Sistemes Propulsius
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Enginyeria Aeronàutica Sistemes Propulsius Módulo 4 Motores alternativos de combustión interna Tema 11 Tecnología Manel Quera Ramon Carreras Laboratori de Motors Tèrmics i Automòbils Dep. Màquines i Motors Tèrmics ETSEIA Terrassa Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras -2- ÍNDICE Motores alternativos de combustión interna. Tecnología 1.- Introducción 2.- Regulación del par 3.- Sistemas de alimentación de combustible en motores Otto 3.1.- Introducción 3.2.- Carburación 3.3.- Inyección indirecta 3.4.- Inyección directa 4.- Sistemas de alimentación de combustible en motores Diesel 4.1.- Introducción 4.2.- Bomba de inyección en línea 4.3.- Bomba rotativa 4.4.- Common Rail 5.- Sobrealimentación de motores 5.1.- Introducción 5.2.- Sobrealimentación con compresores accionados por cigüeñal 5.3.- Sobrealimentación con turbocompresores 5.4.- Sobrealimentación en motores Diesel 5.5.- Sobrealimentación en motores Otto 6.- Problemas 6.1.- Motor Diesel 6.2.- Comparación motor Otto atmosférico-motor Diesel sobrealimentado Bibliografía R. van Basshuysen, F.Schäfer. Internal Combustion Engine Handbook. SAE. 2004 Heisler H. Advanced Engine Technology. SAE.1995. R. Carreras, A .Comas, A. Calvo. Motores de Combustión Interna. Fundamentos. Departament de Màquines i Motors Tèrmics (ETSEIT). Edicions UPC. 1993. I. Kolin. The evolution of the heat engine. Longman. London. 1972. J.M. Alonso. Técnicas del Automóvil. Motores. Paraninfo. 11ª Edición. 2009. D. Cabronero. Motores de combustión interna y turbinas de gas. 1989. http://www.mecanicavirtual.org Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras -3- 1.- Introducción El material incluído en el presente capítulo es complementario al presentado en el Tema 10 (MACIFundamentos) y está destinado a subministrar una información resumida, pero actualizada, sobre tecnología básica de motores Otto 4T y Diesl 4T. Dicha información está centrada en los siguientes temas : Regualción del par ( potencia ) del motor Sistemas de alimentación de combustible Sobrealimentación de motores Se ha intentado estructurar la presentación y tratamiento de dichos temas, de forma que pueda constatarse paralelamente la evolución histórica de la tecnología de los MACI. 2.- Regulación del par En la mayoría de aplicaciones de los motores térmicos es necesario poder efectuar una regulación del par motor en función de los pares resistentes. Así, en el frecuente caso de la propulsión de automóviles, el motor que lleva el vehículo es capaz de suministrar un par motor máximo que no es requerido de forma permanente. Este sobredimensionado del motor permite disponer de una reserva de par y potencia destinada a superar satisfactoriamente un aumento de pendiente o responder a una demanda de aceleración. Sin embargo, la mayor parte del tiempo de actuación el motor operará a una carga parcial, caracterizada por una demanda de par del 0.5 al 0.75 de su par máximo. Esta regulación puede tener como objetivos: Mantener constante la velocidad de giro del motor ante una variación del par resistente. Variar la velocidad del motor con el fin de alcanzar un nuevo régimen de velocidad de equilibrio. El modo usual empleado en los MACI ( Otto, Diesel ) para la regulación del par es variar la cantidad de combustible inyectado en el motor. El dispositivo utilizado puede ser una varilla o una palanca que actua sobre la alimentación de combustible, accionado por el pedal del gas ( accionamiento manual ). El sistema empleado para variar la cantidad de combustible de alimentación del motor varia en función del tipo de MACI ( Otto, Diesel ), por lo que se resume a continuación las especificaciones generales y diferencias básicas entre ambos tipos de motores. Motor Diesel En los motores Diesel, la admisión de aire y de combustible siguen caminos separados. La admisión de aire se realiza durante la carrera de admisión, produciéndose la inyección de combustible directamente en la cámara de combustión, al final de la etapa de compresión. Este sistema conduce a que el proceso de combustión no se realize con una mezcla aire-combustible homogénea con la misma proporción aire-acombustible en todos los puntos de la cámara de combustión (tal como ocurre con el motor Otto). Este tipo de proceso de combustión se denomina combustión heterogénea, que exigirá adicionalemente trabajar con exceso de aire ( > 1 ) si se pretende garantizar que se queme la totalidad de combustible. Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras -4- Como consecuencia de que la cantidad de aire admitida en el cilindro no es regulada, el único sistema de regulación posible es modificar la cantidad de combustible inyectado en el cilindro para variar el calor liberado en la combustión y con ello el trabajo desarrollado por ciclo. La regulación se podrá efectuar entre unos límites en función de la disponibilidad de aire para la combustión; ello constituye la llamada regulación cualitativa. Motor Otto En el caso de motores de encendido por chispa (motor Otto de gasolina o gas) la regulación basada exclusivamente en la dosificación no es viable. Ello se debe a que la inflamabilidad de la mezcla homogénea aire/combustible sólo se consigue dentro de un intervalo de relaciones de mezcla relativamente estrecho, limitado por los llamados límite pobre y límite rico de inflamabilidad : ( = 0,61 ) Límite rico : Límite pobre : f = mC/mA ≈ 1/17 ( = 1,16 ) f = mC/mA ≈ 1/9 Debe recordarse que la relación estequiométrica de la gasolina es : f = mC/mA = 1/14,7 ( = 1 ) Debido a ello, en los motores de encendido por chispa el proceso de regulaciónde cantidad de combustible se realiza de diferente forma que en motor Diesel siguiendo los pasos que se detallan a continuación: Preparación de la mezcla aire-combustible antes de su alimentación al motor (carburación o inyección indirecta), obteniendo una mezcla homogénea cercana a la relación estequiométrica (=1). Regulación de la cantidad de mezcla de alimentación al motor (carrera de admisión) por estrangulamiento (caída de presión), mediante una válvula de mariposa, situada en el conducto de admisión, accionada por el pedal de gas Combustión provocada por ignición de la bujía de una mezcla aire-combustible con un dosado bastante homogéneo dentro de la cámara de combustión (combustión homogénea) Obsérvese que en este caso lo que varía es la cantidad de mezcla que entra en el cilindro (regulación cuantitativa) y con ello también el calor liberado en el transcurso de su combustión, por tanto, más o menos trabajo y, por tanto, par motor. La simplicidad de la regulación por estrangulamiento en los motores Otto presenta en contrapartida el inconveniente de que, a cargas parciales, el motor consume una fracción importante de su trabajo indicado en aspirar y expulsar la carga del cilindro (trabajo de bombeo), debido al estrangulamiento de la válvula, con lo que el consumo específico crece sensiblemente. Además, como consecuencia de la progresiva estrangulación del conducto de admisión, a menor carga mayor pérdida de bombeo. Este hecho explica el porque los motores Otto presentan usualmente menor rendimiento que los motores Diesel, cuando operan a cargas parciales. Debido a ello, en estos últimos años se han empezado a desarrollar motores de inyección directa de gasolina en cilindro (GDI ó FSI), de forma similar al motor Diesel, pero manteniendo la ignición provocada por bujía.. La principal ventaja de los motores GDI ó FSI respecto a los convencionales (carburación o inyección indirecta en conducto de admisión) radica pués en la mejora de rendimiento a cargas parciales y la posibilidad de operar con mezclas estratificadas (no totalmente homogénes: ricas cerca de los electrodos pero globalmente pobres) Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras -5- 3.- Sistemas de alimentación de combustible en motores Otto 3.1.- Introducción Los sistemas de alimentación de combustible en motores Otto, desarrollados hasta el momento, son de tres tipos ( Figura 1 ) : 1) Carburadores 2) Sistemas de inyección indirecta ( en colector de admisión ) 3) Sistemas de inyección directa ( en cilindro ) Los dos primeros sistemas realizan la preparación de la mezcla aire-gasolina en el conducto de admisión de aire del motor y, una vez realizada dicha mezcla con el dosado adecuado, es introducida en el cilindro a través de la válvula de admisión. Estos sistemas han sido históricamente los más utilizados,por lo que la mayor parte de conceptos tratados en esta introducción se refieren a dichos sistemas ( carburadores, inyección indirecta ). El sistema de inyección directa es el sistema más reciente y, aunque no está totalmente generalizado, será tratado específicamente en el apartado 3.4. inyector carburador inyector (1) (2) inyección directa inyección indirecta carburador 1970 1980 Año 1990 2000 ( 1 ) Se inyecta en el colector de admisión ( 2 ) Se inyecta centro de la cámara de combsutión Figura 1 : Evolución histórica de los sistemas de alimentación de combustible en el motor Otto Independientemente del principio operativo (carburador o inyector) el sistema de dosificación se basa en un esquema parecido ( ver Figura 2 ). A grandes rasgos, el sistema de alimentación del motor Otto se estructura alrededor un estrangulador ( mariposa ) que es el elemento principal de control cuantitativo. Según esta mariposa esté más o menos abierta, provoca una caída de presión que se traduce respectivamente en una mayor o menor presión en el conducto de admisión del motor. Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras -6- En consecuencia, cuanto más cerrada esté, menos masa de aire entrará y menor será la cantidad de combustible que se deberá suministrar. Este estrangulador ( accionado por el pedal del acelerador ) existe en todos los motores de encendido por chispa, tanto si son de carburador como si son de inyección de gasolina (por contra, no es necesario en los motores diésel). Filtro CAUDALIMETRO Aire m Gases de escape Mezcla MOTOR A MARIPOSA . m BOMBA Gasolina C DOSIFICADOR m = f(m ,....) C A Retorno de gasolina DEPÓSITO S1 S2 Si Sensores adicionales correctores mezcla Fig. 2 Esquema de un sistema genérico de alimentación de un motor de gasolina. Seguidamente se requiere de un caudalímetro de aire, dispositivo encargado de medir la cantidad de aire que aspira el motor. Este medidor puede ser de diversa índole, incluso el caudal de aire puede ser determinado de forma indirecta en función del ángulo de abatimiento de la mariposa y del régimen de giro del motor a partir de una calibración previa en banco de ensayos. El dispositivo más simple, que es el que incorporan los carburadores, es un venturi, pero en sistemas de inyección más modernos puede ser un caudalímetro de paleta (L-Jetronic de la firma Bosch), de cono-placa (K-Jetronic), tipo anemómetro de hilo caliente (LH-Jetronic), etc. El dosificador es el elemento encargado de suministrar la cantidad justa de gasolina para que sea inyectada (pulverización + evaporación) en el flujo de aire (regulado por la mariposa), a fin de obtener una mezcla aire-combustible de alimentación al motor con un dosado cercano a la proporción estequiométrica ( ≈1 ). El dosificador determina la cantidad de combustible a inyectar, a partir de una serie de medidas (sondas de caudal de aire, temperatura, presión,…), indicativas del punto de operación del motor. El principio de operación de dosificador depende del tipo de sistema de alimentación de gasolina al motor : 1) Carburadores : Regulación mecánica 2) Sistemas de inyección indirecta ( en colector de admisión ) : Regulación mecánica, electromecánica o electrónica 3) Sistemas de inyección directa ( en cilindro ) : Regulación electrónica Las principales características constructivas y operativas de cada uno de estos sistemas serán descritos posteriormente. Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras -7- 3.2.- Carburación El carburador fué el primer equipo de preparación de la mezcla aire-gasolina de alimentación al motor. Su principio de operación es sencillo ( Figura 3 ). El aire aspirado por el pistón, en su carrera descendente, pasa primero por un flitro y posteriormente por un canal de sección decreciente (difusor), dónde la depresión, originada por efecto Venturi, permite aspirar la gasolina -que se halla en una cuba adosada de nivel constante- a través de un tubo calibrado o surtidor (también chiclé del francés gicleur). Figura 3 : Esquema de carburador elemental La gasolina pulverizada se evapora rápidamente en el aire (combustible de alta volaltilidad), obteniendo, a la salida del carburador, una mezcla gaseosa aire-combustible de alimentación a cada cilindro del motor, a través del colector de admisión. Este sencillo sistema es autoregulado: a más aire, más depresión en el difusor y más gasolina aspirada. La cantidad de aire que aspira el motor se regula mediante una válvula de tipo mariposa (válvula de regulación de aire), que se acciona mediante el pedal del acelerador. En posición de gas máximo, la válvula está en posición vertical, dejando el paso de la máxima cantidad de mezcla aire-gasolina. A medida que se suelta el pedal del acelerador, esta válvula se va cerrando (mediante un muelle de retorno), hasta una apertura mínima que permite operar el motor al ralentí. Por otra parte, la alimentación de gasolina al carburador se realiza mediante una bomba que se encarga del envío de gasolina, desde el depósito principal hasta el depósito o cuba del carburador. En el interior de dicha cuba flota una boya con una aguja (obturador), que regula el paso de gasolina, a fin de mantener el nivel constante de combustible en el carburador e impedir desbordamientos en el surtidor principal (cuello del difusor), puesto que el nivel del líquido en la cuba queda unos milímetros por debajo del agujero de salida del surtidor. Adicionalmente el carburador incorpora una vàlvula obturadora a la entrada ( starter ), que es accionada manualmente para favorecer en arranque del motor en frío, cerrando el paso de aire al carburador y obteniendo una rica mezcla aire-combustible ( < 1 ), más fácilmente inflamable por la bujía. Los requerimientos del dosado de la mezcla en un motor de encendido por chispa varían con las condiciones de operación del motor (frío, crucero, máxima carga, ralentí, aceleración) y de qué parámetros interese optimizar (par, consumo, emisiones, evitar picado, etc.). Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras -8- Tal como se ha comentado anteriormente, la inflamabilidad de la mezcla homogénea aire/combustible sólo se consigue dentro de un intervalo de relaciones de mezcla relativamente estrecho, limitado por los llamados límite pobre y límite rico de inflamabilidad : ( = 0,61 ) Límite rico : Límite pobre : f = mC/mA ≈ 1/17 ( = 1,16 ) f = mC/mA ≈ 1/9 Debe recordarse que la relación estequiométrica de una gasolina típica es : f = mC/mA = 1/14,7 ( = 1) En la Figura 4 se resume, de forma genérica, el nivel de dosado de la gasolina, según el régimen de operación del motor. f = mc/ma mezcla rica mezcla pobre mínima crucero % carga del motor zona propensa al picado máxima Figura 4 : Curva de dosado en función de la carga en motor Otto convencional Arranque en frío Conociendo las propiedades del combustible (volatilidad en función de la temperatura), se puede diseñar el sistema de control de riqueza para arranque en frío (starter). El sistema de alimentación se diseña para que al arrancar en frío, la fracción de gasolina evaporada sea tal que, en el entorno de los electrodos de la bujía, se tenga una mezcla rica de 1 kg de gasolina por cada ≈ 13.5 de aire. Cuando el motor està frío, el proceso de vaporización de la gasolina es menos intenso y, por lo tanto, se deberá enriquecer la mezcla hasta un nivel tal que su % evaporado sea suficiente para dar una relación aire/gasolinavapor que caiga dentro del límite de inflamabilidad. Ello se consigue por ejemplo, estrangulando el aire cuando el motor está frío, función que realiza el starter o choque y que puede ser de actuación manual o automática. Comportamiento del motor en régimen Cuando el motor opera a cargas intermedias (crucero), el motor trabaja con una mezcla ligeramente pobre ( > 1 ), que garantiza una combustión completa y una emisión mínima de contaminantes y un mejor rendimiento. Sin embargo a cargas máximas y en procesos de aceleración, el motor opera con una mezcla rica ( < 1 ), situación que favorece la emisión de contaminantes (combustión con defecto de aire), y permite disminuir el riesgo del fenómeno del picado (autoignición térmica brusca de una parte de la mezcla aire-combustible antes ser quemada progresivamente por el paso del frente de llama originado en la bujía). Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras -9- El carburador integra en un solo equipo los elementos básicos para la preparación de la mezcla airecombustible: estrangulador, medidor de caudal y dosificador de gasolina. No obstante el sistema de regulación mecánico del equipo proporciona una precisión limitada de operación, que no ha podido ser mejorada substancialmente, ni incorporándole toda una serie de circuitos adicionales (economizador, enriquecedor, bomba de aceleración, ralentí, etc.), que resultan insuficientes para atender las demandas actuales y en automoción va siendo desplazado por otros procedimientos (sistemas de inyección controlados electrónicamente). Si bien los carburadores representan los sistemas más antiguos y de menor coste, hoy ya no se uitilizan en el campo del automóvil. Subsisten, sin embargo, como forma preferente en la alimentación de los motores Otto de 2 tiempos y en pequeños motores estacionarios, marinos o aeronáuticos, caracterizados por operar en regímenes muy constantes o por ir incorporados en aplicaciones de bajo coste. 3.3.- Inyección indirecta En la actualidad los sistemas de inyección han desplazado a los carburadores debido a que cumplen mejor con su cometido, que es proporcionar la cantidad justa de combustible en cada momento. De este modo, se optimiza el rendimiento del motor, se mejora el nivel de prestaciones y se reduce el consumo, ajustándose mejor a las normativas vigentes de emisión de gases de escape. Existen diferentes sistemas de inyección indirecta de gasolina ( en colector der admisión ), que pueden clasificarse, según diferentes criterios, que a continuación se resumen. Tipos de sistemas de inyección según el número de inyectores ( Figura 5 ) Inyección Monopunto Un inyector único en el conducto principal de admisión, situado antes de la válvula de regulación de aire, y que alimenta a todos los cilindros. Inyección Multipunto Un inyector por cilindro, situado en el conducto de admisión, antes de la válvula de admisión Figura 5 : Sistemas de inyección indirecta de gasolina Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 10 - La inyección multipunto presenta diversas variantes, en función del número y forma de las inyecciones : Inyección simultánea El combustible es inyectado por todos los inyectores en el mismo instante Inyección secuencial El combustible es inyectado por cada inyector de forma secuencial o sincronizada (uno tras otro) Inyección semisecuencial Los inyectores se activan por bloques, de dos en dos, o de tres en tres, según el número de cilindros del motor Tipos de sistemas de inyección según el sistema de regulación de la inyección Inyección Mecánica : Tipo K-Jetronic Inyección Electromecánica : Tipo KE-Jetronic Inyección Electrónica : Tipo L-Jetronic, LE-Jetronic Principio básico de funcionamiento del sistema de inyección indirecta En la Figura 6 se indica un esquema básico de un sistema de alimentación de gasolina por inyección indirecta para un motor Otto de 4 cilindros, mediante regulación electrónica ( ECU ). La bomba se encarga de enviar la gasolina, desde el depósito a la rampa de distrtibución (colector), donde se mantiene a una presión de inyección entre 2 y 5 bar, mediante un regulador de presión que retorna al depósito el combustible no inyectado en el colector de admisión. Retorno gasolina Regulador de presión Depósito gasolina Bomba Filtro Rampa distribución F Pedal acelerador Presión inyección 2 a 5 bar Gasolina Electroválvula Mariposa Caudalímetro de aire Inyector Aire Aire Colector admisión V Filtro T Sonda T P Sonda P S Sonda posición mariposa T S P MACI Eje motor (Cigüeñal) Otto 4 cilindros ECU Unidad de control electrónico Catalizador Gases escape Colector escape Sonda lambda Figura 6 : Esquema de un sistema de inyección indirecta de gasolina para un motor Otto de 4 cilindros ( Regulación electrónica por ECU ) Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 11 - Desde la rampa de distribución, la gasolina es enviada a cada inyector, cuya secuencia de operación (instante de obertura de electroválvula y cantidad de combustible) es gobernada por la unidad de control electrónico (ECU). Dicha unidad de control fija el modo de operación de los inyectores, a partir de la medida de diversas variables de funcionamiento del motor, entre las que deben destacarse : Caudal de aire de alimentación del motor ( Caudalímetro ) Temperatura y presión del aire de alimentación del motor ( Sonda P y Sonda T) Posición de la mariposa de regulación del caudal de aire ( Sonda S ) Adicionalmente la dosificación de combustible es corregida, mediante la sonda lambda, que determina el porcentaje de oxígeno (exceso de aire) en los gases de escape del motor. La lectura de dicha sonda es enviada a la ECU, con el objetivo de que éste corrija la cantidad de gasolina inyectada, a fin de que el motor trabaje con la proporción aire-gasolina lo más cercana posible a la estequiométrica ( = 1 ). Dicha proporción es la que permite operar al catalizador convencional de foma más eficiente. Aunque no interviene directamente en el proceso de dosado o inyección de gasolina en el flujo de aire, todos los motores de gasolina actuales incorporan un catalizador, como elemento final del flujo de gases de combustión que son evacuados a la atmósfera El catalizador es un equipo que permite eliminar los principales compuestos químicos contaminantes (hidrocarburos no quemados HC, CO, NOx ), convirtiendo dichos productos en compuestos no nocivos para el medio ambiente ( CO2, H2O, N2 ), mediante una reacción química acelerada por el catalizador. En definitiva el sistema de alimentación y dosificación de combustible al motor viene gobernado por dos procesos paralelos : El conductor o usuario del motor que acciona el pedal del acelerador, regulando la obertura o cierre de la válvula de regulación de caudal de aire (mariposa), es decir variando el caudal de aire de alimentación al motor La unidad de control electrónico (ECU) que se encarga de regular automáticamente todo el proceso de dosificación e inyección de combustible En realidad el sistema de operación de la ECU es más complejo que el que acaba de resumirse, ya que utiliza una mayor cantidad de información sobre el punto de operación del motor (sonda de picado, sensor de posición del motor,…) y asimismo gobierna otras variables de operación del motor (sistema de encendido de las bujías,…), tal como se resume en la Figura 7. Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras Figura 7 : Sistema de inyección indirecta de gasolina ( regulación electrónica ) - 12 - Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 13 - 3.4.- Inyección directa Hasta hace pocos años, la inyección directa de combustible en los cilindros ha sido de aplicación exclusiva en los motores Diesel, pero las exigencias cada vez mayores a las que están sujetos los automóviles actuales, sobre todo en lo que concierne a la reducción de consumo de combustible y emisión de contaminantes, han obligado a los constructores a desarrollar nuevos sistemas de inyección directa de gasolina. Este sistema permite aumentar el rendimiento del motor, sobretodo en cuando el motor trabaja en cargas bajas, e incrementar la relación de compresión, lo que conlleva un aumento de la potencia desarrollada para la misma cilindrada. El combustible es introducido a alta presión directamente dentro de la cámara de combustión por medio de un inyector comandado por una electroválvula, situado junto a la válvula de admisión, por la que solamente entra aire ( Fig 8 ). La presión de inyección puede variar entre 70 y 100 bar ( 110 bar máximo ), dependiendo del régimen de trabajo del motor. Este sistema de inyección utiliza buena parte de la tecnología desarrollada en el sistema de inyección directa common rail para motores Diesel, que más adelante se describe. La forma y dimensión del colector de admisión y del pistón confieren al flujo de aire la velocidad y turbulencia adecuada para lograr una rápida vaporización del combustible. Figura 8 : Sistema de inyección directa de gasolina La inyección directa permite romper con la estricta mezcla estequiométrica a que están atados los motores de gasolina de inyección indirecta y trabajar con mezclas extremadamente pobres (hasta valores de λ = 3) en las situaciones de operación del motor a carga parcial, donde no se requiere de un elevado par o potencia. El ahorro de combustible, por lo tanto, puede llegar a ser del 20% trabajando en cargas bajas y del 40% en ralentí. Los motores de inyección directa presentan tres modos de funcionamiento según sea la carga del motor : Mezcla homogénea Se utiliza cuando el motor opera a un régimen de cargas altas. La relación aire-combustible es muy cercana a la estequiométrica ( = 1 ). Mezcla homogénea – pobre Se utiliza cuando el motor opera a un régimen de cargas medias. El motor opera con exceso de aire con una de 1,55. Mezcla estratificada Se utiliza cuando el motor opera a un bajo régimen de carga. El motor opera con exceso de aire con una entre 1,6 y 3.. Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 14 - Mezcla homogénea ( Figura 9 ) Es el modo de operación cuando el motor opera a cargas altas. Durante la etapa de admisión sólo se aspira aire con la clapeta del colector admisión abierta y utilizando toda la sección de paso del colector de admisión ( canal superior y canal inferior ). El combustible es inyectado directamente en el cilindro durante la etapa de admisión (aproximadamente a unos 300° antes del PMS ) La energía necesaria para la evaporación del combustible se extrae del aire encerrado en la cámara de combustión, con lo cual el aire se enfría. Debido a ello es posible aumentar la relación de compresión en comparación con un motor de inyección indirecta en el colector de admisión. Esto conduce a un llenado homogéneo del cilindro con una lambda = 1 ( rea = 14,7 kg aire / 1 kg combustible aprox ) A plena carga, el funcionamiento es similar al de un motor de inyección indirecta y no hay ahorro de combustible. Figura 9 : Modo homogéneo ( altas cargas ) Mezcla homogénea-pobre ( Figura 10 ) Es el modo de operación cuando el motor opera cargas medias. La válvula de mariposa que regula la cantidad de aire aspirado (accionada por el acelerador) se encuentra lo más abierta posible y la chapaleta del colector de admisión está cerrada, utilizando sólo una parte de la sección de paso del colector de admisión ( canal superior ). El combustible es inyectado directamente en el cilindro durante la etapa de admisión (aproximadamente a unos 300° antes PMS ), de forma similar al modo homogéneo. Debido a esto se reducen por una parte las pérdidas por estrangulamiento y por otra se consigue un flujo intenso del aire en el cilindro que favorece la formación de una mezcla homogénea airecombustible. La unidad de control del motor se encarga de regular la cantidad inyectada de modo que la relación de combustible y aire sea de aproximadamente lambda = 1,55. Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 15 - Figura 10 : Modo homogéneo-medio ( cargas medias ) Mezcla estratificada ( Figura 11 ) Es el modo de operación cuando el motor opera a bajas cargas. De forma similar al modo homogéneo-pobre la clapeta del colector de admisión está cerrada, utilizando sólo una parte de la sección de paso del colector de admisión ( canal superior ). El aire que penetra en el cilindro ( etapa de admisión ) es dirigido directamente sobre el deflector del pistón, creando un fuerte torbellino ( denominado tumble ) con el que se logra posteriormente la mezcla óptima del combustible inyectado. Los inyectores de alta presión pulverizan el combustible atomizado al final de la etapa de compresión. La forma del cilindro permite que en el centro de la cámara de combustión y alrededor de la bujía se encuentre una mezcla en buenas condiciones que garantize la combustión ( mezcla estequiometrica ). Sin embargo, los contornos de la cámara de combustión se encuentra una mezcla formada por aire y gases de escape recirculados de nuevo al cilindro que actuan como aislante térmico para así disminuir las pérdidas de calor a través de las paredes del motor. Figura 11 : Modo estratificado ( cargas bajas ) Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 16 - Con este sistema, se consigue que la mezcla alrededor de la bujía sea prácticamente la estequimetrica ( λ=1 ), por lo que se inflama con facilidad y transmite dicha inflamación a las sucesivas capas de mezcla más pobre ( λ=1,6 a 3 ) a medida que se alejan de la bujía. Este modo de operación se denomina estratificado, ya que existen dos formas de funcionamiento dentro de la misma cámara de compresión, una en el centro de la cámara de combustión, donde se encuentra una mezcla con buenas condiciones inflamables cerca de la bujía, y otra cerca de las paredes en una capa exterior y rodeando a la primera mezcla. Sistema de regulación El sistema de alimentación de combustiblea motores Otto por inyección directa no sería posible sin un sistema de regulación electrónico de todo el proceso. Este sistema electrónico se encarga de gestionar en cada momento el tipo de mezcla según la carga y el régimen de revoluciones a que esté trabajando el motor, además de las emisiones de gases de escape y seguridad de funcionamiento (Figura 12 ). Figura 12 : Modos de funcionamiento segun carga y régimen A plena carga, el funcionamiento es similar al de un motor de inyección indirecta y no hay ahorro de combustible. Por el contrario, funcionando en modo estratificado se produce un ahorro considerable, aunque en contrapartida se generan grandes cantidades de óxido de nitrógeno que se deben eliminar mediante el catalizador acumulador o retroalimentando los gases de escape hacia la cámara de combustión de forma controlada. El control de la carga del motor se efectúa por variación de la cantidad de combustible inyectado y, aunque el motor dispone de mariposa de gases, ésta es de accionamiento motorizado y funcionando a cargas parciales se situa totalmente abierta. Con ello, se consigue un llenado total del cilindro con aire, con lo que se aumenta la presión de compresión y se mejora el rendimiento volumétrico y del motor. Este tipo de funcionamiento no es factible para cargas totales dado que la riqueza de la mezcla en las proximidades de la bujía crecería excesivamente haciendo la mezcla incombustible. Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 17 - El sistema dispone de una mariposa adicional en el conducto de admisión ( clapeta ), que permite reducir la sección de paso de dicho conducto para el funcionamiento en modo estratificado, de manera que se incremente la velocidad del aire de admisión, reforzándose el torbellino que se crea en el difusor de la cabeza del pistón. En la Figura 13 se presenta un esquema básico de un circuito de inyección directa de gasolina. Podemos dividir el sistema de inyección en dos partes claramente diferenciadas: Zona de alta presión Zona de baja presión El circuito de baja presión está formado por un depósito y una electrobomba que conduce, a través del filtro, el caudal de combustible necesario hasta la bomba de alta.El caudal de combustible no utilizado por esta bomba es retornado al depósito, a través de una elctroválvula dosificadora. El circuito de alta está formado por la bomba, que eleva la presión del combustible que le llega, un tubo distribuidor a los inyectores y un regulador que ajusta la presión a los valores requeridos devolviendo el combustible sobrante al deposito acumulador. Figura 13 : Circuito de inyección directa de gasolina Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 18 - 4.- Sistemas de alimentación de combustible en motores Diesel 4.1.- Introducción Históricamente el motor Diesel es quizás el tipo de motor que ha sufrido mayores avances tecnológicos en lo que concierne al sistema de alimentación de combustible. Se indica a continuación un resumen de dicha evolución, clasificada según diversos aspectos técnicos. Sistemas de inyección de combustible Sistemas de inyección indirecta ( en precámara ) : II Sistemas de inyección directa ( en cilindro ) : ID En la primera época de los motores Diesel, la II estaba destinada a turismos y motores de pequeña y mediana cilindrada, reservando la ID para los motores industriales (estacionarios y transporte) o de gran cilindrada. Actualmente prácticamente todos los motores Diesel (pequeña, mediana y gran cilindrada) operan con el sistema de ID que presentan un mayor rendimiento térmico del motor, respecto al sistema II. Tipo de bomba de inyección y presión de inyección Bomba en línea : 200 a 400 bar Bomba rotativa : 400 a 800 bar Common-rail : 1200 a 2000 bar El incremento de la presión de inyección de gasoil, así como la mejora del sistema de regulación de inyección, desde el tipo mecánico (bomba en línea) al tipo electrónico (common-rail), ha permitido una mejora del proceso de combustión, un incremento del régimen de trabajo del motor (rpm), una mayor economía de combustible y un incremento de rendimiento del motor. Sistema de alimentación de aire al motor Motor atmosférico Motor sobrealimentado ( usualmente turbocompresor ) El motor Diesel era originariamente un motor atmosférico que presentaba mejor rendimiento, pero menor potencia efectiva específica ( kW / l de cilindrada) que el motor Otto. El desarrollo del motor Diesel sobrealimentado permitió equiparar dicho motor con el motor Otto atmosférico, en el sentido de que, a igualdad de tamaño del motor (cilindrada), presentase similar potencia efectiva, pero mejor rendimiento, en especial a cargas parciales. Actualmente la mayoría de motores Diesel son motores sobrealimentados, utilizando ID y Commonrail. En los apartados que siguen se describen brevemente las principales características de las tecnolgías anteriormente citadas, de forma a disponer de una información suficiente para poder evaluar convenientemente la importante evolución tecnológica que ha sufrido el motor Diesel. Como punto final a esta introducción, se comentan a continuación diversos aspectos generales sobre el proceso de inyección y combustión de los motores de Diesel, con el objetivo de facilitar la compresión de las tecnolgías que se describen en apartados posteriores. Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 19 - Se supone que el alumno ya conoce los principios operativos básicos de los motores tanto de inyección directa (ID) como de inyección indirecta (II); no obstante, recordaremos que el motor Diesel admite aire en el cilindro, lo comprime y poco antes de que el émbolo alcance el PMS se inyecta el gasóleo atomizado. El chorro de combustible que se va inyectando se mezcla progresivamente con el aire caliente del cilindro (o de la precámara en los de II) y en parte se evapora. Al cabo de un breve tiempo la mezcla vapor de combustible y aire sufre una autoignición térmica (encendido espontáneo) y aparece la llama. Una fracción de la carga del cilindro quema como carga premezclada y provoca la ignición del resto del combustible que se va inyectando. Para conseguir un control efectivo del proceso de combustión -y con ello de la ley de aporte de calor-, basado en la regulación del caudal de combustible inyectado, es necesario que el retraso de la ignición sea mínimo. Es decir, idealmente el combustible debería inflamarse tan pronto penetra en la cámara. Con una inflamación casi instantánea se conseguiría evitar una excesiva acumulación de combustible cuyos vapores, al intervenir en la primera fase de combustión homogénea generan, al quemar bruscamente, un excesivo pico de presión. En ausencia de retardo se podría controlar el proceso de combustión graduando la tasa de inyección; ello permitiría controlar la evolución de la presión en el cilindro de un modo preciso. El tiempo de encendido se minimiza utilizando un combustible con adecuado número (o índice) de cetano 1, efectuando una adecuada atomización y operando con suficientes temperatura y presión del aire del cilindro. Para conseguir una adecuada ignición y combustión es imprescindible la atomización del combustible en un gran número de gotas de pequeño diámetro con objeto de generar una gran superficie relativa de contacto gasoil-aire que facilite la rápida evaporación y mezcla. La inyección del gasoil en la cámara de combustión exige su presurización, no tan solo para vencer la contrapresión del aire situado en el cilindro del motor, sino para dotar al chorro de una suficiente velocidad de penetración. La velocidad del chorro es necesaria para conseguir una adecuada atomización y una suficiente penetración de las gotitas de combustible (el trabajo de disgregación en gotas, o sea un aumento de su área total en contra de la tensión superficial: dW dA ) procederá de la variación de energía cinética del chorro). A nivel práctico, la presión mínima de inyección para conseguir de forma eficiente los procesos descritos es de unos 200 bar. Los motores diésel II utilizados en automoción operan con presiones de inyección de hasta 400 bar y en el caso de los motores diesel ID se emplean presiones del orden de los 800÷1500 bar e incluso superiores. El combustible se inyecta en la cámara de combustión cuando el pistón está próximo al PMS, en cuyo instante la temperatura ha aumentado suficientemente para que se pueda producir la autoignición térmica. El retardo de encendido suele ser aproximadamente de 1 ms. En la práctica, se pueden paliar los efectos negativos del retraso efectuando la inyección en varias etapas (con toberas de geometría variable o inyectores de doble resorte) y así en los primeros instantes se inyecta un caudal reducido. 1 El número de cetano, NC (visto en el tema de combustibles) es un indicativo de la rapidez de inflamación de un combustible diésel medida en un motor de ensayos normalizado y en relación a la de unos combustibles patrones: el n-hexadecano de fácil ignición al que se le asigna un número de cetano=100 y el -metilnaftaleno de más difícil encendido, que se le asigna el número de cetano = 0. Así un gasóleo de número de cetano 65 se comporta igual que una mezcla de 65% de n-hexadecano y 35% de -metilnaftaleno. Con el fin de poder establecer la calidad del combustible sin necesidad de disponer de un motor de norma es habitual el uso del índice de cetano calculado muy próximo al anterior y que se establece en función de propiedades más fáciles de determinar en el laboratorio: la densidad y la temperatura a la cual ha destilado un 50% del combustible. Actualmente se ha sustituido el -metilnaftaleno por otro patrón menos cancerígeno, un heptametilnonano, HMN, al que se le asigna un NC=15. Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 20 - Para poder quemar totalmente el combustible en una mezcla heterogénea se requiere operar con un notable exceso de aire. Ello posibilita que, incluso en unas condiciones de mezclado imperfecto, cada gota se halle rodeada de suficiente aire para completar su combustión. Si se opera con un exceso de aire inferior a ≈ 10%, se produce una combustión deficiente, generando unos gases de combustión con hidrocarburos inquemados (denominados humos negros), especialmente cuando el motor trabaja en condiciones de máxima carga. 4.2.- Bomba de inyección en línea La bomba en línea fue el primer sistema de inyección de combustible, desarrollado originariamente por la empresa alemana Bosch en 1927 y evolucionado posteriormente hasta la aparición de la bomba rotativa. La bomba de inyección en línea es una bomba alternativa que pemite comprimir el gasoil en un cámara volumétrica tipo cilindro-pistón, conteniendo tantas cámaras como inyectores a alimentar. El movimiento del pistón está controlado por la leva y por el muelle ( Figura 14 ). La leva empuja hacia arriba el pistón (carrera ascendente : compresión y envio de gasoil al inyector) y el muelle de recuperación lo devuelve a la posición inicial (carrera descendente : admisión en la cámara de nueva cantidad de combustible a inyectar). El árbol de levas gira solidario al eje del motor y a la mitad de rpm, de manera que en cada ciclo (2 vueltas del cigüeñal= 4 carreras) se realiza una inyección. . tubo de alta presión válvula tornillo de tarado ELEMENTO BOMBA ranura dosificación galería de alimentación aguja-válvula émbolo TOBERA muelle retorno varilla control carga motor orificios collarín giro émbolo rolete leva ARBOL DE LEVAS Figura 14 : Esquema de un sistema de inyección de gasoil por bomba en línea ( regulación mecánica ) Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 21 - La carrera del pistón es siempre constante y, en principio, la cantidad de combustible inyectado sería siempre la misma. Para poder dosificar la cantidad de combustible que se envía al inyector, el pistón o émbolo está mecanizado, presentando una serie de aristas helicoidales, y existe asimismo un mecanismo que permite girar el pistón (según el eje vertical), mediante una corredera o varilla de control dentada. Al accionar el pedal del acelerador, se transmite mecánicamente un movimiento lineal a la varilla de control que provoca el giro progresivo del pistón ( Figura 16 ). La cantidad de gasoil enviada al inyector depende del ángulo de giro del pistón. De la cantidad total de gasoil admitida en la cámara de compresión de la bomba, una parte es enviada al inyector y otra parte es devuelta al depósito, a través del canal de by-pass existente entre la ranura mecanizada del pistón y el orificio de entrada/salida de gasoil. El gasoil comprimido enviado al inyector es introducido en la precámara (inyección indirecta) o en el cilindro (inyección directa), cuando la presión del mismo supera la presión del muelle del inyector. En definitiva el sistema de dosificación de combustible al motor, sigue un proceso de regulación mecánico, según las siguientes etapas : Al accionar el pedal del acelerador, se transmite un giro del pistón de la bomba, cuya posición determinará la cantidad de combustible a inyectar El número de inyecciones por minuto y el instante de la inyección viene determinado por el régimen de giro de la bomba, acoplada mecánicamente con el cigüeñal La presión de inyección viene determinado por la presión de tarado del muelle del inyector Figura 15 : Circuito de alimentación de un motor Diesel de inyección indirecta con bomba en línea Bosch 1 Depósito combustible 2 Bomba de suministro de combustible 3 Filtro 4 Bomba de inyección en línea 5 Dispositivo centrífugo de avance de inyección 6 Palanca de regulación (acoplada mecánicamente con pedal de acelerador) 7 Inyector 8 Línea de retorno de combustible 9 Bujía o resistencia de incandescencia (arranque en frío del motor) 10 Batería 11 Llave de contacto 12 Control de la bujía de incandescencia. Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 22 - altura de suministro carrera eficaz varilla de control De izquierda a derecha: aumento del suministro Figura 16 : Principio operativo de la dosificación. Detalle del giro del émbolo o pistón Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 23 - 4.3.- Bomba rotativa Las bombas de inyección en línea fué la primera tecnología desarrollada para sistemas de alimentación de combustible para motores Diesel, sin embargo presentaban las siguientes limitaciones o desventajas : Equipos no adaptados para operar con motores con alto régimen de velocidad (rpm) Disponían de tantos elementos de bombeo (cilindro-pistón) como inyectores del motor Esta última característica constructiva provocaba que, con el paso del tiempo, la bomba se desajustaba progresivamente, de forma que cada elemento de bombeo no alimentaba con la misma cantidad de combustible a cada cilindro del motor. Para solucionar estos problemas y para adaptarse a los progresos alcanzados en los motores Diesel (creciente régimen de trabajo rpm), aparecieron las bombas de inyección rotativas ( 1947 ). La originalidad de este tipo de bombas consiste en disponer de un sistema capaz de presurizar el combustible en un elemento único y posteriormente enviarlo a los diferentes cilindros, utilizando un distribuidor rotativo de varias salidas. En el interior de la bomba se disponen, además, de los correspondientes mecanismos de dosificado y regulación de la inyección. Este tipo de bombas presenta, con respecto a la bomba en línea convencional, las siguientes ventajas : Caudales inyectados iguales para todos los cilindros ( inyección equilibrada ) Velocidad de rotación elevada ( adaptada a motores Diesel de altas rpm : turismos y vehículos industriales ligeros ) Tecnología relativamente simple y sin necesidad de sistema de lubrificación ( bomba lubrificada por el propio combustible) Menor peso y tamaño Mayor facilidad de acoplamiento al motor Menor coste Históricamente se han desarrollado diferentes tipos de bombas rotativas, operando genéricamente bajo el principio general anteriormente expuesto, pudiendo destacar dos tipos básicos : Bomba rotativa de émbolos opuestos ( Tipo CAV-Lucas ) Bomba rotativa de émbolo deslizante ( Tipo Bosch-EP ) En el presente apartado se realiza la descripción de la bomba rotativa CAV-Lucas, que es quizás la bomba rotativa más representativa. La Figura 17 corresponde a un esquema simplificado de una bomba rotativa que alimenta a un solo inyector y que está consitutuida por dos elementos básicos : Cuerpo de la bomba (estator) ( 1 ) Rotor (2) que contiene dos émbolos o pistones encargados de comprimir el combustible (3 y 4) En la posición A ( Fase de admisión de combustible ), la lumbrera de dosificación de combustible proveniente del depósito ( 7 ) coincide con la lumbrera de admisión del rotor ( 5 ), permitiendo el paso de combustible al interior del rotor, mediante la acción de los dos émbolos que se separan. En el siguiente proceso de giro del rotor, los dos émbolos inician el proceso de compresión de combustible confinado dentro del rotor, hasta el instante en que la lumbrera de distribución ( 8 ) coincide con la lumbrera de escape del estator ( 9 ) ( Posición B ). En este instante el combustible comprimido es enviado hacia el inyector ( 10 ). Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras Figura 17 : Principio operativo de una bomba rotativa de émbolos opuestos ( Tipo CAV-Lucas ) Figura 18 : Principio operativo de una bomba rotativa de 6 inyectores ( 6 cilindros ) - 24 - Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 25 - Los dos pistones de carrera opuesta están montados dentro de un cabezal giratorio y están apoyados en unos cilindros o rodillos periféricos. Este cabezal es concéntrico con un anillo fijo de camones o levas del estator que son los que provocan el movimiento alternativo de los pistones, durante el proceso de giro del rotor ( Figura 18 ). Para una bomba de alimentación a varios inyectores, la bomba dispone de una única lumbrera de admisión y un único sistema de bombeo por 2 pistones, pero dispone de tantas lumbreras de escape como de inyectores deban alimentarse. La bomba de la Figura 18 corresponde a un motor Diesel de 6 inyectores ( 6 cilindros ). La cantidad de combustible a inyectar a cada cilindro se consigue mediante una válvula de regulación o dosificación que incorpora la bomba, comandada mecánicamente mediante el pedal del acelerador. En la Figura 19 se incluye un esquema de una bomba rotativa de 6 cilindros, donde se indican los principales componentes. Figura 19 : Vista interior de una bomba rotativa de 6 inyectores Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 26 - 4.4.- Common Rail El sistema de “common-rail” o conducto común es un sistema de inyección electrónica de combustible, que incorporan prácticamente todos los motores diesel actuales. Este sistema fue desarrollado por el grupo italiano Fiat y la industrialización la llevó a cabo Bosch. El primer vehículo en equipar dicho sistema fue el Alfa Romeo 156 con denominación JTD (Jet Turbo Diesel), en el año 1997. Actualmente casi todos los automóviles nuevos equipados con motor diesel incorporan el sistema “common-rail”, identificados bajo distintas siglas, según el fabricante (CRDI, CDTI, HDI, JTD, DCI, TDCI, TDI ). Los principales fabricantes de dicho sistema de inyección son Bosch, Siemens, Delphi y Denso. Las principales características de dicho sistema son: Inyección directa del combustible ( gasóleo ) en el cilindro a alta presión : 1300-1600 bar (incluso 2000 bar, para los prototipos más recientes). Nueva generación de inyectores piezoeléctricos de alta velocidad de inyección. Control electrónico del proceso de inyección (a diferencia del control mecánico o electromecánico de los sistemas de inyección anteriores). Descripción general del sistema ( Figura 20 ) El gasóleo almacenado en el depósito de combustible ( Fuel Tank ) es aspirado por una bomba circuladora accionada eléctricamente ( no indicada en la figura ) y enviado a un filtro ( Filter ) y posteriormente a una segunda bomba, denominada de alta presión ( High pressure supply pump ). Dicha bomba envía el combustible a una presión entre 1300 y 1600 bar al colector o conducto común (common-rail : conexión izquierda ). El combustible almacenado a alta presión en el colector es posteriormente enviado a los inyectores del motor ( Injectors : conexión izquierda ), en este caso de 4 cilindros. Figura 20 : Sistema de inyección de gasóleo commom-rail Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 27 - Debe remarcarse que no todo el gasóleo que envía la bomba de alta presión al colector es inyectado en el motor. La parte no utilizada de combustible es enviada de vuelta al depósito, a través del circuito de retorno que conecta colector (conexión derecha / pressure limiter) e inyectores (conexión derecha). En la Figura 21 se presenta un esquema de un sistema de inyección common-rail para un motor de 6 cilindros. El gasóleo proveniente del depósito de combustible (no indicado en la figura) pasa por el filtro ( 1 ), posteriormente por la bomba de alta presión ( 3 ), llegando finalmente al colector o rail ( 2 ) a una presión entre 1300 y 1600 bar. El combustible almacenado a alta presión en dicho colector es posteriormente enviado a los inyectores del motor ( 4 ) de 6 cilindros. 1 Filtro 2 Common-rail 3 Bomba de alta presión 4 Inyector Figura 21 : Sistema de inyección de gasóleo commom-rail Inyectores Una de las piezas claves son los inyectores piezo-eléctricos que son unas 10 veces más rápidos de respuesta que los antiguos, lo que hace que dentro de cada ciclo de explosión se produzcan varias inyecciones de pequeñas cantidades de combustible, aumentando la suavidad de funcionamiento y reduciendo el consumo. Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 28 - El número de inyecciones por ciclo con este tipo de inyectores puede alcanzar el número de cinco, aunque la mayoría de los fabricantes sólo realizan tres de momento: Inyección previa ( Preinyección ) Inyección principal Postinyección En las Figuras adjuntas 23 y 24 se resume el principio de operación del inyector en modo parado y en modo inyección. La principal ventaja de este sistema es que nos permite controlar electrónicamente el suministro de combustible, permitiéndonos así realizar pre-inyecciones antes de la inyección principal con lo que conseguimos preparar la mezcla para una óptima combustión. Esto genera un nivel sonoro mucho más bajo y un mejor rendimiento del motor. Asimismo este sistema permite que la presión de inyección sea casi independiente del régimen (velocidad del motor) y de su carga; es decir, aunque el conductor no acelere a fondo y el motor gire despacio, es posible inyectar el gasóleo a una presión muy alta y casi constante durante todo el proceso de inyección. Este modo de operación permite un control muy apurado de la potencia. En la Figura 22 se se indican dos gráficos comparativos del proceso de inyección entre un sistema convencional ( bomba en línea, bomba rotativa) y el sistema “common rail”. En los sistemas convencionales la presión de inyección va aumentando durante el tiempo que dura este proceso, situación que dificulta una correcta regulación y dosificación del combustible. El sistema common-rail, inyecta a una presión superior y constante durante todo el proceso, permitiendo una inyección mucho más precisa y controlada. Figura 22 : Gráficos comparativos del proceso de inyección entre un sistema convencional y el sistema common rail La óptima atomización del combustible por parte de los inyectores electrónicos, controlados por una centralita de inyección electrónica, y la alta presión a la que trabaja el sistema hacen que se aumente potencia en todo el rango de revoluciones, se reduzca el consumo de combustible y se disminuya la cantidad de emisiones contaminantes, en especial los óxidos de nitrógeno, el monóxido de carbono y los hidrocarburos sin quemar. Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras Figura 23 : Funcionamiento del inyector ( modo reposo ) - 29 - Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras Figura 24 : Funcionamiento del inyector ( modo inyección ) - 30 - Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 31 - 5.- Sobrealimentación de motores 5.1.- Introducción Sobrealimentación significa la introducción en los cilindros del aire, y por lo tanto también del combustible, a presión superior a la que el motor puede aspirar naturalmente ( motor atmosférico ), mediante la utilización de un compresor ( supercharger ). Con la sobrealimentación aumenta pues la masa de aire y de combustible introducida en los cilindros, aumentando así la potencia térmica generada por combustión y la potencia mecánica generada por el motor, sin variar la cilindrada y el número de revoluciones. En este tipo de motores es posible obtener la misma potencia con una cilindrada menor y por lo tanto con un motor de dimensiones y peso inferiores. Fundamentalmente se utilizan dos tipos de sistemas de sobrealimentación de motores : Compresores accionados mecánicamente por el eje o cigüeñal del motor ( internally driven superchargers ) Compresores accionados mecánicamente por una turbina de expansión de los gases de escape del motor, cuyo conjunto se denomina turbocompresor ( externally driven superchargers or turbochargers ) Al incrementar la relación de compresión del compresor ( RC ), se incrementa la presión de descarga del compresor, así como la densidad del aire admitido en los cilindros del motor. En la Tabla 1 se resumen los diferentes niveles de sobrealimentación de MACI, en función de la RC a la que opera el compresor. Grado de sobrealimentación Presión relativa del aire Relación de compresión del motor en admisión del motor ( bar ) RC = Padmisión / Patm Motor atmosférico 0,0 1,0 Baja sobrealimentación 0.0 a 0,5 1,0 a 1,5 Media sobrealimentación 0,5 a 1,0 1,5 a 2,0 Alta sobrealimentación > 1,0 > 2,0 Tabla 1 : Niveles de sobrealimentación de MACI 5.2.- Sobrealimentación con compresores accionados por cigüeñal Este tipo de compresores son accionados mecánicamente, a partir del eje del cigüeñal, por medio de de un sistema de poleas y correas. Esto supone una sustracción de la potencia efectiva neta generada por el motor, necesaria para realizar el arrastre del compresor. Usualmente se utilizan compresores volumétricos, entre los que deben destacarse : Compresores de lóbulos ( roots ) Compresores de paletas Compresores de pistones Compresores de tornillo ( screw ) Compresores scroll Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 32 - Los compresores de lóbulos son los más utilizados, ya que, frente a los de paletas o pistones, presentan las ventajas de alta velocidad de rotación, simplicidad y ausencia de contacto entre las partes giratorias. Por esta última causa no requiere lubricación interna con aceite. En los compresores volumétricos, el caudal de aire suministrado varia aproximadamente de forma lineal con la velocidad de rotación, con lo que se consigue un grado de alimentación bastante constante en todo el campo de funcionamiento. Su principal inconveniente radica en el ruido que produce en el funcionamiento y su dificultad de construcción. El aire de salida del compresor posee un nivel de presión superior a la amtosférica, pero una temperatura elevada ( consecuencia inherente al propio proceso de compresión ), lo que no permite alcanzar una densidad de aire suficientemente elevada. Por dicho motivo se acostumbra a situar un intercambiador de calor aire-aire ( denominado interccoler ), que permite enfriar el aire de descarga del compresor, mediante aire exterior a presión atmosférica a menor temperatura. En la Figura 25 se presenta un sistema de sobrealimentación de un MACI tipo Otto 4 cilindros, en el que se puede apreciar el sistema de accionamiento del compresor a partir del cigüeñal del motor (crankshaft ), mediante un sistema de poleas ( pulley ) y correa ( drive belt ). El aire aspirado pasa por un filtro ( air cleaner ), compresor, interccoler y colector de aspiración de alimentación de los 4 cilindros ( induction manifold ). El caudal de aire es regulado mediante la válvula de mariposa ( throttle valve ) accionada por el pedal del acelerador. Para régimenes de operación del motor a carga parcial, puede ocurrir que el caudal de aire comprimido enviado al motor sea excesivo. Por dicho motivo se ha dispuesto de una válvula de bypass que reenvia parte del aire, desde el colector de aspiración del motor al conducto de aspiración del compresor. Figura 25 : Motor Otto 4 cilindros con sobrealimentación por compresor accionado por cigüeñal ( No se indica el sistema de alimentación de combustible ) Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 33 - 5.3.- Sobrealimentación con turbocompresores En este tipo de sobrealimentación el compresor es accionado mecánicamente, mediante una turbina que aprovecha la energía de los gases de escape. A este conjunto se le denomina turbocompresor. El turbocompresor es quizás el sistema de sobrealimentación más utilizado en motores de vehículos (turismos y camiones). El tipo de compresor más utilizado es el compresor centrífugo. El compresor centrífugo consiste esencialmente en un rotor centrífugo y un difusor. El rotor es el encargado de subministrar una elevada energía cinética al aire ( velocidad ) y el difusor es el que transforma la energía cinética en energía de presión. Usualmente la turbina y el compresor van montados sobre el mismo eje. La energía mecánica generada por la turbina, necesaria para accionar al compresor, se obtiene a partir de la expansión de los gases de combustión de salida del motor ( P > Patm ), antes de su expulsión o escape a la atmósfera. En la Figura 26 se presenta un esquema de funcionamiento de un turbocompresor, integrado en el sistema de sobrealimentación del motor. De forma similar a los compresores volumétricos, debe indicarse la presencia del intercooler ( intercambiador aire-aire), cuya función es enfriar el aire comprimido proveniente del compresor (a elevada temperatura), con el objetivo de incrementar su densidad y aumentar el caudal másico de aire aspirado por el motor. Figura 26 : Esquema de funcionamiento de un turbocompresor El régimen aproximado de operación de un turbocompressor puede variar entre los siguinetes límites: Compresor : RC = Relación de compresión = 1,0 a 3,2 Turbina : RE = Relación de expansión = 1,2 ( 7.000 rpm ) a 2,6 ( 150.000 rpm aprox ) Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 34 - La turbina suele estar subdimensionada para que pueda trabajar bien con un reducido caudal de gases. Cuando el motor opera a plena carga y altas rpm el caudal de gases de escape podria ser excesivo, por lo que una parte se envia directamente a la atmósfera sin turbinarlo La compuerta destinada a controlar el proceso es la llamada “waste gate”, accionada mediante una vàlvula neumática tarada con un resorte ( Figura 27 ). Figura 27 : Esquema de funcionamiento de la “waste gate” En la Figura 28 se incluye una sección de un turbocompresor, donde se aprecia el montaje de ambos equipos (compresor y turbina) sobre el mismo eje, pero alojados cada uno de ellos ena carcasa independiente Figura 28 : Sección de un turbocompresor Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 35 - 5.4.- Sobrealimentación en motores Diesel La sobrealimentación por turbocompresor se adapta mejor al motor Diesel que al motor Otto. En el motor Diesel, al incrementar la presión de admisión de aire al motor, se incrementa asimismo la presión y la temperatura al final de la carrera de compresión, situación que, hasta cierto punto, favorece el proceso de combustión en el momento de la inyección del combustible. Las presiones de admisión de aire en el motor pueden alcanzar valores de 2,0 bar abs o incluso superiores, con un régimen de giro del compresor entre 70.000 y 1500.000 rpm (incluso superiores ). Las principales ventajas del turbocompresor son las siguientes: Incremento de la relación potencia / peso Mayor rendimiento volumétrico : la combustión es más completa y el consumo específico se reduce. Reducción de contaminantes : la combustión es más eficaz y limpia. Actualmente la mayoría de motores Diesel 4T son motores sobrealimentados por turbocompresor con inyección directa de combustible en cilindro por sistema common-rail ( tipo TDI ). En la Figura 29 se indica un esquema simplificado de este tipo de motores. Los valores de P y T son orientativos Aire exterior P = 1 bar T = 30 ºC Bomba inyección Common rail De depósito gasoil P = 2 bar T = 60 ºC Intercooler (Aftercooler) Gasoil Inyector Colector admisión Aire Eje motor (Cigüeñal) MACI Diesel sobrealimentado 6 cilindros P = 2 bar T = 130 ºC P = 1,3 bar T = 650 ºC Líquido refrigerante Circuito refrigeración del motor Colector escape Turbina Compresor Turbocompresor Gases de combustión P = 1 bar Aire exterior P = 1 bar T = 30 ºC Figura 29 : Esquema de un motor Diesel sobrealimentado po turbocompresor e intercooler. Sistema de alimentación de combustible por inyección directa ( common rail ) Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 36 - 5.5.- Sobrealimentación en motores Otto La sobrealimentación en motores Otto es más compleja que en los motores Diesel. Al incrementar la presión del aire de admisión del motor se incrementa asimismo su temperatura, con lo que si se mantiene la relación de compresión del motor pueden aparecer fenómenos de autoignición térmica o picado (knocking) de la mezcla aire-gasolina dentro del cilindro. Por dicho motivo debe limitarse la relación de compresión ( ) en los motores Otto sobrealimentados. Así por ejemplo, si la relación de compresión de un motor atmosférico es de 10:1, deberá reducirse su a 9:1 para sobrealimentación con baja relación de compresión ( RC = 1 a 1,5 ) o incluso a 8:1 para sobrealimentación media o alta ( RC = 1,5 a 2 ). Estos condicionantes han provocado que tradicionalmente los motores Otto sean mayoritariamente atmosféricos. No obstante existen motores Otto sobrealimentados, utilizando los dos tipos de compresores anteriormente citados : Compresores accionados mecánicamente por el eje o cigüeñal del motor Turbocompresores Existen diversas alternativas de motores Otto sobrealimentados, ya que, adicionalmente al tipo de compresor utilizado, pueden utilizarse diversos tipos de sistemas de alimentación de combustible : Carburadores Inyección indirecta en colector de aspiración Inyección directa en cilindro En las Figuras 30 y 31 se presentan dos variantes de sobrealimentación Otto, una utilizando carburación y otra inyección directa en cilindro. Mezcla aire-gasolina Mariposa Gasolina Aire Colector admisión C Filtro Carburador Pedal acelerador C Compresor MACI Otto 4 cilindros Eje motor (Cigüeñal) Gases escape Colector escape Figura 30 : Motor Otto sobrealimentado por compresor accionado por cigüeñal Sistema de alimentación de combustible por carburador Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 37 - Retorno gasolina Regulador de presión Depósito gasolina Bomba Filtro Rampa distribución F Pedal acelerador Gasolina Aire exterior Intercooler C Inyector Aire T Colector admisión MACI Turbina Aire Electroválvula Mariposa Gases escape Otto 4 cilindros Eje motor (Cigüeñal) Filtro Compresor Válvula Wastegate Colector escape Figura 31 : Motor Otto sobrealimentado por turbocompresor Sistema de alimentación de combustible por inyección directa multipunto en cilindro En el sector del automóvil existen actualmente dos tecnologías predominantes : Motores atmosféricos con inyección multipunto en colector de admisión Motores sobrealimentados por turbocompresor con inyección directa en cilindro Esta última tecnología ha venido imponiéndose progresivamente, ya que permite la utilización de motores más compactos ( menor cilindrada ) y con mejor rendimiento y menor consumo que los motores atmosféricos, en especial a régimenes de carga parcial. En el sector aeronáutico la tendencia es diferente que en el campo del automóvil, ya que mayoritariamente los motores Otto son sobrealimentados, tal como se describe en el Tema 12. Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras 6.- - 38 - Problemas 6.1.- Motor Diesel El plano acotado de consumos específicos que se adjuntan más abajo corresponden a un motor Diesel sobrealimentado por turbocompresor con sistema de inyección directa de combustible, cuyos datos constructivos y operativos se indican a continuación Datos motor Audi A6 / Turbodiesel inyección directa ( similar a motor de Figura 29 ) Cilindrada total : 2500 cm3 Datos combustible Gasóleo / PCI = 43.000 kJ / kg Fórmula aproximada: C14H26 Masas molares: C=12, H=1, 0=16 1. Determinar el máximo rendimiento efectivo que presenta este motor max Ce min 202 Ce 202 max g / h M 260 N·m kW N 2000 rpm g 1kWh 1 kg 5,611x10 5 kg / kJ x x h·kW 3600 kJ 1000 g 1 1 0,414 Ce ·PCI 5,611x105 x 43000 Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 39 - 2. Determinar la potencia efectiva máxima que presenta este motor PeMAX MxN MAX A partir del gràfico podemos determinar el régimen para el que ( MxN ) sea máximo, mediante la siguiente tabla : N 3000 3200 3400 3600 3800 4000 4200 4400 M 250 240 230 220 210 200 190 180 MxN 750000 768000 782000 792000 798000 800000 ←MAX 798000 792000 Pe W M N·m ·w rad / s M PeMAX 200 2 N 60 2 4000 83776 W 83,8 kW 60 Potencia efectiva específica : pe Pefectiva 83,8 kW 33,52 kW/l Vd 2,5 l 3. En el régimen de trabajo del motor indicado en la pregunta anterior, ¿Cuáles serían las emisiones de CO2 a la atmósfera que genera dicho motor? C14 H26 20,5 O2 14CO2 13 H2O MC14H26 = 14x12 + 26 x 1 = 194 g/mol MCO2 = 1x12 + 16 x 2 = 44 g/mol Consumo másico de gasoil : 83,8 kW 250 g / h 20950 g / h 20,95 kg / h 1 kW Emisiones de CO2 20,95 kg gasoil 1000 g 1 mol gasoil 14 mol CO2 44 g CO2 1 kg CO2 66,52 kg CO2 / h h 1 kg 194 g gasoil 1 mol gasoil 1 mol CO2 1000 g CO2 Tema 11 : MACI -Tecnología / Manel Quera, Ramon Carreras - 40 - 6.2.- Comparación motor Otto atmosférico-motor Diesel sobrealimentado Realizar un análisis comparativo de características constructivas, operativas y efectivas entre el motor Otto 4T atmosférico ( anailzado en Tema 10 ) y el motor Diesel sobrealimentado ( analizado en apartado anterior ). Especificaciones Motor Otto 4T Motor Diesel 4T Atmosférico Sobrealimentado por turbocompresor Inyec indirecta en colector aspiración Inyección directa en cilindros Referencia fabricante Mercedes-Benz A 200 Audi 2.5 TDI Cilindrada 2034 cm3 2500 cm3 Nº Cilindros 4 6 Relación compresión ( ) 11 : 1 20 : 1 Potencia efectiva máx 100,8 kW / 5500 rpm 83,8 kW / 4000 rpm Rendimiento máx 0,377 / 2500 rpm 0,414 / 2000 rpm Consumo ( l/h ) a (Pe)max 37,5 l/h 24,9 l/h Pot efectiva especifica 50 kW/l 34 kW/l Tipo de motor
