Inyección en colector

La inyección en el colector es un sistema de formación de mezcla para motores de combustión interna con formación de mezcla externa. Se utiliza comúnmente en motores con encendido por chispa que utilizan gasolina como combustible, como el motor Otto y el motor Wankel . En un motor con inyección en el colector, el combustible se inyecta en el colector de admisión, donde comienza a formar una mezcla de aire y combustible combustible con el aire. Tan pronto como se abre la válvula de admisión, el pistón comienza a succionar la mezcla que aún se está formando. Por lo general, esta mezcla es relativamente homogénea y, al menos en los motores de producción para automóviles de pasajeros, aproximadamente estequiométrica ; esto significa que hay una distribución uniforme de combustible y aire en la cámara de combustión y suficiente aire, pero no más, del necesario para la combustión completa del combustible. El momento de la inyección y la medición de la cantidad de combustible se pueden controlar mecánicamente (por un distribuidor de combustible) o electrónicamente (por una unidad de control del motor ). Desde la década de 1970 y 1980, la inyección en el colector ha estado reemplazando a los carburadores en los automóviles de pasajeros. Sin embargo, desde finales de la década de 1990, los fabricantes de automóviles comenzaron a utilizar la inyección directa de gasolina , lo que provocó un descenso en la instalación de sistemas de inyección múltiple en los automóviles de nueva producción.

Existen dos tipos diferentes de inyección múltiple:

• El sistema de inyección multipunto (MPI) , también conocido como inyección de puerto o sistema de colector seco.
• y el sistema de inyección de punto único (SPI) , también conocido como inyección en el cuerpo del acelerador (TBI), inyección central de combustible (CFI), inyección electrónica de gasolina (EGI) y sistema de colector húmedo.

En este artículo, se utilizan los términos inyección multipunto (MPI) e inyección monopunto (SPI). En un sistema MPI, hay un inyector de combustible por cilindro, instalado muy cerca de la(s) válvula(s) de admisión. En un sistema SPI, solo hay un inyector de combustible, generalmente instalado justo detrás de la válvula de mariposa. Los sistemas de inyección múltiple modernos suelen ser sistemas MPI; los sistemas SPI ahora se consideran obsoletos.

En un motor con inyección en el colector, el combustible se inyecta con una presión relativamente baja (70...1470 kPa) en el colector de admisión para formar un vapor de combustible fino. Este vapor puede formar una mezcla combustible con el aire, y la mezcla es succionada hacia el cilindro por el pistón durante la carrera de admisión. Los motores Otto utilizan una técnica llamada control de cantidad para establecer el par motor deseado , lo que significa que la cantidad de mezcla succionada hacia el motor determina la cantidad de par producido. Para controlar la cantidad de mezcla, se utiliza una válvula de mariposa , por lo que el control de cantidad también se denomina estrangulamiento del aire de admisión. El estrangulamiento del aire de admisión cambia la cantidad de aire succionado hacia el motor, lo que significa que si se desea una mezcla de aire y combustible estequiométrica ( ), la cantidad de combustible inyectado debe cambiarse junto con el estrangulamiento del aire de admisión. Para ello, los sistemas de inyección en el colector tienen al menos una forma de medir la cantidad de aire que se está succionando actualmente hacia el motor. En los sistemas controlados mecánicamente con un distribuidor de combustible, se utiliza un pistón accionado por vacío conectado directamente a la cremallera de control, mientras que los sistemas de inyección múltiple controlados electrónicamente suelen utilizar un sensor de flujo de aire y un sensor lambda . Solo los sistemas controlados electrónicamente pueden formar la mezcla aire-combustible estequiométrica con la precisión suficiente para que un catalizador de tres vías funcione adecuadamente, por lo que los sistemas de inyección múltiple controlados mecánicamente, como el Bosch K-Jetronic, ahora se consideran obsoletos. ^[1]${\displaystyle \lambda \aproximadamente 1}$

Como su nombre lo indica, un motor con inyección monopunto (SPI) solo tiene un único inyector de combustible. Generalmente se instala justo detrás de la válvula de mariposa en el cuerpo del acelerador. La inyección monopunto era una forma relativamente económica para que los fabricantes de automóviles redujeran las emisiones de escape para cumplir con las estrictas regulaciones y, al mismo tiempo, proporcionar una mejor "capacidad de conducción" (arranque fácil, funcionamiento suave, sin vacilaciones) de la que se podía obtener con un carburador. Muchos de los componentes de soporte del carburador, como el filtro de aire, el colector de admisión y el enrutamiento de la línea de combustible, se podían usar con pocos o ningún cambio. Esto pospuso los costos de rediseño y herramientas de estos componentes. Sin embargo, la inyección monopunto no permite formar mezclas muy precisas requeridas por las regulaciones de emisiones modernas y, por lo tanto, se considera una tecnología obsoleta en los automóviles de pasajeros. ^[1] La inyección monopunto se utilizó ampliamente en automóviles de pasajeros y camionetas ligeras fabricados en Estados Unidos durante 1980-1995, y en algunos automóviles europeos a principios y mediados de la década de 1990.

La inyección monopunto es una tecnología conocida desde los años 60, pero durante mucho tiempo se ha considerado inferior a los carburadores, porque requiere una bomba de inyección y, por lo tanto, es más complicada. ^[2] Solo con la disponibilidad de unidades de control del motor ( ECU ) digitales económicas en los años 80, la inyección monopunto se convirtió en una opción razonable para los automóviles de pasajeros. Por lo general, se utilizaban sistemas de inyección intermitente y de baja presión de inyección (70...100 kPa) que permitían el uso de bombas de inyección de combustible eléctricas de bajo costo. ^[3] Un sistema de inyección monopunto muy común utilizado en muchos automóviles de pasajeros es el Bosch Mono-Jetronic, que el periodista de motor alemán Olaf von Fersen considera una "combinación de inyección de combustible y carburador". ^[4]

El sistema fue llamado Throttle-body Injection o Digital Fuel Injection por General Motors , Central Fuel Injection por Ford , PGM-CARB por Honda y EGI por Mazda ).

En un motor de inyección multipunto, cada cilindro tiene su propio inyector de combustible, y los inyectores de combustible suelen instalarse cerca de la(s) válvula(s) de admisión. Por lo tanto, los inyectores inyectan el combustible a través de la válvula de admisión abierta en el cilindro, lo que no debe confundirse con la inyección directa. Ciertos sistemas de inyección multipunto también utilizan tubos con válvulas de asiento alimentadas por un inyector central en lugar de inyectores individuales. Sin embargo, por lo general, un motor de inyección multipunto tiene un inyector de combustible por cilindro, una bomba de combustible eléctrica, un distribuidor de combustible, un sensor de flujo de aire ^[5] y, en los motores modernos, una unidad de control del motor ^[6] . Las temperaturas cerca de la(s) válvula(s) de admisión son bastante altas, la carrera de admisión provoca un remolino de aire de admisión y hay mucho tiempo para que se forme la mezcla de aire y combustible ^[7] . Por lo tanto, el combustible no requiere mucha atomización ^[2] . La calidad de la atomización es relativa a la presión de inyección, lo que significa que una presión de inyección relativamente baja (en comparación con la inyección directa) es suficiente para los motores de inyección multipunto. Una presión de inyección baja da como resultado una velocidad relativa aire-combustible baja, lo que provoca gotas de combustible grandes y de vaporización lenta. ^[8] Por lo tanto, el momento de la inyección debe ser preciso para minimizar el combustible no quemado (y, por lo tanto, las emisiones de HC). Debido a esto, los sistemas de inyección continua como el Bosch K-Jetronic están obsoletos. ^[1] Los sistemas de inyección multipunto modernos utilizan en su lugar una inyección intermitente controlada electrónicamente. ^[6]

De 1992 a 1996, General Motors implementó un sistema llamado Central Port Injection o Central Port Fuel Injection. El sistema utiliza tubos con válvulas de asiento desde un inyector central para rociar combustible en cada puerto de admisión en lugar de en el cuerpo del acelerador central ^{[ cita requerida ]} . La presión de combustible es similar a un sistema de inyección de punto único. CPFI (utilizado de 1992 a 1995) es un sistema de inyección por lotes, mientras que CSFI (a partir de 1996) es un sistema secuencial. ^[9]

En los motores con inyección múltiple, hay tres métodos principales para medir el combustible y controlar el tiempo de inyección.

En los primeros motores con inyección múltiple y sistemas de inyección totalmente mecánicos, se utilizaba una bomba de inyección accionada por engranajes, cadena o correa con un mapa mecánico del motor "analógico". Esto permitía inyectar combustible de forma intermitente y con relativa precisión. Normalmente, estas bombas de inyección tienen una leva tridimensional que representa el mapa del motor. Dependiendo de la posición del acelerador, la leva tridimensional se mueve axialmente sobre su eje. Un mecanismo de recogida de tipo rodillo que está conectado directamente a la cremallera de control de la bomba de inyección se desplaza sobre la leva tridimensional. Dependiendo de la posición de la leva tridimensional, empuja hacia dentro o hacia fuera los émbolos de la bomba de inyección accionados por el árbol de levas, que controlan tanto la cantidad de combustible inyectado como el momento de la inyección. Los émbolos de inyección crean la presión de inyección y actúan como distribuidores de combustible. Normalmente, hay una varilla de ajuste adicional que está conectada a una celda barométrica y un termómetro de agua de refrigeración, de modo que la masa de combustible se puede corregir de acuerdo con la presión del aire y la temperatura del agua. ^[10] Los sistemas de inyección Kugelfischer también tienen un sensor de velocidad del cigüeñal centrífugo mecánico. ^[11] Los sistemas de inyección multipunto con control mecánico se utilizaron hasta la década de 1970.

En los sistemas sin control de la sincronización de la inyección, el combustible se inyecta de forma continua, por lo que no es necesario controlar la sincronización de la inyección. La mayor desventaja de estos sistemas es que el combustible se inyecta también cuando las válvulas de admisión están cerradas, pero estos sistemas son mucho más simples y económicos que los sistemas de inyección mecánica con mapas del motor en levas tridimensionales. Solo hay que determinar la cantidad de combustible inyectado, lo que se puede hacer muy fácilmente con un distribuidor de combustible bastante simple que se controla mediante un sensor de flujo de aire accionado por vacío en el colector de admisión. El distribuidor de combustible no tiene que crear ninguna presión de inyección, porque la bomba de combustible ya proporciona una presión suficiente para la inyección (hasta 500 kPa). Por lo tanto, estos sistemas se denominan "sin alimentación" y no necesitan ser accionados por una cadena o correa, a diferencia de los sistemas con bombas de inyección mecánicas. Además, no se necesita una unidad de control del motor. ^[12] Los sistemas de inyección multipunto "sin potencia" y sin control del tiempo de inyección, como el Bosch K-Jetronic, se utilizaron comúnmente desde mediados de la década de 1970 hasta principios de la década de 1990 en automóviles de pasajeros, aunque ya habían existido ejemplos antes, como el Rochester Ramjet ofrecido en versiones de alto rendimiento del motor de bloque pequeño Chevrolet de 1957 a 1965.

Los motores con inyección en el colector y una unidad de control electrónico del motor se denominan a menudo motores con inyección electrónica de combustible (EFI). Por lo general, los motores EFI tienen un mapa del motor integrado en componentes electrónicos discretos, como una memoria de solo lectura . Esto es más confiable y más preciso que una leva tridimensional. El circuito de control del motor utiliza el mapa del motor, así como el flujo de aire, la válvula del acelerador, la velocidad del cigüeñal y los datos del sensor de temperatura del aire de admisión para determinar tanto la cantidad de combustible inyectado como el tiempo de inyección. Por lo general, estos sistemas tienen un solo riel de combustible presurizado y válvulas de inyección que se abren de acuerdo con una señal eléctrica enviada desde el circuito de control del motor. El circuito puede ser completamente analógico o digital. Los sistemas analógicos como el Bendix Electrojector eran sistemas de nicho y se utilizaron desde fines de la década de 1950 hasta principios de la década de 1970; los circuitos digitales estuvieron disponibles a fines de la década de 1970 y se han utilizado en sistemas de control electrónico del motor desde entonces. Una de las primeras unidades de control de motor digitales generalizadas fue Bosch Motronic . ^[13]

Para mezclar correctamente el aire y el combustible, de modo que se forme una mezcla adecuada de aire y combustible, el sistema de control de inyección necesita saber cuánto aire se aspira en el motor, para poder determinar la cantidad de combustible que se debe inyectar en consecuencia. En los sistemas modernos, un medidor de masa de aire integrado en el cuerpo del acelerador mide la masa de aire y envía una señal a la unidad de control del motor, para que pueda calcular la masa de combustible correcta. Alternativamente, se puede utilizar un sensor de vacío del colector. La señal del sensor de vacío del colector, la posición del acelerador y la velocidad del cigüeñal pueden ser utilizadas por la unidad de control del motor para calcular la cantidad correcta de combustible. En los motores modernos, se utiliza una combinación de todos estos sistemas. ^[5] Los sistemas de control de inyección mecánicos, así como los sistemas sin alimentación, normalmente solo tienen un sensor de vacío del colector de admisión (una membrana o una placa de sensor) que está conectado mecánicamente a la cremallera de la bomba de inyección o al distribuidor de combustible. ^[14]

Los motores con inyección múltiple pueden utilizar inyección continua o intermitente. En un sistema de inyección continua, el combustible se inyecta de forma continua, por lo que no hay modos de funcionamiento. Sin embargo, en los sistemas de inyección intermitente, normalmente hay cuatro modos de funcionamiento diferentes. ^[15]

En un sistema de inyección intermitente simultánea, existe un único momento fijo de inyección para todos los cilindros. Por lo tanto, el momento ideal de la inyección es solo para algunos cilindros; siempre hay al menos un cilindro que recibe su combustible inyectado contra la(s) válvula(s) de admisión cerrada(s). Esto provoca tiempos de evaporación de combustible que son diferentes para cada cilindro.

Los sistemas con inyección intermitente en grupo funcionan de manera similar a los sistemas de inyección simultánea mencionados anteriormente, excepto que tienen dos o más grupos de inyectores de combustible que inyectan simultáneamente. Por lo general, un grupo consta de dos inyectores de combustible. En un motor con dos grupos de inyectores de combustible, hay una inyección cada media rotación del cigüeñal, de modo que al menos en algunas áreas del mapa del motor no se inyecta combustible contra una válvula de admisión cerrada. Esto es una mejora con respecto a un sistema de inyección simultánea. Sin embargo, los tiempos de evaporación del combustible siguen siendo diferentes para cada cilindro.

En un sistema de inyección secuencial, cada inyector de combustible tiene un tiempo de inyección fijo y correctamente ajustado que está sincronizado con el orden de encendido de las bujías y la apertura de la válvula de admisión. De esta manera, no se inyecta más combustible con las válvulas de admisión cerradas.

La inyección específica para cada cilindro significa que no existen limitaciones en cuanto al momento de la inyección. El sistema de control de inyección puede establecer el momento de la inyección para cada cilindro individualmente y no existe una sincronización fija entre los inyectores de cada cilindro. Esto permite que la unidad de control de inyección inyecte el combustible no solo según el orden de encendido y los intervalos de apertura de la válvula de admisión, sino que también le permite corregir irregularidades en la carga del cilindro. La desventaja de este sistema es que requiere la determinación de la masa de aire específica para cada cilindro, lo que lo hace más complicado que un sistema de inyección secuencial.

El primer sistema de inyección múltiple fue diseñado por Johannes Spiel en Hallesche Maschinenfabrik. ^[16] Deutz comenzó la producción en serie de motores estacionarios de cuatro tiempos con inyección múltiple en 1898. Grade construyó el primer motor de dos tiempos con inyección múltiple en 1906; los primeros motores de avión de cuatro tiempos de producción en serie con inyección múltiple fueron construidos por Wright y Antoinette el mismo año ( Antoinette 8V ). ^[17] En 1912, Bosch equipó un motor de embarcación con una bomba de inyección improvisada construida a partir de una bomba de aceite, pero este sistema no demostró ser confiable. En la década de 1920, intentaron utilizar una bomba de inyección de motor diésel en un motor Otto alimentado con gasolina. Sin embargo, no tuvieron éxito. En 1930, Moto Guzzi construyó el primer motor Otto con inyección múltiple para motocicletas, que eventualmente fue el primer motor de vehículo terrestre con inyección múltiple. ^[18] Desde la década de 1930 hasta la de 1950, los sistemas de inyección múltiple no se utilizaron en los turismos, a pesar de que existían. Esto se debía a que el carburador resultó ser un sistema de formación de mezcla más sencillo y menos costoso, pero suficiente, que aún no necesitaba ser reemplazado. ^[14]

En 1950, Daimler-Benz comenzó a desarrollar un sistema de inyección directa de gasolina para sus automóviles deportivos Mercedes-Benz. Sin embargo, para los automóviles de pasajeros, se consideró más factible un sistema de inyección múltiple. ^[14] Finalmente, los automóviles de pasajeros Mercedes-Benz W 128 , W 113 , W 189 y W 112 se equiparon con motores Otto con inyección múltiple. ^{[19] [20]}

Desde 1951 hasta 1956, FAG Kugelfischer Georg Schäfer & Co. desarrolló el sistema de inyección mecánico Kugelfischer. ^[18] Se utilizó en muchos turismos, como el Peugeot 404 (1962), el Lancia Flavia iniezione (1965), el BMW E10 (1969), el Ford Capri RS 2600 (1970), el BMW E12 (1973), el BMW E20 (1973) y el BMW E26 (1978). ^[21]

En 1957, Bendix Corporation presentó el Bendix Electrojector , uno de los primeros sistemas de inyección múltiple controlados electrónicamente. ^[22] Bosch construyó este sistema bajo licencia y lo comercializó a partir de 1967 como D-Jetronic . ^[21] En 1973, Bosch presentó sus primeros sistemas de inyección multipunto de desarrollo propio, el electrónico L-Jetronic y el mecánico, sin motor K-Jetronic . ^[23] Su sistema Motronic totalmente digital se introdujo en 1979. Encontró un uso generalizado en los salones de lujo alemanes. Al mismo tiempo, la mayoría de los fabricantes de automóviles estadounidenses se apegaron a los sistemas electrónicos de inyección de un solo punto. ^[24] A mediados de la década de 1980, Bosch actualizó sus sistemas de inyección multipunto no Motronic con unidades de control de motor digitales, creando el KE-Jetronic y el LH-Jetronic. ^[23] Volkswagen desarrolló el sistema de inyección digital "Digijet" para sus motores refrigerados por agua "Wasserboxer" , que evolucionó hasta convertirse en el sistema Volkswagen Digifant en 1985. ^[4]

Los sistemas de inyección monopunto baratos que funcionaban con convertidores catalíticos de dos o tres vías, como el Mono-Jetronic introducido en 1987, ^[23] permitieron a los fabricantes de automóviles ofrecer económicamente una alternativa a los carburadores incluso en sus coches económicos, lo que ayudó a la amplia difusión de los sistemas de inyección múltiple en todos los segmentos del mercado de turismos durante la década de 1990. ^[25] En 1995, Mitsubishi introdujo el primer motor Otto de inyección directa de gasolina para turismos, y la inyección directa de gasolina ha ido sustituyendo a la inyección múltiple desde entonces, aunque no en todos los segmentos del mercado; varios motores de turismos de nueva producción siguen utilizando la inyección multipunto. ^[26]