El sistema de inyección electrónica en un Motor de Combustión Interna

Resumen

Este artículo está dirigido a aquellas personas interesadas en conocer los sistemas de inyección electrónica en vehículos con motores de combustión interna a gasolina. La inyección electrónica nació como una necesidad de controlar las emisiones de los gases de escape por causa de la combustión de combustibles fósiles, tal es el caso de la gasolina. Se describirán los elementos controladores del sistema de emisiones, como por ejemplo la válvula de recirculación de gases de combustión (EGR), el sistema de control de gases evaporativos (EVAP), el sistema de supervisión de contaminantes o convertidor catalítico, de igual manera se estudiara la gestión electronica de motor de combustión interna, utilizando una computadora a bordo que sirva como sistema supervisorio con diagnostico a bordo en sus diferentes modalidades OBDI, OBDII y EOBDII. Asimismo se dara un repaso al sistema sensores y actuadores del vehiculo, a través de los diferentes modos de inyección electronica.

Palabras Claves— Inyección electrónica, Diagnostico a bordo, sensores, actuadores, computadores, contaminación vehicular.

Introducción

La Razón Fundamental de la Gestión Electrónica en el Sistema de Inyección de Combustible está basada, en el mejor control de las emisiones del vehículo, esto quiere decir, que disminuye al mínimo los gases contaminantes emanados por el Vehículo (Escape, Carter y tanque de combustible), cumpliendo con las normativas de "AIRE LIMPIO", emanadas por organismos Internacionales. En conclusión, la Gestión Electrónica aplicada al Sistema de Inyección de Combustible es un sofisticado Sistema de Control de Emisiones. Parra O. (2006). .

Cabe destacar, que a través de la Gestión Electrónica se ha logrado, incremento en la Potencia y Par del Motor, disminución de consumos energéticos, mayor seguridad en las operaciones del sistema, disminución en los ajustes del motor, un Sistema de Auto Diagnóstico, aumento en la vida útil de los componentes, entre otros.

Aun cuando sé está seguro de que el Automóvil no es el único protagonista en la contaminación ambiental actual, ni el único generador o promotor del efecto invernadero, según estadísticas Internacionales, es el Automóvil el principal productor de contaminación ambiental, situándose cerca del 65% como fuente principal generadora de contaminación o polución, siendo que la Industria en general se sitúa en un 20% aproximadamente y los incineradores y otros, se sitúan en un 15% aproximadamente.

Al realizar un análisis del vehículo como ente generador de contaminación ambiental (65% del total aproximadamente), los orígenes de estas emisiones se encuentran representados en emisiones del escape (60%), emisiones del cárter (20%) y emisiones del tanque de Combustible (20%).

Las emisiones del vehículo generan gases contaminantes que se encuentran en un aproximado de 107 diferentes gases, tomándose como ejemplo, el monóxido de carbono (CO), hidrocarburos sin quemar (HC), oxido de nitrógeno (NOx), oxido de azufre (SO), plomo (PB), partículas sólidas (hollín, negro humo, cenizas, entre otros). Sin embargo, los Organismos Internacionales a favor del Medio Ambiente, han exigido e impuesto, regulaciones en las emanaciones de CO, HC, NOx y PB, como por ejemplo, la eliminación parcial o total del Plomo en la Gasolina y algunos sistemas que de alguna forma, minimicen la producción de CO, HC y NOx, como por ejemplo el control electrónico.

El problema principal producido por la emanación de contaminantes de vehículos con motores de combustión interna, se produjo cuando la gestión del sistema de combustión se realizaba con el carburador, sin ningún tipo de control de la combustión.

Por otra parte el Consejo de Recursos Atmosféricos de California (ARB) comenzó la regulación con diagnóstico a bordo (OBD) para vehículos a partir del año 1988. La primera fase, OBDI, requería supervisión de los sistemas de medición de combustible y de recirculación de los gases de escape (EGR), además de los componentes adicionales relacionados con las emisiones. Se requirió el uso de una luz indicadora de mal funcionamiento (MIL), para indicar y avisar al conductor de una falla y la necesidad de la reparación del sistema de control de emisiones. El MIL debe estar etiquetado ''CHECK ENGINE'' o'' Service Engine Soon". Se asoció con la MIL un código de falla o el código de diagnóstico de falla (DTC), el cual identifica el área específica donde se origina la falla.

El sistema OBD fue propuesto por el consejo de recursos atmosféricos de California ARB, para mejorar la calidad del aire mediante la identificación de los vehículos. La aprobación de las enmiendas a la Ley de Aire Limpio en 1990 también llevó a la Agencia de Protección Ambiental (EPA) a desarrollar los requisitos para el diagnóstico a bordo. Las reglamentaciones ARB OBD II de California siguieron hasta 1999, cuando se utilizaron los reglamentos del gobierno federal.El sistema OBD II cumple con las regulaciones del gobierno con la supervisión el sistema de control de emisiones. Cuando un sistema o componente supera los umbrales de emisiones, o un componente opera fuera de tolerancia, un DTC será almacenado y la MIL se iluminará.La ejecución del diagnóstico se realiza por medio de un programa de computadora en el módulo de control del tren motriz (PCM) que coordina el sistema de autocontrol OBD II. Este programa controla todos los módulos, sus interacciones, los DTC y el funcionamiento del MIL, los datos de congelación de imagen y la interfaz para la herramienta de exploración.La relación ideal de aire y combustible (AFR), es de 14.7 partes de aire a una (1) parte de combustible, se denomina punto estequiométrico o relación Estequiometrica de la mezcla. Cuando se obtiene esta relación, la combustión ideal ocurre y las relaciones de gases aparecerán en los niveles ilustrados en la grafica No 1, marcada como Mezcla Estequiométrica Ideal, relación medida de aire y combustible. Una gama aceptable de la relación de aire y combustible es de 14.6:1 a 14.8:1.

Cuando la relación de mezcla es una parte de gasolina a 14.7 partes de aire, los gases producidos en la combustión son agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2) (mezcla ideal, de laboratorio). Cuando esta relación se cambia, los contaminantes indeseables tales como monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (HC) y los óxidos de nitrógeno (NOX), se producen junto con el agua (H2O) y el dióxido de carbono (CO2).

Fig. 1 Relación estequiometrica ideal

Fuente: Colorado State University (1992)

Materiales y Métodos

Lambda es una medición comúnmente usada para determinar si la relación de aire combustible es una mezcla rica o pobre. Lambda Uno (1) es el resultado de dividir la relación verdadera de aire combustible entre la relación ideal de aire combustible (mezcla aire combustible real dividida entre la mezcla aire combustible calculada). Una gama de valores aceptables de Lambda es de 0.9 a 1.1. Un valor de Lambda menor que 0.9 indica una condición de mezcla rica y un valor de Lambda mayor que 1.1 indica una condición de mezcla pobre.

Objetivo del sistema de combustible.

Es el encargado de suministrar la mezcla combustible (aire / gasolina), en la proporción, cantidad y forma adecuada a cada momento de operación del motor, en función de diferentes variables que se suceden dentro del motor como fuera de él (temperatura del refrigerante del motor ECT, posición del acelerador TPS, flujo de masa de aire MAF, temperatura del aire IAT, presión barométrica y carga del motor MAP, posición del cigüeñal y revoluciones por minuto del motor CKP, posición del árbol de levas CMP, velocidad del vehículo VSS, señal de aire acondicionado A/A, señal de transmisión automática P/N, señal de 4×4, entre otros.

En un Sistema de Inyección Electrónica, el combustible es impulsado por una bomba de gasolina eléctrica a través de la tubería de presión, pasando por un filtro antes de la bomba (filtro de bomba o tanque o pre filtro), y después de la bomba (filtro de línea), hasta llegar a la unidad de inyección. En esta unidad se encontraran los inyectores y un regulador de presión principal, que controla la presión del sistema, enviando el resto al tanque de combustible a través de la tubería de retomo. Cabe destacar, que en los Sistema de última generación, la tubería de retorno fue eliminada, siendo que el regulador de presión se encuentra en el tanque de combustible, a la salida del tanque o en un conjunto llamado "Modulo de Combustible" (ensamble de bomba de combustible, filtro de bomba o tanque, regulador de presión, filtro de línea, sensor de nivel de combustible). Esta modificación del sistema fue realizada en mejoras del Sistema EVAP (emanaciones evaporativas del tanque de combustible), para disminuir las cargas térmicas transportadas por el combustible, desde el motor hasta el tanque de combustible, permitiendo disminuir la carga térmica en el combustible que se encuentra en el tanque, y por tanto, disminución de vapor.

Los inyectores serán controlados por un Ordenador o Computador que se encargar de dosificar la mezcla a una proporción, forma y volumen según cada momento de operación del motor (baja o alta carga térmica, alta o baja carga del motor, presión atmosférica, humedad, cantidad de oxigeno en el escape, entre otros).

El Ordenador o Computadora se suele denominar por siglas, de las cuales nombraremos algunas muy comunes, como son:

a.- ECM: Módulo de Control Electrónico o del Motor.

b.- PCM: Módulo de Control del Tren de Motriz o de Fuerza o Tren de Potencia.

c.- ECU: Unidad de Control Electrónico.

d.- VCM: Módulo de Control del Vehículo.

Para que el Computador logre dosificar la mezcla al motor, es necesaria una serie de informaciones tanto del motor como del entorno del mismo. Estas informaciones son suministradas a través de una serie de interruptores y sensores los cuales se encuentran ubicados en el motor y en algunas áreas del vehículo.

Al llegar estas informaciones al Computador, serán procesadas según la programación, para luego tomar la decisión de qué cantidad de combustible se debe suministrar.

Conociendo ya la operación de un Sistema de Inyección de Combustible con Gestión Electrónica, podemos concluir, que el objetivo o fin, es el mismo de un sistema carburado, siendo que la diferencia radica en la alta tecnología aplicada, con lo cual, se consigue reducción en el consumo de combustible y en las emanaciones contaminantes del vehículo (razón fundamental, control de emisiones).

La Inyección Electrónica de Combustibles la podemos clasificar de la siguiente forma:

A.- Según el punto donde se suministre el combustible: Inyección Multipunto, Inyección Mono punto, Inyección Directa e Inyección Indirecta.

La Inyección Multipunto es aquella donde se utiliza un Inyector por Cilindro.

La Inyección Mono punto es aquella donde se suministra combustible al cuerpo de aceleración.

La Inyección Directa es aquella donde se suministra combustible dentro de la cámara de compresión o combustión.

La inyección Indirecta es aquella donde se suministra combustible fuera de la cámara de compresión o combustión.

B.- Según como se realiza la Inyección: Inyección Simultanea, Inyección Alternativa por Banco, Inyección Secuencial e Inyección Sincrónica / Asincrónica.

Inyección Simultánea significa, que todos los Inyectores suministran combustible a la misma vez.

Inyección Alternativa por Banco es aquella, donde se suministra combustible por pares de Inyectores. Por ejemplo, si el Motor es de cuatro Cilindros, los Inyectores 1 y 4 suministran combustible mientras los inyectores 2 y 3 no suministran combustible. Cuando los Inyectores 1 y 4 no suministran combustible, los Inyectores 3 y 4 suministran combustible.

La Inyección Secuencial es aquella, donde el suministro de combustible es realizado según la distribución del Motor, es decir, en carrera o fase de Admisión (uno por uno).

La Inyección del Tipo Sincrónica y Asincrónica es muy utilizada por los Fabricantes Asiáticos, como por ejemplo Toyota en su Modelo Terios y otros. Esta modalidad de Inyección combina las bondades de la Inyección Secuencial SFI (más amigable al medio ambiente), con las bondades del Sistema de Inyección Simultanea (mejora el rendimiento en cuanto a Potencia y Par Motor).

Si se toma como ejemplo el Toyota Terios, la Inyección del Tipo Sincrónica tiene dos modalidades, las cuales son: Durante el Periodo de Arranque y luego del Periodo de Arranque. Durante el Periodo de Arranque, la Inyección de Combustible es realizada de forma Simultánea (todos los Inyectores suministran a la vez).

Después del Periodo de Arranque, la Inyección de Combustible es realizada de forma Secuencial según la distribución del Motor (en carrera de admisión).

La inyección del tipo Asincrónica se realiza de forma independiente a la señal de sincronización o rotación del cigüeñal, por ejemplo, al romper momento de operación del Motor (en aceleración). Este tipo de Inyección tiene tres modalidades, las cuales son: Inyección Asincrónica durante el cambio del interruptor de marcha mínima, Inyección Asincrónica durante el cambio de presión en el tubo de entrada e Inyección Asincrónica durante la reanudación del periodo después del corte de combustible.

También cabe destacar, que existen otros tipos de Inyección Sincrónica / Asincrónica, que combina la Inyección Simultanea con la Inyección Alternativa por Banco, como es el caso del Vehículo Chevrolet Esteem.

A continuación se presenta algunos de los tipos de Sistemas de Inyección de Combustibles:

Sistema TBI, ver Fig. No. 2, el cual significa: Inyección de combustible al cuerpo de aceleración (utilizados en Venezuela por algunos fabricantes hasta la década de 1990). Este tipo de Inyección es Indirecta.

Figura No. 2.

Sistema de inyección tipo TBI

Fuente: Manual Técnico Fuel Injection

Sistema MPFI, PFI, MPI, ver fig. No3, el cual significa: Inyección Múltiple de combustible a las lumbreras o puertos de admisión (utilizados por algunos fabricantes en Venezuela hasta 2006, como sistemas simultáneos, alternativa por banco, sincrónica y asincrónica). Este tipo de Inyección es Indirecta.

Figura No. 3.

Sistema de inyección tipo MPFI

Fuente: Manual Técnico Fuel Injection

Sistema SFI, el cual significa: Inyección de combustible secuencial a las lumbreras o puertos de admisión (la tendencia de la década de 1990 hasta año 2006, donde es exigencia por normativa internacional de control de emisiones). Este tipo de Inyección es Indirecta.

Sistema CPI o CMFI el cual significa: Inyección de combustible a las lumbreras o puertos de admisión central (solo utilizado en Venezuela por General Motors Venezolana, en vehículos de ensamblaje nacional, como fue el Blazer 1995). Este tipo de Inyección es Indirecta.

Sistema SCPI o CSFI, el cual significa: inyección de combustible a las lumbreras o puertos de admisión central y secuencial (solo utilizado por General Motors Venezolana en vehículos de ensamblaje nacional desde el año 1996 hasta 2002 aproximadamente, en vehículos Blazer, Grand Blazer, Cheyenne, Silverado, C-3500, Chasis Autobús P-31). Este tipo de Inyección es Indirecta.

Conclusiones

Se puede decir que el control de emisiones, en los vehículos con motores de combustión interna, se ha minimizado con la utilización de un sistema de inyección electrónica utilizando una sonda lambda, la cual a través de una señal eléctrica, le indica a la computadora presencia de oxigeno en el escape, lo cual es un indicativo si la relación aire combustible esta cercana a la relación ideal, sin embargo esta no es el único método, ya que a medida que la electrónica de microprocesadores se hace cada día más potente, da pie para la utilización de métodos de control más complejos. Se han propuesto algoritmos basados ??en control moderno para el control del motor del automóvil, en particular con el desarrollo de la teoría de inteligencia artificial. Estos algoritmos de control también proporcionan un método prometedor para el control de la relación aire combustible del motor. El tipo de control más utilizado hasta el momento, es el control electrónico por microprocesadores, sin embargo se puede ir pensando en aplicar control digital y control por redes neuronales, entre otros, esta es la tendencia hacia el futuro.

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Autor:

Ing. Alexis C. Meza