Sistema de inyección Common- Rail

Hablar de common-rail es hablar de Fiat ya que esta marca automovilística es la primera en aplicar este sistema de alimentación en los motores diesel de inyección directa. Desde 1986 cuando apareció el Croma TDI, primer automóvil diesel de inyección directa del mundo. Se daba el primer paso hacia este tipo de motores de gasóleo que tenían una mayor eficacia de combustión.

Gracias a este tipo de motores, que adoptaron posteriormente otros fabricantes, los automóviles diesel podían garantizar mayores prestaciones y menores consumos simultáneamente. Quedaba un problema: el ruido excesivo del propulsor a bajos regímenes de giro y en los “transitorios”.

Y es aquí donde comienza la historia del Unijet o mejor dicho, el estudio de un sistema de inyección directa más evolucionado, capaz de reducir radicalmente los inconvenientes del excesivo ruido de combustión. Esta búsqueda llevará algunos años más tarde al Unijet, alcanzando mientras tanto otras ventajas importantes en materia de rendimiento y consumo.

Para resolver el problema, solamente existían dos posibilidades: conformarse con una acción pasiva y aislar después el motor para impedir la propagación de las ondas sonoras, o bien, trabajar de modo activo para eliminar el inconveniente en la fuente, desarrollando un sistema de inyección capaz de reducir el ruido de combustión.

Decididos por esta segunda opción, los técnicos del Grupo Fiat se concentraron inmediatamente en la búsqueda del principio del “Common-Rail”, descartando después de análisis cuidadosos otros esquemas de la inyección a alta presión. Estos sistemas no permitían gestionar la presión de modo independiente respecto al número de revoluciones y a la carga del motor, ni permitían la preinyección, que son precisamente los puntos fuertes del Unijet.

Nacido del trabajo de los investigadores de la Universidad de Zurich, nunca aplicado anteriormente en un automóvil, el principio teórico sobre el que se inició el trabajo era simple y genial al mismo tiempo. Continuando con la introducción de gasóleo en el interior de un depósito, se genera presión dentro del mismo depósito, que se convierte en acumulador hidráulico (“rail”), es decir, una reserva de combustible a presión disponible rápidamente.

Tres años después, en 1990, comenzaba la prefabricación del Unijet, el sistema desarrollado por Magneti Marelli, Centro de Investigación Fiat y Elasis sobre el principio del “Common Rail”. Una fase que concluía en 1994, cuando Fiat Auto decidió seleccionar un socio con la máxima competencia en el campo de los sistemas de inyección para motores diesel. El proyecto se cedió posteriormente a Robert Bosch para la parte final del trabajo, es decir, la conclusión del desarrollo y la industrialización.

Así, once años después del Croma TDI, en octubre de 1997, llegó al mercado otro automóvil de récord: el Alfa 156 JTD equipado con un revolucionario turbodiesel que aseguraba resultados impensables hasta ese momento. Los automóviles equipados con este motor son increíblemente silenciosos, tienen una respuesta tan brillante como la de los propulsores de gasolina y muestran, respecto a un motor de precámara análogo, una mejora media de las prestaciones del 12%, además de una reducción de los consumos del 15%. El éxito de los Alfa 156 con motor JTD fue inmediato y rápidamente, además de ser empleado en otros modelos de Fiat Auto, muchas otras marcas automovilísticas adoptaron propulsores similares.

Ahora llega la segunda generación de los motores JTD, en los Multijet. El principio técnico sobre el que se basa el desarrollo del Multijet es simple. En los motores de tipo “Common Rail” (Unijet) se divide la inyección en dos fases una preinyección, o inyección piloto, que eleva la temperatura y la presión en el cilindro antes de hacer la inyección principal para permitir así una combustión más gradual, y resultando un motor más silencioso.

El sistema Multijet evolución del principio “Common Rail” que aprovecha el control electrónico de los inyectores para efectuar, durante cada ciclo del motor, un número mayor de inyecciones respecto a las dos del Unijet. De este modo, la cantidad de gasóleo quemada en el interior del cilindro sigue siendo la misma, pero se reparte en más partes; de esta manera, se obtiene una combustión más gradual. El secreto del Multijet se basa en las características del diseño de centralita e inyectores que permiten realizar una serie de inyecciones muy próximas entre sí. Dicho proceso de inyección, desarrollado por los investigadores de Fiat Auto, asegura un control más preciso de las presiones y de las temperaturas desarrolladas en la cámara de combustión y un mayor aprovechamiento del aire introducido en los cilindros.

Esquema de motor

Esquema de un motor common-rail: 1.- Bomba de alta presión; 2.- Válvula reguladora de presión; 3.- Sensor de presión rail; 4.- Válvula limitadora de presión;
5.- Acumulador de alta presión (rail); 6.- Inyector; 7.- Detector de fase; 8.- Medidor de masa de aire; 9.- Filtro de combustible; 10.- Sensor de presión de la
sobrealimentación; 12.- Sensor de pedal de acelerador; 13.- Sensor de temperatura; 14.- Válvula EGR; 15.- Válvula wastegate; 16.- Sensor de RPM;
17.- Convertidor EGR; 18.- Tomas de vació; 19.- Bomba de vació; 20.- Deposito de fuel; 21.- Bomba de alimentación; 22.- Válvula regulación turbo.

Disposición de los elementos en el motor

Bomba de Alta Presión.

 

Esta bomba tiene la función de suministrar combustible a alta presión al rail en todos los márgenes de funcionamiento del motor. Incluye ademas el mantenimiento de una reserva de combustible a presión para la puesta en marcha del motor.
La bomba de alta presión va montada en el mismo lugar que las bombas de inyección rotativas convencionales. La bomba es accionada por el motor a través de una correa con un giro de 3000 rpm como máximo. La bomba se lubrica con el propio combustible que bombea, la válvula reguladora de presión esta adosada directamente a la bomba de alta presión o se instala por separado en el rail.

El combustible se comprime dentro de la bomba de alta presión por tres émbolos dispuestos radialmente separados 120º cada uno. Por cada vuelta de eje de la bomba se producen tres carreras de suministro suficientes para proporcionar el combustible necesario para el funcionamiento del motor. Por lo tanto el Common-rail plantea exigencias de accionamiento de la bomba menores por lo que se frena menos el motor que como lo hace con las bombas rotativas convencionales. La potencia necesaria para el accionamiento de la bomba aumenta proporcionalmente a la presión ajustada en el rail y a la velocidad de rotación de la bomba.
En un motor de dos litros, y con una presión en el rail de 1350 bar como máximo, que es la presión con la que trabajan los sistemas common-rail (Unijet), la bomba consume una potencia de 2.8 CV (3.6 Kw). La mayor demanda de potencia tiene causas en los caudales de fugas y de control en el inyector y en el retorno de combustible a través de la válvula reguladora de presión.

Elementos que forman la bomba de alta presión: 1.- eje de la bomba; 2.- leva excéntrica; 3.- muelle; 4.- embolo o elemento de bombeo;
6.- válvula de aspiración;
7.- entrada de fuel a baja presión; 8.- salida de fuel a alta presión; 9.- válvula anti-retorno; 10.- muelle.

 

La válvula de desconexión del elemento o embolo “4″: sirve para limitar el bombeo de combustible, sobre todo cuando el motor gira a ralentí o a medias cargas, ya que la bomba suministra mas caudal de combustible que se necesita en estos casos.
La válvula de desconexión consiste en una electroválvula que cuando se activa mueve una espiga que mantiene abierta la válvula de aspiración “6″ por lo que el elemento de bombeo o embolo en su carrera de compresión no bombea combustible.

Rail o acumulador de presión

La misión del rail es almacenar combustible a alta presión, esta construido de acero forjado para soportar las altas presiones a las que se ve sometido. El volumen de combustible que entra en un rail depende de la cilindrada del motor que va alimentar.
La presión en el rail se crea al ser mayor el caudal de combustible enviado por la bomba de alta presión que el consumido por el motor. Al no poder salir el combustible del rail, la presión aumenta. La centralita electrónica recibe información de la presión del combustible a través del sensor y envía señales eléctricas al regulador de presión para ajustarla.

Con el motor caliente y girando al ralentí, la presión en el conducto es de 150 bares, mientras que en fuertes aceleraciones la presión puede llegar a subir hasta los 1350 bares. En regímenes intermedios, la presión suele oscilar entre los 300 y 800 bares. Variando la presión en el conducto único se consigue modificar el caudal inyectado sin variar apenas el tiempo de apertura del inyector y mejorando la pulverización del chorro de combustible en la cámara de combustión.
 

La válvula reguladora de presión: tiene la función de regular y mantener la presión en el rail dependiendo del estado de carga del motor:
- En caso de una presión excesiva en el rail, la válvula abre y deja salir parte del combustible que retorna al deposito.
- Si la presión es baja en el rail, la válvula cierra para que así aumente la presión.
La válvula reguladora de presión puede ir instalada en la bomba de alta presión o en el rail. Si va instalada en la bomba, en el rail se suele colocar una válvula imitadora de presión de funcionamiento mecánico que simplemente funciona cuando se supera la presión máxima 1340 bar dejando salir parte de combustible hacia el deposito para que baje la presión como se ve en el esquema de arriba.
La válvula reguladora de presión se activa eléctricamente reforzando la fuerza que hace un muelle sobre una bola que abre o cierra el paso del combustible de retorno al combustible. Si no esta activada la válvula solo existe la fuerza del muelle contra la bola que consigue que la presión suba en el rail hasta 100 bar. Para conseguir mas presión en el rail se tiene que activar la válvula reguladora de presión, de ello se encarga la ECU mediante señales eléctricas.

Inyectores

El inyector utilizado en los sistemas common-rail se activan de forma eléctrica a diferencia de los utilizados en sistemas que utilizan bomba rotativa que inyectan de forma mecánica. Con esto se consigue mas precisión a la hora de inyectar el combustible y se simplifica el sistema de inyección.
La estructura del inyector se divide en tres bloques funcionales:

- El inyector de orificios.
- El servosistema hidráulico.
- La electroválvula.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Esquema de un inyector: 1.- retorno de combustible a deposito; 2.- conexión eléctrica 3.- electroválvula; 4.- muelle; 5.- bola de válvula; 6.- estrangulador de entrada: 7.- estrangulador de salida; 8.- embolo de control de válvula; 9.- canal de afluencia; 10 aguja del inyector; 11.- Entrada de combustible a presión; 12.- cámara de control.

El combustible a alta presión procedente del rail entra por “11″ al interior del inyector para seguir por el canal de afluencia “9″ hacia la aguja del inyector “10″, así como a través del estrangulador de entrada “6″ hacia la cámara de control “12″. La cámara de control “12″ esta unida con el retorno de combustible “1″ a través del estrangulador de salida “7″ y la electroválvula “3″.

Cuando la electroválvula “3″ no esta activada el combustible que hay en la cámara de control “12″ al no poder salir por el estrangulador de salida “7″ presiona sobre el embolo de control “8″ que a su vez aprieta la aguja del inyector “10″ contra su asiento por lo que no deja salir combustible y como consecuencia no se produce la inyección.
Cuando la electroválvula esta activada entonces se abre y deja paso libre al combustible que hay en la cámara de control. El combustible deja de presionar sobre el embolo para irse por el estrangulador de salida hacia el retorno de combustible “1″ a través de la electroválvula. La aguja del inyector al disminuir la fuerza del embolo que la apretaba contra el asiento del inyector, es empujada hacia arriba por el combustible que la rodea por lo que se produce la inyección.
Como se ve la electroválvula no actúa directamente en la inyección sino que se sirve de un servomecanismo hidráulico encargado de generar la suficiente fuerza para mantener cerrada la válvula del inyector mediante la presión que se ejerce sobre la aguja que la mantiene pegada a su asiento.
El caudal de combustible utilizado para las labores de control dentro del inyector retorna al deposito de combustible a través del estrangulador de salida, la electroválvula y el retorno de combustible “1″. Ademas del caudal de control existen caudales de fuga en el alojamiento de la aguja del inyector y del embolo. Estos caudales de control y de fugas se conducen otra vez al deposito de combustible, a través del retorno de combustible “1″ con una tubería colectiva a la que estan acoplados todos los inyectores y también la válvula reguladora de presión.

 

 Esquema eléctrico de un motor common-rail

 

Elementos que forman el esquema eléctrico de un motor JTD common-rail: 1.- inyectores; 2.- bujías de precalentamiento; 3.- interruptor de inercia; 4.- Regulador
de presión de combustible; 5.- central de precalentamiento; 6.- electroválvula EGR; 7.- aire acondicionado; 8.- presostato de 4 niveles; 9.- detector posición pedal acelerador;
10.- sensor de presión rail; 11.- detector de fase; 12.- sensor de RPM; 13.- captador de sobrepresión turbo; 14.- caudalimetro de aire con sensor de temperatura;
15.- sensor de temperatura combustible; 16.- sensor de temperatura motor; 17.- interruptor del pedal de freno; 18.- interruptor del pedal de embrague; 19.- antiarranque;
Fuente:© MECANICAVirtual. Pagina creada por Dani meganeboy
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