D. Sosnin

Estamos iniciando la publicación de artículos sobre sistemas modernos de inyección de combustible para motores de combustión interna de gasolina de turismos.

1. Observaciones preliminares

El suministro de combustible de los motores de gasolina en los turismos modernos se realiza mediante sistemas de inyección. Según el principio de funcionamiento, estos sistemas suelen subdividirse en cinco grupos principales (Fig.1): K, Mono, L, M, D.

2. Ventajas de los sistemas de inyección

La mezcla de aire y combustible (mezcla de TV) se alimenta desde el carburador a los cilindros del motor de combustión interna (ICE) a través de tubos largos del colector de admisión. La longitud de estos tubos a diferentes cilindros del motor no es la misma, y ​​en el colector mismo hay un calentamiento desigual de las paredes, incluso en un motor completamente calentado (Fig.2).

Esto lleva al hecho de que a partir de una mezcla de TV homogénea creada en el carburador, se forman cargas desiguales de aire y combustible en diferentes cilindros del motor de combustión interna. Como resultado, el motor no entrega la potencia de diseño, se pierde la uniformidad del par, aumenta el consumo de combustible y la cantidad de sustancias nocivas en los gases de escape.

Es muy difícil lidiar con este fenómeno en los motores de carburador. También debe tenerse en cuenta que un carburador moderno funciona según el principio de atomización, en el que la gasolina se rocía en una corriente de aire aspirada en los cilindros. En este caso, se forman gotas de combustible bastante grandes (Fig.3, a),

Eso no proporciona una mezcla de gasolina y aire de alta calidad. La mala mezcla y las gotas grandes facilitan que la gasolina se asiente en las paredes del colector de admisión y en las paredes de los cilindros durante la admisión de la mezcla de TV. Sin embargo, cuando se pulveriza gasolina a la fuerza a presión a través de una boquilla calibrada de la boquilla, las partículas de combustible pueden tener tamaños significativamente más pequeños en comparación con la pulverización de gasolina durante la atomización (Fig. 3, b). La gasolina se rocía de manera especialmente eficiente con un haz estrecho a alta presión (Fig. 3, c).

Se encontró que cuando la gasolina se rocía en partículas con un diámetro de menos de 15 ... 20 micrones, su mezcla con el oxígeno atmosférico ocurre no como el pesaje de partículas, sino a nivel molecular. Esto hace que la mezcla TB sea más resistente a los cambios de temperatura y presión en el cilindro y los largos tubos del colector de admisión, lo que contribuye a su combustión más completa.

Así nació la idea de sustituir las boquillas atomizadoras de un carburador mecánico inercial por una boquilla de inyección central sin inercia (CFV), que se abre durante un tiempo determinado mediante una señal de control de pulso eléctrico procedente de la centralita electrónica. Al mismo tiempo, además de la pulverización de alta calidad y la mezcla eficaz de gasolina con aire, es fácil obtener una mayor precisión de dosificación en la mezcla de TV en todos los modos de funcionamiento posibles del motor de combustión interna.

Por lo tanto, debido al uso de un sistema de suministro de combustible con inyección de gasolina, los motores de los automóviles de pasajeros modernos no tienen las desventajas antes mencionadas inherentes a los motores de carburador, es decir, son más económicos, tienen una mayor densidad de potencia, mantienen un par constante en un amplio rango de velocidades de rotación y la emisión de sustancias nocivas a la atmósfera con los gases de escape es mínima.

3. Sistema de inyección de gasolina "Mono-Jetronic"

Por primera vez, BOSCH desarrolló en 1975 un sistema central de inyección de combustible por impulso de un solo punto para motores de gasolina de automóviles de pasajeros. Este sistema se denominó "Mono-Jetronic" (Monojet - chorro único) y se instaló en un vehículo Volkswagen.

En la Fig. 4 muestra la unidad de inyección central del sistema "Mono-Jetronic". La figura muestra que la boquilla de inyección central (CFV) está instalada en el colector de admisión estándar en lugar del carburador convencional.

Pero a diferencia del carburador, en el que la formación automática de la mezcla se realiza mediante control mecánico, el sistema de monoinyección utiliza un control puramente electrónico.

En la Fig. 5 muestra un diagrama funcional simplificado del sistema "Mono-Jetronic".

La unidad de control electrónico (ECU) funciona desde los sensores de entrada 1-7, que registran el estado actual y el modo de funcionamiento del motor. Sobre la base del conjunto de señales de estos sensores y utilizando información de las características tridimensionales de la inyección en la ECU, se calcula el inicio y la duración del estado abierto del inyector central 15.

Basándose en los datos calculados, la ECU genera una señal de control de pulso eléctrico S para el CFV. Esta señal actúa sobre la bobina 8 del solenoide magnético del inyector, cuya válvula de retención 11 se abre, y a través de la boquilla de pulverización 12, la gasolina es forzada a una presión de 1,1 bar en la línea de suministro de combustible 19 hacia el colector de admisión a través de la válvula de mariposa abierta 14.

Con un tamaño dado del diafragma de la válvula del acelerador y una sección calibrada de la boquilla de pulverización, la cantidad másica de aire que pasa a los cilindros está determinada por el grado de apertura de la válvula del acelerador y la cantidad másica de gasolina inyectada en el flujo de aire. está determinada por la duración del estado abierto del inyector y la presión de respaldo (de trabajo) en la línea de suministro de combustible 19.

Para que la gasolina se queme de manera completa y más eficiente, las masas de gasolina y aire en la mezcla de TV deben estar en una proporción estrictamente definida igual a 1 / 14,7 (para los grados de gasolina de alto octanaje). Esta relación se denomina estequiométrica y corresponde al coeficiente a de exceso de aire igual a uno. Coeficiente a = Md / M0, donde M0 es la cantidad de masa de aire, teóricamente necesaria para la combustión completa de una porción dada de gasolina, y Md es la masa de aire realmente quemado.

Por lo tanto, está claro que en cualquier sistema de inyección de combustible, debe haber un medidor para la masa de aire admitida en los cilindros del motor durante la admisión.

En el sistema "Mono-Jetronic", la masa de aire se calcula en la ECU según las lecturas de dos sensores (ver Fig. 4): la temperatura del aire de admisión (DTV) y la posición de la válvula de mariposa (DPD). El primero está ubicado directamente en la ruta del flujo de aire en la parte superior de la boquilla de inyección central y es un termistor semiconductor en miniatura, y el segundo es un potenciómetro resistivo, cuyo motor está montado en el eje de pivote de la válvula de mariposa (PDZ). .

Dado que una cantidad volumétrica estrictamente definida de aire que pasa corresponde a una posición angular específica de la válvula del acelerador, el potenciómetro del acelerador funciona como un medidor de flujo de aire. En el sistema "Mono-Jetronic", también es un sensor de carga del motor.

Pero la cantidad de aire aspirado depende en gran medida de la temperatura. El aire frío es más denso y, por lo tanto, más pesado. A medida que aumenta la temperatura, la densidad del aire y su masa disminuyen. El sensor DTV tiene en cuenta la influencia de la temperatura.

El sensor de temperatura del aire de admisión DTV, como termistor semiconductor con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo, cambia el valor de resistividad de 10 a 2,5 kOhm cuando la temperatura cambia de -30 a + 20 ° C. La señal del sensor DTV se usa solo en este rango de temperatura. En este caso, la duración básica de la inyección de gasolina se ajusta utilizando la computadora en el rango de 20 ... 0%. Si la temperatura del aire de admisión es superior a + 20 ° C, la señal del sensor DTV se bloquea en la ECU y el sensor no se utiliza.

Las señales de los sensores de la posición del acelerador (DPD) y la temperatura del aire de admisión (DTV) en los casos de sus fallas son duplicadas en la ECU por las señales de los sensores de la velocidad de rotación (DOD) y la temperatura de el refrigerante (DTD) del motor.

Sobre la base del volumen de aire calculado en la computadora, así como la señal de velocidad del motor del sensor de velocidad de encendido, se determina la duración requerida (básica) del estado abierto de la boquilla de inyección central.

Dado que la contrapresión Рт en la línea de suministro de combustible (PBM) es constante (para "Mono-Jetronic" Рт = 1 ... 1,1 bar), y el rendimiento de la boquilla se establece por la sección transversal total de las aberturas de la boquilla de pulverización, el tiempo abierto de la boquilla determina inequívocamente la cantidad de gasolina inyectada. El momento de inyección (en la Fig. 5, la señal del sensor UHF) generalmente se establece simultáneamente con la señal para encender la mezcla de TV del sistema de encendido (después de 180 ° de rotación del cigüeñal ICE).

Por lo tanto, con el control electrónico del proceso de formación de la mezcla, garantizar una alta precisión de dosificación de gasolina inyectada en una cantidad medida de masa de aire es un problema fácilmente solucionable y, en última instancia, la precisión de la dosificación no está determinada por la automatización electrónica, sino por la precisión de fabricación y fiabilidad funcional de los sensores de entrada y las boquillas de inyección.

En la Fig. 6 muestra la parte principal del sistema "Mono-Jetronic": la boquilla de inyección central (CFV).

La boquilla de inyección central es una válvula de gas que se abre con un impulso eléctrico de la unidad de control electrónico. Para ello, el inyector tiene un solenoide electromagnético 8 con un núcleo magnético móvil 14. El principal problema en la creación de válvulas para inyección de pulsos es la necesidad de asegurar una alta velocidad de respuesta del dispositivo 9 de cierre de válvulas, tanto para la apertura como para el cierre. La solución al problema se logra aligerando el núcleo magnético del solenoide, aumentando la corriente en la señal de control de pulso, seleccionando la elasticidad del resorte de retorno 13, y también la forma de las superficies del suelo para la boquilla rociadora 10.

La boquilla de la boquilla (Fig. 6, a) tiene la forma de una campana de túbulos capilares, cuyo número suele ser de al menos seis. El ángulo en la parte superior del embudo se establece mediante la apertura del chorro de inyección, que tiene la forma de un embudo. Con esta forma, un chorro de gasolina no golpea la válvula del acelerador incluso cuando está ligeramente abierta, sino que entra en dos finas medias lunas de la ranura abierta.

La boquilla central del sistema "Mono-Jetronic" garantiza de forma fiable un tiempo de apertura mínimo de la boquilla de pulverización 11 de 1 ± 0,1 ms. Durante este tiempo y a una presión de funcionamiento de 1 bar, se inyecta aproximadamente un miligramo de gasolina a través de una boquilla rociadora con un área de 0,08 mm2. Esto corresponde a un consumo de combustible de 4 l / h al ralentí mínimo (600 rpm) de un motor caliente. Al arrancar y calentar un motor frío, el inyector se abre durante más tiempo (hasta 5 ... 7 ms). Pero, por otro lado, la duración máxima de la inyección en un motor caliente (el tiempo del estado abierto del inyector) está limitada por la velocidad máxima del motor (6500 ... 7000 min-1) en el modo de aceleración máxima y no se puede más de 4 ms. En este caso, la frecuencia de funcionamiento del dispositivo de bloqueo de la boquilla en ralentí es de al menos 20 Hz y a plena carga, no más de 200 ... 230 Hz.

El sensor de posición del acelerador (potenciómetro del acelerador) que se muestra en la fig. 7. Su sensibilidad a la rotación del motor debe cumplir con el requisito de ± 0,5 grados angulares de rotación del eje del acelerador 13. Según la posición angular estricta del eje del acelerador, se determinan los inicios de dos modos de funcionamiento del motor: ralentí (3 ± 0,5 °) y plena carga (72,5 ± 0,5 °).

Para garantizar una alta precisión y confiabilidad, las pistas resistivas del potenciómetro, de las cuales cuatro, están conectadas de acuerdo con el circuito que se muestra en la Fig. 7, by el eje del deslizador del potenciómetro (deslizador de dos contactos) está asentado en un cojinete liso de teflón sin juego.

El potenciómetro y la ECU están interconectados por un cable de cuatro hilos a través de un conector de clavija. Para aumentar la confiabilidad de las conexiones, los contactos en el conector y en el chip del potenciómetro están chapados en oro. Los contactos 1 y 5 están diseñados para suministrar un voltaje de referencia de 5 ± 0.01 V.Contactos 1 y 2 - para eliminar el voltaje de señal cuando la válvula de mariposa se gira en un ángulo de 0 a 24 ° (0 ... 30 - modo inactivo ; 3 .. .24 ° - modo de baja carga del motor). Contactos 1 y 4 - para eliminar la señal de voltaje cuando la válvula de mariposa se gira en un ángulo de 18 a 90 ° (18 ... 72,5 ° - modo de carga media, 72,5 ... 90 ° - modo de carga completa del motor).

La tensión de señal del potenciómetro del acelerador se utiliza adicionalmente:
para enriquecer la mezcla de TV durante la aceleración del automóvil (se registra la tasa de cambio de la señal del potenciómetro);
para enriquecer la mezcla de TV en modo de carga completa (el valor de la señal del potenciómetro se registra después de que 72,5 ° de la válvula de mariposa se gira hacia arriba);
para detener la inyección de combustible en el modo de ralentí forzado (la señal del potenciómetro se registra si el ángulo de apertura de la válvula de mariposa es inferior a 3 °. Al mismo tiempo, se controla la velocidad del motor W: si W> 2100 min-1, el suministro de combustible se detiene y se restablece de nuevo en W
Una característica interesante del sistema de inyección "Mono-Jetronic" es la presencia en su composición del subsistema de estabilización del ralentí mediante un servoaccionamiento eléctrico, que actúa sobre el eje de la válvula de mariposa (Fig. 8). El servoaccionamiento eléctrico está equipado con un motor de CC reversible 11.

El servodrive se conecta en ralentí y, junto con el circuito para desconectar el regulador de vacío de la sincronización del encendido (estabilización del ralentí - Fig. 2), estabiliza el régimen del motor en este modo.

Este subsistema de estabilización del ralentí funciona de la siguiente manera.

Cuando el ángulo de apertura de la válvula de mariposa es inferior a 3 °, la señal K (ver Fig.9)

Es una señal de modo inactivo para la ECU (el interruptor de límite VK está cerrado por la varilla del servo). Según esta señal, se activa la válvula de cierre neumática ZPK y se cierra el canal de vacío desde la zona de aceleración del colector de admisión hasta el regulador de vacío BP. El regulador de vacío a partir de este momento no funciona y el tiempo de encendido se vuelve igual al valor del ángulo de instalación (6 ° a TDC). Al mismo tiempo, el motor funciona de manera estable al ralentí. Si en este momento se enciende un acondicionador de aire u otro potente consumidor de energía del motor (por ejemplo, luces de carretera indirectamente a través de un generador), entonces su velocidad comienza a disminuir. El motor puede pararse. Para evitar que esto suceda, a la orden del circuito de control de velocidad de ralentí electrónico (ESCH), se enciende un servoaccionamiento eléctrico en el controlador, que abre ligeramente la válvula del acelerador. Las RPM aumentan al valor nominal para la temperatura del motor dada. Está claro que cuando se quita la carga del motor, su velocidad se reduce a la normal por el mismo servoaccionamiento eléctrico.

La ECU del sistema "Mono-Jetronic" tiene un microprocesador MCP (ver Fig. 5) con memoria de acceso permanente y aleatorio (unidad de memoria). La característica tridimensional de referencia de la inyección (TXV) está "conectada" a la memoria permanente. Esta característica es hasta cierto punto similar a la característica de encendido tridimensional, pero difiere en que su parámetro de salida no es la sincronización del encendido, sino el tiempo (duración) del estado abierto de la boquilla de inyección central. Las coordenadas de entrada de la característica TCV son la velocidad del motor (la señal proviene del controlador del sistema de encendido) y el volumen de aire de admisión (calculado por el microprocesador en el calculador de inyección). La característica de referencia del THV lleva la información de referencia (básica) sobre la relación estequiométrica de gasolina y aire en la mezcla de TV en todos los modos y condiciones posibles de operación del motor. Esta información se selecciona de la memoria de la memoria al microprocesador de la ECU según las coordenadas de entrada de las características del THV (según las señales de los sensores DOD, DPD, DTV) y se corrige según las señales del sensor de temperatura del refrigerante (DTD) y el sensor de oxígeno (KD).

El sensor de oxígeno debe mencionarse por separado. Su presencia en el sistema de inyección permite mantener la composición de la mezcla de TV constantemente en una relación estequiométrica (a = 1). Esto se logra por el hecho de que el sensor KD trabaja en un circuito de retroalimentación adaptable profundo desde el sistema de escape al sistema de suministro de combustible (al sistema de inyección).

Reacciona a la diferencia de concentración de oxígeno en la atmósfera y en los gases de escape. De hecho, el sensor de CD es una fuente de corriente química de primer tipo (celda galvánica) con un electrolito sólido (cermet celular especial) y con una temperatura de funcionamiento alta (no inferior a 300 ° C). La EMF de tal sensor depende casi por pasos de la diferencia en la concentración de oxígeno en sus electrodos (recubrimiento de película de platino-radio en diferentes lados de la cerámica porosa). La mayor pendiente (caída) del paso EMF cae en el valor a = 1.

El sensor KD está atornillado en el tubo de escape (por ejemplo, en el colector de escape) y su superficie sensible (electrodo positivo) está en la corriente de gas de escape. Hay ranuras sobre la rosca de montaje del sensor a través de las cuales el electrodo negativo externo se comunica con el aire atmosférico. En vehículos con convertidor catalítico, el sensor de oxígeno se instala delante del convertidor catalítico y tiene un serpentín de calentamiento eléctrico, ya que la temperatura de los gases de escape delante del convertidor catalítico puede ser inferior a 300 ° C. Además, el calentamiento eléctrico del sensor de oxígeno acelera su preparación para el funcionamiento.

El sensor está conectado al calculador de inyección mediante cables de señal. Cuando una mezcla pobre entra en los cilindros (a> 1), la concentración de oxígeno en los gases de escape es ligeramente más alta que la estándar (en a = 1). El sensor KD emite un voltaje bajo (aproximadamente 0,1 V) y la ECU, basándose en esta señal, ajusta la duración de la inyección de gasolina en la dirección de su aumento. El coeficiente a se acerca a uno nuevamente. Cuando el motor está funcionando con una mezcla rica, el sensor de oxígeno genera un voltaje de aproximadamente 0,9 V y funciona en orden inverso.

Es interesante observar que el sensor de oxígeno participa en el proceso de formación de la mezcla solo en los modos de funcionamiento del motor en los que el enriquecimiento de la mezcla de TV está limitado a> 0,9. Estos son modos como carga a velocidades bajas y medias y ralentí con un motor caliente. De lo contrario, el sensor de CD se desactiva (bloquea) en la ECU y la composición de la mezcla de TV no se corrige por la concentración de oxígeno en los gases de escape. Esto tiene lugar, por ejemplo, en los modos de arranque y calentamiento de un motor frío y en sus modos forzados (aceleración y carga completa). En estos modos, se requiere un enriquecimiento significativo de la mezcla de TV y, por lo tanto, la activación del sensor de oxígeno ("presionando" el coeficiente a a la unidad) es inaceptable aquí.

En la Fig. 10 muestra un esquema funcional del sistema de inyección "Mono-Jetronic" con todos sus componentes.

Cualquier sistema de inyección en su subsistema de suministro de combustible contiene necesariamente un anillo de combustible cerrado, que comienza en el tanque de gasolina y termina allí. Esto incluye: tanque de gasolina BB, bomba de combustible eléctrica EBN, filtro fino de combustible FTOT, distribuidor de combustible RT (en el sistema "Mono-Jetronic", esta es una boquilla de inyección central) y un regulador de presión RD, que funciona según el principio de un válvula de purga cuando se excede la presión de trabajo especificada en un anillo cerrado (para el sistema "Mono-Jetronic" 1 ... 1,1 bar).

El anillo de combustible cerrado tiene tres funciones:

Por medio de un regulador de presión, mantiene la presión de funcionamiento constante requerida para el distribuidor de combustible;

Con la ayuda de un diafragma cargado por resorte en el regulador de presión, mantiene una cierta presión residual (0.5 bar) después de que se apaga el motor, lo que evita la formación de vapor y congestión de aire en las líneas de combustible cuando el motor se enfría;

Proporciona enfriamiento del sistema de inyección debido a la circulación constante de gasolina en un circuito cerrado. En conclusión, cabe señalar que el sistema "Mono-Jetronic" se utiliza solo en turismos de la clase media de consumo, por ejemplo, como los coches de Alemania Occidental: "Volkswagen-Passat", "Volkswagen-Polo", "Audi -80 ".
REPARACIÓN Y SERVICIO-2 "2000

Ahora, una de las principales tareas de las oficinas de diseño de los fabricantes de automóviles es la creación de centrales eléctricas que consuman la menor cantidad de combustible posible y emitan una cantidad reducida de sustancias nocivas a la atmósfera. Además, todo esto debe lograrse con la condición de que el efecto sobre los parámetros de funcionamiento (potencia, par) sea mínimo. Es decir, es necesario hacer que el motor sea económico y, al mismo tiempo, potente y de alto par.

Para lograr el resultado, casi todos los componentes y sistemas de la unidad de potencia sufren alteraciones y modificaciones. Esto es especialmente cierto en el sistema de potencia, porque es ella quien es responsable del flujo de combustible hacia los cilindros. Se considera que el último desarrollo en esta dirección es la inyección directa de combustible en las cámaras de combustión de una central eléctrica que funciona con gasolina.

La esencia de este sistema se reduce al suministro separado de los componentes de la mezcla combustible (gasolina y aire) a los cilindros. Es decir, el principio de su funcionamiento es muy similar al funcionamiento de las instalaciones diésel, donde la formación de la mezcla se realiza en cámaras de combustión. Pero una unidad de gasolina, en la que se instala un sistema de inyección directa, tiene una serie de características del proceso de inyección de los componentes de la mezcla de combustible, su mezcla y combustión.

Un poco de historia

La inyección directa no es una idea nueva; hay varios ejemplos en la historia en los que se ha utilizado un sistema de este tipo. El primer uso masivo de este tipo de potencia motriz fue en la aviación a mediados del siglo pasado. También intentaron usarlo en vehículos, pero no recibió una amplia distribución. El sistema de esos años puede considerarse como una especie de prototipo, ya que era completamente mecánico.

El sistema de inyección directa recibió una "segunda vida" a mediados de los años 90 del siglo XX. Los primeros en equipar sus coches con instalaciones de inyección directa fueron los japoneses. La unidad desarrollada por Mitsubishi ha recibido la designación GDI, que es una abreviatura de "Gasoline Direct Injection", que significa inyección directa de combustible. Un poco más tarde, Toyota creó su propio motor: el D4.

Inyección directa de combustible

Con el tiempo, han aparecido motores que utilizan inyección directa de otros fabricantes:

• Preocupación VAG - TSI, FSI, TFSI;
• Mercedes-Benz - CGI;
• Ford - EcoBoost;
• GM: EcoTech;

La inyección directa no es un tipo completamente nuevo y diferente, y pertenece a los sistemas de inyección de combustible. Pero a diferencia de sus predecesores, su combustible se inyecta a presión directamente en los cilindros y no, como antes, en el colector de admisión, donde la gasolina se mezclaba con aire antes de introducirse en las cámaras de combustión.

Características de diseño y principio de funcionamiento.

La inyección directa de gasolina es, en principio, muy similar al diésel. En el diseño de dicho sistema de energía, hay una bomba adicional, después de lo cual se suministra gasolina, ya bajo presión, a las boquillas instaladas en la culata con boquillas ubicadas en la cámara de combustión. En el momento requerido, el inyector suministra combustible al cilindro, donde ya se ha bombeado aire a través del colector de admisión.

El diseño de este sistema de energía incluye:

• un tanque con una bomba de cebado de combustible instalada en él;
• líneas de baja presión;
• elementos filtrantes de combustible;
• una bomba que crea un aumento de presión con un regulador instalado (bomba de combustible de alta presión);
• líneas de alta presión;
• rampa con boquillas;
• válvulas de bypass y seguridad.

Diagrama del sistema de combustible de inyección directa

El propósito de parte de los elementos, como un tanque con una bomba y un filtro, se describe en otros artículos. Por lo tanto, consideraremos el propósito de una serie de unidades utilizadas solo en un sistema de inyección directa.

Uno de los elementos principales de este sistema es la bomba de alta presión. Permite que el combustible fluya bajo una presión significativa hacia el riel de combustible. Su diseño difiere de un fabricante a otro: uno o varios émbolos. El accionamiento se realiza desde los árboles de levas.

También se incluyen en el sistema válvulas que evitan que la presión de combustible en el sistema exceda los valores críticos. En general, la presión se ajusta en varios lugares: en la salida de la bomba de alta presión mediante un regulador, que es parte del diseño de la bomba de inyección. Hay una válvula de derivación que controla la presión en la entrada de la bomba. La válvula de seguridad controla la presión en el riel.

Todo funciona así: la bomba de combustible del tanque a través de la línea de baja presión suministra gasolina a la bomba de combustible de alta presión, mientras que la gasolina pasa por un filtro de combustible fino, donde se eliminan las impurezas grandes.

Los pares de émbolos de la bomba crean una presión de combustible, que varía de 3 a 11 MPa en diferentes condiciones de funcionamiento del motor. Ya bajo presión, el combustible ingresa al raíl a través de líneas de alta presión, que se distribuye por sus inyectores.

El funcionamiento de los inyectores está controlado por una unidad de control electrónico. Al mismo tiempo, se basa en las lecturas de muchos sensores del motor, después de analizar los datos, controla los inyectores: el momento de inyección, la cantidad de combustible y el método de atomización.

Si se suministra más combustible a la bomba de combustible de alta presión, se activa la válvula de derivación, que devuelve parte del combustible al tanque. Además, parte del combustible se descarga en el tanque en caso de exceso de presión en el riel, pero esto se hace mediante una válvula de seguridad.

Inyección directa

Tipos de mezcla

Al utilizar la inyección directa de combustible, los ingenieros han podido reducir el consumo de combustible. Y todo se consigue con la posibilidad de utilizar varios tipos de formación de mezclas. Es decir, en determinadas condiciones de funcionamiento de la central eléctrica, se suministra su propio tipo de mezcla. Además, el sistema monitorea y controla no solo el suministro de combustible, para garantizar tal o cual tipo de formación de mezcla, también se establece un cierto modo de suministro de aire a los cilindros.

En total, la inyección directa es capaz de proporcionar dos tipos principales de mezcla en los cilindros:

• En capas
• Estequiométrico homogéneo;

Esto le permite seleccionar una mezcla que, con un cierto funcionamiento del motor, proporcionará la mayor eficiencia.

La formación de una mezcla capa por capa permite que el motor funcione con una mezcla muy pobre, en la que la parte de masa del aire es más de 40 veces la parte de combustible. Es decir, se alimenta una gran cantidad de aire a los cilindros y luego se le agrega un poco de combustible.

En condiciones normales, dicha mezcla no se enciende por una chispa. Para que se produzca el encendido, los diseñadores le dieron a la corona del pistón una forma especial que proporciona un remolino.

Con tal formación de mezcla, el aire dirigido por la trampilla ingresa a la cámara de combustión a alta velocidad. Al final de la carrera de compresión, el inyector inyecta combustible que, al llegar a la corona del pistón, se arremolina hacia arriba hacia la bujía debido al remolino. Como resultado, en la zona de los electrodos la mezcla es rica y altamente inflamable, mientras que alrededor de esta mezcla hay aire prácticamente libre de partículas de combustible. Por lo tanto, dicha formación de mezcla se llama capa por capa: en el interior hay una capa con una mezcla enriquecida, encima de la cual hay otra capa, prácticamente sin combustible.

Esta formación de mezcla asegura el consumo mínimo de gasolina, pero el sistema prepara dicha mezcla solo con un movimiento uniforme, sin aceleraciones repentinas.

La mezcla estequiométrica es la producción de una mezcla de combustible en proporciones óptimas (14,7 partes de aire por 1 parte de gasolina), lo que garantiza la máxima potencia de salida. Tal mezcla ya se enciende fácilmente, por lo que no se requiere la necesidad de crear una capa enriquecida cerca de la vela, por el contrario, para una combustión eficiente es necesario que la gasolina se distribuya uniformemente en el aire.

Por lo tanto, el combustible es inyectado por las boquillas de compresión, y antes del encendido logra moverse bien con el aire.

Esta formación de mezcla se produce en los cilindros durante la aceleración, cuando se requiere la máxima potencia de salida, y no la economía.

Los diseñadores también tuvieron que lidiar con el problema de la transición del motor de una mezcla pobre a una mezcla rica durante las aceleraciones repentinas. Para evitar la combustión por detonación, se utiliza una doble inyección durante la transición.

La primera inyección de combustible se realiza en la carrera de admisión, actuando el combustible como enfriador de las paredes de la cámara de combustión, lo que elimina la detonación. La segunda porción de gasolina se entrega al final de la carrera de compresión.

El sistema de inyección directa de combustible, debido al uso de varios tipos de formación de mezcla a la vez, permite una buena economía de combustible sin mucho impacto en los indicadores de potencia.

Durante la aceleración, el motor funciona con una mezcla normal y, después de acelerar, cuando se mide el modo de conducción y sin cambios bruscos, la planta de energía cambia a una mezcla muy pobre, lo que ahorra combustible.

Esta es la principal ventaja de un sistema de energía de este tipo. Pero también tiene un inconveniente importante. La bomba de combustible de alta presión y los inyectores utilizan vapores de precisión altamente procesados. También son el punto débil, ya que estos vapores son muy sensibles a la calidad de la gasolina. La presencia de impurezas extrañas, azufre y agua puede dañar la bomba de inyección y los inyectores. Además, la gasolina tiene propiedades lubricantes muy bajas. Por tanto, el desgaste de los pares de precisión es mayor que el del mismo motor diésel.

Además, el propio sistema de suministro directo de combustible es estructuralmente más complejo y caro que el mismo sistema de inyección independiente.

Nuevos desarrollos

Los diseñadores, sin embargo, no se detienen ahí. Se realizó una especie de refinamiento de la inyección directa en la empresa VAG en la unidad de potencia TFSI. Su sistema de potencia se combinó con un turbocompresor.

La empresa Orbital ofreció una solución interesante. Han desarrollado una boquilla especial que, además de combustible, inyecta aire comprimido en los cilindros, alimentado por un compresor adicional. Esta mezcla de aire y combustible tiene una excelente inflamabilidad y se quema bien. Pero esto todavía es solo un desarrollo y aún se desconoce si encontrará una aplicación en los automóviles.

En general, la inyección directa es ahora el mejor sistema de suministro de energía en términos de eficiencia y respeto al medio ambiente, aunque tiene sus inconvenientes.

Conceptualmente, los motores de combustión interna, gasolina y diésel, son casi idénticos, pero hay una serie de características distintivas entre ellos. Uno de los principales es el diferente curso de los procesos de combustión en los cilindros. En un motor diesel, el combustible se enciende por exposición a altas temperaturas y presiones. Pero para esto es necesario que el combustible diesel se suministre directamente a las cámaras de combustión, no solo en un momento estrictamente definido, sino también a alta presión. Y esto está asegurado por los sistemas de inyección de los motores diesel.

El constante endurecimiento de las normas medioambientales, los intentos de obtener una mayor potencia de salida con menores costes de combustible proporcionan la aparición de más y más soluciones de diseño.

El principio de funcionamiento de todos los tipos de inyección diesel existentes es idéntico. Los principales elementos de potencia son una bomba de combustible de alta presión (bomba de inyección) y un inyector. La tarea del primer componente es la inyección de combustible diesel, por lo que la presión en el sistema aumenta significativamente. La boquilla, por otro lado, suministra combustible (en estado comprimido) a las cámaras de combustión, mientras lo rocía para asegurar una mejor formación de la mezcla.

Cabe señalar que la presión del combustible afecta directamente la calidad de combustión de la mezcla. Cuanto más alto es, mejor se quema el combustible diesel, proporcionando más potencia y menos contaminantes en los gases de escape. Y para obtener indicadores de presión más altos, se utilizaron una variedad de soluciones de diseño, lo que llevó a la aparición de diferentes tipos de sistemas de energía diesel. Además, todos los cambios afectaron solo a estos dos elementos: bomba de combustible de alta presión e inyectores. El resto de los componentes, el tanque, las líneas de combustible, los elementos del filtro, son esencialmente idénticos en todas las formas disponibles.

Tipos de sistemas de energía diesel

Las centrales eléctricas diésel pueden equiparse con un sistema de inyección:

• con bomba de alta presión en línea;
• con bombas de distribución;
• tipo de batería (Common Rail).

Con bomba en línea

Bomba de inyección en línea para 8 boquillas

Inicialmente, este sistema era completamente mecánico, pero luego se comenzaron a utilizar elementos electromecánicos en su diseño (para reguladores para cambiar el ciclo de suministro de combustible diesel).

La característica principal de este sistema es la bomba. En él, los pares de émbolos (elementos de precisión que crean presión) servían cada uno su propia boquilla (su número correspondía al número de boquillas). Además, estos pares se colocaron en una fila, de ahí el nombre.

Las ventajas de un sistema de bomba en línea incluyen:

• Fiabilidad de la construcción. La bomba tenía un sistema de lubricación, lo que proporcionaba a la unidad un recurso prolongado;
• Baja sensibilidad a la pureza del combustible;
• Simplicidad comparativa y alta facilidad de mantenimiento;
• Recurso de bombeo largo;
• La capacidad de operar el motor en caso de falla de una sección o boquilla.

Pero las desventajas de tal sistema son más significativas, lo que llevó al abandono gradual del mismo y la preferencia por otros más modernos. Los aspectos negativos de tal inyección son:

• Baja velocidad y precisión de dosificación de combustible. El diseño mecánico simplemente no puede proporcionar esto;
• Presión generada relativamente baja;
• La tarea de la bomba de combustible de alta presión incluye no solo la creación de presión de combustible, sino también la regulación de la alimentación del ciclo y el momento de inyección;
• La presión generada depende directamente de la velocidad del cigüeñal;
• Grandes dimensiones y peso de la bomba.

Estas deficiencias y, en primer lugar, la baja presión generada, llevaron al abandono de este sistema, ya que simplemente dejó de ajustarse a los estándares ambientales.

Bomba distribuida

La bomba de combustible de alta presión de inyección distribuida se ha convertido en la siguiente etapa en el desarrollo de sistemas de suministro de energía para unidades diesel.

Inicialmente, dicho sistema también era mecánico y se diferenciaba del descrito anteriormente solo en el diseño de la bomba. Pero con el tiempo, se agregó un sistema de control electrónico a su dispositivo, que mejoró el proceso de ajuste de la inyección, lo que tuvo un efecto positivo en los indicadores de eficiencia del motor. Durante un cierto período, dicho sistema se ajusta a las normas ambientales.

La peculiaridad de este tipo de inyección se redujo al hecho de que los diseñadores abandonaron el uso de un diseño de bomba de múltiples secciones. En la bomba de inyección, solo se comenzó a utilizar un par de émbolos, que sirve a todas las boquillas disponibles, cuyo número varía de 2 a 6. Para garantizar el suministro de combustible a todas las boquillas, el émbolo no solo realiza movimientos de traslación, sino también los rotativos, que aseguran la distribución de combustible diesel.

Bomba de inyección con bomba de tipo distribuido

Las cualidades positivas de tales sistemas incluyen:

• Pequeñas dimensiones totales y peso de la bomba;
• Los mejores indicadores de eficiencia de combustible;
• El uso de control electrónico ha mejorado el rendimiento del sistema.

Las desventajas de un sistema con bomba distribuida incluyen:

• Pequeña vida útil del par de émbolos;
• Los componentes están lubricados con combustible;
• La versatilidad de la bomba (además de crear presión, también está controlada por el suministro y el momento de inyección);
• Si la bomba falla, el sistema deja de funcionar;
• Sensibilidad en el aire;
• Dependencia de la presión sobre la velocidad del motor.

Este tipo de inyección se utiliza mucho en turismos y vehículos comerciales pequeños.

Inyectores unitarios

La peculiaridad de este sistema radica en el hecho de que el par de boquilla y émbolo se combinan en una única estructura. La sección de esta unidad de combustible se impulsa desde el árbol de levas.

Cabe señalar que dicho sistema puede ser completamente mecánico (la inyección está controlada por un riel y reguladores) o electrónico (se utilizan válvulas solenoides).

Boquilla de la bomba

Un tipo de este tipo de inyección es el uso de bombas individuales. Es decir, para cada inyector, se proporciona su propia sección, que se impulsa desde el árbol de levas. La sección puede ubicarse directamente en la culata de cilindros o colocarse en una carcasa separada. Este diseño utiliza boquillas hidráulicas convencionales (es decir, un sistema mecánico). A diferencia de la inyección con una bomba de combustible de alta presión, las líneas de alta presión son muy cortas, lo que permitió aumentar significativamente la presión. Pero este diseño no recibió mucha difusión.

Las cualidades positivas de los inyectores de la unidad de suministro incluyen:

• Indicadores significativos de presión creada (el más alto entre todos los tipos de inyección utilizados);
• Bajo consumo de metal de la estructura;
• Precisión de dosificación e implementación de inyección múltiple (en inyectores con electroválvulas);
• Posibilidad de funcionamiento del motor en caso de avería de uno de los inyectores;
• Reemplazar un elemento dañado no es difícil.

Pero también existen desventajas en este tipo de inyección, que incluyen:

• Inyectores de bomba irreparables (en caso de avería, se requiere su reemplazo);
• Alta sensibilidad a la calidad del combustible;
• La presión generada depende del régimen del motor.

Los inyectores de bomba se utilizan ampliamente en el transporte comercial y de mercancías, y esta tecnología también ha sido utilizada por algunos fabricantes de automóviles. Hoy en día, no se usa con mucha frecuencia debido al alto costo de mantenimiento.

Carril común

Hasta ahora, es el más perfecto en términos de eficiencia. También cumple totalmente con los últimos estándares medioambientales. Las "ventajas" adicionales incluyen su aplicabilidad a cualquier motor diesel, desde automóviles de pasajeros hasta embarcaciones marinas.

Sistema de inyección Common Rail

Su peculiaridad radica en el hecho de que no se requiere la versatilidad de la bomba de inyección, y su tarea es solo acumular presión, y no para cada boquilla por separado, sino para una línea común (riel de combustible), y desde ella se suministra combustible diesel. a las boquillas.

Al mismo tiempo, las líneas de combustible entre la bomba, el raíl y los inyectores tienen una longitud relativamente corta, lo que permitió aumentar la presión generada.

El control del trabajo en este sistema se realiza mediante una unidad electrónica, lo que aumentó significativamente la precisión de la dosificación y la velocidad del sistema.

Cualidades positivas de Common Rail:

• Alta precisión de dosificación y uso de inyección multimodo;
• Fiabilidad de la bomba de inyección;
• No hay dependencia del valor de presión del régimen del motor.

Las cualidades negativas de este sistema son las siguientes:

• Sensibilidad a la calidad del combustible;
• Diseño de boquilla sofisticado;
• Fallo del sistema a la menor pérdida de presión debido a la despresurización;
• La complejidad del diseño debido a la presencia de una serie de elementos adicionales.

A pesar de estas deficiencias, los fabricantes de automóviles prefieren cada vez más Common Rail sobre otros tipos de sistemas de inyección.

Material de la Enciclopedia de la revista "Behind the wheel"

Diagrama esquemático de un motor Volkswagen FSI con inyección directa de gasolina

Los primeros sistemas para inyectar gasolina directamente en los cilindros del motor aparecieron en la primera mitad del siglo XX. y se utilizaron en motores de aviones. Los intentos de utilizar la inyección directa en los motores de gasolina de los automóviles se interrumpieron en los años 40 del siglo XX, porque dichos motores eran caros, antieconómicos y fumaban mucho en los modos de alta potencia. Inyectar gasolina directamente en los cilindros es un desafío. Los inyectores de inyección directa de gasolina funcionan en condiciones más difíciles que las instaladas en el colector de admisión. La cabeza del bloque en la que se instalarán tales boquillas resulta ser más complicada y cara. El tiempo asignado al proceso de mezclado con inyección directa se reduce significativamente, lo que significa que para una buena formación de la mezcla es necesario suministrar gasolina a alta presión.
Los especialistas de Mitsubishi lograron hacer frente a todas estas dificultades, que por primera vez aplicaron el sistema de inyección directa de gasolina en los motores de los automóviles. El primer automóvil de producción Mitsubishi Galant con un motor 1.8 GDI (inyección directa de gasolina) apareció en 1996.
Las ventajas del sistema de inyección directa se encuentran principalmente en la mejora del ahorro de combustible, así como en un cierto aumento de potencia. La primera se debe a la capacidad de un motor de inyección directa para ejecutar mezclas muy pobres. El aumento de potencia se debe principalmente al hecho de que la organización del proceso de suministro de combustible a los cilindros del motor permite aumentar la relación de compresión a 12,5 (en los motores convencionales que funcionan con gasolina, rara vez es posible establecer la relación de compresión por encima de 10 debido al inicio de la detonación).

La boquilla del motor GDI puede funcionar en dos modos, proporcionando un soplete potente (a) o compacto (b) de gasolina pulverizada.

En el motor GDI, la bomba de combustible proporciona una presión de 5 MPa. Un inyector electromagnético, instalado en la culata, inyecta gasolina directamente en el cilindro del motor y puede funcionar en dos modos. Dependiendo de la señal eléctrica suministrada, puede inyectar combustible con una potente antorcha cónica o con un jet compacto.

El pistón de un motor de inyección directa de gasolina tiene una forma especial (proceso de combustión por encima del pistón)

El fondo del pistón tiene una forma especial en forma de rebaje esférico. Esta forma permite que el aire entrante gire, dirigiendo el combustible inyectado a la bujía instalada en el centro de la cámara de combustión. La línea de entrada no se encuentra a un lado, sino verticalmente desde arriba. No tiene curvas cerradas y, por lo tanto, el aire entra a gran velocidad.

En el funcionamiento de un motor con sistema de inyección directa, se pueden distinguir tres modos diferentes:
1) el modo de funcionamiento en mezclas supergrasas;
2) el modo de funcionamiento en una mezcla estequiométrica;
3) modo de aceleraciones bruscas desde bajas revoluciones;
El primer modo se utiliza cuando el automóvil se mueve sin una aceleración repentina a una velocidad de aproximadamente 100 a 120 km / h. Este modo utiliza una mezcla de combustible muy pobre con una relación de exceso de aire de más de 2,7. En condiciones normales, dicha mezcla no puede encenderse con una chispa, por lo que el inyector inyecta combustible en una antorcha compacta al final de la carrera de compresión (como en un motor diesel). Un hueco esférico en el pistón dirige un chorro de combustible a los electrodos de la bujía, donde la alta concentración de vapores de gasolina permite que la mezcla se encienda.
El segundo modo se utiliza cuando el automóvil se mueve a alta velocidad y durante aceleraciones bruscas, cuando es necesario obtener una gran potencia. Este modo de movimiento requiere una composición estequiométrica de la mezcla. Una mezcla de esta composición es altamente inflamable, pero el motor GDI tiene una relación de compresión aumentada y, para evitar la detonación, el inyector inyecta combustible con una potente antorcha. El combustible finamente atomizado llena el cilindro y se evapora para enfriar las superficies del cilindro, lo que reduce la probabilidad de golpes.
El tercer modo es necesario para obtener un par grande cuando se presiona fuertemente el pedal del acelerador cuando el motor está funcionando a bajas revoluciones. Este modo de funcionamiento del motor se diferencia en que durante un ciclo el inyector se dispara dos veces. Durante la carrera de admisión, se inyecta una mezcla ultraligera (α = 4,1) en el cilindro para enfriarlo con una potente antorcha. Al final de la carrera de compresión, el inyector vuelve a inyectar combustible, pero con un soplete compacto. En este caso, la mezcla en el cilindro se enriquece y no se produce la detonación.
En comparación con un motor convencional con inyección multipunto, un motor GDI es aproximadamente un 10% más económico y emite un 20% menos de dióxido de carbono. El aumento de la potencia del motor alcanza el 10%. Sin embargo, como demuestra el funcionamiento de automóviles con motores de este tipo, son muy sensibles al contenido de azufre de la gasolina. Orbital desarrolló el proceso original de inyección directa de gasolina. En este proceso, se inyecta gasolina en los cilindros del motor, que se mezcla previamente con aire mediante una boquilla especial. La boquilla Orbital consta de dos boquillas, combustible y aire.

Operación de boquilla orbital

El aire se suministra a los chorros de aire en forma comprimida desde un compresor especial a una presión de 0,65 MPa. La presión del combustible es de 0,8 MPa. Primero, se dispara el chorro de combustible y luego, en el momento adecuado, el chorro de aire, por lo tanto, se inyecta una mezcla de aire y combustible en forma de aerosol en el cilindro con un soplete potente.
Un inyector ubicado en la culata al lado de la bujía inyecta un chorro de combustible y aire directamente en los electrodos de la bujía para un buen encendido.

Características de diseño del motor de inyección directa de gasolina Audi 2.0 FSI

Los automóviles modernos están equipados con diferentes sistemas de inyección de combustible. En los motores de gasolina, una chispa enciende a la fuerza una mezcla de combustible y aire.

El sistema de inyección de combustible es una parte integral. El inyector es el principal elemento de trabajo de cualquier sistema de inyección.

Los motores de gasolina están equipados con sistemas de inyección, que se diferencian entre sí en la forma en que se forma una mezcla de combustible y aire:

• sistemas de inyección central;
• sistemas de inyección multipunto;
• sistemas de inyección directa.

La inyección central, o de lo contrario se denomina monojetrónica, se realiza mediante un único inyector electromagnético central, que inyecta combustible en el colector de admisión. Es un poco como un carburador. Ahora no se producen automóviles con dicho sistema de inyección, ya que un automóvil con dicho sistema también tiene bajas propiedades ambientales del automóvil.

El sistema de inyección multipunto se ha mejorado continuamente a lo largo de los años. El sistema se puso en marcha K-jetronic... La inyección era mecánica, lo que le daba una buena fiabilidad, pero el consumo de combustible era bastante elevado. El combustible se suministró no impulsivamente, sino constantemente. Este sistema fue reemplazado por el sistema KE-jetronic.

Ella no era fundamentalmente diferente de K-jetronic, pero apareció una unidad de control electrónico (ECU), que permitió reducir ligeramente el consumo de combustible. Pero este sistema tampoco arrojó los resultados esperados. El sistema apareció L-jetronic.

En el cual la ECU recibió señales de sensores y envió un pulso electromagnético a cada inyector. El sistema tuvo un buen desempeño económico y ambiental, pero los diseñadores no se detuvieron allí y desarrollaron un sistema completamente nuevo. Motronic.

La unidad de control comenzó a controlar tanto la inyección de combustible como el sistema de encendido. El combustible se quema mejor en el cilindro, la potencia del motor ha aumentado, el consumo y las emisiones nocivas del coche han disminuido. En todos estos sistemas presentados anteriormente, la inyección se realiza mediante una boquilla separada para cada cilindro en el colector de admisión, donde se forma una mezcla de combustible y aire, que ingresa al cilindro.

El sistema más prometedor en la actualidad es el sistema de inyección directa.

La esencia de este sistema es que el combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión de cada cilindro, y ya allí se mezcla con el aire. El sistema determina y entrega la composición de mezcla óptima al cilindro, que proporciona buena potencia en varios modos de funcionamiento del motor, buena economía y altas propiedades ambientales del motor.

Pero por otro lado, los motores con este sistema de inyección tienen un precio más elevado que sus predecesores, debido a la complejidad de su diseño. Además, este sistema es muy exigente con la calidad del combustible.