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INYECCIÓN - Definición - Significado

Desde el carbón en polvo a los dispositivos de inyección electrónica • Menor consumo específico e incremento de la potencia • Su primera aplicación en motores de competición y, a partir de los años sesenta, en la producción de serie • Dosificación electrónica del combustible

El primer motor de combustión interna alimentado mediante el sistema de inyección fue el patentado en 1893 por el ingeniero Rudolph Diesel. El combustible consistía en carbón en polvo, que posteriormente fue sustituido por derivados del petróleo. Como se sabe, del petróleo se obtienen por destilación fraccionada diversos tipos de aceite. En función del intervalo de destilación, se denominan aceites ligeros los que se destilan por debajo de 150 °C, y aceites pesados los obtenidos por encima de dicha temperatura. Los aceites ligeros, como son muy volátiles, se mezclan fácilmente con el aire y, si la agregación se efectúa en proporción adecuada, se obtiene una mezcla combustible. En cambio, el empleo de aceites pesados requiere que éstos sean inyectados en el aire pulverizados muy finamente; de otra manera, dada la imposibilidad de mezclarse, a temperatura ambiente, en forma de vapor con el aire, tenderían a depositarse sobre las paredes de los conductos y provocarían una combustión imperfecta.

Motores Diesel y de gasolina

En los motores Diesel que funcionan con gasoil (que es un combustible menos volátil que la gasolina), la combustión se efectúa tanto mejor cuanto más finamente es pulverizado el combustible y más homogéneamente es distribuido sobre el aire contenido en la cámara de combustión. Para esto ha sido indispensable equipar dichos motores con dispositivos de inyección capaces de realizar la mezcla de aire y carburante incluso a presiones elevadas. En definitiva, el objeto del sistema de inyección consiste en introducir el combustible en la cámara de combustión en el momento oportuno, adecuadamente pulverizado y distribuido según una ley de suministro apropiada. El encendido de la mezcla es provocado espontáneamente por la temperatura alcanzada por el aire (más de 500 °C) mediante relaciones de compresión muy elevadas (desde 16 a 22:1).

El ciclo teórico de funcionamiento del motor Diesel prevé una combustión a presión constante garantizada por el hecho de que el combustible es inyectado en dosis y se quema a medida que entra en la cámara de combustión. Sin embargo, en la práctica la combustión nunca se efectúa a presión constante, puesto que el combustible se enciende con retraso. Como consecuencia de lo anterior, al inicio se produce una acumulación de mezcla que provoca un aumento inevitable de la presión que se hace más sensible en los regímenes elevados. El retraso del encendido depende del tipo de combustible (número de *cetano) y de la calidad de la pulverización. Puede ser reducido, ya sea dando mayor capacidad de penetración al chorro, como también aumentando su turbulencia. La primera garantiza que durante el recorrido a través del aire comprimido las gotas alcanzarán temperaturas que permitan la evaporación; la segunda (turbulencia), al agitar el aire fresco, evita que los gases quemados permanezcan en las zonas próximas al inyector y dificulten la entrada de las partículas frescas que se han de poner en contacto con el oxígeno para quemarse.

Inyección diésel en el pasado

Los métodos empleados para realizar la inyección en los motores Diesel pueden ser de tipo neumático o mecánico. La inyección neumática, actualmente abandonada, se basaba en el empleo del aire comprimido como elemento impulsor del combustible. El conjunto está compuesto por: una bomba del combustible, que realiza la dosificación; un compresor de aire, y un inyector pulverizador. La alimentación se efectúa en 2 fases: en la primera la bomba dosifica el combustible y lo envía al inyector; en la segunda, la elevación de la aguja de este último da inicio a la inyección en el cilindro, que se produce por efecto del arrastre de la corriente de aire a alta presión suministrada por el compresor. En la inyección mecánica el combustible es inyectado y pulverizado por acción de una presión hidráulica muy elevada. La energía necesaria para la pulverización es suministrada por una bomba que trabaja a presiones que pueden alcanzar incluso 1.000 kg/cm2.

El inyector puede ser de cámara abierta, o bien de válvula de aguja, que se abre automáticamente por la presión del combustible. Las bombas, debido a las altas presiones a que están sometidas, son volumétricas, de pistones axiles o alternativos. La cilindrada de estas bombas es mayor que la necesaria para las máximas prestaciones: la dosificación del combustible se obtiene haciendo que, durante la fase de compresión del pistón, la parte sobrante refluya hacia las zonas de admisión (bombas de válvula de retorno). Otro sistema de dosificación, que se utiliza mucho en los motores Diesel rápidos, es el sistema en el cual la dosificación se obtiene por medio de la rotación del pistón acanalado producida automáticamente por el regulador.

Inyección diésel actual

Los diésel modernos dejaron atrás los sistemas de inyección comentados para funcionar actualmente en todos los casos con un sistema de inyección directa por conducto común y controlada electrónicamente. El grupo Volkswagen, que fue uno de los grandes impulsores de los modernos motores diésel, contó al principio en sus conocidas mecánicas TDI con el sistema inyector-bomba, un elemento que proporcionaba la inyección mediante la presión producida por las levas del árbol de levas y que ofrecía niveles de presión superiores a los primeros motores con inyección por conducto común. En la actualidad se ha impuesto en todos los casos la inyección mediante conducto común, que almacena el combustible a presión en una zona para, en el momento en que el complejo sistema electrónico lo requiere, inyectar las cantidades exactas en el momento preciso, contando además para ello con inyectores muy avanzados que pueden proporcionar varias inyecciones por ciclo.

Inyección de gasolina

Al considerar las aplicaciones de la inyección en los motores con ciclo de Otto, es decir, en los motores de gasolina, es necesario resaltar que en éstos el encendido es producido por una chispa, por lo que, en el momento de saltar ésta, la mezcla debe estar completamente formada.

La gasolina es más volátil que el gas-oil (se mezcla más fácilmente con el aire), por lo cual en el motor con ciclo de Otto es suficiente un carburador para formar la mezcla. En este caso la gasolina se mezcla con el aire fuera de la cámara de combustión, antes de la válvula de admisión. Al aplicar la inyección a los motores de explosión ha sido posible elegir 2 sistemas: en uno de ellos la gasolina es pulverizada e introducida en el conducto de admisión y la mezcla se forma antes de la válvula de admisión (de manera análoga a lo que ocurre en el carburador); en el otro sistema la gasolina es pulverizada e introducida directamente en la cámara de explosión y se mezcla con el aire contenido en ésta (de manera análoga a lo que ocurre en los motores Diesel). En el primer caso se habla de inyección indirecta y en el segundo de inyección directa.

Inicialmente, los motores de ciclo de Otto de los automóviles de producción de serie eran alimentados por carburadores, pero a partir de 1960 se produjo un progresivo aumento de la utilización de dispositivos de alimentación por inyección. Dicha tendencia había comenzado anteriormente en los motores de los vehículos deportivos, en los cuales era necesario obtener rendimientos elevados y eliminar las deficiencias de carburación que podían producirse, durante la marcha en las curvas, con la alimentación por carburadores (dado que el nivel en las cubetas no es siempre constante).

A finales de los años sesenta se planteó en la producción de serie el problema de reducir la presencia en los gases de escape de los productos tóxicos y contaminantes, por medio de una dosificación adecuada de la carburación. Dicha dosificación es, sin duda, más precisa si se efectúa por inyección. Además, la alimentación por inyección permite generalmente limitar el consumo del carburante.

De los aviones a los Mercedes (la inyección de gasolina hasta los años setenta)

Las primeras tentativas de aplicar la alimentación en los motores de ciclo de Otto datan de los años treinta. En Alemania, hacia 1935, la empresa Mercedes introdujo, con bastante éxito, en sus motores de aviación un sistema de inyección directa puesto a punto en colaboración con la Bosch. Durante la segunda guerra mundial, también los motores de algunos aviones de Estados Unidos fueron equipados con sistemas de inyección, pero indirecta. Igualmente, incorporaban sistemas de inyección indirecta los grupos propulsores de gasolina que iban montados en ciertos tipos de vehículos oruga de Estados Unidos y Alemania.

Después de la segunda guerra mundial, hay que llegar hasta 1949 para encontrar nuevamente motores de explosión alimentados por inyección. En aquel año dicho sistema, de tipo indirecto, fue aplicado con buenos resultados a los grandes motores de 4 cilindros Offenhauser de los coches para Indianápolis. En Europa, uno de los primeros ejemplos de motor automovilístico de inyección, también de tipo indirecto, lo constituyó el motor de 4 cilindros Connaught de Fórmula 2 (2.000 ce), de 1953. En el año siguiente, fue nuevamente Mercedes la que recurrió a la inyección, y en esta ocasión no ya para los motores de aviación, sino para los de 8 cilindros en línea que montaba en los coches de Fórmula 1. La empresa alemana adoptó también en este caso el sistema directo de tipo Bosch.

Siempre dentro del sector de los vehículos de competición (que, por otra parte, es donde los ejemplos de alimentación por inyección son más frecuentes), en 1956 se construyó el motor de 6 cilindros en línea del Jaguar D, alimentado por inyectores situados antes de la válvula de admisión (sistema indirecto). En 1957, la Van-wall preparó para su coche de Fórmula 1 un motor de 4 cilindros con alimentación por inyección directa del tipo Mercedes-Bosch. El mismo sistema fue aplicado en 1960 por la Borgward en el motor de 4 válvulas, de Fórmula 2. En 1961 también la Ferrari intentó la vía de la inyección, montando experimentalmente un sistema directo Bosch en el motor de 6 cilindros en V de su coche 246 Sport. En el año siguiente, la BRM y la Coventry-Climax adoptaron la inyección indirecta Lucas para sus motores de 8 cilindros en V, de Fórmula 1. En 1963, también los propulsores de Formula 1 Ferrari llevaban alimentación por inyección, aunque esta marca prosiguió con el sistema directo Bosch. Aparecieron más tarde varios motores de 8 cilindros en V (Honda, ATS y Ford para Indianápolis), así como, el motor de 8 cilindros boxer Porsche, todos ellos de inyección indirecta.

Posteriormente, fueron desapareciendo los carburadores en los motores de competición, y en los años setenta eran bien pocos los que no poseían el sistema de inyección (exclusivamente de tipo indirecto).

Entre los vehículos de serie, el primer automóvil con motor de inyección se remonta al año 1954. Se trataba del Mercedes 300 SL que, como los coches de competición de la misma marca, adoptó la inyección directa Bosch. Siguieron otros modelos de la empresa alemana, como el 200 SE y el 300, también equipados con el sistema Bosch, pero de tipo indirecto. Asimismo, llevaban sistema indirecto en 1961 el Peugeot 404 (sistema Kugelfischer) y el Maserati 3500 GT (sistema Lucas). Posteriormente, aparecieron el Lancia Flavia 1800 (Kugelfischer) y el Triumph 2000 de 6 cilindros (Lucas).

Como sucedió con los motores de competición, también en la producción de serie la inyección encontró cada vez más aplicaciones. Desde finales de los años sesenta, además de Mercedes, Peugeot, Maserati, Lancia y Triumph, numerosas marcas, tales como BMW, Citroen, Porsche, Volkswagen, Volvo, Opel, Fiat, Alfa Romeo, Ford y Renault, abandonaron los carburadores en algunos de sus modelos para pasar a la alimentación por inyección indirecta.

Debe tenerse en cuenta que, además de las grandes empresas especializadas en la construcción de aparatos de inyección (adoptados en serie por los fabricantes de automóviles), otros constructores han preparado sistemas aplicables a los coches que normalmente están equipados con carburadores. Éste es el caso, por ejemplo, de la empresa italiana SPICA (cuyo sistema está montado, entre otras, en el Alfa Romeo Montreal) y de la británica Tecalemit-Jackson (que construye instalaciones destinadas, sobre todo, a coches de competición. Otros sistemas de inyección han sido puestos a punto incluso por preparadores y por algunos pequeños constructores.

Inyección directa e indirecta. Para el reglaje de los sistemas de inyección era necesario modificar el caudal de aire o la dosificación del combustible, dado que un motor con ciclo de Otto funciona correctamente sólo dentro de una estrecha gama de relaciones de aire y gasolina. La inyección directa al cilindro puede ser sólo de tipo instantáneo, es decir, en fase con el ciclo del motor; la efectuada antes de la válvula de admisión (indirecta) puede producirse tanto en un solo instante como de manera continua.

La aplicación de la inyección a los motores con ciclo de Otto ofrecía notables ventajas respecto al sistema de carburador. Por ejemplo, los conductos de admisión no presentan el inconveniente que, para el rendimiento volumétrico, constituye el tubo de Venturi del carburador. En el caso de la inyección directa el fenómeno de la detonación queda atenuado (la formación de óxidos inestables requiere un cierto tiempo, por lo que reduciendo la permanencia en contacto del aire y el combustible, la detonación se produce bastante más atenuada); este fenómeno parece que debe atribuirse en parte al mayor enfriamiento de la cámara de combustión por efecto de la evaporación del carburante en el cilindro. El fenómeno puede ser aprovechado, ya sea utilizando gasolinas de menor número de octano, o bien aumentando la relación de compresión para conseguir una mayor potencia específica. Otras ventajas de la inyección, tanto directa como indirecta, son: la reducción de las probabilidades de retorno de llama, la eliminación del fenómeno de las incrustaciones de hielo que se produce en el carburador, la insensibilidad a las posiciones del motor (acrobacias de los aviones) o a las aceleraciones de los vehículos en las rectas o en las curvas.

Son también ventajas importantes la mayor compacidad y facilidad de instalación del aparato, especialmente en los motores de varios cilindros. En el caso de inyección directa se puede realizar un óptimo barrido de la cámara de combustión utilizando sólo el aire de admisión y esto conlleva un ahorro de combustible, un mayor rendimiento volumétrico y una mejor refrigeración de las válvulas. El inconveniente de la condensación de combustible sobre las superficies del cilindro puede ser superado colocando y proyectando adecuadamente los surtidores del inyector (y preparando la forma de la cámara de combustión, modelando adecuadamente la superficie superior del pistón y también la de la culata).

La inyección, tanto si es directa como indirecta, tiene la ventaja de alimentar uniformemente los cilindros no solamente a régimen, sino también durante los períodos transitorios (fase de aceleración). La mejor alimentación en transición es debida tanto a la escasa o nula deposición de gasolina en las paredes, como al hecho de que durante la aceleración no se producen fraccionamientos de ios componentes üe la gasolina de volatilidad diferente. Esta ventaja resulta interesante si se considera que la capacidad antidetonante suele ser muy distinta para cada componente de la gasolina. En resumen, que se necesita un número de octano menor para las aceleraciones.

Cuando la inyección se efectúa en el conducto de admisión, generalmente se realiza en correspondencia con la fase de admisión, aunque en muchos casos la experiencia enseña que esto no es estrictamente necesario. Una enorme desventaja respecto a la alimentación con carburador, especialmente si se trata de sistemas de inyección a baja presión, consiste en que el combustible tiene dificultades para formar una mezcla homogénea con el aire, puesto que el período de tiempo de que dispone para mezclarse es muy breve. El medio más eficaz para paliar dicho inconveniente consiste en provocar una notable turbulencia en la zona de inyección, pero esto va en perjuicio del rendimiento volumétrico. Otra desventaja del sistema de inyección directa es que el inyector se encuentra expuesto directamente en la cámara de combustión, con los problemas derivados de las altas temperaturas y de las presiones de funcionamiento. Se ha tratado de evitar este inconveniente (que es quizá el más grave) colocando el inyector en la pared del cilindro inmediatamente antes del punto muerto superior. De este modo, el inyector aprovecha tanto la ventaja de la menor temperatura del cilindro respecto a la de la culata como el efecto protector del pistón durante las fases más calientes del cilindro. Naturalmente, en este sistema se pierden parte de las ventajas descritas con anterioridad. Otros inconvenientes derivados de la colocación del inyector en la culata se refieren a los problemas de espacio relativos a la circulación del agua de refrigeración, a la instalación de las bujías y a las dimensiones de las válvulas.

Con todo lo anterior y hasta los años setenta, los sistemas de inyección directa pueden considerarse en desuso. En cambio, los de inyección indirecta tuvieron cierto éxito, pero no alcanzaron una difusión tan amplia como la de los carburadores por razones de coste. Esto es válido para los motores de grandes series. En los motores de prestaciones notables, como los de los vehículos de competición en los cuales los problemas económicos son secundarios, la inyección predomina.

Los sistemas de inyección más difundidos en el sector deportivo eran de tipo indirecto, de funcionamiento mecánico o electrónico. Los aparatos de inyección mecánica son los más numerosos; como ejemplo, bastará describir el tipo más empleado. Está compuesto esencialmente por el depósito de la gasolina, el filtro, una bomba de alimentación, un regulador, una bomba de inyección de tipo Bosch (que se diferencia de las utilizadas en los motores Diesel en que funciona generalmente a presiones mucho más bajas: 10-30 kg/cm2), el mando de la regulación y los inyectores (similares a los de los motores Diesel, aparte de la presión de regulación).

Cada sistema de alimentación debía poseer una notable estabilidad de funcionamiento. Mientras que esto es bastante fácil de obtener durante las fuertes cargas del motor, no ocurre lo mismo en los regímenes bajos, durante los cuales los intervalos de apertura y de cierre de los inyectores influyen de manera determinante en la dosificación. En las instalaciones destinadas a los motores de gasolina, dada la menor densidad de ésta respecto al gas-oil, era necesario lubricar los pistones de la bomba, evitando el peligro de que la gasolina pase a mezclarse con el aceite de lubricación. Una función muy importante, dado el limitado campo de proporciones de aire y gasolina requeridas para el buen funcionamiento del motor, es la que corresponde al regulador de las instalaciones mecánicas de inyección indirecta.

Dosificación electrónica del combustible

En general, el funcionamiento de un motor para la propulsión de automóviles se caracteriza por 2 parámetros fundamentales: presión media indicada y número de revoluciones; por consiguiente, la cantidad de combustible que debe inyectarse para cada ciclo debía ser función de 2 variables bastante significativas del funcionamiento del motor. Un par de variables, que era elegido muchas veces, está constituido por el ángulo de apertura de la mariposa y por la velocidad del motor. Existen también soluciones de regulación que se basan en un solo parámetro de funcionamiento del motor (por ejemplo, la presión absoluta en el colector de admisión). Un regulador que sea sensible a los 2 parámetros citados puede estar constituido por un captador de revoluciones del tipo de masas centrífugas, que traslada axilmente una leva en función de la velocidad angular del motor, y por un sistema de varillas que, según la posición de la mariposa, hace girar la propia leva. Un palpador, situado en la superficie de la leva, desplaza la cremallera de rotación de los pistones de la bomba de inyección y determina su caudal en función de los parámetros elegidos. Todos estos sistemas pertenecen a las denominadas instalaciones de inyección mecánica.

En los años sesenta se fue imponiendo la inyección electrónica. En esencia, los dispositivos están constituidos por una serie de circuitos electrónicos que elaboran las señales que llegan a los captadores que registran las condiciones de funcionamiento del motor y también de otros captadores de corrección sensibles a las condiciones ambientales y a los tiempos transitorios de calentamiento del motor.

Cada cilindro del motor lleva un interruptor electrónico alojado cerca de la válvula de admisión. Además, la instalación dispone de un filtro de gasolina, una bomba volumétrica de baja presión y un regulador de presión que detecta las variaciones barométricas debidas a los cambios de altura. Entre los captadores tiene importancia fundamental el que determina las fases de cada cilindro del motor para conseguir que la apertura de los diferentes interruptores se realice con una cadencia determinada. Generalmente, este captador se coloca sobre el delco. La gasolina, suministrada por la bomba en cantidad superior a la necesaria en las condiciones de consumo máximo y mantenida a presión constante por el regulador correspondiente, pasa al conducto de admisión del motor a través del orificio del inyector electrónico. Éste se mantiene abierto, durante el tiempo determinado por el elaborador electrónico (central o unidad de control), mediante un mando electromagnético situado en el propio inyector.

Prestaciones, ecología y eficiencia, la inyección de gasolina hasta nuestros días.

Al cabo de los años la inyección de combustible comenzó a retomarse para conseguir mejorar las prestaciones de algunos vehículos. Comenzó así una nueva carrera de la eficiencia y las prestaciones con los conocidos modelos GTI, que utilizaban en principio sistemas de inyección mecánica para mejorar la potencia final. De la inyección mecánica se pasó a la inyección electrónica, y de la búsqueda de las prestaciones se pasó igualmente a la búsqueda de la ecología. De este modo la necesidad de trabajar con una mezcla aire-gasolina exacta (lo que se conoce como mezcla estequiométrica) para que todos los vehículos estuvieran catalizados y que el catalizador funcionara de manera correcta, hizo que todos los coches incorporaran inyección electrónica. Bueno, todos no, pues en su época existió un Seat Panda que utilizaba un carburador electrónico, aunque se quedó en una mera anécdota del pasado. Actualmente los sistemas de inyección son muy sofisticados y de ellos depende en buena parte la eficiencia del propulsor.

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