FACULTAD CIENCIAS DE LA INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
Tesis de grado previo a la obtención del título de: INGENIERO AUTOMOTRIZ
“CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA UN MOTOR DIÉSEL CON SISTEMA DE INYECCIÓN CRDI, EN LA UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL SEDE SANTO DOMINGO DE LOS TSÁCHILAS 2014”.
Estudiante: JOSÉ IGNACIO TERÁN MONTERO
Director de Tesis: ING. EDWIN GRIJALVA
ii
EQUINOCCIAL SEDE SANTO DOMINGO DE LOS TSÁCHILAS 2014”.
Ing. EDWIN GRIJALVA
DIRECTOR DE TESIS ________________________________
APROBADO
Ing. Alexis Cordoves
PRESIDENTE DEL TRIBUNAL ________________________________
Ing. Arturo Falconí
MIEMBRO DEL TRIBUNAL ________________________________
Ing. Cristian Laverde
MIEMBRO DEL TRIBUNAL ________________________________
iii
El contenido del presente trabajo, está bajo la responsabilidad del autor/a.
_________________________________
José Ignacio Terán Montero 1722475231 Institución: UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL. Título de Tesis: “CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS
PARA UN MOTOR DIÉSEL CON SISTEMA DE INYECCIÓN CRDI, EN LA UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL SEDE SANTO DOMINGO DE LOS TSÁCHILAS 2014”
iv
INFORME DEL DIRECTOR DE TESIS
Santo Domingo…....de………del 2015
Ing. KATIUSCA ROSERO DIRECTORA ACADÉMICA
Estimada Ingeniera
Mediante la presente tengo a bien informar que el trabajo investigativo realizado por el señor: JOSÉ IGNACIO TERÁN MONTERO, cuyo tema es: “CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA UN MOTOR DIÉSEL CON SISTEMA DE INYECCIÓN CRDI, EN LA UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL SEDE SANTO DOMINGO DE LOS TSÁCHILAS 2014”. Ha sido elaborado bajo mi supervisión y revisado en todas sus partes, por lo cual autorizo su respectiva presentación.
Particular que informo para fines pertinentes
Atentamente.
____________________________ Ing. EDWIN GRIJALVA.
v
Dedico este trabajo en primer lugar a Dios por todas las bendiciones recibidas en mi vida y por brindarme la sabiduría para realizar un correcto trabajo, a mis padres por ser el apoyo incondicional y mi principal motivación, y por todo el esfuerzo y trabajo que han realizado para que yo obtenga este logro tan importante en mi vida.
A mis hermanos que siempre están apoyándome y aconsejándome en todo momento, a mi familia que siempre están pendientes de mí. A mi novia por estar siempre apoyándome y motivándome para obtener este gran logro en mi vida.
vi
En primer lugar a Dios por concederme la vida, protección y bendiciones para poder cumplir esta meta.
A mis padres por brindarme su amor y su apoyo en cada paso que doy, por ser el ejemplo a seguir en mi vida, por su esfuerzo y sacrificio para que pueda ser un correcto profesional.
A mis hermanos y novia, por estar siempre apoyándome y por estar siempre a mi lado.
A mis compañeros de la universidad, que siempre estuvieron compartiendo conocimientos y algo mejor que eso, la amistad.
A mis profesores que desinteresadamente compartieron sus conocimientos con nosotros, y además de ser profesores fueron nuestros amigos, nos brindaron amistad y apoyo siempre.
A mi Director de Tesis Ing. Edwin Grijalva por compartir sus conocimientos y apoyo durante la dirección de este trabajo.
vii
Portada…….. ... i
Sustentación y aprobación de miembros del tribunal ... ii
Responsabilidad del Autor... iii
Informe del director de tesis ... iv
Dedicatoria ... v
Agradecimiento ... vi
Índice……… ... vii
Resumen Ejecutivo ... xvi
Executive Summary ... xviii
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN 1.1. Prólogo ... 1
1.2. Planteamiento del problema ... 2
1.2.1. Formulación del problema ... 2
1.2.2. Delimitación del problema ... 2
1.3. Objetivos ... 3
1.3.1. Objetivo General ... 3
1.3.2. Objetivos Específicos ... 3
1.4. Justificación de la investigación ... 3
1.4.1. Importancia de la investigación ... 3
1.4.2. Impacto social ... 4
1.4.3. Impacto teórico ... 4
1.4.4. Implementación práctica ... 4
1.5. Hipótesis ... 4
viii
1.7. Estrategia metodológica... 5
1.7.1. Diseño de la investigación ... 5
1.7.2. Unidad de análisis ... 5
CAPITULO II FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.1. Marco Teórico. ... 6
2.2. Motor diésel. ... 6
2.2.1. Historia. ... 7
2.2.2. Aplicaciones ... 9
2.3. Características generales de un motor diésel a alta velocidad: ... 10
2.4. Ciclos y funcionamiento ... 10
2.4.1. Primer ciclo: Admisión ... 10
2.4.2. Segundo ciclo: Compresión ... 11
2.4.3. Tercer ciclo: Combustión ... 12
2.4.4. Cuarto ciclo: Escape ... 13
2.5. Fundamentos del sistema de inyección diésel ... 14
2.6. Clasificación de los sistemas de inyección. ... 15
2.6.1. Sistema de inyección directa. ... 15
2.6.2. Sistema de inyección indirecta. ... 15
2.7. Ventajas e inconvenientes del motor diésel. ... 16
2.7.1. Ventajas: ... 16
2.7.2. Inconvenientes: ... 18
2.8. Sistemas de inyección CRDI ... 21
2.8.1. Generalidades ... 21
2.8.2. Principios de funcionamiento del sistema de inyección CRDI. ... 22
ix
2.10.2. Inyectores. ... 30
2.11. Fases de inyección. ... 33
2.11.1. Preinyección. ... 33
2.11.2. Inyección principal. ... 33
2.11.3. Inyección posterior. ... 34
2.12. Sensores del sistema. ... 35
2.12.1. Sensor de temperatura del refrigerante (ECTS)... 35
2.12.2. Sensor de posición del pedal de acelerador (APS). ... 36
2.12.3. Sensor de presión del riel (RPS). ... 37
2.12.4. Sensor de temperatura de combustible (FTS). ... 37
2.12.5. Sensor de presión atmosférica o altitud (HAC). ... 38
2.12.6. Interruptor del pedal del embrague. ... 39
2.12.7. Sensor del pedal de freno. ... 40
2.12.8. Sensor de caudal y temperatura del aire de admisión (MAF/IAT). ... 40
2.12.9. Sensor de posición del cigüeñal (CKP). ... 41
2.12.10. Sensor de posición del árbol de levas (CMP). ... 42
2.12.11. Sensor de presión del turbo-alimentador (BPS). ... 44
2.13. Unidad de mando o de control electrónica (ECU)... 44
2.13.1. Condiciones de aplicación. ... 45
2.13.2. Estructura. ... 46
2.13.3. Regulación de los estados de servicio ... 46
2.13.4. Comunicación de las unidades de control. ... 49
2.13.5. Intervención externa del caudal. ... 50
2.13.6. Bloqueo electrónico de arranque. ... 50
2.13.7. Acondicionador de aire. ... 50
2.13.8. Diagnostico integrado. ... 51
2.14. Actuadores del sistema. ... 52
2.14.1. Recirculación de los gases de escape (EGR) ... 52
x
2.14.5. Inyector. ... 56
2.14.6. Actuador de presión de sobrealimentación. ... 59
CAPITULO III DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN 3.1. Desarrollo. ... 61
3.1.1. Características del banco de pruebas ... 62
3.1.2. Estado del motor. ... 62
3.2. Construcción de la estructura o bastidor. ... 63
3.2.1. Diseño de la estructura... 65
3.2.2. Selección de materiales... 65
3.2.3. Análisis estructural del banco. ... 66
3.2.3.1. Calculo de peso del motor para la estructura. ... 66
3.2.3.2. Análisis de esfuerzo del bastidor. ... 67
3.2.3.3. Calculo de las ruedas. ... 69
3.2.3.4. Calculo de la soldadura. ... 69
3.2.4. Proceso de soldadura. ... 70
3.2.4.1. Corte de las piezas que conformarán la estructura. ... 70
3.2.4.2. Unión de las partes con la respectiva soldadura. ... 71
3.2.4.3. Montaje de las bases del motor. ... 72
3.2.4.4. Montaje del radiador. ... 75
3.2.4.5. Montaje de batería. ... 76
3.2.4.6. Montaje del intercooler. ... 76
3.2.4.7. Construcción del reservorio del combustible. ... 77
3.2.4.8. Montaje del reservorio de combustible... 79
3.2.4.9. Montaje del sistema de escape ... 80
xi
3.2.5. Proceso de pintura... 82
3.2.5.1. Preparación de la estructura. ... 82
3.2.5.2. Limpieza y desengrasado. ... 82
3.2.5.3. Fondeado... 82
3.2.5.4. Pintura. ... 83
3.2.6. Adecuación del motor e instalación de los componentes. ... 83
CAPITULO IV ANÁLISIS DE RESULTADOS 4.1. Análisis del motor. ... 84
4.2. Análisis de sensores. ... 85
4.3. Análisis de actuadores. ... 87
CAPÍTULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1. Conclusiones. ... 88
5.2. Recomendaciones ... 89
BIBLIOGRAFÍA ... 90
xii
Figura N° 2.1 Componentes motor diésel ... 7
Figura N° 2.2 Primer tiempo: admisión ... 11
Figura N° 2.3 Segundo tiempo: compresión ... 12
Figura N° 2.4 Tercer tiempo: combustión ... 13
Figura N° 2.5 Cuarto tiempo: escape ... 13
Figura N° 2.6 Relación de mezcla ... 17
Figura N° 2.7 Motor diésel no posee válvula de regulación ... 17
Figura N° 2.8 Sistema de alimentación ... 23
Figura N° 2.9 Bomba de alimentación de combustible ... 24
Figura Nº 2.10 Elemento calefactor y enfriador de combustible ... 25
Figura N° 2.11 Calentador eléctrico ... 26
Figura N° 2.12 Circuito de alta presión ... 27
Figura N° 2.13 Bomba de alta presión ... 28
Figura Nº 2.14 Inyector ... 31
Figura Nº 2.15 Inyección previa y principal ... 34
Figura N° 2.16 Sensor de temperatura (ECTS) ... 35
Figura N° 2.17 Sensor de posición del acelerador (APS) ... 36
Figura N° 2.18 Sensor de presión del riel (RPS) ... 37
Figura N° 2.19 Sensor de temperatura de combustible (FTS) ... 38
Figura N° 2.20 Sensor de presión atmosférica ... 39
Figura N° 2.21 Interruptor del pedal de embrague ... 39
Figura N° 2.22 Sensor de pedal de freno ... 40
Figura N° 2.23 Sensor de temperatura y flujo de aire (MAF/IAT) ... 41
Figura N° 2.24 Sensor de posición del cigüeñal (CKP) ... 42
Figura N° 2.25 Sensor de posición del árbol de levas (CMP) ... 43
Figura N° 2.26 Sensor de presión del turbo (BPS) ... 44
Figura N° 2.27 Unidad de control electrónica (ECU) ... 45
xiii
Figura N° 2.31 Bujía incandescente ... 56
Figura N° 2.32 Inyector de alta presión ... 57
Figura N° 2.33 Inyector piezoeléctrico ... 58
Figura N° 2.34 Válvula reguladora de presión del turbo ... 60
Figura N° 3.1 Motor KIA D4EA ... 63
Figura N° 3.2 Planos en 3D de la estructura ... 67
Figura N° 3.3 Rango de valores de esfuerzos ... 69
Figura N° 3.4 Corte y preparación de tubos ... 70
Figura N° 3.5 Armado de las estructuras laterales ... 71
Figura N°3.6 Remate de soldadura ... 71
Figura N° 3.7 Unión de travesaños ... 72
Figura N° 3.8 Base frontal del motor ... 73
Figura N° 3.9 Fabricación de bases ... 73
Figura N° 3.10 Fabricación de bases posteriores ... 74
Figura N° 3.11 Soldadura de las bases en la estructura ... 74
Figura N° 3.12 Motor acoplado a sus bases ... 75
Figura N° 3.13 Montaje de radiador ... 75
Figura N° 3.14 Base y soporte de batería ... 76
Figura N° 3.15 Montaje de intercooler ... 77
Figura N° 3.16 Preparación de material para reservorio ... 77
Figura N° 3.17 Soldadura tipo tig para acero inoxidable ... 78
Figura N° 3.18 Montaje de accesorio del reservorio... 79
Figura N° 3.19 Soldadura de bases del reservorio ... 79
Figura N° 3.20 Silenciador original KIA SPORTAGE ... 80
Figura N° 3.21 Tablero de conexiones ... 81
Figura N° 3.22 Malla perforada ... 81
xiv
Tabla N° 3.1 Datos generales de motor D4EA ... 61
Tabla N° 3.2 Descripción pesos y medidas de motor D4EA ... 63
Tabla N° 4.1 Evaluación de partes de motor ... 84
Tabla N° 4.2 Valor de la resistencia de la bobina de los inyectores ... 85
Tabla N° 4.3 Descripción de sensores ... 85
xv
ANEXO Nº 1 Datos técnicos de la rueda ANEXO Nº 2 Base delantera de motor
ANEXO Nº 3 Acoplamiento del sistema de escape ANEXO Nº 4 Corte de silenciador de escape ANEXO Nº 5 Acelerador tipo potenciómetro ANEXO Nº 6 Montaje de intercooler
ANEXO Nº 7 Montaje de filtro de aire ANEXO Nº 8 Certificado
xvi
CAPITULO I
En el presente capitulo hablamos de la importancia del banco de pruebas, para un motor diésel con sistema de inyección CRDI para la universidad Tecnológica Equinoccial, el mismo que permitirá una enseñanza teórica práctica a los estudiantes, y podrán simular las posibles fallas que suceden en el vehículo. Permitiendo determinar en tiempo real el estado en que se encuentran los diferentes elementos.
CAPITULO II
Se describe la historia del motor Diésel desde sus inicios hasta llegar a determinar que la combustión se realiza al inyectar una determinada cantidad de combustible finamente pulverizado en la cámara de combustión en la cual podemos encontrar el aire comprimido y caliente, el sistema de inyección directa e indirecta que se usa en el ciclo. El funcionamiento del sistema de inyección CRDI, fases de inyección y sensores del sistema.
CAPITULO III
Encontramos las características del motor que se va usar en el banco de pruebas para de esta manera realizar los cálculos que tiene que soportar la estructura, la simulación en SOLIDWORKS de los esfuerzos para poder seleccionar los materiales adecuados para la construcción del banco de pruebas.
CAPITULO IV
xvii
xviii
Chapter I refers the importance of the test bench, for a diesel engine injection system CRDI to the Universidad Tecnológica Equinoccial, which will allow a theoretical practical to the students and it also could simulate the potential failures that occur in the vehicle, this will determine the state in which the different elements are in real time.
Chapter II describes the history of the diesel engine from its inception until determining that the combustion is performed by injecting a certain amount of finely pulverized fuel in the combustion chamber in which there is the compressed air and hot, the system of direct and indirect injection that is used in the cycle; the functioning of the system of injection CRDI, phases of injection and system sensors.
Chapter III shows the characteristics of the engine that will be used in the test bench thus the calculations must support the structure, simulation in SolidWorks on the efforts to be selected the appropriate materials for the construction of the test bench.
CHAPTER IV analyzes the state of each of the components that make up the Diesel cycle engine, also checking the values of pressure to the injection pump as the resistance of the coil for each one of the injectors. In addition to this it is made an analysis of the sensors and actuators of the engine
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
1.1. Prólogo
A medida de que el parque automotor sigue creciendo a nivel mundial, las diferentes normas ambientales, exigen que los fabricantes de automotores, busquen soluciones para evitar que el incremento de la contaminación ambiental, por esa razón se ha llegado al desarrollo de nuevas tecnología en los motores tanto a gasolina como a diésel.
En nuestro país estos sistemas de inyección electrónica CRDI se han incrementado constantemente debido a la demanda de los usuarios que prefieren tecnología capaz de abastecer sus principales necesidades como son economía y un alto rendimiento en un vehículo.
Debido a este notable incremento del parque automotor con la llegada de la última tecnología diésel, se debe capacitar al profesional que va a dar servicio de mantenimiento a estos vehículo, la carencia de conocimiento al no existir equipos que ayuden a combatir este problema nos da como resultado una ineficiente preparación del profesional, tanto es así que su escasa experiencia no ha sido un factor favorable en el ámbito laboral.
En este proyecto no enfocaremos en los sistemas de inyección electrónica a diésel que se basan en la inyección a alta presión del combustible, los cuales generan menos emisiones de gases contaminantes a la atmosfera y por ende un ahorro en el consumo de combustible.
El taller de la UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCIAL actualmente no cuenta con un equipo dotado de un motor con la ya mencionada tecnología, en vista a la necesidad de superación de los estudiantes se ha decidido encaminar este proyecto, el cual será aprovechado de la mejor manera por los estudiantes.
1.2. Planteamiento del problema
El escaso conocimiento sobre los sistema de inyección diésel CRDI debido a la falta de un banco de pruebas para un motor diésel con sistema de inyección CRDI se ha convertido en un problema para los estudiantes de la carrera de ingeniería automotriz, ya que sin un equipo adecuado no se puede realizar las prácticas técnicas, por lo cual se requiere pedir vehículos a diferentes personas, volviéndose una dificultad al aprendizaje ya que la mayoría de personas tienen temor a que sus vehículos sufran daños y la mayoría de prácticas quedan delimitadas.
1.2.1. Formulación del problema
¿Cómo efectuar un estudio para que la carencia de conocimientos sobre sistemas de inyección diésel pueda ser compensada con un banco de pruebas para un motor diésel con sistema de inyección CRDI proporcionando que la preparación académica sea de un alto nivel en la Universidad Tecnológica Equinoccial sede Santo Domingo de los Tsáchilas 2015?
1.2.2. Delimitación del problema
1.3. Objetivos
1.3.1. Objetivo General
Construir un banco de pruebas para un motor diésel con sistema de inyección CRDI para compensar la carencia de conocimientos sobre inyección Diésel en la Universidad Tecnológica Equinoccial sede Santo Domingo de los Tsáchilas.
1.3.2. Objetivos Específicos
Investigar el tipo de inyectores que existen actualmente en el mercado.
Conocer que tipos motores diésel que existen actualmente en el mercado.
Determinar las características de funcionamiento de los diferentes motores diésel con sistemas CRDI que se encuentran en el mercado y el que se va a utilizar en el banco de pruebas.
1.4. Justificación de la investigación
La construcción de un banco de pruebas para un motor diésel con sistema de inyección CRDI nos permitirá determinar a tiempo el estado real en el que se encuentran los diferentes elementos del mismo, este banco será didáctico para los alumnos de la carrera de ingeniería automotriz y permitirá un correcto aprendizaje en lo que se refiere a inyección diésel.
1.4.1. Importancia de la investigación
1.4.2. Impacto social
El impacto social que va a generar este proyecto en la sociedad es que los estudiantes de la carrera de ingeniería automotriz van a tener la posibilidad de hacer las diferentes comprobaciones con mayor facilidad y comodidad por lo que ya no van a tener los inconvenientes que se generaban anteriormente al no existir un banco de pruebas, esto sería algo positivo para la sociedad ya que los estudiantes de la carrera de ingeniería automotriz brindarán un mejor servicio.
1.4.3. Impacto teórico
El impacto teórico que genera este proyecto es que el aprendizaje de los estudiantes de la carrera de ingeniería automotriz se va a complementar con la construcción del banco de pruebas, y además se podrá aplicar lo aprendido en clases directamente en el mismo.
1.4.4. Implementación práctica
Con la construcción de un banco de pruebas para un motor diésel con sistema de inyección CRDI se podrá realizar las prácticas adecuadas en lo que se refiere a inyección diésel ya que el banco será de mucha utilidad para toda la facultad de ingeniería automotriz.
1.5. Hipótesis
1.5.1. Formulación de la hipótesis
1.6. Variables
1.6.1. Variable Independiente
Carencia de conocimientos sobre inyección diésel. 1.6.2. Variable Dependiente
Preparación incompleta para el ámbito laboral. 1.7. Estrategia metodológica
1.7.1. Diseño de la investigación
Según el diseño de la investigación, tenemos que la misma se trata de una investigación de tipo experimental ya que aquí vamos a realizar diferentes actividades o mecanismos que nos lleven a nuestro objetivo.
1.7.2. Unidad de análisis
CAPITULO II
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1. Marco Teórico.
En este capítulo se hablara todo lo relacionado al motor diésel, desde su historia hasta los últimos avances tecnológicos, también de sus aplicaciones, ventajas y desventajas.
2.2. Motor diésel.
Según E. Ralbovsky, el motor diésel es una maquina térmica, de encendido por compresión, y de combustión interna, que convierte la energía calorífica del combustible en este caso diésel en energía mecánica como es el movimiento.
Cabe destacar que al igual que en un motor a gasolina, los principales componentes necesarios para que se pueda dar un proceso de combustión son: el block o bloque de motor, la culata del cilindro o tapa de cilindro, biela, cigüeñal, pistón, tren de válvulas y el volante. A continuación se explicara un poco la función de cada uno de estos elementos:
El block o bloque de motor es el principal elemento estructural del motor ya que en él se alojan o se fijan otros componentes, el block proporciona la forma básica del cilindro y en su parte superior se aloja el cabezote o culata, la culata contiene algunos elementos como son las válvulas de admisión y escape un inyector y en algunos modelos se puede encontrar el árbol de levas.
El pistón se encuentra conectado a una biela que está sujeta al cigüeñal del motor y este es el encargado de convertir el desplazamiento lineal del pistón en movimiento circular o giratorio, en un extremo esta sujetado un volante que se trata de un pesado disco que ayuda a mantener girando el motor cuando no se está produciendo potencia.
El conjunto del tren de válvulas se encarga de abrir y cerrar las válvulas de admisión y de escape en el momento oportuno y de manera sincronizada, permitiendo que el aire entre en el cilindro para que se realice la combustión y luego permitir la salida de los gases combustionados.
Figura N° 2.1 Componentes motor diésel
Fuente: E. Ralbovsky
Elaborado por: José Terán
2.2.1. Historia.
Una vez que se estableció el ciclo Otto en los motores de combustión interna, muchos investigadores iniciaron la búsqueda de métodos para inflamar una mezcla de aire y combustible, uno de los métodos consistía en comprimir el aire hasta conseguir temperaturas extremadamente altas, luego introducir el combustible inyectándolo en el aire muy caliente para q este se inflamara de inmediato, para que la combustión del combustible con el aire caliente produzca energía, y así a este tipo de motor lo llamaron “motor de encendido por compresión”, estos motores tuvieron muchos inconvenientes ya que los materiales con los que eran construidos no soportaban muchas temperaturas, otro inconveniente era la dificultad que existía al inyectar el combustible en la cámara a alta presión.
Fue el ingeniero alemán Rudolph Diésel quien se acredito el mérito a la creación del motor de encendido por compresión, ya que el primero se intentó hacer funcionar los motores con polvo de carbón pero estos explotaban fácilmente y es así como intento probar el motor con un combustible líquido y dándole resultado obtuvo un motor más económico y eficiente que otros de aquella época, y así en 1895 Diésel patento en Estados Unidos su motor de encendido por compresión.
En los años 1900 el uso de los motores diésel estaba designado a utilizarse en plantas industriales como motores estacionarios por sus grandes y pesadas dimensiones.
En 1924 se utilizó un motor con tecnología Diésel en un transatlántico, en 1925 se construyó el primer autobús con motor diésel y en 1926 se construyó el primer camión diésel, estos motores eran demasiado grandes y pesados como para ser utilizados en tractores de pequeñas dimensiones o en automóviles, pero a pesar de eso en 1922 el fabricante Peugeot intento fabricar un automóvil turismo con motor diésel.
los años 30 los motores diésel se habían extendido fácilmente y en 1936 Mercedes-Benz inicio la producción de un turismo con motor diésel.
Después de la segunda guerra mundial, la gasolina era demasiada cara menos en Estados Unidos, lo que obligo a los países de Europa y Japón a desarrollar motores diésel que fueran económicos para turismos, tractores y camiones pequeños, sin embargo el petróleo impuesto por los árabes provocó una subida excesiva en la gasolina por lo que el ahorro de combustible era un importante factor en la construcción de motores, y siendo el motor diésel una excelente alternativa para la economía de ese entonces.
A finales de los años 70, la mayoría de fabricantes ofrecían el motor diésel como opción para sus diferentes modelos de automóviles y camiones de dimensiones pequeñas e incluso los fabricantes americanos empezaron a incorporar motores diésel en sus modelos.
A mediados de los 80 la gasolina volvió a ser abundante y barata, debido al coste de producción de un motor diésel, los fabricantes dejaron de ofrecer estos motores en sus vehículos turismos, pero aun así no dejaron de aplicarlos en camiones de grandes dimensiones como en maquinaria pesada para abaratar un poco los costos de operación de estos motores.
2.2.2. Aplicaciones
El motor diésel es una maquina muy versátil capaz de producir desde una fracción de CV hasta 50000 CV esta versatilidad es la que hace que un motor diésel puede utilizarse para impulsar diferentes maquinas como son barcos, generadores, maquinarias de construcción maquinarias agrícolas, camiones grandes y pequeños, vehículos turismo, etc.
La tecnología de diese se ha vuelto dominante en áreas como la de camiones grandes, y una gran variedad de máquinas para la construcción y agricultura.
Debido a las diferentes aplicaciones en las que se usa un motor diésel se ha visto en la necesidad de diseñar según sus usos específicos por los que hay algunas diferencias entre unos y otros
Y para trabajos ligeros, entendiéndose por trabajo ligero el tipo de aplicación no el diseño o durabilidad del motor se utiliza un motor compacto diésel de alta velocidad en comparación a los grandes motores diésel que trabajan a baja velocidad para impulsar camiones de gran tamaño. (E. Ralbovsky)
2.3. Características generales de un motor diésel a alta velocidad:
Alto régimen de RPM,( aproximadamente 5000 RPM a diferencia de las 2100 RPM de los motores de baja velocidad)
Cámara de combustión diferente ( utiliza inyección directa)
Distintos métodos de arranque
Las diferencias que existen entre estos motores de alta velocidad al de baja velocidad se debe a que este motor es una opción para reemplazar un motor a gasolina ya que un motor diésel a alta velocidad se asemeja más a las prestaciones y al confort que a un motor a gasolina.
2.4. Ciclos y funcionamiento
2.4.1. Primer ciclo: Admisión
admisión se mueve a merced del pistón permitiendo la entrada de aire forzado hacia el cilindro del motor, de esta manera el motor diésel recibe todo el aire que puede admitir, ya que no hay restricción alguna en el conducto de admisión.
Figura N° 2.2 Primer tiempo: admisión
Fuente: E. Ralbovsky
Elaborado por: José Terán
2.4.2. Segundo ciclo: Compresión
Al seguir girando el cigüeñal el pistón se impulsa desde el punto muerto inferior hacia el punto muerto superior.
El árbol de levas cierra la válvula de admisión con la que el cilindro se cierra y el aire se mantiene atrapado, la carrera de compresión se da cuando el pistón se desplaza hacia arriba, cuando el aire se comprime y la temperatura sube a unos 540 ° C.
Figura N° 2.3
Segundo tiempo: compresión
Fuente: E. Ralbovsky
Elaborado por: José Terán
2.4.3. Tercer ciclo: Combustión
La carrera de combustión también se la denomina como carrera de expansión. En este ciclo el combustible es inyectado en el aire caliente altamente comprimido, este efecto genera que esta mezcla con el aire arda o se combustione rápidamente.
Esta combustión libera la energía calorífica del combustible, provocando un enorme incremento del calor y de presión en la cámara de combustión, el calor y la presión son los encargados de proporcionar la fuerza para mover los componentes del motor y este a la vez la maquinaria o vehículo.
Figura N° 2.4 Tercer tiempo: combustión
Fuente: E. Ralbovsky
Elaborado por: José Terán
2.4.4. Cuarto ciclo: Escape
En la carrera de escape se expulsa los gases quemados al exterior, esto se da cuando el pistón se desplaza desde el punto muerto inferior al punto muerto superior, los gases son empujados y estos pasan a través de una válvula de escape hacia el sistema de expulsión. Una vez que los gases quemados son expulsados en su totalidad la válvula anteriormente mencionada se cierra.
Figura N° 2.5 Cuarto tiempo: escape
Fuente: E. Ralbovsky
Al desplazarse el pistón hacia el punto muerto superior el ciclo diésel vuelve a repetirse comenzando nuevamente con el ciclo de admisión.
En este punto hemos observado que el volante ha proporcionado el momento necesario para mantener el motor en movimiento durante los ciclos de admisión, compresión, y escape. (Chevrolet División).
2.5. Fundamentos del sistema de inyección diésel
En los motores diésel la combustión se realiza al inyectar una determinada cantidad de combustible finamente pulverizado en la cámara de combustión, en la cual podemos encontrar el aire comprimido y caliente.
J. M. Alonso menciona que para obtener una combustión se necesita oxígeno y combustible. Se obtiene una combustión de un modo más favorable y rendimiento de un motor máximo cuando en el sistema de escape se obtiene cantidades mínimas de gases no combustionados. En cambio cuando la combustión es, deficiente o la cantidad de combustible es excesivo el motor emitirá una gran cantidad de humo negro por el sistema de escape ocasionando en algunos casos un sobrecalentamiento, que podría terminar con rupturas de pistones o deterioro de otros componentes.
Durante el tiempo de admisión el aire entra al cilindro atreves de un filtro, y por otro lado el combustible es llevado a la bomba de inyección desde un deposito o tanque, una vez el combustible alojado en la bomba de inyección, esta se encarga de enviar a cada uno de los inyectores a alta presión que será finalmente pulverizado en los diferentes cilindros.
Para lograr un buen funcionamiento de un motor diésel se debe tener una inyección correcta, las condiciones esenciales para garantizar un óptimo rendimiento son:
Iniciar la inyección en el instante preciso de modo que la combustión se realice correctamente y en su totalidad, variando el punto de inyección en consonancia con el régimen de giro del motor y las condiciones de carga
Pulverizar el combustible, subdividiéndolo en pequeñas gotas para facilitar su inflamación.
Comunicar la suficiente energía cinética a las gotas de combustible para lograr una buena penetración.
Difundir de manera uniforme las partículas de combustible en el aire de la cámara de combustión
2.6. Clasificación de los sistemas de inyección.
Los sistemas de inyección se clasifican según su tipo en: Sistema de inyección directa y Sistema de inyección indirecta.
2.6.1. Sistema de inyección directa.
En el sistema de inyección directa, el inyector vierte el combustible directamente en el cilindro sobre la cabeza del pistón el cual posee una cavidad con forma adecuada en la que se acumula el aire, al final de la comprensión se mantiene en movimiento continuo de torbellino. (Manuales Bosch).
2.6.2. Sistema de inyección indirecta.
El sistema de inyección indirecta dispone de una cámara de pre combustión que esta comunicada con la cámara principal mediante un estrecho conducto donde se aloja el inyector que vierte el combustible directamente en esta pre cámara, donde el aire adquiere un fuerte torbellino que favorece enormemente el desarrollo de la combustión.
especifico de combustible, ventaja que lo, ha hecho en la actualidad sea muy utilizado. (Manuales Bosch).
2.7. Ventajas e inconvenientes del motor diésel.
2.7.1. Ventajas:
Las principales ventajas básicas del motor diésel son:
1. BAJO CONSUMO DE COMBUSTIBLE 2. MENOR RIEGO DE INCENDIO.
3. MENORES NIVELES DE EMISIÓN DE GASES
BAJO CONSUMO DE COMBUSTIBLE
Los factores principales para un bajo consumo de combustible en un motor diésel son:
1. La relación de mezcla aire /combustible 2. La relación de comprensión
3. Menores perdidas por bombeo
Figura N° 2.6 Relación de mezcla
Fuente: E. Ralbovsky (cortesía Ford Motor Company)
Elaborado por: José Terán
Hoy en día los motores de gasolina tienen una relación de compresión de 9:1 aproximadamente en comparación a los motores Diésel donde podemos encontrar una relación de compresión de 15:1 y 23:1. La relación de compresión en los motores diésel de alta velocidad se encuentra entre 17:1 y 23:1. Mientras mayor es la relación de compresión más eficaz se vuelve un motor, ya que se obtiene mayor cantidad de energía del combustible.
La perdida por bombeo se refiere a la cantidad de energía que se pierde cuando se impulsa el aire en el cilindro y se expulsan los gases de escape. Un motor diésel no desperdicia energía cuando trata de impulsar el aire a través de la válvula de regulación ya que este motor no posee dicha válvula como los motores a gasolina, por lo tanto tiene menor perdida por bombeo comparado con los motores gasolina, el motor diésel obtiene una eficacia entre un 40 % hasta un 50% en ralentí y en la desaceleración, además inyecta muy poco o nada en estas circunstancias.
Figura N° 2.7
Motor diésel no posee válvula de regulación
Fuente: E. Ralbovsky
MENOR RIEGO DE INCENDIO.
Entendemos por volatilidad a la facilidad con la que se evapora un líquido.
El diésel no es tan volátil como la gasolina, pero esto no es razón para no tener los mismos cuidados para trabajar como se lo hace con la gasolina.
MENORES NIVELES DE EMISIÓN DE GASES.
Cuando hablamos de una menor emisión de gases nos referimos a que el motor diésel es más eficaz ya que ya q al admitir mayores cantidades de aire puede fusionar mezclas más ricas y quemar el combustible de una forma más completa convirtiendo eficazmente el combustible y el aire en dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) consiguiendo así evitar tener q utilizar distintos sistemas de control para reducir las emisiones de gases. (E. Ralbovsky)
2.7.2. Inconvenientes:
Los inconvenientes que presentan los motores diésel son:
1. Costos de fabricación
2. Distintos procesos de mantenimientos. 3. Arranque en frio.
4. Ruido del motor.
5. Humos u olor de escape 6. Baja relación potencia/peso
COSTOS DE FABRICACIÓN.
escasa, dando como resultado mayores costos de montajes y de los elementos que deben añadirse.
DISTINTOS PROCESOS DE MANTENIMIENTOS.
Los servicios y mantenimientos en este motor son diferentes, debido al diseño de construcción del mismo, los sistemas de combustible y encendido son diferentes al del motor a gasolina y requieren de personal altamente capacitado para realizar cualquier actividad.
ARRANQUE EN FRIO.
A diferencia del motor gasolina, el motor diésel requiere del calor de la compresión para iniciar la combustión, si la temperatura del aire es muy baja será muy difícil conseguir suficiente calor para poner en marcha dicho motor.
Para evitar este inconveniente los fabricantes han adaptado diferentes sistemas como son calentadores en el block, calentadores en el combustible, un mecanismo de arranque de alta potencia y una bujía de precalentamiento. Todos estos sistemas tienen el fin de ayudar a aumentar la temperatura del motor o proporcionar potencia adicional de arranque.
En motores grandes como los de los tractores se utiliza éter o un sistema que ayuda a calentar el aire, el éter es muy útil ya que en motores grandes la relación de compresión es relativamente menor de 19:1 porque no se dispone de sistema de pre combustión.
RUIDO DEL MOTOR.
Cuando el motor esta frio el ruido se hace más evidente debido a la combustión irregular, los distintos constructores han intentado reducir el sonido instalando amortiguadores de sonido especiales en el motor y en chasis para evitar q el sonido se propague has el habitáculo ocasionando molestias a los usuarios del automotor.
HUMOS U OLOR DE ESCAPE.
El humo negro que expulsa un motor diésel se lo conoce como hollín que es el resultado de un combustible que no se está quemando adecuadamente, o es una mezcla escasa de aire para realizar el proceso de combustión, incluso el motor en buenas condiciones de funcionamiento sigue emitiendo partículas, y en la actualidad se sigue trabajando para tratar de eliminar este inconveniente.
Cuando expulsa un humo de color blanco se debe a las bajas temperaturas, cuando la carga es ligera, combustible inadecuado, cuando hay agua en la cámara de combustión o un excesivo retraso en el encendido.
El humo blanco es aire mezclado con combustible que no se ha quemado, se encuentra humo blanco cuando se arranca en frio pero desparece normalmente cuando se calienta el mismo, el humo azul se debe a un excesivo consumo de aceite. El olor tanto como el humo es algo característico de un motor diésel.
BAJA RELACIÓN POTENCIA/PESO.
Debido a la intensidad del proceso de combustión de un motor diésel sus componentes deben ser lo suficientemente duraderos y por consecuencia su peso será muy elevado en comparación al de gasolina por esta razón se debe reforzar el bastidor o chasis para soportar el exceso de peso de este motor.
reforzadamente y por el proceso de combustión que genera una cantidad limitada de caballos de vapor.
En consecuencia a esto la relación peso/potencia de un motor diésel es relativamente baja en comparación a un motor gasolina que se fabrica con componentes más ligeros. (E. Ralbovsky).
2.8. Sistemas de inyección CRDI
2.8.1. Generalidades
Según datos históricos los pioneros en desarrollar el sistema de inyección de combustible a base de un riel o conducto común fue el fabricante automotriz FIAT junto de la mano de MAGNETI MARELLI, pero la industrialización la llevo a cabo el gran fabricante BOSCH dando paso a la fabricación del primer vehículo COMMON RAIL del mundo que se trataba de un ALFA ROMEO 156 JTD en el año de 1997.
El sistema de inyección de combustible de riel común o common rail CRDI es muy similar a un sistema de inyección electrónica a gasolina donde el combustible se hace llegar a un riel común a alta presión para luego ser expulsado a través de los inyectores los cuales están comandados por la unidad de control para producir la inyección de combustible para cada cilindro.
Las normas internacionales de anticontaminación exigen que los sistemas de inyección de alta presión estén complementados con dispositivos de reciclaje de gases de escapes y catalizadores de oxidación que son controlados por la unidad electrónica que gestiona el proceso de inyección.
el proceso de combustión obteniendo como ventaja un bajo consumo de combustible y baja emisión de gases contaminantes además disminuye el ruido del motor y ayudando a esto se realiza dos procesos de inyección en el que el primero se trata de una preinyección para reducir el ruido del motor y una inyección principal.
Como precaución en el sistema de alta presión es cuando exista una fuga de combustible no se debe manipular ya que puede resultar peligrosa una proyección del combustible por esa razón no se debe manipular el sistema con el motor puesto en marcha, se debe apagarlo y luego de 30 segundos se debe realizar el respectivo correctivo.
En el sistema de inyección CRDI, la computadora es la encargada de recibir distintas señales que permitirán al motor trabajar en las condiciones adecuadas por lo tanto se requiere de sensores para controlar: temperatura del líquido refrigerante, temperatura del aire que se admite, temperatura y presión del combustible, presión atmosférica y posición del pedal del acelerador, en función de las señales que brindan estos sensores se determina el tiempo de la inyección, se puede calcular el caudal de la inyección mediante el control de los inyectores y si es preciso se determina una preinyección para reducir los ruidos de la combustión y de la inyección principal
2.8.2. Principios de funcionamiento del sistema de inyección CRDI.
J. M. Alonso menciona que el combustible que se encuentra almacenado en el respectivo deposito es aspirado y enviado a baja presión por una bomba accionada eléctricamente hasta la bomba de alta presión donde la misma alcanzara valores de 1500 y 2000 bar para luego ser inyectada a través de los diferentes inyectores.
La bomba de transferencia puede estar alojada o montada en la misma bomba de alta presión la cual será accionada por el mecanismo de distribución o sino también puede ir montada en el depósito de combustible siendo en este caso accionada eléctricamente, el conducto o riel común se trata de una tubería de la cual salen distintas salidas de combustible hacia cada inyector de cada cilindro.
antes de la inyección principal, consiguiendo una óptima combustión generando también un nivel sonoro mucho más bajo y suave y además un mejor rendimiento del motor.
2.9. Sistemas de alimentación de combustible.
El sistema de alimentación de combustible de un sistema COMMON RAIL es muy similar al sistema de inyección a gasolina pudiéndose notar que el circuito de baja presión está conformado por una bomba eléctrica sumergida en el depósito de combustible y un filtro con su rampa de retorno de combustible. El circuito de alta presión está conformado por la bomba de alta presión, la rampa, riel o colector de alta presión y los inyectores de mando electromagnético. (J. M. Alonso Técnicas del Automóvil).
La bomba de alimentación es la encargada de proporcionar el caudal adecuado para abastecer a los inyectores y garantizar la lubricación y refrigeración de la bomba de alta presión, desde el filtro y los inyectores se establece un circuito de retorno de combustible, pasando por la rampa de retorno hacia el depósito de combustible.
Las conexiones hidráulicas debes estas efectuadas por tubería de acero acopladas desde el riel o colector común hacia los inyectores y desde el mismo hacia la bomba de alta presión.
Figura N° 2.8 Sistema de alimentación
Fuente: Dacarsa.net
La bomba de alimentación de combustible es generalmente de tipo volumétrico de células de rodillo con motor de escobillas y excitación de imanes permanentes, el rotor gira impulsado por el motor eléctrico creando volúmenes que se desplazan desde la lumbrera de entrada o aspiración de combustible hacia la lumbrera de salida o impulsión de combustible, estos volúmenes están delimitados por los rodillos que durante la rotación se adhieren a la pista exterior, la bomba posee dos válvulas las cuales una hace la función de anti retorno para evitar el vaciado del circuito cuando se detiene la bomba y la segunda es para limitar la presión de la bomba la cual es generalmente 5 bar.
Figura N° 2.9
Bomba de alimentación de combustible
Fuente: Manuales Bosch
Elaborado por: José Terán
La bomba de alimentación es comandada por la unidad electrónica de control o ECU y su funcionamiento se da a través de un relé durante unos segundos cuando la llave o swicht está en contacto o en ON, la bomba es desactivada después si el motor no es puesto en marcha. Con el motor encendido se mantiene la alimentación eléctrica y el funcionamiento de la bomba eléctrica.
Figura Nº 2.10
Elemento calefactor y enfriador de combustible
Fuente: Dacarsa.net
Elaborado por: José Terán
En la gráfica se puede observar un circuito de alimentación de combustible el cual dispone una bomba de alimentación de tipo rodillos sumergida en el deposito la cual envía el combustible a través del filtro hasta la bomba de alta presión, el combustible que es retornado del sistema de alta presión pasa desde el filtro hasta el deposito a través de un serpentín metálico que cumple la función de enfriador favoreciendo el cambio térmico del combustible que pasa por él y el aire del ambiente.
El propósito del enfriamiento del combustible que se ha calentado debido a las altas temperaturas que alcanza una bomba de alta presión y el riel, antes de que retorne al depósito de combustible es de evitar que se generen vapores dentro del depósito. (Recuperado de dacarsa.net).
Figura N° 2.11 Calentador eléctrico
Fuente: Manual de talleres KIA MOTORS
Elaborado por: José Terán
El filtro incorpora una válvula reguladora de la presión de alimentación, que limita la misma a 2.5 bar, y un elemento termostático para dar salida a una parte del combustible hacia el elemento de calentamiento, cl combustible llega al filtro por el conducto de entrada desde la bomba de alimentación y pasa hacia la cámara del elemento filtrante a través del cual llega hacia el conducto de salida donde después llegara hacia la bomba de alta presión, si la presión supera los 2.5 bar, se abre la válvula limitadora de presión permitiendo el paso del combustible hacia el circuito de retorno.
El filtro de combustible además incorpora un válvula termostática la cual está conformada por una lámina bi-metal que permite el paso del combustible cuando la temperatura de este es inferior al del valor estipulado generalmente 15°C hacia un conducto que se dirige al dispositivo de calentamiento y regresa por otro conducto hacia la cámara exterior donde se encuentra el elemento filtrante para unirse con el combustible que viene del conducto de entrada. (Manuales Bosch CRDI).
En algunos sistemas se utiliza una espira eléctrica para calentar el combustible similar a las empleadas en los sistemas convencionales de inyección diésel.
2.10. Circuito de alta presión
J. M. Alonso menciona que el circuito de alta presión está constituido por una bomba de alta presión, el riel de inyección y los inyectores, todos estos están interconexionados hidráulicamente, la bomba de alta presión es impulsada por el motor mediante el mecanismo de distribución que lo impulsa a la mitad del régimen de giro del motor y suministra el combustible a alta presión a los inyectores a través del riel de inyectores. La presión está controlada por el regulador incorporado en la bomba y comandado por la unidad de control electrónico.
Este tipo de bomba no trabaja sincronizada con la distribución y dispone de tres elementos de bombeo de los cuales uno de ellos mediante la unidad de control puede quedar fuera de servicio con la activación de una electroválvula permitiendo reducir la cilindrada de la bomba y con ello, la potencia absorbida en el funcionamiento del motor.
Figura N° 2.12 Circuito de alta presión
Fuente: Manual Bosch
Elaborado por: José Terán
El volumen del riel está adaptado a la cilindrada del motor, en el riel se encuentra montado un sensor de presión y temperatura del combustible que envían las señales a la unidad de control.
2.10.1. Bomba de alta presión.
La bomba de alta presión está conformada por tres elementos de bombeo regularmente espaciados, donde los émbolos son accionados sucesivamente por una excéntrica que se encuentra en el árbol de mando el cual gira sobre cojinetes lubricados por el propio combustible de alimentación.
El elemento de bombeo posee una válvula de aspiración de disco y una válvula de impulsión o salida de bola, ambas están presionadas con muelles.
El funcionamiento de la bomba de alta presión es el siguiente: el combustible es enviado a presión de alimentación y llega a la bomba de alta presión por el conducto de entrada, en este sector se encuentra una válvula de lubricación la que permite el paso de combustible hacia los cojinetes de rodamiento del eje de levas de la bomba, el combustible después de cumplir la función de lubricación pasa directamente al conducto de retorno.
Figura N° 2.13 Bomba de alta presión
Fuente: Manual Bosch
Cuando la presión de alimentación supera los 0.8 bar con el motor en marcha, la válvula de lubricación permite el paso del combustible hacia la cámara de bombeo de cada uno de los elementos entrando por la válvula de aspiración, llenando el volumen de la misma, que aumenta con el descenso del pistón.
Con el giro del eje o árbol de mando la excéntrica del mismo empuja el embolo de bombeo haciéndolo subir y comprimir el combustible de la cámara e impulsando a salir por la válvula de bola hacia el conducto de salida, el cual lo lleva hacia el riel común de inyección. La presión en el riel es controlada por el regulador de presión y este es controlado por la unidad de control para dar paso al retorno de combustible.
El volumen total de combustible impulsado por la bomba, es la suma de los tres volúmenes suministrados por cada uno de los tres émbolos de bombeo. Si se desea reducir dicho volumen para disminuir la potencia absorbida por la bomba se puede desactivar uno de los elementos de bombeo, siendo esto conveniente cuando el motor funciona a cargas parciales, para que esto suceda, se dispone en el tercer elemento de bombeo un dispositivo electromagnético, cuyo vástago puede desplazar a la válvula de admisión dejándola abierta permanentemente, haciendo que en este elemento no se produzca presión, la válvula de impulsión se mantiene cerrada dejando de suministrar combustible.
La activación de la unidad electromagnética esta comandada por la unidad de control en función de las condiciones de marcha del motor.
En esta posición, el combustible enviado a presión desde los émbolos de bombeo queda aplicado a la válvula, abriéndola para alcanzar el conducto de retorno cuando la presión supera la fuerza del muelle que es por encima de los 100 bar. Si la unidad de control alimenta la bobina del regulador se produce la activación de su núcleo provocando que el vástago presione la válvula de bola, provocando que suba la presión regulada. La corriente de mando de la bobina del regulador la proporciona la unidad de control de manera cíclica, con una determinada frecuencia, lográndose así la regulación de presión al valor más conveniente.
El regulador de presión tiene dos etapas o condiciones de funcionamiento diferentes: uno funcionamiento mecánico y otro eléctrico. En el mecanismo mecánico, el circuito de alta presión está sometido a variaciones de presión, debido a que esta aumenta durante la compresión de cada uno de los émbolos de bombeo y disminuye durante la apertura de los inyectores. La vibración de la válvula de bola del regulador amortigua estas oscilaciones. Todo ello ocurre cuando el regulador esta desactivado eléctricamente es decir cuando la computadora no envía pulsos de corriente.
Cuando se activa el electroimán del regulador, la fuerza de este se suma a la del muelle provocando que el valor de la presión de regulación aumente. (Recuperado de http://www.aficionadosalamecanica.net/common_rail3.htm).
2.10.2. Inyectores.
J. M. Alonso menciona que en los sistemas de inyección de combustible a alta presión, los inyectores están constituidos por una tobera propiamente dicha y una electroválvula de mando, situada en la parte superior del inyector.
Figura Nº 2.14 Inyector
Fuente: Manual Bosch
Elaborado por: José Terán
Por encima de la cámara de mando se sitúa un taladro calibrado que se comunica con el conducto de retorno de combustible cuando la electroválvula es activada por la unidad electrónica de control.
En posición de reposo de esta electroválvula su núcleo es empujado por el muelle que presiona una válvula de bola que tapa el orificio de fuga. Cuando la electroválvula recibe impulsos de corriente el núcleo es atraído por la bobina del electroimán y se destapa el orificio de fuga cuyo taladro es de mayor dimensión que es de entrada de combustible a la cámara.
Con esta acción la entrada de combustible no compensa la fuga y cae la presión en la cámara de mando, mientras se mantiene en la de presión, lo cual provoca el desplazamiento de la aguja del inyector, comenzando la inyección del combustible.
Las presiones de combustible puestas en juego en los sistemas de inyección COMMON RAIL no permiten el mando eléctrico directo de los inyectores, ya que ni la potencia de la electroválvula ni su velocidad de conmutación son suficientes. La apertura de estos se realiza por un efecto de presión diferencial, que se logra en los momentos adecuados por fuga del combustible de la cámara de mando.
Con la electroválvula de mando cerrada, la presión en la cámara de mando es igual a la de la cámara de presión, ejerciendo esfuerzos iguales y opuestos sobre la aguja del inyector, que permanece aplicada sobre su asiento por la fuerza del muelle.
La inyección de combustible dura tanto tiempo como la electroválvula de mando esté accionada. Al finalizar el impulso eléctrico, el muelle de la electroválvula empuja al vástago, que se aplica contra la bola y ésta cierra el conducto de fuga. En estas condiciones, la presión sube de nuevo en la cámara de mando y se iguala a la de presión del inyector con lo cual, se produce el cierre de la tobera y finaliza la inyección.
La velocidad de apertura de la aguja del inyector depende de la relación de sección entre los orificios calibrados de la cámara de mando. Por otra parte, el diámetro del orificio calibrado de entrada a la cámara influye en el tiempo de cierre del inyector.
La apertura del inyector depende del tiempo de activación de la electroválvula de mando. Para impulsos de activación cortos, la aguja del inyector no se levanta totalmente, dado el escaso tiempo de activación y la inercia que presenta el movimiento de elevación.
Con ello se obtiene un menor caudal de inyección. En cambio para tiempos de activación de las electroválvulas mayores, la aguja es levantada completamente liberando los orificios de salida del inyector, lo que supone un mayor caudal de inyección.
corto, la cantidad de combustible también lo será y la presión de inyección será menor a la del riel.
Cuando la duración del tiempo de inyección es mayor, la cantidad de combustible inyectado será mayor y la presión de inyección es igual a la del riel.
2.11. Fases de inyección.
2.11.1. Preinyección.
La preinyección consiste en suministrar al cilindro un pequeño caudal de combustible por lo general de 1 a 4 mm^3, que provoca un acondicionamiento previo de la cámara de combustión, logrando mejorar el grado de rendimiento de la combustión y consiguiendo, que la presión de compresión aumente ligeramente mediante una reacción previa o combustión parcial, reduciendo el retardo de encendido de la inyección principal, además reduce el aumento de la presión de combustión y las puntas de presión de combustión lo que significa una combustión más suave.
Estos efectos reducen el ruido de combustión, el consumo de combustible, y en muchos casos las emisiones. (Recuperado de http://www.tolucaweb.com.mx/resumen/el-motor-de-encendido-diesel.htm).
2.11.2. Inyección principal.
Figura Nº 2.15 Inyección previa y principal
Fuente: Manual Bosch
2.11.3. Inyección posterior.
La inyección posterior se da en algunos casos no en todos los sistemas y consiste en una inyección a continuación de la inyección principal durante el tiempo de expansión o de expulsión, hasta 200° del cigüeñal después del PMS. Esta inyección introduce en los gases de escape una cantidad de combustible exactamente dosificada.
Al contrario de la inyección previa y de la inyección principal, el combustible no se quema sino que se evapora por el calor residual en los gases de escape/combustible, es conducida en el tiempo de expulsión, a través de las válvulas de escape.
2.12. Sensores del sistema.
En el motor diésel con sistema de inyección CRDI los sensores son los elementos que informan, mediante las diversas magnitudes físicas en señales eléctricas, y las envían a la unidad de control sobre los parámetros indicados.
2.12.1. Sensor de temperatura del refrigerante (ECTS).
Este sensor está ubicado en el circuito de refrigeración del motor, para monitorear la temperatura del mismo a través de la temperatura del refrigerante.
El sensor está equipado con un resistor dependiente de la temperatura con un coeficiente de temperatura negativo, que es parte de un circuito divisor de voltaje al que se aplican 5 volteos. (Manuales Bosch CRDI).
Figura N° 2.16
Sensor de temperatura (ECTS)
Fuente: Manual Bosch
2.12.2. Sensor de posición del pedal de acelerador (APS).
A diferencia de los sistemas de inyección diésel convencionales y las bombas de inyección lineal con EDC (Control Electrónico Diésel) la aceleración que aplica el conductor ya no es transmitida directamente a la bomba de inyección a través de un cable o varillaje mecánico, sino que se utiliza un sensor en el pedal de aceleración para que transmita la posición del mismo mediante señales que son enviadas a la unidad de control electrónica.
El sensor está constituido por un potenciómetro por el cual se genera un voltaje en función de la posición del acelerador. Usando una curva característica programada, se calcula entonces la posición del pedal a partir de ese voltaje.
El sensor del pedal tiene dos potenciómetros, una señal es la posición del pedal para la unidad de control, la otra señal es para la verificación de la carga. Si fallara el sensor del pedal del acelerador, se establece el modo a prueba de falla y una velocidad levemente mayor a la de ralentí. (Manuales Bosch CRDI).
Figura N° 2.17
Sensor de posición del acelerador (APS)
Fuente: Miac.es
2.12.3. Sensor de presión del riel (RPS).
Este sensor es el encargado de medir instantáneamente la presión del riel con la precisión adecuada y de la forma más rápida posible.
El combustible presurizado actúa sobre el diafragma del sensor, lo que convierte en señal eléctrica, que después se ingresa a un circuito de evaluación que amplifica esta señal y la envía a la unidad de control electrónica. (Manuales Bosch CRDI).
Figura N° 2.18
Sensor de presión del riel (RPS)
Fuente: Mundo del motor
Elaborado por: José Terán
2.12.4. Sensor de temperatura de combustible (FTS).
Este sensor se encuentra ubicado en la línea de alimentación de combustible, a medida que aumenta la temperatura del combustible, la unidad de control electrónica modificara la inyección y tasa de entrega, al mismo tiempo ajustara los parámetros de funcionamiento de la válvula de control de presión del riel.
Puesto que el circuito de entrada de la computadora está pensado como divisor de tensión se reparte entre una resistencia presente en la computadora y la resistencia NTC del sensor.
Figura N° 2.19
Sensor de temperatura de combustible (FTS)
Fuente: Detroitdieselengines.info
Elaborado por: José Terán
2.12.5. Sensor de presión atmosférica o altitud (HAC).
Este sensor es el encargado de informarle a la computadora la presión atmosférica existente, para que ella corrija inteligentemente el tiempo de inyección de acuerdo a la presión atmosférica.
Este sensor está montado dentro de la computadora, el elemento sensible del sensor de presión absoluta está compuesto por un puente de Wheatstone sobre una membrana de material cerámico.
Sobre un lado de la membrana está presente el vacío absoluto de referencia, mientras que sobre el otro lado actúa la presión atmosférica.
Figura N° 2.20
Sensor de presión atmosférica
Fuente: Manual Bosch
Elaborado por: José Terán
2.12.6. Interruptor del pedal del embrague.
Este sensor tiene la función principal se suprimir las sacudidas del motor para lograr un mayor confort de marcha, para esto la computadora necesita saber si se ha embragado o desembragado momentáneamente. (Recuperado de www.citroen.mforos.com).
Figura N° 2.21
Interruptor del pedal de embrague
Fuente: Citroen.mforos.com
Estando aplicado el pedal del embrague se reduce por poco tiempo la cantidad de combustible que se inyecta, además de esta función se detallan otras como: la cancelación de la velocidad crucero, señal de carga inminente del motor, evitar el aumento brusco de las rpm del motor al desembragar durante un cambio de marcha.
2.12.7. Sensor del pedal de freno.
Por motivos de seguridad este sensor suministra a la computadora la señal de freno aplicado. Esta señal se utiliza para verificar que el sensor de posición del pedal del acelerador actué correctamente. (Recuperado de www.tallervirtual.com).
Figura N° 2.22 Sensor de pedal de freno
Fuente: Tallervirtual.com
Elaborado por: José Terán
2.12.8. Sensor de caudal y temperatura del aire de admisión (MAF/IAT).
Durante el funcionamiento dinámico es fundamental el establecimiento preciso de la correcta relación aire / combustible, para cumplir con las normas referentes a los límites de gasas de escape.
Estos sensores que miden con precisión deben ser independientes de la pulsación, flujo inverso, EGR, control variable del eje de levas y cambios en el control de temperatura del aire.
Se elige un medidor de masa de tipo Lamina Caliente, como el más conveniente, el principio de la lámina caliente se basa en la transferencia de calor desde un elemento sensor que está caliente, al flujo de aire.
Se utiliza un sistema que permite la medición del flujo del aire y la detención de la dirección del mismo. Los flujos inversos también se detectan en caso que se produzcan flujos de aire con fuerte pulsación. En la misma carcasa tiene montado un sensor de temperatura de aire. (Manuales Bosch CRDI).
Figura N° 2.23
Sensor de temperatura y flujo de aire (MAF/IAT)
Fuente: KIA MOTORS
Elaborado por: José Terán
2.12.9. Sensor de posición del cigüeñal (CKP).
Una rueda dentada de material ferro-magnético está unida al cigüeñal, en la cual faltan 2 dientes, a este espacio más grande se le asigna una posición definida del cigüeñal para el cilindro 1.
El sensor de velocidad del cigüeñal monitorea la secuencia de dientes de la rueda, el mismo está compuesto por un imán permanente y un alma de hierro dulce con un bobinado de cobre.
El flujo magnético del sensor cambia a medida que los dientes y espacios pasan frente a él, generando un voltaje sinusoidal de AC cuya amplitud aumenta abruptamente en respuesta a la mayor velocidad del motor. (Manuales Bosch CRDI).
Figura N° 2.24
Sensor de posición del cigüeñal (CKP)
Fuente: Hyundai Motor Company
Elaborado por: José Terán
2.12.10. Sensor de posición del árbol de levas (CMP).
Cuando un pistón se mueve en dirección al PMS, la posición del eje de levas determina si está en fase de compresión con encendido subsiguiente, o en la fase de escape.
Esta información no se puede generar únicamente con el dato del eje del cigüeñal durante la fase de partida. Por otra parte durante el funcionamiento normal del motor, la información generada por el sensor del cigüeñal basta para determinar el estado del motor.
El sensor del eje de levas utiliza el efecto electromagnético HALL al establecer la posición del eje de levas. Un diente de material ferromagnético está unido al eje de levas y gira con él.
Cuando este diente pasa frente a los discos semiconductores en ángulos rectos a la dirección de la corriente que fluye a través de los discos. Esto da como resultado una señal breve de voltaje (voltaje Hall) que informa a la unidad de control electrónica que el cilindro N°1 ha ingresado recién a la fase de compresión. (Manuales Bosch CRDI).
Figura N° 2.25
Sensor de posición del árbol de levas (CMP)
Fuente: Clearmachine