Inyección Electrónica: Descripción, Funcionamiento Y Tipos De Inyección

La inyección electrónica es uno de esos pasos largos que ha dado la industria automotriz en pro de la eficiencia de los vehículos. Puntos importantes como la contaminación del aire, potencia y aceleración del vehículo, así como la economía en el consumo de combustible fueron de gran relevancia para el desarrollo de este sistema de inyección.

La inyección electrónica fue concebida con el objeto de hacer llegar la cantidad justa y necesaria a los cilindros y de esa manera, producir el proceso de conversión de energía lo más eficiente posible, dándole a la cámara de combustión la justa medida de combustible que necesita quemar según la demanda del motor. La dosificación de le mezcla aire-combustible, el número de inyecciones, los diferentes regímenes de conducción son por mucho mejor manejados por el sistema de inyección electrónica.

El sistema que usa la inyección electrónica se basa en un conjunto de controles que registran cantidades de datos a través de señales de índole eléctrica, la cuales arriban a una unidad de control, donde se procesa la información y se realizan los cálculos pertinentes de manera inmediata. Luego de todo el proceso de recogida de dato, análisis y cálculos se ponen en marcha la activación de la inyección electrónica, todo este proceso sucede en cuestión de milisegundos.

Descripción del sistema de inyección electrónica

Principio de funcionamiento:

Cuando sucede el arranque del auto, los pistones en el motor comienzan a subir y bajar y el sensor de rotación envía la señal a la unidad de comando que la rotación en el motor se está llevando a cabo. Cuando el pistón desciende, en el múltiple de admisión se produce la aspiración del aire de la atmosfera, y se hace pasar por el medidor de flujo y la mariposa encargada de su aceleración, luego de este proceso llega a los cilindros del motor.

El medidor de flujo le informa a la unidad central de comando la cantidad de aire que fue aspirado; entonces, la unidad realiza los cálculos correspondientes de la cantidad de combustible necesario para la cantidad de aire que fue admitido, una vez esto sucede, inmediatamente es enviada la señal a las válvulas de inyección para proporcionar la cantidad de combustible ideal para realizar la mezcla aire-combustible, y de esa manera producirse eficientemente la combustión en los cilindros.

Es decir, todo el proceso de las señales eléctricas en la inyección electrónica consiste es en realizar los cálculos necesarios para dosificar la cantidad de combustible exacta a la cantidad de aire que entra al sistema de admisión, haciendo así lo más adecuada posible a la mezcla aire-combustible. Hay que recordar que, mientras mejor adecuada esté la mezcla mejor será la economía y rendimiento del motor, que finalmente también se traducirá en una mejor emisión de contaminantes.

Formas de inyectar el combustible:

La inyección electrónica básicamente tiene dos formas de suministrar en combustible a la cámara de combustión. La primera forma, conocida como inyección directa, consiste en apuntar directamente a la cámara de combustión con una presión superior a los 40 Kg/cm² para ayudar al mezclado correcto del combustible y el aire dentro de la cámara de combustión.

La otra es la llamada inyección indirecta, ésta consiste en inyectar el combustible a una presión mucho menor justo en frente de la válvula de admisión. Como nota, la segunda forma comentada es la que generalmente usan la mayoría de los fabricantes del sistema de inyección electrónica.

Sistema de inyección electrónica directa:

Este tipo de sistema de inyección electrónica consiste en una bomba del tipo mecánica, que le da el impulso al combustible a través de un conducto hasta un inyector ubicado en la recamara de combustión. El comentado sistema fue utilizado por mucho tiempo en los motores Otto, sin embargo, su elevado costo hizo que fuese reemplazado por los sistemas de inyección electrónica indirecta.

La principal diferencia entre este sistema y la inyección indirecta además de la ubicación del inyector está relacionado a la precisión que debe tener el sistema en sí para suministrar el combustible durante las fases de admisión o de compresión. Mientras que, en el sistema de inyección indirecta la cantidad de combustible solo se aporta en la apertura de la válvula de admisión.

Para un motor de inyección directa, el proceso de llenado del cilindro es el siguiente, a través del conducto de admisión a la cámara de combustión solo llega aire y luego es que se dosifica directamente dentro del cilindro el combustible, todo con la válvula de escape cerrada. Ya que, si estuviese abierta parte del combustible puede escapar sin quemarse.

La mezcla realiza dentro de la cámara de combustión en un trayecto de tiempo muy corto. Por tal motivo, el combustible debe ser inyectado a alta presión y con un chorro tal que, favorezca el mezclado y la pulverización del combustible. Por otro lado, también es necesario la creación de turbulencias dentro del cilindro para que el combustible se mezcle con todo el aire. Dos factores ayudan a esa necesidad, la cabeza del pistón durante la compresión y el diseño del conducto de admisión.

Sistema de inyección electrónica indirecta:

El combustible que entra a la cámara de combustión se forma justo antes de la válvula de admisión, el inyector se coloca antes de ésta para formar la mezcla aire-combustible y hacerla pasar a la cámara de combustión una vez se abre la válvula. Es la metodología más aplicada y usada por la mayoría de los fabricantes para la inyección de gasolina. Hay varias formas utilizadas para realizar la medición del combustible e inyección indirecta, estas son:

• Electroyector Bendix: En este tipo de inyección indirecta, la gasolina primero se dirige a un colector y luego a los inyectores.
• Rochester: Aquí la gasolina sale directa y constantemente a los inyectores desde la bomba de gasolina.
• Intermitente con sincronización: La bomba de gasolina envía la cantidad de combustible en el momento y forma necesaria, sincronizado a la apertura de la válvula de admisión.
• Intermitente sin sincronización: Aquí los inyectores pulverizan la mezcla frente a las válvulas de admisión sin importar que éstas estén o no abiertas.

Sistemas de inyección electrónica en motores a gasolina

Sistema de inyección electrónica monopunto:

https://www.youtube.com/watch?v=Dr3lh4gf5MU&list=PLKaglFaXMn0wk1dkrJMFSLSTXs1DCslb5

Nacida por la necesidad de abaratar los costos que suponían los sistemas de inyección electrónica multipunto de la década de los noventas, y por la imperiosa necesidad de eliminar el uso del carburador en los autos de bajo costo y con el fin de poder cumplir con las normas anticontaminación que se veían cada vez más estrictas.

Este sistema consiste en, que un único inyector ubicado justo antes de la mariposa de gases sea el encargado de dosificar la gasolina, el combustible es inyectado a impulsos y con una presión de 0,5 bares. La imagen que es mostrada al final de este texto presenta un esquema de este sistema de inyección electrónica.

Los tres elementos más importantes que forman el esquema del sistema en cuestión son: el inyector, el ECU y la unidad central de inyección. La primera como en el caso del carburador se encuentra ubicado justo antes de la mariposa de gases y se encarga de inyectar la gasolina.

La segunda es la central donde se recibe toda la información de los diferentes sensores ubicados en el funcionamiento del auto, allí reciben información como la cantidad de aire que entra al colector de admisión, la temperatura del motor, el régimen de giro, la composición de le mezcla, la ubicación de la mariposa de gases, entre otros.

La tercera es el también conocido como cuerpo de mariposa, que exteriormente es muy similar a un carburador. En él, se encuentran numerosos elementos como por supuesto el inyector, la mariposa de gases, el regulador de presión, sensores de temperatura, un sensor de posición para la mariposa, hasta en algunos casos un caudalímetro para medir el caudal de aire. A modo de ejemplo, algunos de los autos que utilizan este sistema de inyección es mostrado a continuación.

Sistema de inyección electrónica multipunto:

https://www.youtube.com/watch?v=Gmk6TVKHA3g

Este sistema de inyección electrónica cuenta con un inyector independiente para cada cámara de combustión, es decir, para cada cilindro. Van ubicados en el múltiple de admisión o en la cabeza de éste, justo por encima de los puertos de admisión. En este punto hay que señalar que dentro de la inyección multipunto coexisten dos tipos: la inyección Jetronic y la inyección Monotronic.

Sistema de inyección Jetronic:

El sistema Jetronic pulveriza el combustible desde el múltiple de admisión y es comandado electrónicamente. Aquí, su función es la de suministrar la cantidad e volumen justa para cada uno de los distintos regímenes de giro del motor. La unidad de comando de este sistema recibe muchas señales de entrada, que vienen de cada uno de los distintos sensores que mandan información de las diferentes condiciones del funcionamiento del motor.

La mencionada unidad de comando, evalúa las informaciones recibidas y calcula la cantidad de volumen de combustible adecuado para cada diferente régimen del motor. El volumen de combustible que es determinado por la unidad de comando sale por las válvulas de inyección. Las válvulas reciben la señal del tiempo de inyección. En los sistemas Jetronic las válvulas de inyección pulverizan la gasolina en simultaneo. En el sistema Jetronic la unidad de comando solo controla el sistema de gasolina.

El sistema de inyección electrónica multipunto Jetronic no cuenta con una memoria que pueda guardar las posibles averías que el funcionamiento del sistema pudiera presentar. Por lo cual, las posibles averías no son mostradas en el tablero del vehículo.

Sistema de inyección Monotronic:

El sistema de inyección electrónica multipunto Monotronic difiere del anterior sistema en que, el primero, tiene dentro de la unidad de comando el sistema de encendido. Además, cuenta con una sonda Lambda en el sistema de inyección, la cual se encuentra instalada en el tubo de escape.

Por otro lado, el Sistema Monotronic es totalmente digital, es decir que cuenta con una memoria interna e indicación de averías en el tablero del auto. En el caso de autos que no cuenta con distribuidor, el control del encendido dentro de la cámara de combustión se lleva a cabo por un sensor de revolución que se encuentra instalado en el volante del motor.

En este sistema se encuentra una válvula de ventilación para el tanque, esta válvula es conocida también como válvula cánister y sirve para reaprovechar los vapores de salida del combustible, que, entre otras cosas, son altamente peligrosos, todo esto contribuye con la reducción de la contaminación, que finalmente es la principal ventaja de lo sistema de inyección.

Sistema de inyección electrónica en motores diésel

Breve historia:

El técnico alemán Robert Bosch (1861 – 1942) a finales de 1992 decidió desarrollar el que para entonces fue el primer sistema de inyección para motores alimentado con diésel. Para la época las condiciones técnicas eran favorables, ya se contaba con experiencia en lo que respectaba a motores de combustión. Las tecnologías y técnicas de producción habían logrado alcanzar un alto nivel de desarrollo y podían aplicarse los conocimientos adquiridos por parte de la fabricación de las bombas de aceite.

A principios de 1923 ya se habían creado una docena de distintas bombas de inyección, a mediados del mismo año se realizaron lo que fue los primeros ensayos dentro del motor. La aparición de la bomba de inyección mecánica era cada vez más frecuente lo que un tiempo después impulsaría la construcción de los motores diésel.

En 1925, en el verano europeo, se dieron los últimos retoques al proyecto final de la bomba de inyección. Para el 1927 de la fábrica de Stuttgar salieron las primeras bombas del tipo mecánica con elementos en línea producidas en serie. La bomba de inyección desarrollada por Robert Bosch le brindo al motor fabricado por Rudolf Diésel la velocidad que tanto se deseaba, dándole así un éxito que no se tenía previsto.

A medida que los años pasaron fueron cada vez más los campos de aplicaciones conquistados por el motor diésel, sobre todo en el campo automotriz con el Mercedes 260 D, vehículo de 2.6 L y 45 CV presentado en 1936 como el primer vehículo de turismo con motor diésel. Sin embargo, el motor diésel seguía siendo algo exótico entre los vehículos, a pesar de ser más económico y de larga vida.

En 1952 en la pole postion de la carrera 500 millas de Indianápolis, ésta es conseguida por un vehículo con mecánica Cummins diésel. Se trató del primer automóvil de carreras turbodiésel. En 1953, Rudolf Bosch a realizar estudios acerca de las bombas de inyección individuales, los padres del actual inyector-bomba.

En 1977, luego de varios intentos, Hans List desarrolla un motor diésel ligero, denominado el AVL LDX 2001 ensamblado con sistema inyector-bomba, aunque venía con mando mecánico. En ese mismo año, surgen los primeros turbos y mecánicas de gas-oil en vehículos de turismo. El Mercedes Benz 300 SD con turbodiésel se presentó en el mismo año en el salón Frankfurt, con un motor de 5 cilindros de 3.0 L y 125 CV alcanzaba los 165 Km/h.

Para 1979, en el salón de Ginebra se exhibe el Peugeot 604 2.3 TD, con un motor de 4 cilindros 2.3 L y 80 CV alcanzaba los 157 Km/h. No fue hasta 1986 donde se observó un cambio radical en la concepción del motor diésel, en ese año se crea la unidad de control electrónica la cual permitiría optimizar el funcionamiento del motor diésel.

En 1989, Audi comienza la venta de su primer TDI, integrado con un motor diésel de 5 cilindros, 2.5 L y 120 C. Con la comercialización del primer vehículo con sistema de inyección directa de la marca Audi los motores diésel iniciaron su verdadera marcha de éxito. Con este sistema, el uso del motor diésel no solo era económico, sino que también se pudieron reducir las emisiones de gases contaminantes, así como contar con una dinámica en la conducción que hasta entonces era inimaginable.

En 1994, el inyector-bomba se hace realidad permitiendo así presiones de hasta 1600 bares. Sin embargo, fue a partir de 1997, tras un largo proceso de estudios y desarrollo que se da el gran salto, la Universidad de Zurich promovida por el grupo Fiat desarrolla el sistema Common Rail. Con ello la generación de la presión de ignición y la inyección quedan definitivamente separadas, permitiendo de esa manera que la presión con que se realiza la inyección tenga independencia del régimen de giro del motor.

Estudios porcentuales mostraron para el año 2006 que casi el 50% de los vehículos de turismo en Europa occidental eran de matriculación diésel, lo que demuestra que la comercialización del sistema diésel se viralizó y popularizo por sus excelentes prestaciones.

Los objetivos del sistema de inyección en motores diésel:

Para que un motor diésel pueda funcionar de manera óptima, los sistemas de inyección que se utilizan para este motor debe satisfacer ciertos requisitos, estos son:

1. Según las condiciones de operación del motor, es decir, del régimen de revoluciones, el sistema de inyección debe proporcionar constantemente ciclo a ciclo y cilindro a cilindro la cantidad de combustible necesaria y justa.
2. Partiendo de los ciclos del motor, el sistema de inyección debe proporcionar el combustible en el momento exacto del ciclo, ni antes ni después, según el régimen del motor.
3. Conociendo las diferencias de la mezcla, el sistema de inyección debe controlar la proporción correcta en todo momento de la mezcla aire-combustible, con el fin de no incurrir en gastos innecesarios de combustibles que generan a su vez, mayores contaminaciones ambientales.
4. Pulverizar el combustible hasta el grado requerido.
5. Realizar una correcta distribución de la mezcla aire-combustible en el interior de la cámara de combustión.
6. El sistema de inyección debe iniciar y terminar las inyecciones siempre en el momento correcto e instantáneamente.

Clasificación de los sistemas de inyección diésel:

Inyección por aire:

El funcionamiento de estos sistemas consistía en que el aire necesario para la preparación de le mezcla fuese medido y bombeado a la válvula de inyección, en el proceso, al abrirse la válvula de inyección el flujo de aire al ir con una elevada presión arrastraría al combustible hacia la cámara de combustión a través del colector de admisión, dentro de este proceso mientras el flujo de aire iba a la válvula, la bomba de gasolina enviaba también el combustible a la válvula de inyección para encontrarse en el mismo punto.

Aunque, si bien es cierto que estos sistemas lograban quemar polvo de carbón y otros líquidos pesados, atomizando la mezcla bastante bien, las desventajas del sistema lo hicieron pasar a la historia. Por otro lado, el tamaño, costo del compresor, así como la potencia necesaria para su funcionamiento (absorbida de la generada por el motor) y los riesgos de las explosiones producidas en las cañerías hizo que se desarrollaran diferentes alternativas a este tipo de sistemas.

Inyección mecánica o solida:

Desde las primeras décadas del siglo XX hasta nuestros días ha sido la técnica usada. En este tipo de inyección, el fluido que es enviado a alta presión para encontrarse con el otro es el combustible, cambiando el hecho de que en el sistema anterior era el aire. El combustible al ser enviado a alta presión se encuentra con el aire produciendo la combustión dentro de la cámara de los cilindros. Para este sistema hay básicamente dos métodos a saber, estos son:

Sistema de bomba individual:

Este sistema cuenta con un dosificador de combustible y una bomba encargada de la compresión por separado. Eso es en la teoría, sin embargo, en la práctica, ambos elementos se presentan físicamente unidos en una misma carcasa contenedora. Hay que señalar que se usan dos tipos de bombas compresoras:

• Bomba de inyección en línea: 
  

La bomba de inyección en línea ha sido la de mayor uso por no decir que la única. Sobre todo, para autos pesados, incluso fue usada en vehículos de turismo hasta entrada la década de los sesentas cuando fue sustituida por las bombas rotativas.

Este tipo de bomba contempla un diseño muy robusto, pero de fiabilidad técnica no tan robusta. Los principales inconvenientes son el tamaño, peso, y su limitación en el número de revoluciones. Esta última limitación la hace apta para los autos pesados, pero no para los autos de turismo.  

Una característica preponderante en este tipo e bomba es que tiene tantos elementos de bombeo como cilindros tiene el motor, elementos colocados en línea. Además de los elementos de bombeo, se incluye un regulador de velocidad, así como un variador de avance automático de inyección el cual está acoplado al sistema de arrastre.

• Bomba de inyección rotativa:

Aquí hay dos tipos de bombas, las rotativas propiamente dichas, ya sean mecánicas o electrónicas y la de émbolos radiales.

ο Bombas rotativas de émbolos radiales: Esta bomba fue desarrollada para su uso en motores diésel de funcionamiento rápido con inyección directa, para una potencia máxima de 37 KW por cilindro. Las características de esta bomba son el mayor dinamismo en la regulación del caudal del fluido, así como la generación de mayores presiones de inyección, presiones de hasta 1600 bares.

ο Bombas rotativas: Aquí, el elemento cilindro pistón que logra el incremento de la presión está ubicado de forma longitudinal al eje de la bomba. En la actualidad, la disposición es de un cilindro y un émbolo distribuidor, sin importar que el motor tenga varios cilindros.

Una sola lumbrera de distribución asegura el reparto de combustible a las diferentes salidas que corresponden al número de cilindros en el motor. Este tipo de bombas se ha usado desde hace ya un buen tiempo en motores diésel, donde su diseño básico no ha cambiado, sólo se han hecho modificaciones para adecuarla a las aplicaciones de gestión electrónica para los motores.

Sistema Common Rail

• Introducción al sistema Common Rail: El sistema de conducto común o Common Rail fue desarrollad en conjunto por Fiat y Magneti Marelli a principio de la década de los 90’s, y comercializado a nivel industrial por Bosch. Desde entonces, se ha ido incorporando en distintas marcas y modelos de motores, gracias a la relativa facilidad para integrarse en los sistemas pre-existentes. El sistema de conducto común, common rail, asume como cualquier otro sistema de inyección las siguientes funciones:

ο Proporcionar al motor diésel el flujo constante de combustible bajo cualquier circunstancia.

ο Generar la presión necesaria y adecuada para que al inyectar el combustible sea distribuida y pulverizada con el aire hacia los cilindros.

ο Inyectar la cantidad de combustible respectando la adecuada relación de aire-combustible en el momento justo.

El sistema además aporta otras ventajas como:

ο Su principio de acumulación le permite generar la alta presión independientemente al control de inyección.

ο Puede trabajar a mayores presiones que las generada por una bomba rotativa.

ο Independientemente del giro del motor es conseguida la presión de inyección.

ο Este sistema permite el preciso control del caudal y presión de la pre-inyección.

El uso de este tipo de sistema de inyección electrónica brinda una mayor suavidad en el funcionamiento del motor, así como brindar aumento del 50% en el par máximo a bajas rpm, 25% de potencia máxima y una reducción del 20% en el consumo de combustible. Sin embargo, la verdadera razón que justifica la masificación del uso de este tipo de sistemas de inyección electrónica es su capacidad para poder cumplir con la reglamentaciones actuales y futuras en contra de las emisiones de gases de efecto invernadero.

Todo esto es posible, ya que la unidad de mando, no solo gestiona la inyección de combustible, sino que también tiene bajo su control otras funciones como gestionar el turbocompresor, gestionar la recirculación de los gases de salida, así como gestionar el control de los calentadores, entre otros.

• Descripción del sistema Common Rail:

 

El sistema de inyección electrónica Common Rail está compuesto por los siguientes subsistemas:

ο Un circuito de combustible de baja presión.

ο Un circuito de combustible de alta presión.

ο Un conjunto de inyectores-servo válvula, el numero depende de la cantidad de cilindros del motor.

ο Un circuito electrónico para el control, compuesto por: Sensores, actuadores y la unidad de mando.

ο Un circuito de recirculación de gases de escape.

Por otro lado, eventualmente por las características del motor:

ο Un circuito de control para la presión del soplado del turbo.

ο Un circuito para la recirculación de los vapores en el cárter.

La configuración del sistema consiste en que, una bomba auxiliar de combustible accionada eléctricamente ubicada en el depósito, suministre el gasoil a otra bomba de alta presión. Un filtro se ubica entre ambas bombas. Por otro lado, la bomba de alta presión es accionada por el movimiento del árbol de levas, el cometido de la bomba es generar una presión en el acumulador que oscile entre los 120 bares a 1350 bares.

La unidad de mando es la encargada de determinar la presión en el acumulador del sistema a través de la activación de una válvula reguladora de presión, presión que es medida y reportada por un sensor de alta presión. Los inyectores están conectados directamente al acumulador, y la apertura de ellos se genera cuando la unidad de mando estimula la servo-válvula durante un período calculado y en el orden correspondiente.

La cantidad de combustible que es inyectado viene determinada por los siguientes procesos: el tiempo que dura la excitación de la electroválvula, la velocidad de apertura y cierre de la aguja reguladora, el desplazamiento de la aguja, el flujo hidráulico que pasa a través de la tobera de inyección y la presión en el Rail o acumulador.

• Partes que constituyen el sistema de inyección Common Rail:

ο Circuito de baja presión constituido por: Bomba de combustible, bomba de cebado, filtro de combustible, válvula de regulación de baja presión, inter-cooler o enfriador de combustible, circuito de combustible de alta presión.

ο Circuito de alta presión constituido por: Bomba de alta presión con desactivador de un pistón, desactivador del tercer inyector, regulador de presión, sensor de presión, circuito inyector, sistema de control electrónica, control de emisiones.

Conclusiones

Todo lo que hemos visto acerca de los sistemas de inyección electrónica es en conclusión las respuestas a los progresos durante años en primera instancia en pro de mejorar la calidad en los diseños y las eficiencias de los motores, sin embargo, a partir de la década de los 90’s con los tratados europeos sobre emisión de gases de efecto invernadero, este tipo de avances ha venido en aumento gracias a la política de reducción de la contaminación.

Al final de cuentas, y a modo muy personal, el avance de la no contaminación o la disminución de la misma, es gracias a las leyes, y no al deseo de las marcas automotrices por tener un mundo más verde, al final, el dinero y el negocio es el que gobierna este mundo.

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