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Inyección directa gasolina


Las diferentes marcas de automóviles cada vez mas se están decidiendo por equipar sus modelos de gasolina con motores de inyección directa. Primero fue la marca japonesa Mitsubishi con los motores GDi ahora le siguen Renault con los motores IDE, el grupo PSA con los motores HPi, y Volkswagen con los motores FSi.

Si comparamos el sistema de inyección en los colectores (inyección indirecta también llamados MPI) con la inyección directa de gasolina, entendemos porqué esta ultima es superior a la primera. Los inyectores de un motor de gasolina (MPI) suelen estar ubicados en el colector de admisión, lo que explica la denominación de estos sistemas. El combustible es inyectado por delante de una válvula cerrada o bien encima de la válvula abierta y es mezclado de forma casi completa con el aire de admisión en cada una de las toberas del colector de admisión. Pero esta mezcla de aire y neblina de combustible inyectado no permite su perfecta explosión en el cilindro si no está preparada conforme a una exacta relación estequiométrica comprendida en unos límites muy específicos (1/14,7). En el caso de los motores dotados de un catalizador de tres vías es válida la ideal ecuación de lambda igual a uno.

Esta precisa relación de aire/combustible tiene que ser ajustada durante cada uno de los ciclos del motor cuando la inyección tiene lugar en el colector de admisión. El problema de estos sistemas de inyección viene dado principalmente a cargas parciales del motor cuando el conductor solicite una potencia no muy elevada, por ejemplo, (acelerador a medio pisar). Los efectos se podrían comparar con una vela encendida dentro de un envase que se va tapando poco a poco por su apertura superior: la llama de la vela va desapareciendo conforme empeoran las condiciones de combustión. Esta especie de estrangulación supone un desfavorable comportamiento de consumo de un motor de ciclo Otto en los momentos de carga parcial.
Es aquí donde se declaran las grandes virtudes de la inyección directa de gasolina. Los inyectores de este sistema no están ubicados en las toberas de admisión, sino que están incorporados de forma estratégica con un determinado desplazamiento lateral por encima de las cámaras de combustión.

La inyección directa de la gasolina posibilita una definición exacta de los intervalos de alimentación del carburante en cada ciclo de trabajo de los pistones así como un preciso control del tiempo que se necesita para preparar la mezcla de aire y combustible. En unas condiciones de carga parcial del motor, el combustible es inyectado muy cerca de la bujía y con una determinada turbulencia cilíndrica (efecto tumble) al final de la fase de compresión mientras el pistón se está desplazando hacia su punto muerto superior. Esta concentrada carga de mezcla puede ser explosionada aunque el motor se encuentre en esos momentos en una fase de trabajo con un determinado exceso de aire (1/12.4). Su grado de efectividad termodinámica es correspondientemente más alto. Comparado con un sistema de inyección en el colector de admisión (MPI) se obtienen unas importantes ventajas de consumo de combustible merced a la eliminación de la citada estrangulación.



A la izquierda tenemos la sección de un motor de inyección directa donde se aprecia la curva característica de la cabeza del pistón y el colector de admisión situado por encima de la válvula para favorecer la rotación del flujo de aire dentro del cilindro.
Arriba tenemos una foto de un pistón.

Los motores de inyección directa gasolina funcionan con dos tipos de mezcla según sea la carga del motor: mezcla estratificada y mezcla homogénea.

Mezcla estratificada: el motor es alimentado con una mezcla poco enriquecida cuando el vehículo se desplaza en unas condiciones de carga parcial (pedal del acelerador a medio pisar). Para poder conseguir una mezcla pobre para alimentar el motor, éste debe ser alimentado de forma estratificada.
La mezcla de aire y combustible se concentra en torno a la bujía ubicada en una estratégica posición central en las cámaras de combustión, en cuyas zonas periféricas se acumula prácticamente sólo una capa de aire. Con esta medida se consigue la eliminación de la mencionada estrangulación para proporcionar un importante ahorro de combustible. La positiva característica de economía de consumo es también una consecuencia de la disminuida dispersión de calor. El aire concentrado de la manera comentada en la periferia del espacio de combustión mientras se produce la explosión de la mezcla en la zona central de la cámara proporciona una especie de aislamiento térmico. Con esta estratificación específica de la carga, el valor Lambda en el área de combustión oscila entre 1,5 y 3. De este modo, la inyección directa de gasolina alcanza en el campo de carga parcial el mayor ahorro de combustible frente a los inyecciones convencionales : en marcha de ralentí incluso un 40%.

Cuando el motor trabaja con mezcla estratificada en la carrera de admisión solo entra aire en los cilindros.

Durante la carrera de compresión se inyecta el combustible y salta la chispa en la bujía
   

Mezcla homogénea: El control inteligente de la inyección permite disponer asimismo de una mezcla homogénea en los regímenes más elevados (cuando se exige potencia al motor). La inyección es adaptada de forma automática y el combustible no es inyectado en las fases de compresión sino en las de admisión. Unas determinadas leyes de la termodinámica imponen, no obstante, un aumento del llenado de los cilindros y una disminución de la temperatura de compresión en estas condiciones. Estos ajustes tienen unos efectos secundarios también muy positivos que se manifiestan en forma de unos elevados valores de potencia y par motor. Con una relación de compresión alta por encima de 11 (11,5:1) ofrece un valor significativamente más alto que un motor dotado de un sistema de inyección MPI.

Con mezcla homogénea la inyección se hace en la carrera de admisión.

El sistema de inyección directa de gasolina trabaja según el principio de funcionamiento del Common Rail utilizado para la inyección diesel. Es decir, un conducto o regleta distribuidora común, de alta presión, alimenta con carburante todas las válvulas de inyección; la presión regulada en el conducto distribuidor de combustible la origina una bomba de alta presión que puede alcanzar presiones de hasta 120 bar. Con las válvulas de inyección accionadas de forma electromagnética, el inicio y la duración del proceso de inyección es variable dentro de amplios límites. El caudal de inyección se mide exactamente, mientras que la geometría del chorro está sincronizada con las exigencias del motor. La forma y el ángulo el chorro, así como el tamaño de las gotitas pulverizadas, constituyen también parámetros importantes

Sistema  de inyección  Bosch Motronic MED 7

La gestión del motor debe estar en condiciones de cambiar en todo momento de forma instantánea e imperceptible para el conductor, entre el funcionamiento con carga homogénea o estratificada. El sistema Bosch Motronic MED 7 (figura inferior) asegura esta adaptación mediante una sincronización de la masa de aire, el caudal de gasolina y el ángulo de encendido. La masa de aire se ajusta mediante una válvula de estrangulación controlada electrónicamente .Los motores dotados de sistema de inyección directa de gasolina no sólo convencen por sus bajos valores de consumo en relación con los motores convencionales, sino también por sus bajas emisiones de anhídrido carbónico. Una retroalimentación regulada de los gases de escape reduce en la gama de carga parcial la expulsión de monóxido de nitrógeno. Los catalizadores acumuladores de reciente desarrollo y controlados por el sistema Motronic MED 7 garantizan el cumplimiento de los futuros valores límite de emisión de gases de escape. El principio consiste en que el catalizador aporta monóxido de nitrógeno durante el funcionamiento en fase de mezcla pobre. Para la regeneración, se conmuta brevemente a funcionamiento homogéneo en forma de mezcla rica para transformarlo de nuevo en nitrógeno y oxígeno.


Junto con el catalizador de tres vías, la regulación Lambda sigue siendo hoy en día el procedimiento más efectivo para la depuración de los gases de escape en los motores de gasolina. Además de las sondas Lambda estándar, Bosch ha desarrollado con la sonda Lambda plana una nueva generación de sensores de gases de escape. Como sonda de banda ancha, con un campo de medición sobredimensionado para valores Lambda entre 0,7 e infinito, la sonda plana de Bosch resulta apropiada también para motores de gasolina con mezcla pobre. Con ello, se ofrece igualmente para su uso en motores de cuatro tiempos con inyección directa, a la vez que desempeñara un papel importante en cuanto al cumplimiento de las futuras normas para gases de escape.

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