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INTRODUCCIÓN AL COMMON RAIL

 

autor: jjhv@arpem.com

La inyección de gasoil es siempre al cilindro, llamándose los de inyección directa como tal, al hacerse esta directamente a la cámara del cilindro y siendo la tradicional e indirecta a una cámara anexa pudiendo ser de turbulencia o precámara.

No voy a hablar de los diesel de inyección indirecta porque la historia del automóvil en gasoil se ha escrito en esta forma de inyección. De hecho el diesel nació como tal en inyección directa y fue la implantación en automóvil la que trajo la conocida inyección indirecta, para suavizar su funcionamiento y aumentar el limite de giro.

Para inyectar el gasoil al cilindro se precisa de un sistema que venza la elevada presión que existe dentro de la cámara en la etapa final de la compresión, y además pulverice el gasoil finamente, esto hace que la presión de inyección tenga que alcanzar valores de mas de 150 kg/cm2, para ello se recurre a una bomba de desplazamiento positivo, por su característica de proporcionar presiones muy elevadas.

Este tipo de bomba se presenta como un pistón que se desplaza dentro de un cilindro empujando al fluido al exterior mostrándose la presión mediante el tarado de un muelle que cierra el orificio de salida.

Tradicionalmente se han montado bombas de dos tipos.

  • En línea
  • Rotativas

Las primeras (en línea) disponen de un pistón por cada cilindro en el motor ,accionado por un árbol de levas, variándose el dosado mediante el giro de los pistones de la bomba enfrentando unas lumbreras a los orificios de llenado de los pistones. El giro de los pistones de la bomba modifica el recorrido efectivo de la carrera desalojando en su posición de cero carga todo el gasoil por el mismo orificio de llenado.

Las segundas (rotativas) existen de dos tipos se conocen como C.A.V. o bosch.

Las de bosch son similares a una en línea solo que no es un árbol de levas la que mueve los pistones, sino un plato con resaltes que hace el mismo efecto, el pistón es único y existe un distribuidor que manda el gasoil a cada cilindro mediante un distribuidor de forma similar a la chispa en un distribuidor.

Aunque tanto CAV como bosch son fabricantes en el mercado se conocen las bombas por esta denominación, las de tipo CAV están formadas por dos pistones dispuestos enfrentados uno a otro, un extremo de ellos se apoya en una corona que dispone de resaltes de forma que al girar los empuja , desplazando el gasoil entre ellos el cual abandona la bomba mediante un distribuidor de forma similar a un distribuidor.

La introducción de las bombas rotativas abarató mucho la fabricación de estos equipos, muy caros por la tolerancia tan estrecha en la fabricación, por otro lado necesaria considerando las presiones y volúmenes que maneja.

Dentro de las bombas de gasoil la regulación permite controlar la cantidad de gasoil que se introduce en la misma para que esta la mande al motor, esto es lo que se conoce como el regulador.

El estudio del regulador ocuparía un capitulo aparte aunque hablaremos de él en otro momento, en las bombas en línea son mecánicos normalmente, en las bombas rotativas pueden ser mecánicos o hidráulicos y en los más modernos electrónicos.

En esta introducción hemos hablado en general de los tipos de bombas que se montan en coches, aunque nos vamos a centrar en motores de inyección directa.

La introducción de la electrónica en los motores de gasoil afectó a los diesel cambiando el sistema de regulación de las bombas, quedando igual en todo lo demás.

Después de la aparición de la gestión electrónica en las bombas rotativas, él ultima empujón del diesel vino de mano de la inyección directa, la cual se ha hecho acompañar en todas las realizaciones actuales de esta gestión electrónica con la famosa bomba radial VP-44 de bosch con esto debutaron los famosos T.D.I. de V.A.G.

La aparición del common rail de mano de F.I.A.T. y desarrollo de bosch, nos ha hecho cambiar el concepto que teníamos de los sistemas de inyección y en algún caso imaginar mas de lo que seria deseable para saber como funcionan los mismos.

La posterior aparición de los inyectores bomba de la familia VAG parece elevar las prestaciones a niveles impensables hace pocos años, sin embargo en este punto hay que decir que los inyectores bomba se usan desde hace muchos años por fabricantes como cummins o steyr, siendo el avance el incremento de presión así como el control electrónico del dosado del mismo.

Vamos a entrar ya de lleno a una explicación mas o menos detallada de la parte técnica de los sistemas common rail, con esto digo que no vamos a ver la teórica de como entra, ni se quema el gasoil dentro de la cámara, ya que esto esta relacionado con la teoría de funcionamiento de la que ya he hablado en otra ocasión y abundar en ello sin desarrollar la parte técnica me parece poco apropiado.

SISTEMAS COMMON RAIL

Estos sistemas tienen cierto parecido con un sistema de inyección de gasolina, se hace llegar el combustible a alta presión a una rampa de inyección (de ahí el nombre de common rail) de esta salen los conductos hacia los inyectores mandados electrónicamente y que se encuentran justo encima de cada cilindro.

La presión de trabajo es muy elevada comparada con los apenas 6 kg/cm2 de un sistema de gasolina llegando a 1350 kg/cm2, entrando el combustible finamente pulverizado, mejorando el proceso de combustión y reduciendo el ruido, que son las causas por las que se abandono este sistema de inyección al introducir estas mecánicas en los automóviles.

Las preinyección y la alta presión mejoran el proceso de quemado y la reducción de la superficie de la cámara ( al prescindir de la precámara) y mejora el rendimiento térmico.

Elementos de que se compone:

  • Inyectores que se conectan a la rampa
  • Regulador de presión que controla la presión en l a rampa
  • Sensor de presión en la rampa de inyectores de tipo piezoeléctrico, que informa de la presión a la centralita de inyección
  • Unidad de control que actúa sobre el tiempo de apertura de los inyectores, y sobre el regulador de presión tomando en
  • consideración todos los datos
  • Sensor de temperatura en la rampa de inyección para informar a la centralita
  • Bomba de transferencia de gasoil (eléctrica)desde el tanque hasta la bomba de alta presión

Además de estos se dispone de elementos tradicionales en los sistema de inyección como:

  • Caudalímetro de aire de entrada, Normalmente de hilo caliente
  • Temperatura del aire de entrada
  • Captador de presión del aire de admisión en el colector
  • Sensor de revoluciones y posición del cigüeñal informa del regimen y del P.M.S.
  • Temperatura del motor
  • Posición del acelerador normalmente electrónico , ya que no se precisa unión fícica ni mariposa, como en un motor Otto
  • Filtro que limpia de impurezas muy importante por lo declicado de las piezas

En el filtro se dota de una válvula que regula la presión de la bomba de trasferencia a 2.5 kg/cm2 y de una válvula termostática que en caso de baja temperatura (15º) desvía el gasoil para su calentamiento a la bomba de agua del motor, de esta forma se evita la congelación del gasoil a bajas temperaturas y se favorece la vaporización del mismo al entrar en la camara.

Los retornos desde el filtro y la bomba de alta presión se refrigeran, para mantener el gasoil con las propiedades adecuadas de lubricación debido a los esfuerzos que se generan en la bomba para elevar la presión, hay que considerar que con presiones tan elevadas la mayor fluidez del gasoil al elevarse la temperatura incide en piezas con tolerancias tan ajustadas, es curioso la preocupación por mantener el gasoil no solo caliente para evitar el problema de las parafinas, sino refrigerado para no exceder unos valores adecuados.

La bomba de alta presión se ve accionada por el motor y suministra el combustible entre 200 a 1500 bares, este tipo de bomba no tiene que distribuir el gasoil solo elevar la presión, por lo que no se precisa del calado entre motor y bomba

La rampa tiene la misión de amortiguar las pulsaciones creadas por las aperturas de los inyectores, debiendo adaptarse su volumen en el diseño con la cilindrada del motor.

LA BOMBA DE ALTA PRESIÓN

Consta de tres elementos de bombeo, uno de los cuales puede ponerse fuera de servicio por la unidad de control, estos elementos se accionan por un árbol de levas ( en la misma)y consisten en pistones de desplazamiento positivo, La inhibición mediante una solenoide de uno de los cuerpos, se realiza dejando abierta la válvula de entrada; por lo que el desplazamiento del liquido no genera sino una entrada y salida continua de fluido consumiendo menos potencia la bomba en ese momento lo cual es muy útil en cargas parciales.

Para el ajuste de presión, se usa el regulador de presión ; el cual alivia a partir de 100 kg/cm2 el gasoil evitando exceder esta presión, accionado electrónicamente mediante una solenoide, la cual aumenta la presión del muelle que presiona la bola que controla la fuga, Actuando sobre la solenoide se eleva paulatinamente el valor de la presión, hasta el valor calculado.

En la centralita se jugará con el tiempo de apertura de los inyectores, así como sobre la presión en función de la carga y las revoluciones del motor, para dosificar adecuadamente el combustible.

LOS INYECTORES

En los motores de inyección directa se usan inyectores de orificios que generan una pulverización más fina y completa que la de tetón o espiga usados en la inyección indirecta, el recelo mayor que genera este hecho al menos a mí, cuando comencé a oír hablar de ellos era la fiabilidad de una solenoide que movía una tobera la cual debía cerrar un inyector, en un circuito de 1350 bares.

Los inyectores suelen tener unos 5 orificios haciendo de cierre una tobera, la cual dispone de una solenoide en su parte superior, el gasoil llega mediante un orificio que suministra gasoil a dos cámaras en el inyector, una en la parte superior de la tobera y otra en la inferior, justo antes de la aguja que hace el cierre; la tobera se mantiene cerrada por la presión de un muelle, que la presiona evitando la apertura de la misma, ya que las presión de las cámaras arriba y abajo se contrarrestan.

En la parte superior del inyector existe un orificio que comunica con el retorno de combustible la cámara superior de la tobera, el orificio esta cerrando mediante una bola presionada por un muelle, cuando la eletroválvula es accionada, esta no mueve la tobera como en uno de gasolina haría, sino que desplaza la bola que cierra el orificio de la cámara superior, generando la fuga del combustible de esta, hacia el retorno y reduciendo la presión de la cámara superior frente a la inferior . Al ser la presión de la cámara inferior mayor que la superior se desplaza la tobera y deja el camino para que el gasoil de suministro entre en el cilindro a través de los orificios ( de ahí que se diga que estos inyectores aunque con solenoides abren por presión) cuando cesa la excitación de la solenoide, el orificio cierra y la llegada de gasoil equilibra de nuevo las presiones y las fuerza del muelle desplaza la tobera cesando la inyección.

La cantidad de combustible inyectado depende del número y tamaño de los agujeros así como del tiempo de la inyección y de la presión en la rampa de combustible.

La alimentación de la electrovalvula se hace en dos fases:

  • En la primera se aplican 80V con una intensidad de 20 A, lo que provoca una subida rápida de la aguja.
  • En la segunda fase se aplican 50V, con una intensidad de 12A, suficiente para mantener el solenoide actuada, evitando un consumo mayor y un mayor calentamiento.

La unidad de control se encarga de gestionar el accionamiento de los inyectores momento de apertura y tiempo del mismo, a la vez que acciona el tercer pistón de la bomba para reducir el consumo de potencia, la centralita almacena fallos en los sensores o malas respuestas de los mismos.

El funcionamiento del sistema de presurización se realiza en varias fases, siendo mas baja la presión y más largo el tiempo de apertura a bajas cargas.A altas cargas el tiempo es menor y la presión mas alta, básicamente se pueden modificar tres paramentos.

  • Presión de inyección actuando sobre el regulador
  • El tiempo de apertura de los inyectores actuando sobre los mismos
  • El momento de la inyección  en función de la posición del cigueñal

Retardando el momento de la inyección se puede dotar de mayor suavidad aunque menor rendimiento, decidiendo en función de la carga y revoluciones sobre que se actua en cada momento

El calculador establece una estrategia de presión de inyección que suele estar en torno a 240 bares en arranque, aumentando a 400 bares a cargas parciales y subiéndola a plena carga

En regímenes inferiores a 3000 r.p.m. se dota de dos inyecciones, una preinyección, donde no se inyecta mas de una décima parte del combustible total, cantidad que esta llamada a calentar la cámara para la inyección posterior donde se introduce la totalidad. Por encima de estas revoluciones no hay tiempo material para producir este efecto y la inyección principal y el total se realizan de una sola vez

En futuras realizaciones se espera trabajar con presiones de 1600 kg/cm2 a la vez que se reparte la inyección hasta en 5 fases ,de forma que el gasoil se quema mas paulatinamente, evitando picos grandes de presión en el cilindro y con ello ruido y vibraciones, a la vez que elevadas temperaturas max lo que genera gran cantidad de Oxidos nítricos, debido al exceso de oxigeno de estos motores, gran talón de Aquiles de los motores diesel.

Estas serie de inyecciones continuadas incluso en la carrera descendente suavizarán este tipo de motores y establecen la señal de diferencia con los de inyector bomba o bomba radial donde las preinyecciones se hacen con tarado de muelles en los propios inyectores , siendo prácticamente imposible llegar a este valor de fases en número.

Espero haber arrojado algo de luz en un tema un poco olvidado de la inyección common rail, cuando curiosamente están tan de moda.

En otra ocasión haremos lo mismo con el inyector bomba, que ahora sufren la euforia de las .com. a principios de años, pero que ya veremos que cuando los common rail lleguen ( en presiones) los inyectores-bomba seguramente serán historia.

 

 

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  Asesoría técnica (por: JJHV)  
     

 

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