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CURSO
SISTEMAS DE INYECCIÓN CON
BOMBA ROTATIVA ELECTRÓNICA
Profesor: Lautaro De la Fuente Rodríguez
ABRIL 2009
GENERALIDADES
Los motores Diesel con control electrónico aparecieron en el mercado, por
dos razones importantes, el costo del combustible y las emisiones
contaminantes. Su desarrollo mas importante se produjo aproximadamente el
año 1990, cuando las normas de emisión (EPA , TIAR) establecieron unos
niveles de emisión que era muy difícil de lograr con los medios mecánicos
existentes. También en aquella época en Estados Unidos se dispuso por ley
que los vehículos de carretera equipados con motores Diesel , solo emplearan
Sistemas de Inyección con control electrónico, con el fin de disminuir el efecto
de sus emisiones con el medio ambiente y obtener un mejor rendimiento.
Lo anterior obligo a las empresas automotrices y fabricante de motores
Diesel a incorporar sistemas de inyección con control electrónicos, desarrollo
que ya existía en los motores Diesel desde finales de los años setenta.
La incorporación de la electrónica a permitido que las funciones de
regulación de caudal y avance de la inyección puedan ser gobernadas por
medios electrónicos, mediante los cuales se optimiza la cantidad de
combustible inyectada, adaptándola correcta exactamente a las necesidades
de la marcha del motor. La incorporación de estos dispositivos electrónicos a
las bombas de inyección para motores Diesel conllevan una serie de ventajas
fundamentales como muestra la figura # 1, que permiten reducir notablemente
los consumos de combustible y los niveles de emisión de gases contaminantes,
por cuyas razones fue uno de los primeros sistemas en que se aplico
masivamente los sistemas de control electrónico.
Fig#1 Ventajas de la Inyección Electrónica
2
El desarrollo de la inyección Diesel electrónica, también trajo avance en el
diseño de los motores Diesel, como por ejemplo el diseño de las cámaras de
combustión, donde se ha adoptado la inyección Directa, por sobre la Indirecta,
ya que el diseño aerodinámico asistido por computador a permitido, una mezcla
del aire – combustible mas rápida y proceso de combustión que permite que los
motores puedan desarrollar r.p.m, tan altas como los motores de gasolina.
El avance en las cámaras de combustión obligo también a desarrollar
inyectores que inyectan el combustible más pulverizado y en menor tiempo en
el interior de la cámara de combustión, permitiendo que la combustión sea más
rápida y completa, aumentando el rendimiento del motor. Por lo tanto los
motores Diesel con control electrónico, como muestra la figura # 2 reúnen las
siguientes características;
•
•
•
•
Inyección Directa
Diseño aerodinámico de la cámara
de combustión.
Sobre alimentación de aire.
Control electrónico de la inyección
de combustible.
Fig.2 Motor Diesel Electrónico
En cuanto al desarrollo de los inyectores para mejorar la mezcla airecombustible y reducir el tiempo del proceso de combustión, han incorporado las
siguientes modificaciones como puede observarse en la figura # 3.
•
•
•
•
Disminución del diámetro de
los orificios.
Aumento de la presión de
inyección.
Aumento del número de
orificios.
Tamaño más compacto
Fig. # 3 Inyector Hidráulico para bomba electrónica
3
INFLUENCIA DE LA GESTIÓN ELECTRÓNICA
Un sistema de control electrónico, es un sistema que permite controlar la
dosificación de combustible y el tiempo exacto de la inyección, a partir de tres
componentes importantes;
•
•
•
Sensores
Unidad de control electrónico
Actuador
Y que pasaremos a definir a continuación.
SENSOR: Es un dispositivo que permite transformar una señal física
(Temperatura, Presión, Posición, etc.) en una señal eléctrica que es recibida
por la unidad de control.
UNIDAD DE CONTROL: Es un microprocesador que controla el proceso de
inyección y funcionamiento del motor, a través de las señales de los
parámetros de funcionamiento del motor, que recibe de los sensores.
ACTUADOR: Es un dispositivo que permite transformar una señal eléctrica
enviada desde el microprocesador, en una señal física de movimiento, para
controlar la dosificación de combustible, modificar el avance de la inyección o
conectar o desconectar el electro ventilador del sistema de refrigeración.
El caudal de combustible inyectado influye notablemente sobre el arranque
del motor y el comportamiento de marcha, así como en la emisión de humos.
En la unidad de control se determina el valor del caudal que debe inyectarse,
de acuerdo con los datos memorizados en campos característicos y los valores
reales medidos por los diferentes sensores. De igual manera se determina el
punto de inicio de la inyección. La presión del comienzo de la inyección está
garantizada por un detector de movimiento de la aguja del inyector, que capta
el comienzo exacto de la inyección directamente en el inyector, enviando la
señal a la unidad de control, que la compara con el inicio de la inyección
programando en su memoria y genera unos impulsos de control que se envían
al sistema variador de avance, que corrige el punto de inyección en función de
las condiciones de marcha del motor.
En la figura # 4 se muestra un diagrama de bloques que corresponde a
un sistema de inyección con control electrónico, donde puede verse que la
unidad de control recibe las informaciones de los distintos sensores y las
convierte en impulsos de control para los sistemas de regulación de avance y
de caudal ubicados en la bomba de inyección, a los que las señales a través de
sendos computadores, que a su vez reciben señales reales del comienzo de la
inyección y el caudal suministrado, las cuales permiten modificar estos
parámetros adaptándolos a las necesidades del motor.
4
Fig. # 4 Diagrama en bloques de un sistema de Inyección Diesel
con Control Electrónico
BOMBA DE INYECCIÓN ROTATIVA CON GESTIÓN ELECTRÓNICA
Actualmente en Chile existen varios tipos de bombas de inyección con
control electrónico, siendo una de la más utilizada, el modelo Bosch VE
electrónica Covec, la cual será la que se explicará en este apunte.
La figura # 5 muestra una bomba rotativa Bosch VE con control
electrónico, donde puede verse que su estructura y componentes es similar al
modelo convencional, pero aquí se ha sustituido el conjunto regulador
mecánico de velocidad por un sistema electromecánico, llamado actuador GE
que realiza la misma función, como puede observarse en la figura # 6, la
corredera o dado de regulación 5 es similar al de las bombas con regulador
mecánico y funciona de la misma manera (Consulte apunte de bomba rotativa
convencional), pero ahora esta comandado por el actuador GE 2 capaz de
posicionar la corredera o dado de regulación adecuadamente en función de la
cantidad de combustible que se haya de inyectar.
Para la variación del punto de inicio de la inyección se dispone de una
electroválvula llamada válvula de control de sincronización, que es comandada
desde el calculador electrónico regula la presión de transferencia del
combustible que se aplica al vareador de avance, mediante la cual se modifica
la posición de la placa porta rodillo y con ello el avance de la inyección.
5
Actuador GE
Fig.# 5 Aspecto exterior de una Bomba Rotativa electrónica VE Covec
Fig. # 6 Componentes internos bomba rotativa electrónica Bosch VE
1. Placa de soporte del actuador GE 2. Imán permanente rotativo 3. Eje de
mando 4. Rotula excéntrica del eje de mando 5. Dado o corredera de
regulación 6. Bobina del electro imán 7. Bobina del sensor de posición del
eje de mando 8. Placa móvil 9. Válvula de control de sincronización.
6
El sistema alimentación de combustible (Figura # 7), con bomba rotativa
electrónica Bosch VE Covec, al igual que el modelo convencional, también esta
dividido en dos subsistema, el sistema de baja o combustible, que transfiere y
purifica el combustible del deposito a la bomba de inyección y el sistema de
alta o Inyección formado por la bomba de inyección, cañerías de alta presión e
inyectores.
Fig. # 7 Componentes mecánicos y electrónicos de una bomba rotativa
Bosch VE Covec.
1. Tanque de combustible 2. Bomba alimentadora 3. Filtro 4. Válvula
limitadora de presión 5. Regulador 6. Estator 7. Eje del regulador 8. Sensor de
temperatura 9. Sensor de posición 10. Válvula de retorno 11. ELAB12. Injetor
con sensor de movimiento 13. Bomba transferencia 14. Rodillo15. Anillo de
levas 16. Pistón del avance 17. Válvula magnética 18. Dado de regulación 19.
Pistón distribuidor 20. Válvula de presión 21. Racor de salida 22. Unidad de
control 23. Sensor de curso del pedal 24. Sensor de velocidad 25. Sensor de
temperatura de agua 26. Sensor de temperatura de aire. 27. Sensor de presión
de aire 28. Sensor de r.p.m. del motor 29. Sensor de masa de aire 30. Relé de
bujía incandescente 31. Compresor de A/C 32. Válvula EGR 33. Diagnóstico.
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EXTRUCTURA DE LA BOMBA ROTATIVA
COMPONENTE
FUNCIÓN
Unidad de control electrónico
(Microprocesador)
Sensor Np
Sensor CPS
Sensor de la temperatura del combustible
Resistor de compensación
TCV
TPS
La comparación y procesamiento de las
condiciones de funcionamiento
Detecta la velocidad del eje de la bomba
Detecta la posición del dado de regulación
Detecta la temperatura del combustible
Compensación
Ajusta el tiempo de inyección
Detecta la posición del pistón de regulador
de avance
ACTUADOR GE (REGULADOR ELECTRÓNICO)
Como puede verse en la figura #5, el actuador GE está sujeto en la cámara
del regulador, en la parte superior de la bomba de inyección. La cámara del
regulador y la cámara de la bomba están conectadas a través de un filtro de
magnético y el combustible que fluye en la cámara del regulador enfría la
bomba.
El filtro magnético también evita que partículas de hierro entren al interior del
actuador GE.
La punta del eje ajustada a presión al rotor, está equipada con un pasador
de bolas, que es excéntrico con el eje (Ver figura #8). Este pasador de bolas se
inserta en un orificio en la corredera o dado de regulación.
Fig. # 8 Fotografías de un Actuador Ge de una Bomba rotativa Bosch
VE Covec.
OPERACIÓN DEL ACTUADOR GE
A diferencia de la bomba de inyección convencional, la bomba rotativa
electrónica ajusta la cantidad de inyección de combustible de manera
electromagnética (Ver figura # 9). La posición del dado o corredera de
regulación se detecta mediante un sensor de posición del dado y retroalimenta
a la unidad de control. Cuando la bobina se energiza, el núcleo genera un flujo
magnético para rotar el rotor dentro un rango específico. (Ver figura # 10)
8
La intensidad del flujo magnético generado por la bobina se determina
mediante la corriente de entrada. El rotor rota hasta que la intensidad del flujo
magnético del núcleo se iguala a la fuerza del resorte de retorno del rotor.
Bobina
Resorte de Retorno
Rotor
Núcleo
Eje
Rotula excéntrica
Dado o Corredera
de regulación
Fig. # 9 Componentes del regulador GE
El sensor de posición del dado
de regulación detecta el ángulo
rotacional. Como puede verse
en la figura # 11, está instalado
en la parte superior del
actuador GE para detectar si la
posición del dado de regulación
(es decir, el ángulo de rotación
del rotor) especificado por la
corriente, es efectivamente la
posición correcta.
Fig. 10 Bobina y rotor del regulado GE
El sensor de posición (Figura # 11) del dado de regulación consiste de un
yunque sensor, una bobina sensora, una palanca móvil y una placa fija. La
placa móvil está conectada directamente al eje, y rota junto con él. La placa fija
compensa por las variaciones de inductancia inducidas por temperatura.
9
El sensor de posición del dado de regulación convierte las diferencias en las
inductancias de las bobinas superior e inferior en ángulos, y las alimenta de
vuelta a la unidad de control. La unidad de control compara el ángulo
almacenado en su memoria con el ángulo medido por el sensor, y compensa la
corriente de manera que el ángulo corresponda con el valor almacenado en la
memoria del computador, para las r.p.m. y carga que esta desarrollando el
motor.
Cuando el microprocesador energiza la bobina del regulador GE (Figura #
10) , el rotor gira en proporción a la señal de corriente suministrada, ajustando
la posición del dado de regulación y con ello la cantidad de combustible
requerida para las condiciones de funcionamiento del motor. La posición del
dado de regulación, como ya se ha dicho, es verificada por el sensor de
posición.
Fig. 11 Componentes del sensor de posición GE
VÁLVULA DE CONTROL DE SINCRONIZACIÓN (TCV)
La válvula TCV (figura #12) es de tipo electromagnético y se ubica en un
canal de en derivación con la cámara del pistón de avance, a la cual llega el
combustible desde el cuerpo de la bomba a la presión de transferencia, que es
función del régimen de r.p.m. del motor. La válvula TCV como se observa en la
figura # 12 se compone de un émbolo, un resorte y una bobina. El émbolo en
reposo no permite el paso de combustible hacia el retorno debido a la acción
del muelle. La unidad de control regula la posición de la electro válvula en
función del cálculo que realiza según las diferentes señales recibidas. Los
impulsos eléctricos desde la unidad de control a la bobina de la válvula TCV
producen el
desplazamiento de la misma contra la acción del resorte.
La acción cíclica de la válvula TCV provoca una fuga de combustible, a través
de la cual se modula la presión de transferencia adecuándose al valor más
conveniente para cada una de las condiciones de funcionamiento del motor. La
señal de mando de la válvula TCV la genera la unidad de control en función de
las informaciones que recibe de los distintos sensores, principalmente de las
10
r.p.m. del motor, posición del acelerador, recorrido del dado de regulación y el
sensor de la aguja del inyector. Estas informaciones pueden ser corregidas en
función de las señales de temperatura del motor, aire de admisión y
combustible, entre otras. La válvula TCV se alimenta con un positivo directo y
cierra a masa en la unidad de control.
La presión de transferencia regulada por la válvula TCV es aplicada al
pistón del avance, al que desplaza comunicando este movimiento al anillo de
levas, que se mueve convenientemente para fijar el punto de comienzo de la
inyección. La unidad de control recibe información desde el inyector del
comienzo real de la inyección y en estas condiciones, si el avance real es
diferente del teórico, la válvula TCV es activada para adecuar el avance teórico
al real.
Fig. # 12 Diagrama y fotografía de la válvula TCV para Bomba Bosch VE
SENSOR DE POSICIÓN DEL PISTÓN DE AVANCE DE LA INYECCIÓN
(TPS)
El TPS esta instalado junto al cilindro del pistón del vareador de avance de
la inyección aun costado de la bomba (Fig. # 5). Esta formado por una barra
magnética y una bobina (Ver figura # 13), que detecta la posición del pistón del
avance y la informa a la unidad de control. Para lo cual el TPS detecta la
variación de inductancia en el núcleo magnético de la barra para medir la
posición del pistón de avance.
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Fig. # 13 Sensor de posición del pistón de variador de avance
SENSOR DE VELOCIDAD DE LA BOMBA DE INYECCIÓN NP
El sensor Np detecta la velocidad de giro del eje de la bomba necesaria para
los variados controles, y emite señales a la unidad de control. Este se
encuentra ubicado a un costado de la bomba como muestra la figura # 5.
El sensor Np como se ve en la figuras # 14 y 15, está constituido de un
imán permanente, una barra de hierro y una bobina. El campo magnético del
imán cambia mediante el movimiento de una rueda con cuatro puntas que esta
ubicada en el eje de la bomba (placa de engranaje sensor), y el voltaje
generado se detecta como señal de r.p.m.
Fig.# 14 Sensor de Velocidad NP
Fig. # 15 Componentes de sensor NP
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Cuando el eje de la bomba rota, las puntas de la rueda pasan a través del
campo magnético del sensor de velocidad de la bomba para generar voltaje de
C.A. en la bobina. Este voltaje se ingresa a la unidad de control, se convierte a
señal de pulso y se usa como señal de r.p.m., para controlar el proceso de
inyección.
DETECTOR DE MOVIMIENTO DE LA AGUJA DEL INYECTOR
El detector de movimiento de la aguja del inyector es un sensor que se
encuentra dentro del cuerpo de uno de los inyectores del motor (Inyector 1 o 3)
y detecta el instante en que se abre la válvula del inyector y suministra el
combustible. Como se observa en la figura # 16 este sensor esta formado por
un perno de ajuste, una bobina de impulsos, perno de presión, cable y enchufe.
Cuando la aguja del inyector se abre y vence la tensión del resorte, sube el
perno de presión y se genera una señal eléctrica que es detectada por el
computador, para el control y avance de la inyección.
Fig.# 16 Sensor de movimiento de la aguja del inyector
GESTIÓN ELECTRÓNICA
La gestión electrónica es controlada por una unidad de control (Figura #
17) que se encuentra en el vehículo. Está recibe las señales de información
detectadas por cada sensor (Figura # 18). Basándose en esta información, la
unidad de control entonces efectúa cálculos comparativos utilizando los valores
de ajuste programados, y Lugo emite instantáneamente las señales de control
óptimo para cada sección de control. Esta UCE también incluye un sistema de
diagnóstico de fallas.
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Como puede verse en las
figuras # 18 y 19 , las señales
detectadas por cada sensor y
conmutador se ingresan para
controlar el microprocesador
de la unidad. Basándose en
estas señales de información,
los datos característicos, así
como los datos de compensación grabados en la ROM
(memoria de solo lectura) se
Fig.#17 Unidad de Control
leen en la CPU (unidad de
procesamiento central). Los cálculos comparativos se efectúan entonces
utilizando estos datos y se emiten las señales de información.
Fig.# 18 Señales de entrada y salida de sensores y actuadotes
Las señales de de control emitidas por el microprocesador entonces se
convierten en señales de impulso. Luego, estas se ingresan al actuador GE y a
la válvula TCV para controlar la cantidad de inyección de combustible y la
sincronización de inyección.
Además de esto, el sistema electrónico de la bombas rotativas Bosch VE
Covec, también tiene la función de compensar continuamente los valores
reales a los con los almacenados en la memoria del computador (control de
retroalimentación) para efectuar un control óptimo del motor Diesel y asegurar
su precisión y resistencia.
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Fig.# 19 Operación del sistema de control electrónico de la inyección
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