LA INYECCIÓN ELECRÓNICA MODERNA

1.- INTRODUCCIÓN

La aplicación de inyección electrónica a los motores de combustión interna se ha extendido enormemente en los últimos 20 años. Hoy en día, en muy escasas aplicaciones de automoción se continúa utilizando el carburador tradicional, justificado únicamente por economía y simplicidad de aparejo electrónico.

Las cada día más severas normas de homologación de motores exigen un control antipolución y acústico que no es posible superar sin la utilización de convertidores catalíticos y sistemas electrónicos de encendido y suministro de combustible lo suficientemente flexibles que permitan la fabricante lograr el compromiso más favorable entre prestaciones y legislación.

El catalizador, para llevar a cabo su tarea de depuración de gases, debe operar en un rango extremadamente estrecho de mezcla aire/combustible (en la práctica es la estequiométrica, 14.7/1 en masa) y sólo un sistema electrónico que aúne precisión y rapidez puede actuar sobre la cantidad de combustible proporcionado al motor y variarloen función de la lectura de la sonda lambda (binaria porque sólo reconoce exceso o defecto respecto a la referencia estequiométrica).

Figura: Emisiones en función de la proporción aire/gasolina.

En la figura se puede apreciar cómo las emisiones de monóxido de carbono (azul), óxidos de nitrógeno (verde) e hidrocarburos (rojo) se minimizan manteniendo una proporción aire/gasolina de 14.7:1. Éste es el punto donde debe trabajar el catalizador y,para ello, la sonda lambda proporciona información a la central de inyección según la combustión sea excesivamente rica (zona derecha)o pobre (zona izquierda). Como ya resulta evidente, un carburador nunca podría realizar este cometido de un modo eficaz ypor ello la inyección, más que por cuestiones de rendimiento de motor, es imprescindible.

Figura: Sonda Lambda binaria su diagrama de tensión según la naturaleza de la mezcla

Conviene no caer en el horror (que no error) de confundir la inyección de combustible con un sistema de sobrealimentación de motor, tratamiento que se le da en algunos reglamentos de competición que he podido leer. De hecho, aún es hoy que a la hora de buscar caballos (sin importar ni emisiones ni gasto de combustible) un buen juego de carburadores superan claramente a la electrónica. Un ejemplo claro está en las preparaciones sin límite de los dragster americanos con motores desde motocicleta hastagrandes V8 y, sin ir más lejos, ¿cuántas MotoGP aplicaron EFI desde el principio?. Queda todo dicho...

Es cierto sin embargo, que la gestión electrónica de motor controlando simultáneamentemapas de encendido e inyección, permite casi “modelar” la combustión del motor, logrando una alta eficiencia térmica con buena economía de combustible a todo régimen, pudiendo actuar localmente en cada punto de funcionamiento del motor sin afectar en absoluto al resto. Así, un “bache” en la curva a 3750rpm cuando se lleva el acelerador abierto un 60 % se puede tratar modificando la cartografía en ese punto (ver figura) sin afectar a la que rige las 5500 rpm a 40% o a las 5400 o 5600 rpm. Esto, como es lógico, es impensable para un carburador que con sus circuitos de ralentí, baja, aceleración y alta (en el mejor de los casos) poco entiende de números y quien haya trabajado en el apasionante mundo de la carburación se habrá percatado de cómo a veces arreglar los medios del motor, resta un poco de altos y es necesario trabajar de nuevo en éstos para recuperar lo perdido. Ya veis que hablo de medios, altos... nunca de 6550 rpm o 4700rpm o ..., luego la precisión como decía, es un punto muy a favor de la inyección.

Figura: Mapa numérico de inyección MoTeC M800 para Audi A4

He visto cómo algunos buenos preparadores son reacios a la instalación de sistemas EFI(para simplificar) por una supuesta excesiva complejidad y por el temor que supone entrar en el “oscuro” mundo de la electrónica. La finalidad de este artículo es desmitificar esta complejidad y hacer que cualquiera pueda entender cómo funciona un sistema EFI y se atreva a equiparlo en su vehículo.

2.- PARTES DE UN EQUIPO DE INYECCIÓN.

En primer lugar, y partiendo desde el depósito de combustible, es necesario contar con una bomba que proporcione al sistema la presión adecuada al inyector. Frecuentemente se sitúa el filtro después de la bomba para liberar al máximo el inyector de impurezas. Por otro lado, esta presión debe ser controlada en un regulador, generalmente incorporado a la rampa de inyectores y que hace, al mantener constante el suministro, que el tipo de spray del inyector sea siempre el mismo, algo fundamental, claro está. El exceso de combustible se retorna la depósito. También se suele encontrar un amortiguador en el regulador de presión, cuando éste está montado en la rampa de

inyectores. Su función es eliminar las pulsaciones del sistema consecuencia de las sucesivas aperturas y cierres de los inyectores.

Figura: Spray típico de un inyector de automoción

Figura: Rampa de inyectores (en verde) de competición de Suzuki GSX-R preparada enPro #1 Performance. Se pueden apreciar también las mariposas independientes para

cada cilindro.

Finalmente estamos ya en la zona de inyección (en conducto de admisión si es indirecta). Los inyectores no son más que pequeños solenoides o bobinas que respondena impulsos electromagnéticos abriendo o cerrando el paso de combustible durante un tiempo determinado (¡estamos hablando de milisegundos!). La cantidad aportada dependerá del caudal del inyector y del tiempo que éste permanezca abierto, que es lo que realmente se varía cuando se conecta un PC a la centralita de control. Para determinar el caudal de inyector necesario, se pueden aplicar ciertas fórmulas matemáticas sencillas en función de la cilindrada del motor y potencia esperada entre otras variables. Pro #1 Performance dispone de programas de ordenador que permiten un cálculo preciso de la selección de inyector (ver sección de software). De una forma inmediata, resulta evidente que si la demanda de combustible del motor obliga al inyector a permanecer abierto más tiempo del que dura un ciclo, es necesario cambiar a una unidad de más caudal. En la práctica raramente se trabaja por encima del 80% de tiempo de admisión (es lo que se llama duty cycle aunque yo prefiero ciclo de servicio del inyector) para evitar sobrecalentamiento de la bobina y que el combustible sea inyectado en un momento apropiado de velocidad de aire en colector.

Los inyectores se clasifican en alta (hasta 15 Ohm) y baja impedancia (resistencia de 1.5-5 Ohm) con características propias de control según la aplicación a que se destina y que no se expondrá en este artículo por su carácter básico.

Figura: Inyectores y sección de un inyector

He dejado deliberadamente para el final la parte de sensores y electrónica asociada para que quede más justificada su presencia en base a lo que ya se ha expuesto.

Hemos visto que el control de dosificación de mezcla permite variar el combustible inyectado en función del régimen del motor y de la carga de éste (de cuánto tengamos pisado el acelerador, para entendernos). Entonces deberemos suministrar información deestos parámetros a la unidad de control para que “decida” en cada instante la mezcla necesaria en base a una cartografía previamente desarrollada por el fabricante o preparador. En consecuencia, es preciso contar, como mínimo, con un sensor de posición de mariposa y otro de régimen motor, generalmente asociado a la “estrella” de encendido o al dentado del volante de inercia, más propio de aplicaciones automovilísticas.

Figura: Rotor y sensor de cigüeñal Yamaha R6 2002

Dado que, además, la masa de aire disminuye al aumentar la temperatura o descender la presión para un volumen dado, deberemos evitar que en una situación de baja temperatura (en climas fríos o durante el arranque) o presión (mucha altura) la mezcla quede excesivamente pobre o rica respecto a la de referencia. Por esto existen los mapasde corrección de presión, temperatura, humedad, incluso tensión de batería (puede influir en el tiempo de respuesta y de apertura del inyector). La correcta selección y ubicación de estos sensores hacen que el sistema de inyección esté listo para funcionar, una vez que los valores adecuados (obtenidos en banco, generalmente mediante análisis de gases de escape, temperaturas de colectores, etc...) de pulsos de inyector son introducidos en la memoria de la unidad de control. Es decir, la cartografía de inyeccióndeterminará, en función de la posición de mariposa y rpm un valor determinado de

pulso de inyector, formando así un mapa en 3 dimensiones al representar todos los valores en los tres ejes del espacio. Sobre este mapa actuarán las correcciones correspondientes según la información suministrada por los sensores adicionales del motor.

Figura: Mapa de inyección 3D de una central de control HALTECH para Audi 2.3E

Figura: Mapa de inyección numérico de una central de control HALTECH para Audi2.3E

Un sistema moderno puede contar con muchos más sensores que permitan al sistema operar de forma mucho más precisa, como temperatura de agua, de aceite, presión de turbo, marcha engranada o velocidad del vehículo, detonación (aunque más ligado al mapa de encendido)... lo que complica exponencialmente la operación de la unidad de control pero también optimizan el rendimiento cuando se busca es caballo más que lo otros no tienen...

3.- TIPOS DE INYECCIÓN.

Partiendo de la base de que tratamos con sistemas de inyección electrónica. Estableceré una clasificación según la ubicación del inyector, el número de éstos y el modo de inyección:

3.1.-Ubicación del inyector

La inyección se puede hacer en la propia cámara de combustión, la tan extendida

inyección directa en motores diesel y requiere un tipo especial de inyector que resista las altas presiones de la cámara. Dada su privilegiada ubicación permite un control óptimo de la combustión lo que la hace muy indicad para trabajar con mezcla pobre o ultrapobre bajo las que la inyección en colector (a continuación) no conseguiría combustión.

Figura: Sistema de inyección directa Audi FSI en cámara de combustión

También es posible inyectar el combustible en el colector de admisión (inyección indirecta) con el inyector situado después de la mariposa de admisión. Dirigiendo el spray de combustible en un ángulo y posición determinados respecto a la corriente de admisión, se consigue una mezcla muy homogénea y alto rendimiento.

Finalmente, también es posible inyectar antes de la mariposa de admisión, llamada comúnmente inyección en ducha. Permite más tiempo para la formación de una mezcla homogénea de aire/combustible y se usa frecuentemente en motores de altas prestaciones (F1, Superbikes...) generalmente asociada a la inyección en colector después de la mariposa. Este clase de inyección permite, para potencias específicas muyaltas, utilizar inyectores de pequeño tamaño que atomizan mejor el combustible y cuyo caudal es suficiente para regímenes bajos/medios. A alto régimen, entran en funcionamiento los inyectores en ducha para aportar el caudal extra necesario. Es el tipode inyección que aplica Honda a su modelo CBR 600RR o Ducati a las 748/998.

Figura: Inyectores en ducha de Ducati 998R. Se puede apreciar su ubicación a la entradade colector,lejos de la mariposa de admisión.

3.2.- Número de inyectores.

Me refiero en este apartado, al número de inyectores totales del motor en un motor

multicilíndrico. Ésta es la base de clasificación de inyecciones monopunto: un solo inyector alimenta un colector que se divide para alimentar de mezcla cada cilindro (ver figura, donde el inyector se señala con 3d); multipunto: cada cilindro dispone de un inyector en colector, aunque la admisión de aire se realice según una mariposa de admisión común.

Figura: Sistema de inyección monopunto. Inyector único

Figura: Sistema de inyección multipunto. Un inyector por cilindro

Figura: Sistemas de inyección monopunto (izquierda) y multipunto (derecha).

3.3.- Modo de inyección.

El aporte de combustible se puede hacer de forma continua o intermitente. En general, la central de control determina unos momentos de apertura y cierre del inyector (inyección intermitente) que será el tipo que trataré a continuación por su mayor difusión.

3.2.1.-Inyección intermitente simultánea: Los inyectores de todos los cilindros se abren y cierran a la vez sin importar la fase del ciclo de cada cilindro. De esta forma, el combustible se acumula detrás de la válvula de admisión hasta la apertura de ésta en la fase correspondiente.

3.2.2.-Inyección intermitente por bancada o semisecuencial: En este caso, la central de control, identifica los cilindros de la misma bancada (típico de motores en V para evitar pulsaciones en la rampa de inyección) o bien aquéllos que suben y bajan simultáneamente, como en el caso de un 4 cilindros, inyectar al mismo tiempo al 1-4 y 2-3.

3.2.3.- Inyección secuencial: La verdad es que éste es un nombre que no me convence en absoluto. La inyección desde el momento en que abre y cierra alternativamente (intermitentemente) es ya secuencial. Mejor sería llamarla temporizada, ya que, en realidad, se define perfectamente cuándo abre el inyector y cuándo cierra. Esto permite que cada cilindro sea alimentado en la fase de admisión y en el momento más apropiadode ésta, definiendo momento de apertura y cierre en grados de cigüeñal. Estas ventajas reducen considerablemente la adhesión de combustible a las paredes de colector, mejoran la mezcla y por consiguiente las emisiones contaminantes.

Figura: Sistema de control programable de inyección secuencial HALTECH

A muchos clientes, les preocupa sobremanera que su motor trabaje con inyección ”secuencial” o no, quizá pienso yo, por esta obsesión macrotecnológica del mundo en que vivimos que hace que, sin saber muy bien (o nada en absoluto) para qué sirve, todosqueramos tener un teléfono móvil tribanda, por ejemplo.

Lo cierto es que las ventajas de la inyección temporizada son evidentes desde el punto de vista de las emisiones lo cual puede ser un factor decisivo para algunos pero también es cierto que los más preocupados por esta cuestión suelen ser técnicos, mecánicos o pilotos vinculados a la competición que desde luego, no lo primero que hacen es eliminar el catalizador de gases de escape (cuando lo permite el reglamento, claro). Puesquede claro que la inyección secuencial no ofrece ventajas de potencia a pleno gas y/o alto régimen. La explicación es clara: un motor girando a altas rpm dispone de muy poco tiempo para realizar la admisión lo que hace que también esa escaso el disponible para inyectar. En un sistema secuencial sólo hay dos soluciones, o bien se mantiene el

inyector abierto durante mucho tiempo, lo que obliga a abrir muy pronto y cerrar muy tarde, o bien se instalan inyectores de mayor caudal. En el primer caso se pierden las ventajas de inyectar en el momento óptimo de establecimiento de corriente de aire y en el segundo, la calidad de atomización de combustible se pierde porque el inyector aumenta de tamaño. Es decir, se diluyen las ventajas respecto a un sistema que inyecte, por ejemplo, 2 a 2 o por bancada.

Además la inyección secuencial precisa de un sistema de sensores más amplio y complejo. No es suficiente con el sensor de posición y velocidad de cigüeñal sino que además la central de control debe recibir información del árbol de levas para poder saber en qué fase del ciclo está cada cilindro. Me explico: con el sensor de cigüeñal, sólo podemos saber que el pistón está arriba o abajo (para simplificar) pero, en un motorde 4 tiempos, estas posiciones pueden corresponder a 2 fases del ciclo. Así, con el pistónen el punto muerto superior, el cilindro puede estar empezando la fase de admisión o a punto de comenzar la de escape. El sensor del árbol de levas elimina esta incertidumbre.

Figura: Sensor de posición de árbol de levas Honda CBR 600RR

4.- CONCLUSIONES.

Espero que este artículo sirva para dar un poco de luz a quien todavía le asusta el mundode la inyección electrónica y también para aquellos que piensan que esta tecnología es lapanacea que nunca sufre averías ni necesita ajustarse y además le ofrecerá en su motor un buen puñado de caballos más. Ni lo uno ni lo otro es cierto.

Quizá intimide mucho más conectar una central electrónica a un PC para ajustar la alimentación del motor que levantar una aguja de dosificación o aumentar el tamaño de los surtidores del carburador. Sin embargo, las bases son exactamente las mismas y aquel que no sepa identificar y resolver los problemas de un carburador, nunca podrá poner a punto un mapa de inyección. Sentarse delante de un PC y rellenar una tabla de números siempre se aprende mucho más rápido si existe un conocimiento fundamentadode lo que ocurre en la cámara de combustión.

Modificaciones importantes como preparación de culata, árboles de levas, montaje de colectores y escapes de competición etc... hacen necesario ahora más que nunca un ajuste fino de la alimentación y encendido que hace unos años no estaban a nuestro alcance, el control electrónico nos lo permite, ¿porqué resistirse?.

Por último rogaría, dado el gran número de e-mails que recibo, que aquel que quiera formular alguna pregunta o tenga dudas, lea primero este artículo completamente. Afortunadamente el 90% de las consultas se responden en este texto y no es posible para mi responder a quienes, sin tomarse la molestia de leer y reflexionar unas líneas, escriben preguntando lo primero (en general una estupidez) que se les viene a la cabeza.Para todos los demás espero que este artículo les resulte útil e interesante.