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CAPITULO I
EL SISTEMA DE INYECCION DIESEL CRDi BOSCH.
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1.1 HISTORIA DEL DESARROLLO DEL SISTEMA CRDi BOSCH.
Hablar de Common-Rail es hablar de Fiat ya que esta marca automovilística
es la primera en aplicar este sistema de alimentación en los motores diesel de
inyección directa. Desde 1986 cuando apareció el Croma TDi, primer automóvil
diesel de inyección directa del mundo. Se daba el primer paso hacia este tipo de
motores diesel que tenían una mayor eficacia de combustión.
Gracias a este tipo de motores, que adoptaron posteriormente otros
fabricantes, los automóviles diesel podían garantizar mayores prestaciones y menores
consumos simultáneamente. Quedaba un problema: el ruido excesivo del propulsor a
bajos regímenes de giro y en los transitorios.
Y es aquí donde comienza la historia del UNIJET (figura 1) o el estudio de un
sistema de inyección directa más evolucionado, capaz de reducir radicalmente los
inconvenientes del excesivo ruido de combustión. Alcanzando otras ventajas
importantes como un mejor rendimiento y menor consumo.
Para resolver el problema, existían dos posibilidades: primero conformarse
con una acción pasiva y aislar el motor para impedir la propagación de las ondas
sonoras y la segunda trabajar de modo activo para eliminar el inconveniente en la
fuente, desarrollando un sistema de inyección capaz de reducir el ruido de
combustión.
Decididos por esta segunda opción, los técnicos del Grupo Fiat se
concentraron inmediatamente en la búsqueda del principio del "Common-Rail",
descartando después de análisis cuidadosos otros esquemas de la inyección a alta
presión. Estos sistemas no permitían gestionar la presión de modo independiente
respecto al número de revoluciones y a la carga del motor, ni permitían la
preinyección.
Nacido del trabajo de los investigadores de la Universidad de Zurich, nunca
aplicado anteriormente en un automóvil, el principio teórico sobre el que se inició el
trabajo era simple e ingenioso. Se basaba en la introducción de combustible en el
5
interior de un depósito de manera continua, se genera presión dentro del mismo
depósito, que se convierte en acumulador hidráulico ("rail"), es decir, una reserva de
combustible a presión disponible rápidamente.
En 1990, comenzaba la prefabricación del UNIJET, el sistema desarrollado
por MAGNETTI MARELLI, en el Centro de Investigación Fiat sobre el principio del
"Common Rail". Una fase que concluía en 1994, cuando Fiat Auto decidió
seleccionar un socio con la máxima competencia en el campo de los sistemas de
inyección para motores diesel. El proyecto se cedió posteriormente a Robert Bosch
para la parte final del trabajo, es decir, la conclusión del desarrollo y la
industrialización.
Así, once años después del Croma TDi, en octubre de 1997, llegó al mercado
otro automóvil de récord: el Alfa 156 JTD equipado con un revolucionario turbo-
diesel que aseguraba resultados impensables hasta ese momento. Los automóviles
equipados con este motor son increíblemente silenciosos, tienen una respuesta tan
brillante como la de los motores de gasolina y muestran, respecto a un motor de pre-
cámara análogo, una mejora media de las prestaciones del 12%, además de una
reducción del consumo en 15%. El éxito del Alfa 156 con motor JTD fue inmediato,
además de ser empleado en otros modelos de Fiat Auto, muchas otras marcas
automovilísticas adoptaron motores de características similares.
Con la llegada de la segunda generación de los motores JTD, en los
MULTIJET. El principio técnico sobre el que se basa el desarrollo del MULTIJET
es simple. En los motores de tipo "Common Rail" (UNIJET) se divide la inyección
en dos fases una preinyección, o inyección piloto, que eleva la temperatura y la
presión en el cilindro antes de hacer la inyección principal para permitir así una
combustión más gradual, y resultando un motor más silencioso.
El sistema MULTIJET (figura 1) aprovecha el control electrónico de los
inyectores para efectuar, durante cada ciclo del motor, un número mayor de
inyecciones respecto a las dos del UNIJET. De este modo, la cantidad de
combustible quemada en el interior del cilindro sigue siendo la misma, pero se
dosifica en más partes; de esta manera, se obtiene una combustión más gradual. El
6
secreto del MULTIJET se basa en las características del diseño de la unidad de
control e inyectores que permiten realizar una serie de inyecciones muy próximas
entre sí. Dicho proceso de inyección, desarrollado por los investigadores de Fiat
Auto, asegura un control más preciso de las presiones, de las temperaturas
desarrolladas en la cámara de combustión y un mayor aprovechamiento del aire
introducido en los cilindros. 1
A partir de 2005 con la introducción de las normas EURO 4 y EOBD se
dieron reducciones drásticas de contaminación lo cual animó a que las empresas que
desarrollan los sistemas de inyección electrónica diesel permanezcan en constante
perfeccionamiento.2
FIGURA 1. A) DISPOSICIÓN UNIJET
B) DISPOSICIÓN MULTIJET
1.2 COMPARACIÓN DEL SISTEMA CRDi CON RESPECTO A OTROS.
En los sistemas de inyección convencionales (bombas rotativas o en línea) la
generación de presión, la dosificación del combustible así como la distribución van
unidos en el mismo dispositivo y esto provoca ciertos inconvenientes:
La presión de inyección aumenta junto con el nº de revoluciones y el caudal
de inyección.
1 s/a, Historia del Common Rail, www.mecanicavirtual.org 2 BELLINATI, Lorenzo, “Corso Sistema di iniezione elettronica Diesel UNIJET Common Rail”, 06 Julio de 2005, p. 1.
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Durante la inyección aumenta la presión de inyección, pero hasta el final de la
inyección disminuye otra vez hasta el valor de la presión de cierre de
inyector.
Las consecuencias de ello son:
Los caudales de inyección pequeños se inyectan con presiones más bajas.
La presión punta es más del doble que la presión de inyección media.
El desarrollo de la inyección es aproximadamente triangular (figura 2). 3
Lo anterior mencionado no sucede con el sistema "Common Rail" ya que en
estos sistemas la generación de presión está separada de la dosificación y de la
inyección de combustible, esto tiene la ventaja de poder tener una presión de
inyección constante que no dependa del nº de revoluciones.
También el grado de libertad en el momento de avance o retraso de la
inyección es mucho más grande, lo que hace de los motores equipados con
"Common Rail" unos motores muy elásticos que desarrollan todo su potencial en
toda la gama de revoluciones. El sistema "Common Rail" divide la inyección en una
"inyección previa", "inyección principal" y en algunos casos en una "inyección
posterior". 4
FIGURA 2.- DESARROLLO DE LA PRESIÓN DE INYECCIÓN.
3 CELANI, Vicente, “Curso de inyección electrónica diesel Common Rail”, Ponencia presentada en el uso de Graduación, p. 3, p.4, Cuenca a 16 de Julio de 2007. 4 Ídem 3, p. 7.
8
1.2.1 INYECCIÓN PREVIA.
En la inyección previa se aporta al cilindro un pequeño caudal de combustible
de Diesel (1…4 mm3), que origina un “acondicionamiento previo” de la cámara de
combustión, pudiendo mejorar el grado de rendimiento de la combustión y
consiguiendo los siguientes efectos:
La presión de compresión aumenta ligeramente mediante una reacción previa
o combustión parcial.
Se reduce el retardo de encendido de la inyección principal.
Se reduce el aumento de la presión de combustión y las puntas de presión de
combustión (combustión más suave).
Estos efectos reducen el ruido de combustión, el consumo de combustible y,
en muchos casos, las emisiones (figura 3).
1.2.2 INYECCIÓN PRINCIPAL.
Con la inyección principal se aporta la energía para el trabajo realizado por el
motor. Asimismo es responsable de la generación del par motor. La magnitud de la
presión de inyección es casi constante durante todo el proceso. (figura 3)
FIGURA 3.- INYECCIÓN PREVIA Y PRINCIPAL.
9
1.2.3 INYECCIÓN POSTERIOR.
La inyección posterior sigue a la inyección principal durante el tiempo de
expansión o de expulsión, hasta 200º del cigüeñal después del PMS. Esta inyección
introduce en los gases de escape una cantidad de combustible exactamente
dosificada.
Contrariamente a la inyección previa y principal, el combustible no se quema
sino que se evapora por calor residual en los gases de escape/combustible es
conducida en el tiempo de expulsión, a través de las válvulas de escape.
Mediante la retroalimentación de gases de escape se conduce otra vez una
parte del combustible a la combustión y actúa como una inyección previa muy
avanzada. El combustible en los gases de escape sirve como medio reductor para el
oxido de nitrógeno en catalizadores NOx apropiados5.
1.2.4 PRESIÓN DE INYECCIÓN DE DIFERENTES SISTEMAS.
El sistema Common Rail tiene una rampa de aumento más rápida que otros
sistemas y mantiene constante la presión. El sistema inyector bomba tiene una
mayor presión de inyección pero a mayores regímenes de motor6 (figura 4).
FIGURA 4.- COMPARACIÓN PRESIÓN DE INYECCIÓN.
5 s/a, Control electrónico del motor para motores Diesel “Sistema de inyección de acumulador Common Rail, Diesel”, Libros de instrucción técnica Bosch. 1999 p. 9, p. 10 6 CELANI, Vicente, Op. Cit. p. 05
10
1.2.5 COMPARACIÓN ENTRE CRDi E INYECCIÓN CON PRE-CÁMARA7
TABLA 1. COMPARATIVA DE POTENCIA.
TABLA 2. COMPARATIVA DE TORQUE.
TABLA 3. COMPARATIVA DE CONSUMO.
7BELLINATI, Lorenzo, Op. Cit, p. 01.
11
1.2.6 VENTAJAS DEL SISTEMA DE INYECCIÓN CRDi BOSCH.
1.2.6.1 Excelente desempeño y eficiencia de combustible.
El Sistema de Inyección de Combustible ‘Common Rail’ es controlado
electrónicamente para cumplir con una combustión óptima.
1.2.6.2 Bajo nivel de emisiones y de ruidos.
Amigable con el medioambiente para responder a todos los reglamentos
mundiales sobre emisiones.
Inyectores ubicados en forma vertical central.
Inyección Piloto es posible con en el Sistema de Inyección de Common Rail. 8
1.3 FUNCIÓN DEL SISTEMA CRDi BOSCH.
El sistema de inyección de acumulador "Common Rail" ofrece una
flexibilidad destacadamente mayor para la adaptación del sistema de inyección al
funcionamiento motor, en comparación con los sistemas propulsados por levas.
La presión de inyección se genera de manera independiente del régimen del
motor y del caudal de inyección. El combustible para la inyección está a disposición
en el acumulador de combustible de alta presión.
El conductor preestablece el caudal de inyección, la unidad de control
electrónica (UCE) calcula a partir de campos característicos programados, el
momento de inyección y la presión de inyección, y el inyector realiza las funciones
en cada cilindro del motor, a través de una electroválvula controlada.
El sistema de inyección de “Common Rail” permite el control individual del
avance de tiempo y del flujo, permitiendo el control perfecto de la combustión sobre
una base de cilindro-por-cilindro.
8 www.training.kia.co.kr
12
Además, la presión de inyección puede ser ajustada sobre una amplia gama de
valores según las condiciones de funcionamiento del motor:
En ralentí y en carga baja, las presiones bajas de la inyección
(aproximadamente 200 bares) permiten obtener razones de inyección bajas y
el ajuste muy exacto de la cantidad de combustible inyectada.
En carga completa, las altas presiones de la inyección (aproximadamente
1300-1600 bares para sistemas CRDi de 1ra generación9; 1750 bares para 2da
generación; 2050 bares 3ra generación) aseguran la atomización muy fina del
combustible.
1.3.1 FUNCIONES BÁSICAS.
Las funciones básicas de un sistema "Common Rail" controlan la inyección
del combustible en el momento preciso y con el caudal y presión adecuados al
funcionamiento del motor.
1.3.2 FUNCIONES ADICIONALES.
Estas funciones sirven para la reducción de las emisiones de los gases de
escape y del consumo de combustible, o bien sirven para aumentar la seguridad y el
confort.
Algunos ejemplos de estas funciones son: la retroalimentación de gases de
escape (sistema EGR), la regulación de la presión turbo, la regulación de la velocidad
de marcha, el inmovilizador electrónico de arranque, etc.
El sistema CAN-BUS hace posible el intercambio de datos con otros sistemas
electrónicos del vehículo (p. ejemplo: ABS, control electrónico de cambio). Una
interfaz de diagnostico permite al realizar la inspección del vehículo, la evaluación
de los datos del sistema almacenado en memoria.10
9 s/a, Control electrónico del motor para motores Diesel, Op. Cit, p. 06, p. 07. 10 www.mecanicavirtual.org
13
1.4 SUBSISTEMAS DEL CRDi BOSCH.
1.4.1 CIRCUITO DE BAJA PRESIÓN.
Se compone de:
Depósito de combustible.
Bomba de suministro previo.
Filtro de combustible.
Tuberías de conexión.
FIGURA 5. CIRCUITO DE BAJA PRESION.
En el circuito de baja presión se aspira el combustible del tanque por medio
de una bomba de suministro previo, forzando al combustible a pasar por las
líneas al circuito de alta presión.
Un pre-filtro separa los contaminantes del combustible evitando así el
desgaste prematuro de los componentes de alta precisión. 11
1.4.1.1 Depósito de combustible.
Los depósitos de combustible deben ser resistentes a la corrosión y
mantenerse estancos incluso a una sobrepresión de servicio doble, pero por lo menos
11 CELANI, Vicente, Op. Cit. p. 11, p. 12
14
hasta 0,3 bares de sobrepresión. La sobrepresión producida debe escapar por si
misma a través de aberturas apropiadas, válvulas de seguridad o similares.
El combustible no debe salir por la tapa de la boca de llenado o por los
dispositivos para compensación de presión, incluso en posición inclinada, circulando
por curvas o incluso en caso de choques. Los depósitos de combustible deben estar
separados del motor de tal forma que no sea de esperar una inflamación incluso en
accidentes. Esto no rige para motocicletas y tractores con asiento del conductor al
aire libre.
1.4.1.2 Tuberías de Combustible en la Parte de Baja Presión.
Para la parte de baja presión pueden emplearse además de tubos de acero,
también tuberías flexibles con armadura de malla de acero, que sean difícilmente
inflamables.
Las tuberías deben estar dispuestas de tal forma que se impidan los daños
mecánicos y que el combustible que gotea o se evapora no pueda acumularse o
inflamarse.
Las tuberías de combustible no deben quedar afectadas en su funcionamiento
en caso de una deformación del vehículo, un movimiento del motor o similares.
Todas las piezas que conducen combustible tienen que estar protegidas contra el
calor que perturba el funcionamiento.
1.4.1.3 Bomba previa.
La bomba previa, una electrobomba de combustible con filtro o una bomba de
combustible de engranajes, aspira el combustible extrayéndolo del depósito de
combustible y transporta continuamente el caudal de combustible necesario, en
dirección a la bomba de alta presión (figura 6).
15
5 4 3 2 1
1. Lado de impulsión, 2. Inducido del motor, 3. Bomba celular de rodillos,
4. Limitador de presión, 5. Lado de aspiración.
FIGURA 6. PARTES ELECTROBOMBA DE COMBUSTIBLE.
1.4.1.4 Filtro de Combustible.
Un filtrado insuficiente puede originar daños en componentes de la bomba,
válvulas de presión y en los inyectores. El filtro de combustible limpia el
combustible delante de la bomba de alta presión e impide así el desgaste prematuro
de las piezas sensibles 12 (figura 7).
FIGURA 7. PARTES DEL FILTRO DE COMBUSTIBLE.
1.4.2 CIRCUITO DE ALTA PRESIÓN.
Se compone de:
Bomba de alta presión.
Acumulador de alta presión con sensor de alta presión.
12 s/a, Control electrónico del motor para motores Diesel, Op. Cit, p. 12, p. 13.
16
Inyectores.
Tuberías de alta presión. 13
FIGURA 8. CIRCUITO DE ALTA PRESION.
1.4.2.1 Genera y almacena alta presión.
El combustible pasa a través del filtro de combustible a la bomba de alta
presión que lo fuerza dentro del acumulador (riel) de alta presión generando una
presión máxima de 1.350 bares.
Para todo proceso de inyección el combustible se toma desde el acumulador
de alta presión. La presión del riel permanece constante. Se emplea una válvula de
control de presión para asegurar que la presión del riel no exceda el valor deseado o
descienda.
1.4.2.2 Control dinámico de la presión del riel.
La válvula de control de presión es activada por el UCE. Una vez abierta,
permite que el combustible regrese al tanque vía líneas de retorno y la presión del riel
cae. Para que el UCE pueda activar la válvula de control de presión en forma
correcta, se mide la presión del riel por medio de un sensor de presión.
13 CELANI, Vicente, Op. Cit. p. 13
17
1.4.2.3 Inyección de combustible.
Cada vez que se inyecta combustible, se extrae del riel a alta presión y se
inyecta directamente al cilindro. Cada cilindro tiene su propio inyector. Cada
inyector contiene una válvula de solenoide que recibe el comando de apertura desde
la UCE. Mientras permanece abierto, se inyecta combustible en la cámara de
combustión de los cilindros14.
1.4.2.4 Componentes del sistema de alta presión.
1.4.2.4.1 Bomba de alta presión.
La bomba tiene la misión de poner siempre a disposición suficiente
combustible comprimido, en todos los regímenes de servicio y durante toda la vida
útil del vehículo. Esto incluye el mantenimiento de una reserva de combustible
necesaria para un proceso de arranque rápido y un aumento rápido de la presión en el
riel. La bomba de alta presión genera permanentemente la presión del sistema para el
acumulador de alta presión. La bomba es accionada por el motor, a través de
acoplamiento, la bomba se lubrica con combustible (figura 9).
FIGURA 9. BOMBA DE ALTA PRESION.
14 www.training.kia.co.kr.
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1.4.2.4.2 Acumulador de alta presión (Rail).
El acumulador es un canal donde se almacena el combustible a presión que
llega de la bomba y del que se abastecen los inyectores. Su misión es almacenar el
combustible necesario para abastecer a todos los inyectores sin que se produzcan
bajadas de presión y, amortiguar las pulsaciones que se producen a la salida de la
bomba de alta presión y la toma de combustible durante la inyección.
La presión en el distribuidor de combustible es común para todos los cilindros
se mantiene a un valor casi constante incluso al extraer grandes cantidades de
combustible. Con esto se asegura que permanezca constante la presión de inyección
al abrir el inyector.
La presión del combustible se mide mediante el sensor de presión de riel y se
regula al valor deseado mediante la válvula reguladora de presión (figura 10).
FIGURA 10. ACUMULADOR ALTA PRESION.
1.4.2.4.3 Inyectores.
El comienzo de inyección y el caudal de inyección se ajustan con el inyector
activado eléctricamente. Las toberas de estos inyectores abren cuando se libera el
flujo de combustible a través de una electroválvula controlada. Las toberas inyectan
el combustible directamente en las cámaras de combustión del motor. La función del
inyector puede dividirse en cuatro estados de servicio, con el motor en marcha y
bomba de alta presión funcionando:
Inyector cerrado (con alta presión presente).
19
Inyector abre (comienzo de inyección).
Inyector totalmente abierto.
Inyector cerrado (final de la inyección).
El combustible excedente, retorna al depósito de combustible a través de una
tubería colectiva en la cual desembocan también los conductos de retorno de la
válvula reguladora de presión y de la parte de baja presión, así como del caudal de
lubricación de la bomba de alta presión (figura 11).
FIGURA 11. INYECTOR.
1.4.2.4.4 Tuberías de combustible en la parte de alta presión.
Las tuberías de alta presión deben soportar permanentemente la presión
máxima del sistema y las oscilaciones de presión, que se producen durante las pausas
de inyección. Por este motivo, las tuberías constan de tubos de acero. Normalmente
presentan un diámetro exterior de 6 mm y un diámetro interior de 2,4 mm. Las
diferentes distancias entre el riel y los inyectores se compensan mediante curvaturas
más o menos pronunciadas en el correspondiente tendido de las tuberías de
inyección. La longitud de tubería es lo más corta posible15 (figura 12).
FIGURA 12. CAÑERIAS DE COMBUSTIBLE.
15 s/a, Control electrónico del motor para motores Diesel, Op. Cit, p. 13.
20
1.5 CONTROL DEL SISTEMA CON EDC.
La regulación electrónica Diesel EDC con Common Rail se divide en tres
bloques de sistema:
1.5.1 SENSORES.
Son los elementos que informan, mediante la transformación diversas
magnitudes físicas en señales eléctricas, a la unidad de control sobre los parámetros
indicados, entre ellos se encuentran los siguientes:
FIGURA 13. SENSORES.
1.5.1.1 Sensor de temperatura del refrigerante.
El sensor de temperatura se ubica en el circuito de refrigeración, para
monitorear la temperatura del motor a través de la temperatura del refrigerante. El
sensor está equipado con un resistor dependiente de la temperatura con un
coeficiente de temperatura negativo, que es parte de un circuito divisor de voltaje al
que se aplican 5V (figura 14).
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FIGURA 14. SENSOR DE TEMPERATURA DEL REFRIGERANTE.
La caída de voltaje en el resistor se ingresa al UCE mediante un convertidor
análogo-digital y es una medida de la temperatura. Se almacena una curva
característica en el microcomputador del UCE, el cual define la temperatura como
función de un voltaje dado (figura 15).
FIGURA 16. DISPOSICIÓN DEL SENSOR.
1.5.1.2 Sensor de posición del pedal del acelerador.
En contraste con la distribución convencional y las bombas de inyección en
línea, con EDC (Control Electrónico Diesel) la aceleración que imprime el conductor
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ya no se transmite directamente a la bomba de inyección a través de un cable o
varillaje mecánico, sino que es registrada por un sensor del pedal del acelerador y
transmitida luego al UCE.
Se genera un voltaje a través del potenciómetro en el sensor del pedal del
acelerador en función de la posición del acelerador. Usando una curva característica
programada, se calcula entonces la posición del pedal a partir de éste voltaje. El
sensor del pedal tiene dos potenciómetros, una señal es la posición del pedal para el
UCE, la otra es para la verificación de la carga. Si fallara el sensor del pedal, se
establece el modo a prueba de falla y una velocidad de ralentí levemente mayor
(figura 16).
FIGURA 16. DISPOSICIÓN ESQUEMÁTICA.
1.5.1.3 Sensor de presión del riel.
El sensor de presión del riel debe medir instantáneamente la presión en el riel
con la precisión adecuada y de la forma más rápida posible.
23
El combustible presurizado actúa sobre el diafragma del sensor, lo que
convierte la presión en señal eléctrica, que después se ingresa a un circuito de
evaluación que amplifica esta señal y la envía al UCE (figura 17).
FIGURA 17. SENSOR DE PRESIÓN DEL RIEL
1.5.1.4 Sensor de temperatura del combustible.
El sensor de temperatura del combustible se ubica en la línea de alimentación
de combustible.
A medida que aumenta la temperatura del combustible, el UCE modificará la
inyección y tasa de entrega, al mismo tiempo ajustará los parámetros de
funcionamiento de la válvula de control de presión del riel.
Puesto que el circuito de entrada de la computadora está pensado cómo
divisor de tensión se reparte entre una resistencia presente en la computadora y la
resistencia NTC del sensor.
24
Por consiguiente la computadora puede valorar las variaciones de resistencia
del sensor a través de los cambios de la tensión y obtener así la información de la
temperatura del combustible en el motor (figura 18).
FIGURA 18. POSICIÓN DEL SENSOR DE TEMPERATURA DE COMBUSTIBLE.
1.5.1.5 Sensor de presión atmosférica o altitud.
Este sensor le informa a la computadora la presión atmosférica existente, para
que ella corrija inteligentemente el tiempo de inyección de acuerdo a la presión
atmosférica.
Este sensor está montado adentro de la computadora. El elemento sensible
del sensor de presión absoluta está compuesto por un puente de Wheatstone sobre
una membrana de material cerámico.
Sobre un lado de la membrana está presente el vacío absoluto de referencia,
mientras que sobre el otro lado actúa la presión atmosférica. La señal piezo-resistiva
derivante de la deformación que sufre la membrana, la toma la computadora para
determinar la altitud (figura 19).
25
FIGURA 19. SENSOR DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA.
1.5.1.6 Interruptor del pedal del embrague.
La función principal de este sensor es para mayor confort de marcha, consiste
en suprimir las sacudidas del motor. A esos efectos la computadora necesita saber si
se ha embragado o desembragado momentáneamente (figura 20).
Estando aplicado el pedal de embrague se reduce por poco tiempo la cantidad
de gas oíl inyectada. A la función principal se le agregan otras como:
Cancelación del control crucero.
Señal de carga inminente del motor (desembrague, enganche en primera
marcha, salida).
Evitar el aumento brusco de las rpm del motor al desembragar durante un
cambio de marcha, el UCE ajusta el funcionamiento del inyector.
26
FIGURA 20. INTERRUPTOR DEL PEDAL DEL EMBRAGUE.
1.5.1.7 Sensor del pedal de frenos.
Por motivos de seguridad el sensor suministra a la computadora la señal de
freno aplicado. Esta señal se utiliza para verificar que el sensor de posición del pedal
del acelerador actúe correctamente (figura 21).
FIGURA 21. INTERRUPTOR DEL PEDAL DE FRENO.
27
1.5.1.8 Sensor de caudal y temperatura del aire de admisión (MAF).
Durante el funcionamiento dinámico es fundamental el establecimiento
preciso de la correcta relación A/F (aire/combustible), para cumplir con las normas
referentes a los límites de gases de escape. Esto requiere el uso de sensores para
registrar de manera precisa el flujo de masa de aire que realmente ingresa al motor en
un momento determinado.
Estos sensores que miden con precisión deben ser independientes de la
pulsación, flujo inverso, EGR, control variable del eje de levas y cambios en el
control de temperatura del aire. Se elige un medidor de masa de aire tipo "Lámina
Caliente" como el más conveniente. El principio de la lámina caliente se basa en la
transferencia de calor desde un elemento sensor que está caliente, al flujo de aire. Se
utiliza un sistema de medición que permite la medición del flujo de aire y la
detección de la dirección del mismo. Los flujos inversos también se detectan en caso
que se produzcan flujos de aire con fuerte pulsación. En la misma carcasa tiene
montado un sensor de temperatura de aire (figura 22).
FIGURA 22. SENSOR DE TEMPERATURA DE AIRE Y SENSOR DEL FLUJO DE AIRE.
28
1.5.1.9 Sensor de posición del cigüeñal.
La posición del pistón en la cámara de combustión es fundamental para
definir el comienzo de la inyección. Un sensor mide las rotaciones del cigüeñal por
minuto. Esta importante variable de entrada se calcula en la UCE, mediante la señal
del sensor de posición del cigüeñal.
Una rueda dentada de material ferro-magnético está unida al cigüeñal, en la
cual faltan 2 dientes. A este espacio más grande se le asigna una posición definida
del cigüeñal para el cilindro 1.
El sensor de velocidad del cigüeñal monitorea la secuencia de dientes de la
rueda, el mismo está compuesto por un imán permanente y un alma de hierro dulce
con un bobinado de cobre.
El flujo magnético en el sensor cambia a medida que los dientes y espacios
pasan frente a él, generando un voltaje sinusoidal de AC cuya amplitud aumenta
abruptamente en respuesta a la mayor velocidad del motor (cigüeñal). (figura 23)
FIGURA 23. SENSOR DE POSICIÓN DEL CIGÜEÑAL.
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1.5.1.10 Sensor de fase.
Cuando un pistón se mueve en dirección del PMS, la posición del eje de levas
determina si está en la fase de compresión con encendido subsiguiente, o en la fase
de escape. Esta información no se puede generar únicamente con el dato del eje
cigüeñal durante la fase de partida. Por otra parte, durante el funcionamiento normal
del motor, la información generada por el sensor del cigüeñal basta para determinar
el estado del motor.
El sensor del eje de levas utiliza el efecto electromagnético (Hall) al
establecer la posición del eje de levas. Un diente de material ferro-magnético está
unido al eje de levas y gira con él. Cuando este diente pasa frente a los discos
semiconductores del sensor del eje de levas, su campo magnético desvía los
electrones en los discos semiconductores en ángulos rectos a la dirección de la
corriente que fluye a través de los discos. Esto da como resultado una señal breve de
voltaje (voltaje Hall) que informa a la UCE que el cilindro Nº 1 ha ingresado recién a
la fase de compresión. (figura 24)
FIGURA 24. SENSOR DE POSICIÓN DEL EJE DE LEVAS.
30
1.5.1.11 Sensor de presión del turbo-alimentador.
El sensor está conectado por un tubo al múltiple de admisión, o directamente
en el múltiple de admisión. El elemento sensible del sensor de sobrepresión del
turbocompresor está compuesto por un puente de Wheatstone sobre una membrana
de material cerámico. Sobre un lado de la membrana está presente el vacío absoluto
de referencia, mientras que sobre el otro lado actúa la presión de aire proveniente del
turbocompresor. La señal piezo-resistiva derivante de la deformación que sufre la
membrana, antes de ser enviada a la computadora es amplificada por un circuito
electrónico contenido en el soporte que aloja la membrana cerámica16. (figura 25)
FIGURA 25. SENSOR DE PRESIÓN DEL TURBO-ALIMENTADOR.
1.5.2 UNIDAD DE MANDO.
Evalúa las señalas de los sensores externos y, con arreglo a las señales de
entrada recibidas, controla los sistemas de alimentación de combustible, regulación
del caudal y tiempo de inyección, depuración de gases de escape, regulación de la
16 www.training.kia.co.kr.
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presión de carga y desconexión del compresor de aire acondicionado, controla la
entrada y las salidas, verifica la plausibilidad, memoriza las averías, la diagnosis y
forma un valor sustitutivo en caso de fallo de señal (funcionamiento de emergencia).
(figura 26)
FIGURA 26. UNIDAD DE MANDO.
1.5.2.1 Condiciones de aplicación.
A la Unidad de Control se le plantean altas exigencias en lo referente a:
La temperatura del entorno (en servicio de marcha normal, -40…+85º C).
La capacidad de resistencia contra productos de servicio (aceite, combustible,
etc.).
La humedad del entorno.
Solicitaciones mecánicas.
Igualmente son muy altas las exigencias a la compatibilidad electromagnética
(CEM) y a la limitación de la irradiación de señales perturbadoras de alta
frecuencia.
32
1.5.2.2 Estructura.
La unidad de control se encuentra dentro de un cuerpo metálico. Los
sensores, los actuadores y la alimentación de corriente, están conectados a la unidad
de control a través de un conector multipolar.
Los componentes de potencia para la activación directa de los actuadores
están integrados en la caja de la unidad de control, de forma tal que se garantiza una
buena disipación térmica hacia la caja.
1.5.2.3 Regulación de los estados de servicio.
Para que el motor funcione en cualquier estado de servicio con una
combustión optima, se calcula en la UCE el caudal de inyección adecuado en cada
caso. Para ello deben considerarse diversas magnitudes (figura 27).
1.5.2.3.1 Caudal de arranque.
Al arrancar se calcula el caudal de inyección en función de la temperatura y
del régimen.
El caudal de arranque se establece desde la conexión del interruptor de
marcha (el interruptor pasa a la posición A (figura 27)) hasta que se alcanza un
régimen de revoluciones mínimo.
El conductor no tiene ninguna influencia sobre el caudal de arranque.
33
FIGURA 27. CALCULO DEL CAUDAL DE INYECCIÓN EN LA UNIDAD DE CONTROL.
POSICIÓN A DEL INTERRUPTOR: ARRANQUE
POSICIÓN B DEL INTERRUPTOR: SERVICIO DE MARCHA.
1.5.2.3.2 Servicio de marcha.
Bajo servicio de marcha normal, se calcula el caudal de inyección en función
de la posición del pedal acelerador (sensor del pedal acelerador) y del número de
revoluciones (el interruptor pasa a la posición B (figura 27)).
Esto se realiza mediante el campo característico del comportamiento de
marcha. Quedan adaptados así de la mejor forma posible el deseo del conductor y la
potencia del vehículo.
34
1.5.2.3.3 Regulación de ralentí.
Al ralentí del motor son principalmente el grado de rendimiento y el régimen
de ralentí los que determinan el consumo de combustible. Una gran parte del
consumo de combustible de los vehículos motorizados en denso tráfico rodado, recae
sobre este estado de servicio. Por este motivo es ventajoso un régimen de ralentí lo
más bajo posible.
Sin embargo, el ralentí debe estar ajustado de tal forma que el régimen de
ralentí bajo todas las condiciones, como red del vehículo cargada, acondicionador de
aire conectado, marcha acoplada en vehículos con cambio automático,
servodirección activada, etc., no descienda demasiado y el motor funcione
irregularmente e incluso llegue a pararse.
Para ajustar el régimen teórico de ralentí, el regulador de ralentí modifica
continuamente el caudal de inyección hasta que el número de revoluciones real
medido es igual al número de revoluciones teórico y la característica de regulación
están influidos aquí por la marcha acoplada y por la temperatura del motor (sensor de
temperatura del liquido refrigerante).
Los momentos de carga externos están acompañados por los momentos de
fricción internos que deben ser compensados por la regulación de ralentí.
Estos momentos varían ligeramente pero continuamente durante toda la vida
útil del motor y dependen además considerablemente de la temperatura.
1.5.2.3.4 Regulación de la suavidad de marcha.
Debido a tolerancias mecánicas y envejecimiento, no todos los cilindros del
motor generan el mismo par motor. Esto tiene como consecuencia un
funcionamiento no óptimo del motor, esencialmente al ralentí. El regulador de la
suavidad de marcha determina ahora las variaciones del régimen después de cada
combustión y las compara entre sí.
35
El caudal de inyección para cada cilindro se ajusta entonces en base a las
diferencias de revoluciones, de forma tal que todos los cilindros contribuyen por
igual a la generación del par motor. El regulador de suavidad de marcha actúa
únicamente en el régimen inferior de revoluciones.
1.5.2.3.5 Regulación de la velocidad de marcha.
El regulador de la velocidad de marcha se ocupa de la circulación a una
velocidad constante. El regulador ajusta la velocidad del vehículo a un valor
deseado. Este valor puede ajustarse mediante una unidad de operación en el tablero
de instrumentos.
El caudal de inyección se aumenta o se disminuye continuamente hasta que la
velocidad real corresponde a la velocidad teórica ajustada. Si estando conectado el
regulador de la velocidad de marcha, pisa el conductor sobre el pedal de embrague o
de freno, se desconecta el proceso de regulación.
1.5.2.3.6 Regulación del caudal de referencia.
No siempre debe inyectarse el caudal de combustible deseado por el
conductor o físicamente posible. Esto puede tener las siguientes razones:
Emisión excesiva de contaminantes
Expulsión excesiva de hollín
Sobrecarga mecánica debido a un par motor excesivo o exceso de
revoluciones
Sobrecarga térmica debido a temperatura excesiva del líquido refrigerante,
del aceite o del turbocompresor.
1.5.2.3.7 Amortiguador activo de tirones.
Al accionar o soltar repentinamente el pedal acelerador, resulta una velocidad
de variación elevada del caudal de inyección y, por tanto también, del par motor
entregado.
36
La fijación elástica del motor y la cadena cinemática originan por este cambio
de carga abrupto, oscilaciones en forma de tirones que se manifiesta como una
fluctuación del régimen del motor (figura 28).
1.- Accionamiento repentino del pedal acelerador.
2.- Desarrollo de las revoluciones sin una amortiguación de tirones activa.
3.- Con amortiguador de tirones activo.
FIGURA 28. AMORTIGUADOR ACTIVO DE TIRONES.
El amortiguador activo de tirones reduce estas oscilaciones periódicas del
régimen, variando el caudal de inyección con el mismo periodo de oscilación: al
aumentar el número de revoluciones, se inyecta menos caudal; al disminuir el
número de revoluciones, se inyecta más caudal. El movimiento de tirones queda así
fuertemente amortiguado.
1.5.2.3.8 Parada del motor.
El principio de trabajo de autoencendido tiene como consecuencia que el
motor Diesel sólo pueda pararse interrumpiendo la afluencia de combustible. En el
caso de la regulación electrónica Diesel, el motor se para mediante la orden de la
Unidad de Control (Caudal de inyección cero). 17
17 s/a, Control electrónico del motor para motores Diesel, Op. Cit, p. 34 a p.37.
37
1.5.2.4 Comunicación de las unidades de control.
La comunicación entre la unidad de control del sistema de riel común y otras
unidades de control, se realiza a través del bus CAN (Controller Area Network).
Para ello se transmite los valores teóricos, estados de servicio e informaciones
de estado, necesarios para el servicio y para la supervisión de averías.
1.5.2.5 Intervención externa del caudal.
El caudal de inyección es influido por otra unidad de control (ejemplo: ABS,
ASR, cambio automático). Esta unidad comunica a la unidad de control del
Common Rail que tiene que modificar el par motor y por tanto los valores de
inyección.
1.5.2.6 Bloqueo electrónico de arranque.
Para la protección antirrobo del vehículo puede impedirse un arranque del
motor con la ayuda de una unidad de control adicional para el bloqueo de arranque.
El conductor puede señalizar a esta unidad de control, por ejemplo mediante
un mando a distancia, que está autorizado a utilizar el vehículo. La unidad habilita
entonces en la unidad de control Common Rail, el caudal de inyección de forma que
es posible el arranque del motor y el servicio de marcha.
1.5.2.7 Acondicionador de aire.
Para conseguir una temperatura agradable en el interior del vehículo, se
utiliza el aire acondicionado. Este sistema demanda una potencia del motor que
puede alcanzar dependiendo del motor y la situación de marcha de 1% a un 30% de
la potencia del motor. El objetivo no es por lo tanto la regulación de temperatura,
sino el aprovechamiento optimo del par motor.
38
En cuanto el conductor acciona rápidamente el pedal del acelerador
(deseando un par motor máximo) o también cuando el motor está funcionando a una
temperatura excesiva. El EDC desconecta brevemente el compresor del sistema del
aire acondicionado en el primer caso y en el segundo caso lo desconecta hasta que la
temperatura del motor baje a valores de temperatura que no pongan en peligro el
funcionamiento del motor.
1.5.2.8 Diagnóstico integrado.
1.5.2.8.1 Supervisión de sensores.
En la supervisión de sensores se comprueba con la ayuda del diagnóstico
integrado, si estos son abastecidos suficientemente y si su señal esta dentro del
margen admisible (ejemplo: temperatura entre -40 y 150 ºC).
Las señales importantes se ejecutan por duplicado siempre que sea posible; es
decir, existe la posibilidad de conmutar a otra señal similar en un caso de avería.
1.5.2.8.2 Modulo de supervisión.
La unidad de control dispone de un modulo de supervisión además del
microprocesador. La unidad de control y el modulo de supervisión se supervisan
recíprocamente. Al reconocerse una avería pueden interrumpir ambos la inyección
independientemente entre sí.
1.5.2.8.3 Reconocimiento de averías.
El reconocimiento de averías solo es posible dentro del margen de
supervisión de un sensor. Una vía de señal se considera defectuosa si una avería está
presente durante un tiempo definido previamente.
La avería se almacena entonces en la memoria de averías de la unidad de
control, junto con las condiciones ambientales correspondientes, bajo las cuales ha
aparecido (ejemplo: temperatura del líquido refrigerante, nº de revoluciones, etc.).
39
Para muchas averías es posible un "reconocimiento de rehabilitación". Para
ello debe reconocerse como intacta la vía de señal, durante un tiempo definido.
1.5.2.8.4 Tratamiento de averías.
Al infringirse el margen admisible de señal de un sensor, se conmuta a un
valor preestablecido. Este procedimiento se aplica a las siguientes señales de entrada:
Tensión de batería.
Temperatura del líquido refrigerante, del aire y del aceite.
Presión de sobrealimentación.
Presión atmosférica y caudal de aire.
Adicionalmente, si se tienen señales anómalas del sensor del pedal acelerador
y del freno, se emplea un valor sustitutivo para el sensor del pedal acelerador. 18
1.5.3 ACTUADORES.
Los actuadores son los que se encargan de transformar las señales eléctricas
de salida de la Unidad de Control, en magnitudes mecánicas.
1.5.3.1 Recirculación de los gases de escape (EGR).
Con la recirculación de los gases de escape (EGR) una parte de los gases es
derivada de vuelta al ducto de admisión del motor. El alimentar una parte del
contenido de los gases de escape residuales tiene un efecto positivo en la
conservación de la energía y, por tanto, en las emisiones.
De acuerdo con el punto de funcionamiento del motor, la masa de aire/gas
entregada a los cilindros puede estar compuesta por hasta un 40% de gases de escape.
Para el control UCE, la masa real de aire fresco que ingresa se mide y se compara en
cada punto de funcionamiento con el valor establecido de masa de aire.
18 www.mecanicavirtual.org.
40
Con la señal generada por el circuito de control, la válvula solenoide de la
EGR se hace funcionar, permitiendo que la EGR se abra por vacío. La válvula EGR
esta comunicada a través de un ducto separado en la entrada del múltiple de
admisión, antes de entrar en el flujo de aire succionado (figura 29).
FIGURA 29. RECIRCULACIÓN DE LOS GASES DE ESCAPE.
1.5.3.2 Válvula de control de mariposa EGR.
La válvula de mariposa en el motor diesel realiza una función completamente
diferente a la del motor de gasolina.
Esta sirve para aumentar la proporción de recirculación de los gases de escape
a través de reducir la sobrepresión en el múltiple de admisión. El control de la
Válvula-mariposa sólo opera en el rango de velocidad más bajo del motor. Y este
vacío es controlado por medio de una válvula solenoide.
El funcionamiento de esta válvula es sencillo, cuando se activa el vacío a la
válvula esta a través de un diafragma comanda un eje y produce que el obturador de
paso de gases de escape se abra pasando los mismos al múltiple de admisión.
Cuando cesa el vacío en la válvula un resorte baja el obturador cerrando el pasaje
(figura 30)
41
FIGURA 30. VÁLVULA MODULADORA DE VACIO.
1.5.3.3 Válvula de control de presión del riel.
La válvula de control de presión es responsable de mantener la presión en el
riel a nivel constante. Este nivel es función de las condiciones de funcionamiento del
motor. Si la presión de combustible es excesiva, se abre la válvula y el combustible
se devuelve al tanque a través de la línea de retorno. Si la presión no es lo
suficientemente elevada, se cierra la válvula y la bomba de alta presión aumenta la
presión en el riel.
La bola del asiento de la válvula está expuesta a la presión del acumulador de
alta presión. Esta fuerza se superpone al total de las fuerzas que actúan contra la bola
desde el otro lado mediante el resorte y el electroimán. La fuerza generada es
función de la corriente con la cual se activa. Por lo tanto, una variación en la
corriente permite que la alta presión en el acumulador pueda ser fijada en un valor
dado. La corriente variable se obtiene usando una modulación de pulso ancho
(PWM) (figura 31).
42
FIGURA 31. VÁLVULA DE CONTROL DE PRESIÓN DEL RIEL.
1.5.3.4 Control de la bujía incandescente.
Las bujías incandescentes son responsables de asegurar la partida eficiente en
frío acortando el periodo de calentamiento del motor, lo cual también es muy
relevante para las emisiones de escape. El periodo de calentamiento previo depende
del UCE y la temperatura del refrigerante, controlado a través del funcionamiento del
relé de incandescencia. Las bujías pueden alcanzar 850°C dentro de unos pocos
segundos.
Las fases siguientes de incandescencia durante la partida del motor o bien
cuando el motor está funcionando, están determinadas por un sinnúmero de
parámetros que incluyen la velocidad del motor y cantidad de combustible inyectado.
Con las temperaturas de las bujías incandescentes las cuales fluctúan entre 950°C y
1050°C se reducen las emisiones de humo y ruido. El sistema de incandescencia
tiene tres modos de funcionamiento y utiliza un relé, controlado por el UCE, que las
energiza (figura 32).
43
FIGURA 32. CONTROL DE LA BUJÍA DE INCANDESCENCIA.
1.5.3.5 Inyector.
Inyectores especiales equipados un sistema servo-hidráulico y un elemento de
activación eléctrica se utilizan con el sistema Common Rail para lograr eficiencia al
comienzo de la inyección y dosificar la cantidad de combustible inyectado. Al
comienzo de la inyección, se aplica una elevada corriente al inyector, de manera que
se abra rápidamente la válvula solenoide.
Apenas la aguja de la boquilla haya recorrido su carrera completa, y la
boquilla se haya abierto completamente, se disminuye la corriente energizante a un
valor de retención menor.
La cantidad de combustible inyectado está definida por el tiempo de apertura
del inyector y la presión del riel. La inyección termina cuando la válvula solenoide
es desactivada y como resultado se cierra (figura 33). 19
19 www.training.kia.co.kr
44
FIGURA 33. INYECTOR.
Bosch inicia la fabricación en serie de la 3ª generación del sistema Common
Rail. La característica especial de esta versión más reciente del sistema de inyección
de alta presión para motores diesel es la innovadora técnica “Piezo-Inline”.
Esta técnica ha sido desarrollada en los laboratorios y en los bancos de prueba
del segundo mayor proveedor de técnica de automoción del mundo. “Los inyectores
Piezoeléctricos de la 3ª generación Common Rail son más rápidos, finos y
pequeños”.
El piezo-actuador excitado electrónicamente conmuta cinco veces más veloz
que una válvula magnética y está integrado en el cuerpo del inyector. Así, el
movimiento del piezoeléctrico es transmitido sin elemento mecánico alguno
directamente a la aguja de la boquilla.
Esto hace posible que las velocidades de la aguja de la boquilla sean dos
veces más rápidas que en todos los demás sistemas Common Rail en el mercado.
45
Por lo tanto, se puede dosificar más exactamente la cantidad de inyección, por lo que
se producen menos contaminantes en la combustión.20
El Actuador piezoeléctrico está constituido por una gran cantidad de
elementos piezoeléctricos, para conseguir así un recorrido de suficiente magnitud
para la gestión del inyector (figura 34). Al aplicarse tensión, el actuador
piezoeléctrico se dilata en hasta 0,03 mm. (Por comparar; un cabello humano tiene
un diámetro de aprox. 0,06mm).
FIGURA 34. ACTUADOR PIEZOELÉCTRICO.
Los inyectores Piezoeléctricos tienen grandes ventajas sobre los
convencionales:
Tiempos de Conmutación muy pequeños.
Posibilidad de inyecciones múltiples en lapsos muy cortos.
Gran exactitud de dosificación.
Masa móvil 75% menos que los convencionales.
Un elemento piezoeléctrico es aquel al cual si se le aplica una deformación
genera una tensión eléctrica. Inversamente cuando se le aplica tensión puede
manifestar una deformación mecánica21 (figura 35).
20 http://www. bosch.com.es
21 CELANI, Vicente, Op. Cit. p. 40 a p. 42.
46
FIGURA 35. INYECTOR PIEZOELÉCTRICO DE BOSCH.
1.5.3.6 Actuador de presión de sobrealimentación.
Los motores de turismos con turbo-compresión por gases de escape tienen
que alcanzar un elevado par motor incluso a número de revoluciones bajos. Por este
motivo, el cuerpo de la turbina esta dimensionado para un flujo pequeño de masas de
gases de escape.
Para que la presión de sobrealimentación no aumente excesivamente en caso
de flujos de masas mayores de gases de escape, en este margen de funcionamiento
debe conducirse una parte de los gases de escape sin pasar por la turbina del turbo al
colector de los gases de escape por medio de una válvula bypass ("Wastegate"). El
actuador de la presión de sobrealimentación modifica para ello la apertura mayor o
menor de la válvula "Wastegate" dependiendo del número de revoluciones del motor,
del caudal de inyección, etc.
En lugar de la válvula "Wastegate puede aplicarse también una geometría
variable de la turbina (VTG). Esta modifica el ángulo de incidencia de la turbina de
gases de escape e influye así la presión de sobrealimentación22 (figura 36).
22 CELANI, Vicente, Op. Cit. p. 56.
47
1. Actuador de presión de sobrealimentación.
2. Bomba de depresión.
3. Actuador de presión.
4. Turbocompresor.
5. Válvula bypass.
FIGURA 36. ACTUADOR DE LA PRESIÓN DE SOBREALIMENTACIÓN.