Inyección Directa de Combustible

Hoy hablaremos de la inyección directa de combustible. Si bien la industria del motorsport ya viene hace décadas utilizando la tecnología de inyección electrónica en los motores de competición y de calle, el tipo de inyección más utilizado era la inyección indirecta. Pero hace un tiempo que la tecnología de la inyección directa está llegando cada vez más a tomar su lugar en el mundo motor, y en esta nota conocerás cómo funciona y sus ventajas.

Comencemos por el principio ¿Qué es y cuándo apareció por primera vez la inyección directa de combustible?

La inyección directa apareció por primera vez en grandes series en motores diésel. Sustituyó la inyección indirecta (mediante precámara) en este tipo de motor durante la década de 1990. Su adopción por los motores de nafta es más lenta debido a que el contenido de azufre de la gasolina fue demasiado alto en la Unión Europea hasta finales de la década de 2000.

En un sistema de inyección indirecta, el funcionamiento del motor se produce en un ciclo de funcionamiento en 4 fases de trabajo, esto supone una variación de presión en la cámara que determinará el rendimiento del motor.

Los puntos críticos de funcionamiento son la fase de compresión y de expansión, que debe de ser sin intercambio de calor, de forma que toda la energía que se genera, se dedique para generar el rendimiento del motor. El diagrama de funcionamiento teórico, se basa en un principio de funcionamiento que en la realidad no se encuentra, debido a que el aumento de la presión en el momento de la combustión no es instantánea, el retardo de producir este aumento produce un desplazamiento del pistón, eso supone una disminución de la punta de presión. La inyección se produce en la cabeza de la válvula en el momento de al fase que la

corresponde por lo que se comprime es mezcla homogénea siempre. El avance del momento del salto de chispa, vendrá a afectar directamente al rendimiento del motor, sobre todo teniendo en cuenta que tiene que ser variable para cada condición de marcha. El retraso y avance real de las válvulas, ocasionan y produce aceleración a los gases suficiente como para mejorar el llenado de la cámara de combustión a alto régimen. 

También en la competición se adoptó este sistema para aumentar la potencia de los motores sin realizar tantas modificaciones en la preparación del mismo.

Funcionamiento general de un sistema de inyección directa.

La principal diferencia de la inyección directa con respecto a la indirecta es que en ésta última la inyección se hace desde la admisión, antes de la válvula, como un carburador. Mientras que en la inyección directa el inyector está colocado en el interior del cilindro.

En los motores de inyección directa se pueden dar tres formas diferentes de funcionamiento:

• Carga estratificada
• Carga homogénea
• Carga homogéneo – pobre

La elección de una u otra forma por parte de la gestión depende del régimen, temperatura o carga, aunque podemos encontrar motores que solo utilicen una de estas formas o dos, combinándolas según convenga.

Un motor de inyección indirecta funciona con una mezcla de aire/combustible cuya proporción es aproximadamente de 14.7:1 en volumen, lo que se denomina mezcla estequiométrica o coeficiente lambda = 1.

Este tipo de mezcla puede ser modificada en cierta medida en cuanto a riqueza, es decir en coeficiente lambda, sobre todo convirtiéndola en más pobre lo que proporciona ventajas obvias en reducción de consumo.

Si el motor es capaz de funcionar con mezcla pobre, se producirá una disminución del consumo de gasolina, no ya porque se inyecte menos gasolina, que sería casi la misma cantidad, sino porque la mariposa estaría más abierta que en condiciones normales para dejar entrar más aire, y cuanto más abierta esté la mariposa, mejor rendimiento tiene el motor.

Pero se trabaje a más o menos riqueza, lo que caracteriza a estos motores es que siempre lo hacen en proporción homogénea, es decir con una mezcla proporcional aire/combustible en toda la cámara de combustión.   

Inyección directa de carga estratificada.

Como sabemos, la inyección directa está controlada por la electrónica de la (ECU), el mapa de encendido del motor se modifica de acuerdo con los tres modos de funcionamiento del motor: inactivo, óptimo y carga completa.

En ralentí o con carga baja y velocidad constante, la electrónica inyecta una pequeña cantidad de combustible cuando el pistón sube en la fase de compresión y no en la fase de admisión. La cabeza del pistón por su forma particular dirige la carga estratificada hacia el electrodo de la bujía. Se supone que este modo de funcionamiento reduce el consumo de combustible pero provoca la aparición de multitud de partículas finas que deberán ser tratadas por el convertidor catalítico.

A una velocidad óptima, la electrónica inyecta el combustible necesario para la combustión estequiométrica .

A plena carga o durante la aceleración, la electrónica inyecta combustible para obtener una mezcla rica. Para aumentar la capacidad de respuesta del motor, algunos fabricantes de motores inyectan una pequeña cantidad de combustible en el frente de llama cuando el pistón está bajando, con el mayor inconveniente de erosionar la válvula de admisión más rápidamente, mientras que otros utilizarán un turbocompresor para contrarrestar el problema anterior.

Inyección directa de carga homogénea.

Mezcla Homogénea:

Los motores que adquieren este funcionamiento lo hacen a cargas y regímenes

superiores, y la relación de aire y combustible en este modo operativo es de Lambda = 1.

Inyección directa de carga homogénea-pobre.

Cuando el motor trabaja en el modo Homogéneo-pobre, es decir, durante la transición entre el modo estratificado y el homogéneo, la mezcla pobre se encuentra distribuida de un modo homogéneo (uniforme) en la cámara de combustión. La relación de

aire y combustible es de Lambda = 1,55 aproximadamente.

En los modos homogéneo y homogéneo – pobre el combustible se inyecta en el cilindro durante el ciclo de admisión y se mezcla allí uniformemente con el aire aspirado.Cabe destacar que este modo de carga no es utilizado en motores de competición, al utilizar los mismos en la mayoría de los casos una Lamba que puede llegar hasta 0,90 o incluso menos en plena carga.

Inyección directa tipo Common Rail.

Este tipo de inyección directa es el más actual y el más utilizado en la competición. Consiste en un inyector de alta presión donde el combustible se inyecta a una presión de 2000 a 3000 bares en un rail (o acumulador) común a todos los inyectores. Haciendo uso de esta tecnología, desde el 2014, las nuevas regulaciones de la FIA requieren que los fabricantes de motores tengan un motor de gasolina V6 con inyección directa en la cámara de combustión y turboalimentado. Esta arquitectura de motor más pequeña y económica se considera el futuro de la industria automotriz.

Bombas de alta presión.

Al tener que inyectar el combustible en la cámara de combustión a muy alta presión, este sistema de inyección necesita de una bomba de combustible de alta presión que soporte las mayores demandas del motor debido al aumento de las presiones del sistema. Algunas de las bombas más utilizadas para la competición son: Bosch HDP5, Stanadyne, Hitachi HFS034, etc.

Estas bombas no entregarán combustible en el alto riel de presión a menos que sea accionado. Una gran ventaja de las mismas es que ante una situación de sobrepresión estas bombas son apagadas. Algunas variantes tienen alivio de presión interna.

Estas bombas tienen una carcasa de fundición, con varias variaciones de puertos de combustible de entrada y salida. Estas bombas suministrarán combustible al riel de alta presión cuando estén accionadas.

• En la mayoría de los casos tienen una válvula de alivio de presión interna en 20 MPa, por lo que una bomba que no esté conectada presurizará el riel de combustible a 20 MPa cuando el motor gira.
• Las variantes actualmente más conocidas son las utilizadas en el Lamborghini

Gallardo / Audi R8, Subaru FA20DIT, entre otras.

Autor: Nelson Vigliani

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