros cerámicos internos con componentes que facilitan la conversión de gases contaminantes en sustancias menos nocivas, como el agua.

Para optimizar el rendimiento del motor y reducir las emisiones, los sistemas modernos de inyección electrónica controlan con gran precisión la proporción de combustible y aire. Para la gasolina, la proporción estequiométrica ideal es de 14,7:1; es decir, para garantizar la combustión perfecta de un gramo de gasolina, se necesitan 14,7 gramos de aire.

Etiquetas: common rail, downsizing, inyección directa, sonda lambda, turbocompresor