Estudio del funcionamiento de un motor de inyección directa a gasolina en diferentes alturas con respecto al nivel del mar

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA. ESTUDIO DEL FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DE INYECCIÓN ELECTRÓNICA DIRECTA A GASOLINA EN DIFERENTES ALTURAS CON RESPECTO AL NIVEL DEL MAR. TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL GRADO DE MAGÍSTER (MSc) EN SISTEMAS AUTOMOTRICES. JULIO CESAR LEGUISAMO MILLA [email protected]. DIRECTOR: MSc. ING. JORGE ENRIQUE MARTÍNEZ CORAL [email protected]. CO-DIRECTOR: MSc. ING. IVÁN ZAMBRANO OREJUELA [email protected]. Quito, julio 2016.

(2) i. DECLARACIÓN Yo Julio César Leguísamo Milla, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La. Escuela. Politécnica. Nacional,. puede. hacer. uso. de. los. derechos. correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. Julio César Leguísamo Milla.

(3) ii. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Julio César Leguísamo Milla bajo mi supervisión.. ______________________________________ MSc. ING. JORGE ENRIQUE MARTÍNEZ CORAL DIRECTOR DE TESIS. ______________________________________ MSc. ING. IVÁN ZAMBRANO OREJUELA CO-DIRECTOR DE TESIS.

(4) iii. AGRADECIMIENTO A la Escuela Politécnica Nacional y en especial a la Unidad de Postgrados de Ingeniería Mecánica por organizar y brindar el alto nivel de conocimiento en esta Maestría para aportar con mejores profesionales para el desarrollo de nuestro país. Un agradecimiento muy especial a todos los docentes por toda su dedicación, por el compromiso que tienen con todos sus estudiantes hasta ver su aprendizaje y su buen desarrollo. Gracias a mi director de tesis el Ing. Jorge Martínez por su paciencia y guía desinteresada para la culminación de este proyecto..

(5) iv. DEDICATORIA A Dios en primer lugar por permitirme estudiar, darme la inteligencia y perseverancia para poder desarrollar y concluir este tema que sirva como una fuente de consulta e investigación. Un agradecimiento especial a mis padres Julio César y Sara Fresia que han sido mi guía, el apoyo incondicional en todos los momentos de mi vida y gracias a su ejemplo y sabiduría siempre he salido adelante. A mis hijas Giullianna y Francheska por ser mi inspiración. En especial a mi novia Katherine por su apoyo, comprensión y amor..

(6) v. ÍNDICE DE CONTENIDO. DECLARACIÓN ...................................................................................................... i CERTIFICACIÓN ................................................................................................... ii AGRADECIMIENTO ............................................................................................. iii DEDICATORIA ..................................................................................................... iv ÍNDICE DE CONTENIDO ....................................................................................... v ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................... xi ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................... xiv ÍNDICE DE ANEXOS .......................................................................................... xvi RESUMEN….. .................................................................................................... xvii PRESENTACIÓN .............................................................................................. xviii CAPÍTULO I… ....................................................................................................... 1 1 INTRODUCCIÓN Y MARCO TEÓRICO.............................................................. 1 1.1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 1. 1.1.1. INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 1. 1.1.2. COMPENDIO ............................................................................................................. 2. 1.1.3. IMPORTANCIA DEL PROBLEMA ............................................................................. 2. 1.1.4. INYECCIÓN DIRECTA A GASOLINA EN LA ACTUALIDAD .................................... 2. 1.1.5. TENDENCIA DEL USO DE ESTA TECNOLOGÍA EN NUESTRO PAÍS ................... 3. 1.2 1.2.1. MARCO TEÓRICO ............................................................................................... 4 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA DE INYECCIÓN DIRECTA ................... 4. 1.2.1.1.1 Block del motor ............................................................................................................ 5 1.2.1.1.2 Cabezote ...................................................................................................................... 6 1.2.1.1.3 Árbol de levas .............................................................................................................. 7 1.2.1.1.4 Pistón .......................................................................................................................... 7 1.2.1.1.5 Anillos de pistón ........................................................................................................... 8 1.2.1.1.6 Bomba de aceite .......................................................................................................... 9 1.2.1.1.7 Sistema electrónico del motor ...................................................................................... 9.

(7) vi. 1.2.1.1.8 Sensor de posición para la aleta en el colector de admisión ................................... 10 1.2.1.1.9 Sensor de temperatura de los gases de escape ....................................................... 11 1.2.1.1.10 Sensor de Nox ......................................................................................................... 12 1.2.1.1.11 Inyectores de alta presión ....................................................................................... 14 1.2.1.1.12 Válvula dosificadora de combustible ....................................................................... 15 1.2.1.1.13 Electroválvula de control para aleta en el colector de admisión .............................. 16 1.2.1.2.1 Colector de admisión ................................................................................................. 17 1.2.1.2.2 Depósito de carbón activo ......................................................................................... 18 1.2.1.3.1 Sistema de combustible de baja presión ................................................................... 19 1.2.1.3.2 Bomba de combustible de alta presión ...................................................................... 19 1.2.1.3.3 Valvula dosificadora de combustible.......................................................................... 20 1.2.1.3.4 Riel de inyección ........................................................................................................ 21 1.2.1.3.5 Sistema hidráulico de inyectores de alta presión ...................................................... 22 1.2.1.3.6 Sistema de escape..................................................................................................... 23 1.2.1.3.7 Colector de escape .................................................................................................... 23 1.2.1.3.8 Precatalizador ............................................................................................................ 24 1.2.1.3.9 Catalizador acumulador de NOx ................................................................................ 25 1.2.1.3.10 Silenciador final ........................................................................................................ 25 1.2.2. MODOS OPERATIVOS............................................................................................ 26. 1.2.2.1 Modo estratificado ......................................................................................................... 28 1.2.2.2 Homogéneo ................................................................................................................... 28 1.2.2.3 Homogéneo pobre ........................................................................................................ 29 1.2.3. ADMISIÓN ............................................................................................................... 30. 1.2.3.1 Modo carga estratificada ............................................................................................... 30 1.2.3.2 Modo homogéneo-pobre ............................................................................................... 31 1.2.3.3 Modo homogéneo ......................................................................................................... 31 1.2.4. INYECCIÓN .............................................................................................................. 31. 1.2.4.1 Modo carga estratificada ............................................................................................... 32 1.2.4.2 Modo homogéneo-pobre .............................................................................................. 33 1.2.4.3 Modo homogéneo ......................................................................................................... 33 1.2.5. FORMACIÓN DE MEZCLA ...................................................................................... 33.

(8) vii. 1.2.5.1 Modo estratificado ......................................................................................................... 34 1.2.5.2 Modo homogéneo-pobre ............................................................................................... 34 1.2.5.3 Modo homogéneo ......................................................................................................... 34 1.2.5.4 COMBUSTIÓN .............................................................................................................. 35 1.2.5.5 Modo carga estratificada ............................................................................................... 35 1.2.5.6 Modo homogéneo-pobre ............................................................................................... 36 1.2.5.7 Modo homogéneo ......................................................................................................... 36 1.2.6. EMISIONES .............................................................................................................. 36. 1.2.6.1 Modo de Acumulación .................................................................................................. 37 1.2.6.2 Modo de Regeneración de Óxidos Nítricos .................................................................. 37 1.2.6.3 Carga de Azufre ............................................................................................................ 38. CAPITULO II.. ...................................................................................................... 40 2 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL................................................................... 40 2.1. CONSIDERACIONES PREVIAS ....................................................................... 40. 2.2. ALCANCE Y OBJETIVOS ................................................................................. 41. 2.2.1. OBJETIVO GENERAL.............................................................................................. 41. 2.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................... 41. 2.3 2.3.1. ESTRATEGIA METODOLÓGICA ..................................................................... 42 ETAPA 1 ................................................................................................................... 43. 2.3.1.1 Problema a Investigar ................................................................................................... 44 2.3.1.2 Modos de operación...................................................................................................... 44 2.3.1.3 Modo estratificado ......................................................................................................... 44 2.3.1.4 Modo homogéneo ......................................................................................................... 45 2.3.1.5 Modo homogéneo-pobre ............................................................................................... 46 2.3.1.6 Identificación de los subsistemas. ................................................................................ 46 2.3.1.7 Vehículo de pruebas. .................................................................................................... 47 2.3.1.8 Método para identificar modo de trabajo ...................................................................... 48 2.3.1.9 Datos de sensores y actuadores en los modos de trabajo ........................................... 51 2.3.1.10 Equipos de medición ................................................................................................... 53 2.3.1.11 Escáner Automotriz ..................................................................................................... 53.

(9) viii. 2.3.1.12 GPS garmin................................................................................................................. 55 2.3.2. SEGUNDA ETAPA ................................................................................................... 56. 2.3.2.1 Selección variables de estudio ..................................................................................... 57 2.3.2.2 Protocolo de Prueba ..................................................................................................... 67 2.3.2.3 Protocolo Prueba Estática ............................................................................................ 68 2.3.2.4 Protocolo Prueba Dinámica .......................................................................................... 69 2.3.2.5 Selección de Rutas ....................................................................................................... 71 2.3.2.6 Normas para selección de ruta ..................................................................................... 71 2.3.2.7 Pruebas Preliminares .................................................................................................... 72 2.3.2.8 Elaboración de hoja de ruta .......................................................................................... 73 2.3.3. TERCERA ETAPA.................................................................................................... 75. 2.3.3.1 Pruebas definitivas ........................................................................................................ 76. CAPITULO III. ...................................................................................................... 77 3 PRUEBAS… ..................................................................................................... 77 3.1. PREPARACIÓN DEL VEHÍCULO PARA LAS PRUEBAS ............................. 77. 3.1.1. PREPARACIÓN DEL VEHÍCULO ............................................................................ 77. 3.1.2. INSTRUCCIONES GENERALES ............................................................................. 77. 3.2 3.2.1. 3.3. CONEXIÓN DE EQUIPOS DE COMPROBACIÓN .......................................... 78 ESCÁNER AUTOMOTRIZ ....................................................................................... 78. PRUEBAS ............................................................................................................ 79. 3.3.1. EJECUCIÓN DE PRUEBAS .................................................................................... 79. 3.3.2. PRUEBAS ESTÁTICAS ........................................................................................... 79. 3.3.3. PRUEBAS DINÁMICAS ........................................................................................... 80. 3.3.3.1 Recopilación de Datos .................................................................................................. 81. 3.4. GRÁFICAS DE CONTROL DE CALIDAD PARA LAS VARIABLES. .......... 82. 3.4.1. GRÁFICO DE CONTROL PARA LA MEDIA (X). ..................................................... 83. 3.4.2. GRÁFICO DE CONTROL PARA LA DISPERSIÓN (R). .......................................... 84. 3.5 3.5.1. REPETITIBILIDAD Y REPRODUCIBILIDAD DE LAS MEDICIONES ....... 85 GRAFICO DE CONTROL DE LOS VALORES OBTENIDOS .................................. 85. 3.5.1.1 Gráficos de control para Rangos (R) y Medias (X) para el Valor de Carga Absoluto .. 86.

(10) ix. CAPITULO IV....................................................................................................... 89 4 ANÁLISIS DE DATOS ...................................................................................... 89 4.1. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS ESTÁTICAS .................................................... 89. 4.1.1. MODO DE TRABAJO EN LA PRUEBA ESTÁTICA ................................................. 89. 4.1.2. VARIACIÓN DEL TIEMPO DE ENCENDIDO .......................................................... 91. 4.1.3. VARIACIÓN DEL AIRE MEDIDO POR EL SENSOR MAF ...................................... 92. 4.1.4. POSICIÓN DE LA ALETA DEL CUERPO DE ACELERACIÓN............................... 93. 4.1.5. INGRESO DE AIRE ADICIONAL ............................................................................. 95. 4.1.6. APERTURA DE LAS VÁLVULA DE ADMISIÓN ...................................................... 96. 4.1.7. COMPORTAMIENTO DE LA VALVULA EVAP ....................................................... 98. 4.1.8. PRESIÓN DE COMBUSTIBLE EN LA RIEL ............................................................ 99. 4.1.9. ANCHO DE PULSO DEL INYECTOR DE COMBUSTIBLE ................................... 100. 4.1.10. APERTURA DE LAS VÁLVULAS DE ESCAPE ..................................................... 102. 4.1.11. TEMPERATURA DEL CATALIZADOR .................................................................. 103. 4.1.12. SENSOR DE OXÍGENO UNO PLANAR ................................................................ 104. 4.1.13. SENSOR DE OXÍGENO DOS DESPUÉS DEL CATALIZADOR ........................... 106. 4.1.14. FACTOR LAMBDA ................................................................................................. 107. 4.2. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS DINÁMICAS ................................................. 109. 4.2.1. MODO DE TRABAJO EN LA PRUEBA DINÁMICA ............................................... 109. 4.2.2. VARIACIÓN DEL TIEMPO DE ENCENDIDO ........................................................ 112. 4.2.3. CANTIDAD DE AIRE MEDIDA POR EL SENSOR MAF ....................................... 113. 4.2.4. POSICIÓN DE LA ALETA DEL CUERPO DE ACELERACIÓN............................. 114. 4.2.5. INGRESO DE AIRE ADICIONAL ........................................................................... 116. 4.2.6. APERTURA VÁLVULAS DE ADMISIÓN ............................................................... 117. 4.2.7. COMPORTAMIENTO DE LA VALVULA EVAP ..................................................... 119. 4.2.8. PRESIÓN DE COMBUSTIBLE EN LA RIEL .......................................................... 120. 4.2.9. ANCHO DE PULSO DEL INYECTOR DE COMBUSTIBLE ................................... 122. 4.2.10. APERTURA DE LAS VÁLVULAS DE ESCAPE ..................................................... 124. 4.2.11. TEMPERATURA DEL CATALIZADOR .................................................................. 125. 4.2.12. SENSOR DE OXÍGENO UNO PLANAR ................................................................ 127.

(11) x. 4.2.13. SENSOR DE OXÍGENO DOS DESPUÉS DEL CATALIZADOR ........................... 128. 4.2.14. FACTOR LAMBDA ................................................................................................. 129. CAPITULO V...................................................................................................... 132 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................. 132 5.1. CONCLUSIONES .............................................................................................. 132. 5.2. RECOMENDACIONES ..................................................................................... 134. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................. 135 ANEXOS……. .................................................................................................... 138.

(12) xi. ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Ubicación tabique de separación.......................................................... 6 Figura 1.2 Vista árbol de levas Hueco ................................................................... 7 Figura 1.3 Pistón de alta compresión Mazda cx-5 ................................................. 8 Figura 1.4 Flujo de presión de aceite bomba Duocentric ..................................... 9 Figura 1.5 Sensores y actuadores de aletas de admisión .................................. 11 Figura 1.6 Ubicación sensor de temperatura y sensor de Nox. ........................... 12 Figura 1. 7 Rangos de trabajo del sensor de Nox. .............................................. 12 Figura 1. 8 Cámaras de trabajo del sensor de Nox. ........................................... 14 Figura 1.9 Onda de trabajo del Inyector .............................................................. 15 Figura 1.10 Activación del solenoide HPV ........................................................... 16 Figura 1.11 Ubicación Electroválvula control de aletas ....................................... 16 Figura 1.12 Colector Admisión Mazda CX-5 ....................................................... 17 Figura 1.13 Diagrama de flujo de combustible inyección directa GDI ................. 19 Figura 1.14 Bomba de combustible de alta presión ............................................. 20 Figura 1.15 Solenoide de alta presión ................................................................. 21 Figura 1.16 Angulo de proyección e inclinación del inyector ............................... 22 Figura 1.17 Ventaja del uso del colector largo 4-2-1 ........................................... 24 Figura 1.18 Ubicación Precatalizador ................................................................. 24 Figura 1.19 Funcionamiento del silenciador a bajas rpm y altas rpm. ................. 26 Figura 1.20 Motor inyección directa con tres modos de trabajo .......................... 27 Figura 1.21 Motor inyección directa con dos modos de trabajo........................... 27 Figura 1.22 Modo estratificado, .......................................................................... 28 Figura 1.23 Modo Homogéneo. .......................................................................... 29 Figura 1.24 Modo Homogéneo-pobre ................................................................. 29 Figura 1.25 Flujos de aire en diferentes modos de trabajo ................................. 30 Figura 1.26 Inyección en los distintos modos de trabajo .................................... 32 Figura 1.27 Mezcla aire combustible en base al modo de trabajo ....................... 34 Figura 1.28 Combustión en base al modo de trabajo. ......................................... 35 Figura 2.1 Metodología Experimental .................................................................. 42 Figura 2.2 Metodología Experimental Etapa1...................................................... 43 Figura 2.3 Identificación de Subsistemas ............................................................ 47 Figura 2. 4 Mazda Cx-5 ....................................................................................... 48.

(13) xii. Figura 2. 5 Diagrama de identificación de modos de trabajo .............................. 49 Figura 2. 6 Ubicación sensores Mazda CX-5 ...................................................... 52 Figura 2.7 Ubicación sensores Mazda CX-5 ....................................................... 52 Figura 2.8 Escáner Maxidas ................................................................................ 54 Figura 2. 9 GPS Garmin ...................................................................................... 55 Figura 2.10 Especificación Técnica GPS Garmin ............................................... 56 Figura 2.11 Metodología Segunda etapa ............................................................ 56 Figura 2.12 Ciclo propuesto prueba dinámica .................................................... 70 Figura 2.13 Puntos de Control pruebas Preliminares ......................................... 73 Figura 2.14 Puntos de Control pruebas Estáticas ............................................... 74 Figura 2.15 Puntos de control pruebas dinámicas ............................................... 75 Figura 2.16 Metodología Experimental Tercera Etapa ........................................ 76 Figura 3.1 Conexión de escáner en vehículo de pruebas ................................... 78 Figura 3. 2 Tiempo del ciclo donde se realiza la toma de datos .......................... 82 Figura 3. 3 Ejemplo de gráfica de control de medias. [18]. .................................. 83 Figura 3. 4 Gráfica de control de rango de Carga Absoluta (%). ......................... 87 Figura 3. 5 Gráfico de control de medias de la Carga Absoluta. ......................... 88 Figura 4. 1 Ubicación modos de trabajo prueba estática ..................................... 90 Figura 4. 2 Variación de la carga con respecto a la altura. .................................. 90 Figura 4. 3 Tiempo de encendido respecto a la altura. ........................................ 92 Figura 4. 4 Sensor MAF con respecto a la variación de la altura. ....................... 93 Figura 4. 5 Posición aleta acelerador con respecto a la variación de la altura. ... 95 Figura 4. 6 Ingreso de aire adicional con respecto a la altura. ............................ 96 Figura 4. 7 Adelanto apertura válvulas con respecto a la altura. ......................... 97 Figura 4. 8 Válvula EVAP respecto a la variación de la altura. ........................... 99 Figura 4. 9 Presión de combustible con respecto a la altura. ............................ 100 Figura 4. 10 Ancho de pulso del inyector con respecto a la altura ................... 101 Figura 4. 11 Apertura de las válvulas de escape con respecto a la altura ......... 103 Figura 4. 12 Temperatura del catalizador con respecto a la altura .................... 104 Figura 4. 13 Sensor de oxígeno uno con respecto a la variación de la altura ... 106 Figura 4. 14 Sensor de oxígeno dos con respecto a la altura ........................... 107 Figura 4. 15 Lambda con respecto a la variación de la altura ........................... 108 Figura 4. 16 Modo de trabajo a diferentes alturas a 40km/h en aceleración ..... 110.

(14) xiii. Figura 4. 17 Modo de trabajo a diferentes alturas a 60km/h ............................. 110 Figura 4. 18 Modo de trabajo a diferentes alturas a 40km/h desaceleración .... 111 Figura 4. 19 Modo de trabajo a diferentes alturas a 40km/h ............................. 111 Figura 4. 20 Avance de encendido respecto a la altura prueba dinámica ........ 113 Figura 4. 21 MAF respecto a la variación de altura prueba dinámica ................ 114 Figura 4. 22 Posición de la aleta de aceleración respecto a la altura ............... 116 Figura 4. 23 Ingreso de aire adicional con respecto a la variación de altura .... 117 Figura 4. 24 Apertura de válvulas de admisión con respecto a la altura .......... 119 Figura 4. 25 Ciclo de trabajo de la EVAP con respecto a la altura .................. 120 Figura 4. 26 Presión de combustible con respecto a la altura .......................... 122 Figura 4. 27 Ancho de pulso del inyector con respecto a la altura .................. 123 Figura 4. 28 Apertura de las válvulas de escape con respecto a la altura ........ 125 Figura 4. 29 Temperatura del catalizador con respecto a la altura .................... 126 Figura 4. 30 Sensor de oxígeno planar con respecto a la variación de altura . 128 Figura 4. 31 Sensor de oxígeno dos con respecto a la variación de altura ...... 129 Figura 4. 32 Variación del factor lambda con respecto a la altura .................... 131.

(15) xiv. ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1 Vehículos a inyección directa comercializados en el Ecuador ............... 3 Tabla 1. 2 Solicitudes para la entrega de Par ...................................................... 10 Tabla 1.3 Características de los modos de trabajo .............................................. 39 Tabla 2.1 Especificaciones Técnicas Mazda CX-5 .............................................. 48 Tabla 2. 2 Carga absoluta según Norma SAE J1979.2002. ................................ 50 Tabla 2. 3 RPM según Norma SAE J1979.2002. ................................................. 51 Tabla 2. 4 Especificaciones Técnicas Escáner MAXIDAS ................................... 54 Tabla 2. 5 Variables Independientes.................................................................... 57 Tabla 2. 6 Variables dependientes....................................................................... 58 Tabla 2. 7 Formato prueba estática ..................................................................... 59 Tabla 2. 8 Formato Prueba Dinámica ................................................................. 62 Tabla 2. 9 Protocolo seleccionado para la evaluación del vehículo. .................... 67 Tabla 2. 10 Ciclos de ensayo de vehículos. ......................................................... 69 Tabla 2. 11 Características del ciclo de manejo................................................... 70 Tabla 2. 12 Procedimiento para realizar pruebas dinámicas. .............................. 70 Tabla 2.13 Lugares de pruebas preliminares ....................................................... 72 Tabla 2.14 Ruta para la prueba Estática .............................................................. 74 Tabla 2.15 Ruta para la prueba Dinámica ........................................................... 75 Tabla 3. 1 Valores medidos en la prueba de ruta.. 86. Tabla 4. 1 Identificación modo de trabajo prueba estática. .................................. 89 Tabla 4. 2 Tiempo de encendido con respecto al modo de trabajo y altura. ........ 91 Tabla 4. 3 Cantidad de aire con respecto al modo de trabajo. ............................. 92 Tabla 4. 4 Posición de la aleta del cuerpo de aceleración. .................................. 94 Tabla 4. 5 Ingreso de Aire Adicional. ................................................................... 95 Tabla 4. 6 Adelanto a la apertura válvulas de admisión. ...................................... 97 Tabla 4. 7 Comportamiento válvula EVAP. .......................................................... 98 Tabla 4. 8 Presión de combustible medida en el riel. ........................................... 99 Tabla 4. 9 Ancho de pulso del inyector .............................................................. 101 Tabla 4. 10 Adelanto a la apertura a las válvulas de escape ............................. 102 Tabla 4. 11 Temperatura del catalizador ........................................................... 103.

(16) xv. Tabla 4. 12 Comportamiento sensor de oxígeno planar .................................... 105 Tabla 4. 13 Sensor de oxígeno después del catalizador ................................... 106 Tabla 4. 14 Comportamiento de lambda ............................................................ 108 Tabla 4. 15 Modo de trabajo prueba dinámica ................................................... 109 Tabla 4. 16 Tiempo de encendido con respecto a la altura prueba dinámica. .. 112 Tabla 4. 17 Sensor MAF en la prueba dinámica ................................................ 113 Tabla 4. 18 Posición aleta cuerpo de aceleración en la prueba dinámica ........ 115 Tabla 4. 19 Aleta de ingreso de aire adicional en la prueba dinámica .............. 116 Tabla 4. 20 Apertura adelanto válvulas de admisión prueba dinámica .............. 118 Tabla 4. 21 Válvula EVAP en la prueba dinámica............................................. 119 Tabla 4. 22 Presión de combustible prueba dinámica ...................................... 121 Tabla 4. 23 Ancho de pulso del inyector prueba dinámica ................................ 122 Tabla 4. 24 Apertura de las válvulas de escape en la prueba dinámica .......... 124 Tabla 4. 25 Temperatura del catalizador en la prueba dinámica ....................... 125 Tabla 4. 26 Sensor de oxígeno uno en la prueba dinámica ............................... 127 Tabla 4. 27 Sensor de oxígeno dos en la prueba dinámica ............................... 128 Tabla 4. 28 Coeficiente lambda la prueba dinámica .......................................... 130.

(17) xvi. ÍNDICE DE ANEXOS ANEXO I: CARACTERÍSTCAS TÉCNICAS MAZDA CX-5 ................................ 138 ANEXO II: PRUEBAS ESTÁTICAS ................................................................... 144 ANEXO III: PRUEBAS DINÁMICAS .................................................................. 174 ANEXO IV: TABLA DE FACTORES CRÍTICOS DE CONTROL ........................ 227 ANEXO V: CÁLCULO RANGOS........................................................................ 228 ANEXO VI: FLUJO DE DATOS CON ESCANER .............................................. 242 ANEXO VII: FORMAS DE ONDA CON OSCILOSCOPIO ................................ 243 ANEXO VIII: INFORMACIÓN TÉCNICA MAZCA CX-5 ..................................... 245.

(18) xvii. RESUMEN En el presente estudio se desarrolla una metodología para determinar la influencia de la altura en un motor de inyección directa a gasolina. Se utiliza un escáner automotriz y un GPS, se realizó una prueba estacionaria y una prueba dinámica cada 500 metros de altura en un vehículo Mazda CX-5 aplicando los protocolos de pruebas establecidos en la Norma Técnica Ecuatoriana “NTN INEN 2213” para la prueba estática denominada TIS (Two Iddle Speed) y la prueba dinámica en base al estudio “ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE LAS VARIABLES DE UN MOTOR DE INYECCION ELECTRÓNICA RESPECTO A LA ALTURA SOBRE EL NIVEL DEL MAR1”. [1].. Los resultados obtenidos revelan cuando se producen los. modos de trabajo estratificado, homogéneo pobre y homogéneo, en los dos tipos de pruebas. La variación de la altura con respecto al nivel del mar muestra como varía la presión de combustible en el riel, el ingreso de flujo de aire al motor, el tiempo de encendido y el comportamiento de los sensores que controlan las emisiones contaminantes de acuerdo al modo de trabajo. Este estudio se detalla en los cinco capítulos que se describen a continuación: Capítulo 1. Comprende el fundamento teórico del sistema de inyección directa a gasolina. Capítulo 2. Describe la metodología experimental utilizada para determinar la obtención de datos cuantificables y fiables, mediante las pruebas estáticas y dinámicas utilizadas. Capítulo 3. Se desarrolla el procedimiento a realizarse en las pruebas para la obtención de datos de la prueba estática y dinámica. Capítulo 4. Se realiza el análisis de los resultados obtenidos en la prueba estática y la prueba dinámica .variando la altura con respecto al nivel del mar. Capítulo 5. Finalmente se presenta las conclusiones y recomendaciones.. [1]. L. Robles y J. Martínez, Estudio del comportamiento de las variables de un motor de inyección electrónica respecto a la altura sobre el nivel del mar, Quito, Pichincha, 2010..

(19) xviii. PRESENTACIÓN En la actualidad la contaminación ambiental a nivel global ha obligado a los diferentes países a establecer normas estrictas con respecto a las emisiones contaminantes producidas por los vehículos, por ser una fuente de contaminación ambiental. Por este motivo en años recientes los fabricantes de vehículos han aumentado la eficiencia de los motores de gasolina. Un ejemplo constituye la inyección directa de gasolina. Con esta técnica el consumo de combustible se ha reducido hasta en un 20% y la emisión de gases contaminantes en un 15%.. Esta investigación aborda cómo funciona la inyección directa a gasolina y se estudia cómo trabajan sus diferentes componentes en la geografía de nuestro país debido a que encontramos alturas de 0 msnm hasta 4500 msnm. La altura influye directamente en la carga absoluta del vehículo que influye directamente en el tipo de modo de trabajo del vehículo que puede ser modo estratificado, modo homogéneo pobre u homogéneo.. La investigación se realizó en base a un estudio similar efectuado en nuestro país para garantizar su confiabilidad y se utilizó los mismos protocolos de prueba estática y dinámica. Se recorrieron 5 provincias del país realizando las pruebas desde 0 metros sobre el nivel del mar hasta los 4500 metros de altura sobre el nivel del mar y en un intervalo cada 500 metros.. Se utilizó un vehículo con esta tecnología y equipos de comprobación específicos para poder acceder a la información del vehículo. El análisis de las pruebas estáticas y dinámicas determino cuando se producen los modos de trabajo y como trabajan los diferentes sensores y actuadores del sistema.. Para terminar se agregan varios anexos en los cuales se encuentra información del sistema de inyección directa a gasolina, datos obtenidos y referencias del vehículo..

(20) 1. CAPÍTULO I 1 1.1. INTRODUCCIÓN Y MARCO TEÓRICO INTRODUCCIÓN. 1.1.1 INTRODUCCIÓN2 Una fuente de contaminación es el automóvil razón por la que se están emitiendo leyes en los distintos países que limitan la cantidad de contaminantes emitidos a la atmósfera por los motores. Se han desarrollado nuevas tecnologías en vehículos con motores eléctricos que producen 0 emisiones contaminantes o híbridos que producen menos emisiones que un motor convencional, que no satisfacen todas las expectativas debido a que presentan deficiencias de autonomía, un elevado costo y dudas con respecto a las baterías. Por esta razón los fabricantes de autos han equipado sus tradicionales vehículos con sistemas de inyección directa a gasolina para cumplir las normas de emisiones actuales. [2] Una de estas tecnologías es el uso de inyección directa a gasolina que introduce grandes cambios con respecto al concepto básico de inyección indirecta. Utiliza algunos elementos ya conocidos, replantea el funcionamiento de algunos de los componentes e incorpora nuevos elementos, para obtener los beneficios de reducción de emisiones, menor consumo de combustible, mayor potencia y mayor rendimiento térmico. Vehículos con esta tecnología ya se comercializan en el país motivo por el cual es necesario conocer el funcionamiento y los modos de funcionamiento de estos motores en las condiciones geográficas y ambientales de nuestro país, mediante un estudio experimental y técnico para aportar al conocimiento y desarrollo tecnológico de nuestro país y ayudar a la conservación de nuestro medio ambiente mediante la recomendación del uso de vehículos implementados con esta tecnología.. [2]. BOSCH,. «Anfac. Research,». Diciembre. 2012.. http://www.anfac.com/openPublicPdf.action?idDoc=705.. [En. línea].. Available:.

(21) 2. 1.1.2 COMPENDIO En este apartado se hará una explicación acerca de los fundamentos básicos del funcionamiento de esta tecnología, sus ventajas e inconvenientes, así como las motivaciones que han propiciado su aparición y desarrollo. La fuente de esta investigación se basara en la información recopilada fundamentalmente en pruebas de campo, textos de consulta, manuales de servicio y páginas internet. Se indica cómo trabaja un sistema de inyección directa a gasolina en condiciones reales y que tan determinante es la influencia de la altura con respecto a la eficiencia de este tipo de motor.. 1.1.3 IMPORTANCIA DEL PROBLEMA3 “Aunque aparentemente esta tecnología se encuentra aún en su etapa inicial de difusión, lo cierto es que en los últimos 4 años su presencia ha aumentado sustancialmente y los vehículos con inyección directa han duplicado su peso en el mercado hasta casi un 19% en 2012, lo que apunta una fuerte tendencia al alza hacia su previsible implantación masiva en la próxima década. De hecho, las estimaciones más recientes afirman que el 28% de los vehículos de gasolina que se matricula en 2015 a nivel mundial serán de inyección directa.” [2]. 1.1.4 INYECCIÓN DIRECTA A GASOLINA EN LA ACTUALIDAD. La aplicación de la inyección directa no es nueva, diversos estudios y prototipos se han construido con éxito en las últimas décadas, pero sólo ahora parece posible. [2]. BOSCH,. «Anfac. Research,». Diciembre. 2012.. [En. línea].. Available:. http://www.anfac.com/openPublicPdf.action?idDoc=705. [3]. J. A. Lopez, «Análisis y Estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento y Reducción de Emisiones en Motores Alternativos de Combustiín Interna,» Universidad Zaragoza, Zaragoza, 2012..

(22) 3. implementarla en vehículos utilitarios. Debido a que se puede obtener las siguientes ventajas4 [3]: Reducción del consumo de combustible hasta un 20% y en ralentí hasta el. ·. 40% ·. Aumento del par de un 15% a bajas y medias rpm.. ·. Relación de compresión excepcionalmente alta.. ·. Reducción de la fricción interna del motor en un 30%.. ·. Cumple las normas Euro 6, Tier II BIN 5 (EE.UU.), y el nuevo reglamento de emisiones a largo plazo de Japón.. ·. Minimiza las pérdidas de bombeo.. ·. Su diseño ligero reduce el peso del motor en un 10%.. ·. Reducción de las emisiones de CO2 en un 15%.. 1.1.5 TENDENCIA DEL USO DE ESTA TECNOLOGÍA EN NUESTRO PAÍS Los resultados positivos de estos vehículos ya están haciéndose notar en nuestro país por lo que ya son varios distribuidores de distintas marcas en nuestro país que ofertan vehículos con esta tecnología como podemos observar en la Tabla 1.1. Tabla 1.1 Vehículos a inyección directa comercializados en el Ecuador MARCA. MODELO. AÑO. MOTOR. TOYOTA. GT 86. 2016. 2.0. FORD. EXPLORER. 2016. 2.0 L V6. NISSAN. QASHQAI. 2016. MAZDA. CX-5 MAZDA 3 MAZDA 6 TOUAREG. MERCEDES BENZ. INYECCION. RELACIÓN DE. DIRECTA. COMPRESIÓN. D-4S. 12.5:1. TI-VCT. 10.0:1. 2.0 L 4. DIG. 11,2:1. 2016. 2.0 Y 3.7. DISI. 2016. 3.6 V6. FSI. 14.0:1 14.0:1 14.0:1 12.5:1. E200,E250,. 2016. 1991. CDI. 9.8:1. BMW. 130i, 330i. 2016. 2.977. HPI. 16.0:1. AUDI. A4,A3. 2016. 1.8.;1.4. TFSI. 12.0:1. VOLKSWAGEN. [4]. B. Mustafa y B. Özdalyan, «Gasoline direct injection,» Fuel Injection, pp. 1-18, 2010..

(23) 4. 1.2. MARCO TEÓRICO. 1.2.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA DE INYECCIÓN DIRECTA. En un motor de inyección directa a gasolina la mezcla de aire y combustible se realiza directamente en el cilindro. Durante el ciclo de admisión, solo se arrastra el aire de combustión a través de la válvula de admisión abierta. El combustible es suministrado por inyectores de alta presión en la cámara de combustión. La dosificación, preparación y distribución de aire y combustible es de forma precisa para reducir el consumo y bajar las emisiones. [4]. Consta de un circuito de alta presión de combustible que está alimentado por una bomba de alta presión que comprime el combustible hasta el nivel que precisa el riel que puede variar en ralentí después de calentar el motor de 3000 kPa a 17500 kPa en condiciones de máxima carga.. Los inyectores conectados al riel de combustible dosifican y atomizan el combustible de forma extremadamente rápida y a alta presión para permitir la mejor preparación de la mezcla directamente en la cámara de combustión. Posee un sistema de control electrónico del motor el cual es el responsable de ajustar el par que debe generar. Se controlan todas las variables de los distintos sistemas y piezas de la unidad de control del motor que pueden afectar al par (control de la carga del cilindro, formación de la mezcla, tiempo de encendido, etc.). Estos sistemas se pueden clasificar en dos categorías:. Carga Estratificada.- En este tipo de motores se consigue una relación airecombustible pobre, al inyectar menos combustible, pero la característica es que esta mezcla no se encuentra repartida de manera homogénea debido a que un diseño especial en el ducto de admisión y en la cabeza del pistón. Se consigue que la mezcla sea rica en las cercanías de la bujía y pobre en el resto del.

(24) 5. volumen, con lo que se reduce el consumo de combustible, además en caso de requerir gran potencia o velocidad el motor pasa a trabajar con mezcla estequiométrica. [3] Carga Homogénea.- Estos motores utilizan una mezcla próxima a la estequiométrica, mediante el principio de reinyección de los gases de escape en la admisión, mediante una válvula bypass que introduce en el cilindro una corriente de gases de escape. En situaciones que requieran una potencia adicional, desconectan el sistema y trabajan con un funcionamiento normal. [3] 1.2.1.1 Sistema Mecánico5 En la parte mecánica nos basaremos en las características del vehículo de pruebas el Mazda CX-5 que está equipado con un motor de ciclo Miller el cual se diferencia del ciclo Otto en el ciclo de admisión, el cual retrasa el cierre de las válvulas de admisión y la compresión comienza más tarde en la carrera del pistón, esto reduce la presión de compresión actual y hace posible tener una relación de expansión más grande que la relación de compresión.. [5]. 1.2.1.1.1 Block del motor Es fabricado en fundición de aluminio a presión. Utiliza un recubrimiento especial en las paredes interiores de los cilindros proyectado por plasma. Este recubrimiento permite una reducción del peso de aproximadamente un kilo porque la capa de recubrimiento es muy fina y tiene un espesor de tan sólo 0,085 mm. Debido a este proceso las superficies son lisas y estables con pequeños cráteres que forman un. [3]. J. A. Lopez, «Análisis y Estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento y Reducción de Emisiones en Motores Alternativos de Combustiín Interna,» Universidad Zaragoza, Zaragoza, 2012.. [5]. MAZDA, Workshop Manual Engine CX-5, U.S.A, 2013..

(25) 6. sistema de micro cámaras de presión en las que se estanca el lubricante, además que hacen que no sea necesario ningún proceso de acabado adicional. [5]. 1.2.1.1.2 Cabezote6 La culata posee el alojamiento para el inyector de alta presión directo en la cámara de combustión de cada cilindro. En algunos modelos posee un tabique integrado como se puede observar en la figura 1.1. El cual subdivide el conducto de admisión en una sección superior y una sección inferior. La función del tabique es la de restringir el ingreso de aire por una sección cuando las aletas del colector de admisión están cerradas, provocando mayor turbulencia cilíndrica por la sección superior y cuando la sección inferior está abierta pasa mayor cantidad de aire hacia el cilindro por ambas secciones. [5]. Figura 1.1 Ubicación tabique de separación [6]. [5]. MAZDA, Workshop Manual Engine CX-5, U.S.A, 2013.. [6]. Mazda Motor Corporation, «MAZDA CX-5,» 2012..

(26) 7. 1.2.1.1.3 Árbol de levas Los árboles de levas tienen la característica que las levas se deslizan sobre un árbol hueco y se inmovilizan en la posición exacta. Para fijar las levas se utiliza presión hidráulica para aumentar el diámetro del árbol hueco con lo que las levas quedan sujetas al árbol interno que se ilustra en la figura 1.2 que corresponde aún vehículo Volkswagen que utiliza el mismo principio. El árbol interno va introducido en el árbol de levas longitudinalmente y se apoya en cojinetes obteniendo una reducción en el peso de 1.4 kg aproximadamente y una mayor resistencia a la flexión duplicada. [7]. Figura 1.2 Vista árbol de levas Hueco [8] 1.2.1.1.4 Pistón7 Es de fundición de aluminio a presión, en la cabeza del pistón esta mecanizado un domo en la parte superior y una pequeña cavidad en la parte central para concentrar la ignición y obtener un motor de alta compresión de 14:1 que corresponde al Mazda CX-5 y se puede observar en la figura 1.3. Además de formar una cavidad de [7]. Mazda,. «BRIDGEWATER. MAZDA,». 22. 10. 2014.. [En. línea].. Available:. http://www.bridgewatermazda.ca/en/info/skyactiv/index.spy. [8]. VOLKSWAGEN AG, Motor FSI de 1,4 ltr. y de 1,6 ltr. con cadena de distribución, Wolfsburg: Robert Bosch GmbH, 2003..

(27) 8. turbulencia para el aire de admisión que se dirige hacia la bujía y se mezcla con el combustible permitiendo una mezcla perfectamente combustible lo más cerca de la bujía. Mediante esta forma el pistón hace que el flujo del aire describa un torbellino cilíndrico que experimenta una mayor velocidad de arrastre de gases. [7]. Figura 1.3 Pistón de alta compresión Mazda cx-5 [7] 1.2.1.1.5 Anillos de pistón8 El segmento del pistón utilizado en todos los vehículos Mazda con inyección directa a gasolina, se desliza en la micro cámara producto del recubrimiento por plasma en el cilindro genera en ella una contrapresión que actúa contra el segmento, el cual se desliza sobre un cojín de aceite, reduciendo la fricción y desgaste. Poseen perfiles anodizados para evitar micro-soldaduras y mantener el pistón más alineado con la camisa por los bajos niveles de expansión térmica. Todos estos beneficios se traducen en un aumento del rendimiento del motor. [7]. [7] Mazda,. «BRIDGEWATER. MAZDA,». 22. 10. 2014.. http://www.bridgewatermazda.ca/en/info/skyactiv/index.spy.. [En. línea].. Available:.

(28) 9. 1.2.1.1.6 Bomba de aceite Es una bomba de aceite Duocentric, se puede observar una imagen ilustrativa en la figura 1.4. En versión regulada, que mantiene la presión del aceite a unos 350 kPa en cualquier régimen de revoluciones. Se minimiza la formación de espuma por mantenerse una presión estable lo que evita la degradación del aceite antes de tiempo. Además permite un 70% menos de perdida por arrastre de la bomba . El control volumétrico de flujo opera sólo cuando es necesario y por lo tanto no hace circular el aceite continuamente, ahorrando energía al motor, lo cual determina un ahorro en la eficiencia de combustible. [5]. Figura 1.4 Flujo de presión de aceite bomba Duocentric. [5]. 1.2.1.1.7 Sistema electrónico del motor9 La ECU posee mayores funciones básicas y adicionales que la de inyección indirecta de gasolina. Para la entrega de par existen dos clases de solicitudes una de orden interior y de orden exterior. Las solicitudes de orden de manera general. [5]. MAZDA, Workshop Manual Engine CX-5, U.S.A, 2013..

(29) 10. para los vehículos con inyección directa a gasolina. [9]. son las que se indica en la. Tabla 1.2.. Tabla 1. 2 Solicitudes para la entrega de Par ORDEN INTERIOR. ORDEN EXTERIOR. Arranque del motor. Tipo de manejo del conductor. Calefacción del catalizador. Cambio automático. Regulación del ralentí. Sistema de frenos (regulación antideslizamiento de la tracción, regulación del par de inercia del motor). Limitación de potencia. Climatizador (compresor para climatizador On/Off). Limitación del régimen. Programador de velocidad. Regulación lambda. Antes del cálculo del par teórico del motor la ECM analiza esta solicitud mediante dos vías. La primera vía determina el llenado de los cilindros para la necesidad de entrega de carga a largo plazo. La segunda vía en cambio influye en el corto plazo del par de giro, sin considerar el llenado de los cilindros.. Hay sensores y actuadores adicionales a los utilizados en el sistema de inyección indirecta de combustible. Analizaremos los sensores más representativos usados en inyección directa de combustible a gasolina, debido a que este sistema trabaja con sensores ya se conoce funcionamiento y se utilizan en autos con inyección MPFI.. 1.2.1.1.8 Sensor de posición para la aleta en el colector de admisión 10 Este unido al eje para las aletas en el colector de admisión, detecta la posición de las mismas debido a que es un potenciómetro como se ilustra en la figura 1.5. que corresponde a un vehículo Volkswagen debido a que es un gráfico más ilustrativo. [9] BOSCH, Técnica de gases de escape para motores de gasolina, Postfach: Robert Bosch GmbH, 2003..

(30) 11. La actuación de las aletas en el colector de admisión influye en el encendido, en el contenido de gases residuales y en las pulsaciones del aire en el colector de admisión. Esta posición también es importante para los gases de escape.. Figura 1.5 Sensores y actuadores de aletas de admisión [10] 1.2.1.1.9 Sensor de temperatura de los gases de escape11 Está ubicado en el tubo de escape como se observa en la figura 1.6. y mide la temperatura de los gases de escape. Con esta señal la ECU calcula la temperatura en el catalizador-acumulador de NOx. Debido a dos factores importantes como son:. ·. El catalizador-acumulador de NOx sólo puede almacenar óxidos nítricos a una temperatura operativa entre los 250 °C y 500 °C, sólo en este margen de temperaturas se puede pasar a los modos estratificado y homogéneo-pobre.. ·. Como producto de la combustión se producen óxidos de azufre que se almacena momentáneamente en el catalizador-acumulador de NOx. Para. [10] VOLKSWAGEN AG, Inyección directa de gasolina con Bosch Monotronic MED 7, Wolfsburg: Robert Bosch GmbH, 2002..

(31) 12. eliminar estos óxidos de azufre que ocupan espacio en el catalizador hay que elevar la temperatura del catalizador a unos 650º C.. Figura 1.6 Ubicación sensor de temperatura y sensor de Nox. [6]. 1.2.1.1.10 Sensor de Nox Mide la cantidad de NOx y el contenido de oxígeno en los gases de escape, consta de dos cámaras, dos celdas de bomba, varios electrodos y una calefacción. El elemento base es el dióxido de circonio que al tener una tensión aplicada, los iones negativos de oxígeno del electrodo negativo se desplazan hacia el electrodo positivo. Su funcionamiento se puede derivar del de una sonda lambda de banda ancha en la figura 1.7 se puede observar sus rangos de trabajo. [6]. Figura 1. 7 Rangos de trabajo del sensor de Nox. [6].

(32) 13. Con esta señal comprobamos el correcto funcionamiento del catalizador, si es correcto el punto de regulación lambda = 1 de la sonda lambda de banda ancha en el precatalizador o si se tiene que corregir. La corrección se produce a través de un circuito interno en la unidad de control para NOx, que se puede captar en los electrodos del sensor de NOx una señal parecida a la de la sonda de señales a saltos, sus partes para su entendimiento se pueden observar en la figura 1.8. La primera cámara determina el factor lambda de la siguiente manera una parte de los gases de escape fluye hacia la 1ª cámara. Debido a que existen diferentes contenidos de oxígeno en los gases de escape y en la celda de referencia se puede medir una tensión eléctrica en los electrodos. La unidad de control para sensor de NOx se encarga de regular esta tensión a 425 mV constantes, lo que equivale a una relación de combustible y aire de lambda = 1. [9] En la segunda cámara se determina el contenido de NOx su funcionamiento consiste en que los gases de escape sin oxígeno fluyen de la 1ªa la 2ª cámara. Las moléculas de NOx en los gases de escape se separan en un electrodo especial, produciendo N2 y O2. Como en los electrodos interior y exterior se regula una tensión constante de 450 mV, los iones de oxígeno se desplazan del electrodo interior hacia el exterior. Posee una bomba de oxigeno que genera una corriente que fluye para determinar el contenido de oxígeno en la 2ª cámara. Como la corriente de bomba de oxígeno guarda la misma relación hacia el contenido de óxidos nítricos en los gases de escape resulta posible determinar así la cantidad de óxidos nítricos. [9]12. [9] BOSCH, Técnica de gases de escape para motores de gasolina, Postfach: Robert Bosch GmbH, 2003..

(33) 14. Figura 1. 8 Cámaras de trabajo del sensor de Nox. [9] 1.2.1.1.11 Inyectores de alta presión 13 Tienen una resistencia de 1.7 a 2 ohmios su apertura se produce por la excitación del bobinado. Estos inyectores trabajan con mayores presiones lo que permite reducir el tiempo inyección para obtener una mejor dosificación que un inyector de inyección indirecta de combustible. El inyector de acuerdo al modo de trabajo puede realizar dos inyecciones una inyección al comienzo de la admisión y otra menor al final de la compresión. [11] La ECU comanda los inyectores por medio de un circuito electrónico, para que el inyector abra lo mas rapido posible se le da una breve premagnetización o conocida como fase de precarga que permite mejorar y provocar una subida rápida de la aguja del inyector que es alimentado con un voltaje de 12V y una corriente de 1 A. Después se produce la fase de llamada que tiene como objetivo provocar la subida [9]. BOSCH, Técnica de gases de escape para motores de gasolina, Postfach: Robert Bosch GmbH, 2003.. [10] VOLKSWAGEN AG, Inyección directa de gasolina con Bosch Monotronic MED 7, Wolfsburg: Robert Bosch GmbH, 2002. [11] I. Kawasumi, Y. Yasui,, Y. Higashitani y H. Ito, «Cooperated Control of Multi Stage Injection System for Direct Injection Gasoline Engine,» IEEE, pp. 1906-1911, 2006. [12] A. d. Gaeta, G. Fiengo, A. Palladino y V. Giglio, «A control oriented model of a Common-Rail System for Gasoline Direct Injection Engine,» IEEE, pp. 6616-6619, 2009..

(34) 15. rápida de la aguja con una alimentación de 70 a 80 voltios y una corriente de 11,5 A y para finalizar la fase de mantenimiento que permite continuar alimentando a la electroválvula limitando la potencia absorvida bajando la tensión de 30 o 12 voltios y una intensidad de 2,5 A con la que se le mantiene abierto como muestra la figura 1.9. [12]. Figura 1.9 Onda de trabajo del Inyector 1.2.1.1.12 Válvula dosificadora de combustible 14 Se lo denomina HPV (High Pressure Valve) controla la presión en el raíl. Permite disminuir la presión en el circuito de alta presión descargando la gasolina, controla los picos de oscilaciones de presión raíl, limita la presión en caso de una sobrecarga de presión para proteger el riel y los inyectores. Consiste en un solenoide que está normalmente cerrado cuando no está alimentado y está pilotado por corriente como se puede observar en la figura 1.10. La ECU determina el valor de la corriente que hay que enviar al HPV en función de la velocidad del motor, la presión del raíl medida y el modo de mezcla al que está trabajando. [5]. [5]. MAZDA, Workshop Manual Engine CX-5, U.S.A, 2013.. [12] A. d. Gaeta, G. Fiengo, A. Palladino y V. Giglio, «A control oriented model of a Common-Rail System for Gasoline Direct Injection Engine,» IEEE, pp. 6616-6619, 2009..

(35) 16. Figura 1.10 Activación del solenoide HPV. 1.2.1.1.13 Electroválvula de control para aleta en el colector de admisión Está en el colector de admisión y se conecta a un eje el cual se desplaza en posición abierta o cerrada a las aletas que se encuentran en los ductos de admisión de cada cilindro como indica la figura 1.11. Convirtiendo el colector de admisión en un colector de admisión variable el cual puede variar el ingreso de la cantidad de aire que ingresa al cilindro e influye en el torbellino de aire. Debido a que la masa de aire puede ir por encima y por debajo de la aleta de ingreso de aire lo que influye directamente en la formación de la mezcla y por ende en la formación de los gases de escape. Funciona a través de un mando neumático o eléctrico el cual desplaza la aleta el eje de acuerdo a la condición de potencia y par que se necesite.. Figura 1.11 Ubicación Electroválvula control de aletas.

(36) 17. 1.2.1.2. Sistema de admisión. El sistema de admisión consta de un medidor de masa de aire por película caliente con el sensor de temperatura del aire de admisión, una electroválvula para recirculación de gases de escape con potenciómetro, un sensor de presión del colector de admisión con el segundo sensor de temperatura del aire, colector de admisión con depósito de depresión para conmutación de las aletas del colector de admisión, un cuerpo de aceleración robotizado y un sistema de variable de las válvulas de admisión.. 1.2.1.2.1 Colector de admisión Los vehículos Mazda a inyección directa a gasolina utilizan un colector biescalonado de admisión variable que se muestra en la figura 1.12. Propicia las características deseadas en lo que respecta a la entrega de potencia y par, determinado por la carga, el régimen y la temperatura. El depósito de vacío va integrado en el módulo del colector de admisión.. Figura 1.12 Colector Admisión Mazda CX-5 [6].

(37) 18. 1.2.1.2.2 Depósito de carbón activo15 Los vapores de combustible se almacenan en el deposito de carbón activo y se conducen de forma sistemática hacia la cámara para su combustión. En los modos homogeneo-pobre y homogeneo la mezcla de ignición se encuentra distribuida de un modo uniforme en la camara. La combustión tiene lugar en toda la extensión de la cámara y el combustible procedente del depósito de carbón activo se quema en esa ocasión. En el modo estratificado solo se habilita si el sistema calcula que el depósito de carbón activo tiene una carga baja. La ECU calcula la cantidad de combustible que se puede agregar del depósito de carbón activo exitando la eléctrovalvula de acuerdo a la carga del motor, regimen de giro del motor, la temperatura de aire aspirado y el estado de la carga del depósito de carbón activo. [9]. 1.2.1.3. Sistema de combustible. El sistema de combustible está dividido en un sistema de combustible de baja presión (que consta de depósito de combustible, bomba eléctrica de combustible, filtro de combustible, válvula de dosificación de combustible y regulador de presión de combustible) y un sistema de alta presión (que consta de bomba de alta presión, tubo de combustible de alta presión, tubo distribuidor de combustible, sensor de presión de combustible, válvula reguladora de presión e inyectores de alta presión) que se puede observar en el diagrama en la figura 1.13. Adicionalmente se conduce combustible a través del sistema de depósito de carbón activo para su combustión en el motor.. [6]. Mazda Motor Corporation, «MAZDA CX-5,» 2012.. [9]. BOSCH, Técnica de gases de escape para motores de gasolina, Postfach: Robert Bosch GmbH, 2003..

(38) 19. Figura 1.13 Diagrama de flujo de combustible inyección directa GDI [3] 1.2.1.3.1 Sistema de combustible de baja presión16 El sistema de inyección de combustible baja presión es similar al de inyección directa tradicional con la diferencia que la bomba eléctrica en el depósito eleva el combustible hacia la bomba de alta presión. La presión del combustible en funcionamiento normal en el Mazda CX-5 es de 405 kPa a 485 kPa. [6]. 1.2.1.3.2 Bomba de combustible de alta presión17 La bomba de alta presión está sujeta a la carcasa del árbol de levas y conecta con el eje de admisión. Es una bomba radial de tres cilindros los cuales están calados a 120° para mantener reducidas las fluctuaciones de presión en el tubo distribuidor de combustible y establece una presión de 3000 kPa hasta de 17500 kPa y su disposición en el motor la indicamos en la figura 1.14. [5]. [3]. J. A. Lopez, «Análisis y Estudio de Sistemas de Aumento de Rendimiento y Reducción de Emisiones en Motores Alternativos de Combustiín Interna,» Universidad Zaragoza, Zaragoza, 2012.. [6]. Mazda Motor Corporation, «MAZDA CX-5,» 2012.. [5]. MAZDA, Workshop Manual Engine CX-5, U.S.A, 2013..

(39) 20. En el eje de accionamiento hay una leva excéntrica que al girar el eje establece los movimientos del ascenso y descenso de los émbolos de la bomba. En el movimiento descendente se aspira el combustible del elemento de baja presión, durante movimiento ascendente se impele el combustible hacia el tubo distribuidor. Cuando la presión en el émbolo hueco es superior a la del cilindro de la bomba, la válvula de admisión abre y permite que el combustible recircule. Si la presión en el cilindro de la bomba es superior a la de la rampa de inyección, la válvula de escape abre y el combustible es bombeado hacia la rampa de inyección. [5]. Figura 1.14 Bomba de combustible de alta presión 1.2.1.3.3 Valvula dosificadora de combustible18 Esta en el tubo de alimentación hacia la bomba de combustible de alta presión y hacia el regulador de presión de combustible. En funcionamiento normal la válvula se encuentra abierta y libera el paso hacia el regulador de presión del combustible . Si durante el ciclo de arranque del motor la temperatura del líquido refrigerante supera los 95 ° C y la temperatura del aire aspirado es superior a 50 ° C se trata de un arranque en caliente por lo que la ECU exita la válvula durante unos 50 segundos y cierra así el paso hacia el regulador de presión del combustible. [5]. MAZDA, Workshop Manual Engine CX-5, U.S.A, 2013..

(40) 21. A raíz de ello aumenta la presión en el sistema de baja presión procedente de la bomba eléctrica, razón por la cual es necesaria la intervención de una válvula interna para la limitación de la presión que alcanza 580 kPa como máximo. Este aumento de presión impide que se produzcan burbujas de vapor en el lado aspirante de la bomba de alta presion y garantiza una presurización adecuada en la figura 1.15 se observa su ubicación. [5]. Figura 1.15 Solenoide de alta presión 1.2.1.3.4 Riel de inyección19 El riel de inyectores es un acumulador de presión que está construido de acero y soporta presiones hasta de 17500 kPa, situado en el cabezote después de la bomba de alta presión. Constituye una reserva de gasolina a alta presión para suministro de los inyectores.. [13] L. Quifang , G. Xung, H. Yunfeng, C. Hong y M. Senior, «Active Disturbance Rejection Control of Common Rail Pressure for Gasoline Direct Injection Engine.,» American Control Conference , 2013. [14] H. Chen, G. Xun, L. Qifang y H. Yunfeng¡, «Triple-step method to design non-linear controller for rail pressure of gasoline direct injection engines,» IET Control Theory and Applications, pp. 952-959, 2013..

(41) 22. El conjunto del riel está constituido por el cuerpo de riel mismo, el sensor de presión del ríel (es un sensor piezo-eléctrico), adaptadores o acoples de entrada y salida., una válvula controladora de presión. Cuando más bajo es el volumen interno del raíl, más fácil es llenarlo o vaciarlo mediante la variación de presión. Debido a la estabilidad del control de la presión o del porcentaje de introducción al final de la inyección. La elección del volumen del ríel se determina de acuerdo a las duraciones de fases transitorias y la importancia de la caída de presión en el transcurso de la inyección. [13]. 1.2.1.3.5 Sistema hidráulico de inyectores de alta presión Los inyectores tienen que inyectar el combustible en un tiempo mínimo, adecuadamente pulverizado y de forma especifica según el modo operativo momentaneo. En el modo estratificado se posiciona el combustible de forma concentrada en la zona de la bujía, mientras que en los modos homogeneo-pobre y homogeneo se pulveriza de un modo uniforme en toda la camara de combustión. Con un ángulo de proyección de 70° y un ángulo de inclinación de chorro de 20° se tiene dado un posicionamiento exacto del combustible, sobre todo en el modo estratificado. Estos inyectores poseen 6 agujeros como se observa en la figura 1.16 para una óptima distribución de combustible. [14]. Figura 1.16 Angulo de proyección e inclinación del inyector [7].

(42) 23. 1.2.1.3.6 Sistema de escape20 El sistema de escape ha resuelto dos problemas, el primero debido a la elevada relación de compresión al abrirse las válvulas de escape del motor, una onda de presión recorre el colector y al encontrarse con una zona abierta, una onda de succión va en sentido contrario la cual si llega de vuelta a la cámara antes que se cierre la válvula de escape, ayuda a vaciar la cámara de gases sucios o residuales, que son imposibles de eliminar completamente antes del siguiente ciclo de combustión. El segundo problema se relaciona con el motor de inyección directa el cual con un catalizador de tres vías no alcanza los valores límites legales de óxido de nitrógeno, cuando el motor funciona en el modo de carga estratificada con mezcla pobre. Por esta razón se ha diseñado un colector de escape especial y. un catalizador. acumulador de NOx que acumula los óxidos de nitrógeno durante el funcionamiento con carga homogénea pobre. [15]. 1.2.1.3.7 Colector de escape Para reducir significativamente el gas residual se ha provisto de un sistema de escape 4-2-1, se puede observar las ventajas de su diseño en la figura 1.17. En un sistema MPFI con el colector de escape es corto y la onda de alta presión llega al siguiente cilindro dentro de un corto período de tiempo, causando este efecto adverso para continuar de baja a altas velocidades del motor. Sin embargo, con un colector del sistema de escape largo 4-2-1, se elimina este problema. [7]. [7]. Mazda,. «BRIDGEWATER. MAZDA,». 22. 10. 2014.. [En. línea].. Available:. http://www.bridgewatermazda.ca/en/info/skyactiv/index.spy.. [15] Y. Li y L. Dexin, «Study on the HC Emissions During Cold-Start Conditions of Gasoline Direct Injection Engine,» IEEE, pp. 1210-1213, 2011..

(43) 24. Figura 1.17 Ventaja del uso del colector largo 4-2-1 [7]. 1.2.1.3.8 Precatalizador Este elemento es un catalizador de tres vías y va ubicado dentro del colector de escape su disposición se observa en la figura 1.18. Esta ubicación cercana al motor es necesaria para que el catalizador alcance su temperatura de servicio lo más rápidamente posible, que es cuando comienza la descontaminación. De esta forma es posible mantener los límites establecidos para las emisiones contaminantes. [5]. Figura 1.18 Ubicación Precatalizador [7].