Inyección directa

Como vimos en el artículo inyección directa e indirecta de combustible, el sistema de alimentación de combustible por inyección en la cámara va en crecimiento en los diseños de los autos hoy en día. Para la implementación del sistema se valen de diferentes diseños en la cabeza del pistón que le permite estratificar la mezcla y lograr que esta se inflame de la forma adecuada y para el control de las emisiones se requiere de un catalizador especial para acumular los NOx que se producen por las altas relaciones de compresión.

Los motores de gasolina han avanzado en sus características. Se ha reducido el cilindraje y se ha optimizado el rendimiento del motor y el consumo de combustible, aumentando la potencia y el torque. En motores de gasolina cada vez se incorpora mas el uso de turbo cargadores y esta motorización acompañada de sistemas de distribución variable y el uso de la inyección directa, se consigue mejorar todos estos aspectos.

La inyección directa permite una mezcla estratificada sin hacer uso excesivo del acelerador, una mezcla rica cerca de la bujía y pobre lejos de ella. Esto provoca que se utilice una mezcla homogénea.

Gracias a la forma del pistón y de la cámara no es necesario inyectar combustible en el momento que se abre la válvula, momento en el cual existe cruce valvular con la de escape. Se puede formar una mezcla estratificada que no tenga problemas de combustión inyectando el combustible cuando la válvula de escape ya se ha cerrado. Es decir, la inyección directa y una estudiada distribución variable permiten sacar un mayor partido de la situación del cruce de válvulas en motores de gasolina.

Funcionamiento

Es la inyección del combustible en la cámara de combustión, ya no se hace en el colector de admisión. La cabeza del pistón trae una forma específica que dirige el combustible hacia la bujía. En el momento en que sale el arco voltaico de la bujía empieza a generarse la combustión.

Hay algo fundamental en la inyección directa que es la sincronización que existe entre la apertura de válvulas, la inyección de combustible y la posición del pistón, esto se realiza a través del computador.

El aire ingresa a través del colector de admisión, cuando ingresa a la cámara se producen unas turbulencias de aire que le permiten mezclarse cuando el combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión, mediante inyectores de alta presión, la carga de los cilindros se regula según la situación de circulación. Con una carga homogénea de aire combustible llena uniformemente la cámara de combustión.

Hablamos entonces de dos tipos de carga de acuerdo a la exigencia del motor, una carga parcial y una carga total. La carga total tiene las mismas características de la inyección convencional, en la carga parcial es donde se han hecho los diferentes análisis a fin de ubicar correctamente la bujía, una duración ideal de la chispa, el momento en el que debe saltar y demás datos para optimizar el comienzo en una inyección tardía.

Carga o inyección parcial

De esta forma la nube de mezcla se forma en torno a la bujía de encendido, generando una mezcla rica cerca de la bujía y una mezcla pobre en el resto de la cámara. Esto se consigue mediante la inyección tardía del combustible, incluso cuando el pistón esta en punto muerto superior.

Para conseguir una ignición correcta en estas condiciones muchos de los sistemas de inyección directa propuestos hasta el momento colocan la bujía en las proximidades del inyector, lo que genera nuevos problemas de fallo en la ignición por el impacto del combustible en los electrodos de la bujía.

Carga o inyección total

El motor opera en condiciones de plena carga o incluso ricas para mejorar las prestaciones del motor. Si se utiliza una mezcla estratificada se genera hollín en la zona rica, se necesita el suficiente exceso de aire para quemar el hollín, para este caso la mezcla debe ser estequiométrica, esto se logra con la inyección temprana (en el momento descendente del pistón) que será de mayor duración.

Circuito de inyección directa

Imagen circuito
Medidor de la masa de aire por película caliente y sensor de temperatura del aire aspirado.
Sensor de presión en el colector de admisión.
Circuito de mando para las válvulas tipo chapaleta en el colector de admisión. (Membrana neumática encargada de posicionar las chapaletas, pilotada electrónicamente)
Electroválvula de recirculación de gases de escape. (Válvula EGR)
Sensor de presión para servofreno.
Unidad de mando de la mariposa. (TPS)
Depósito de carbón activo. (Canister)
Unidad de control para Motronic.

Ventajas de la inyección directa

Una de las principales ventajas es la desestrangulación en los modos operativos con mezcla "estratificada". Dentro de estos modos operativos se trabaja con un valor lambda comprendido entre 1,55 y 3.

Recuerde que la estrangulación es un efecto que puede compararse con el de una vela que arde en un recipiente, cuya abertura superior se cierra gradualmente: la llama de la vela desaparece a medida que las condiciones de combustión se deterioran. Es esta especie de estrangulación supone un desfavorable comportamiento de consumo de un motor de ciclo Otto en los momentos de carga parcial.

Entonces, la desestrangulación permite más abertura de la mariposa y por ende que pueda aspirar más aire, ya que debe superar una menor resistencia, que provocaba la válvula de mariposa al estar medio cerrada (carga parcial).

En el modo estratificado, el motor funciona con un valor lambda entre 1,6 y 3, lo que reduce considerablemente el consumo de combustible.

Otra ventaja es la reducción de la pérdida de calor en la pared del cilindro, ya que la combustión en el modo de mezcla estratificada sólo tiene lugar en las proximidades de la bujía, lo que da lugar a una menor pérdida de calor en la pared del cilindro y, por tanto, a un aumento de la eficiencia térmica del motor.

Gracias al intenso flujo de la mezcla en modo homogéneo, el motor es altamente compatible con una recirculación de los gases de escape de hasta el 25%. Para aspirar la misma cantidad de aire fresco que con la EGR baja, la válvula de mariposa debe abrirse un poco más.

De este modo, el aire es aspirado con poca resistencia y se reducen las pérdidas asociadas a los efectos de estrangulamiento.

Por otro lado, cuando el combustible se inyecta directamente en el cilindro, se elimina el calor del aire de admisión, lo que produce un efecto de refrigeración. La tendencia al picado se reduce, lo que da lugar a poder aumentar más la compresión.

Entonces, una mayor relación de compresión da lugar a una mayor presión final en la fase de compresión, lo que también aumenta la eficiencia térmica del motor.

La velocidad de ralentí puede reducirse, lo que facilita el arranque de un motor frío porque el combustible no se deposita en las paredes de la cámara de combustión cuando se reanuda la inyección.

La mayor parte del combustible inyectado puede convertirse inmediatamente en energía utilizable. Además, el motor es muy estable, incluso con velocidades ralentí más bajas.

Inconvenientes de la inyección directa

Uno de los principales inconvenientes de la inyección directa de gasolina es el tratamiento de los gases de escape para cumplir la normativa medioambiental. Los óxidos nítricos producidos durante la combustión en el modo "estratificado" y en el modo "homogéneo-pobre" no pueden ser convertidos suficientemente en nitrógeno por un catalizador convencional de tres vías.

Sólo tras el desarrollo de un catalizador de almacenamiento de NOx fue posible cumplir la norma de emisiones EU4 en estas condiciones de funcionamiento. Los óxidos nítricos se acumulan en el catalizador y se convierten en nitrógeno mediante procesos específicos.