Técnica

Técnica: Inyección de combustible

Como comentábamos aquí, para conseguir que un motor de ciclo Otto funcione necesitamos simplemente aire, gasolina, compresión y chispa. En el artículo de hoy ahondaremos en cómo se provee de gasolina a los motores modernos.

Aunque nos centraremos en los sistemas de inyección electrónica de combustible, estos sistemas, relativamente modernos, no son los únicos utilizados para el control de la mezcla aire-gasolina que accede al cilindro. Anteriormente se utilizaban sistemas de carburación e inyección mecánica.

Para satisfacer los cada vez más restrictivos requisitos en materia de emisiones se extendió el uso de catalizadores, los cuales requieren un control muy preciso de la proporción en la mezcla aire-combustible para su correcto funcionamiento, que no era posible conseguir con el uso de carburadores. Fue este hecho el que llevó a la situación actual, en la que los carburadores cayeron prácticamente en desuso, y todos los coches que se comercializan utilizan inyección electrónica.

La encargada de gestionar cuándo y en qué cantidad entra la gasolina al cilindro es la ECU mediante el control de los inyectores. Antes de describir cómo trabaja la ECU, veamos el camino que sigue el combustible hasta acceder al motor.

El combustible parte del depósito, donde es succionado por una bomba, que a través de un filtro y los conductos de combustible lo lleva hasta la rampa de inyección. Aquí su presión se mantiene constante con la intervención de un regulador de presión (en torno a 250-350kPa para un motor de gasolina). Los inyectores están conectados a la rampa de inyección, y sus válvulas se controlan, como comentamos anteriormente, mediante la ECU.

inyecor

La válvula del inyector se mantiene cerrada mediante el uso de un muelle. Para su control, los inyectores tienen dos pines, uno de ellos está conectado directamente al positivo de la batería a través del relé de encendido y el otro está conectado a la ECU. Cuando la ECU decide que se debe abrir la válvula del inyector, envía un pulso de corriente que cierra el circuito eléctrico, abasteciendo al solenoide. La cabeza del émbolo es atraída por el campo magnético del solenoide, abriendo la válvula.

Dado que el combustible en la rampa de inyección está sometido a presión, éste abandona el inyector a alta velocidad por la boquilla. El tiempo que la válvula permanece abierta depende de la duración del pulso que envía la ECU, y es de este modo como se gestiona la cantidad de combustible que llega al cilindro.

Para que el flujo de combustible sea el correcto, es de gran importancia que la presión de combustible en los inyectores sea constante y que no tenga fluctuaciones, de este modo la cantidad de combustible inyectado dependerá únicamente del tiempo de apertura de la válvula de los inyectores.

La ECU requiere información de varios sensores para poder determinar la cantidad de combustible que es necesario inyectar. Los sensores más relevantes son:

  • Posición del cigüeñal: Con este sensor, la ECU puede medir la velocidad de giro del motor.
  • Posición del árbol de levas: La ECU utiliza este sensor para determinar en qué momento es necesario enviar la señal al inyector para inyectar el combustible.
  • Posición del acelerador: Este sensor mide cómo de abierta está la mariposa del acelerador, que determina la cantidad de aire que accede al cilindro. La ECU adapta su respuesta incrementando o disminuyendo la cantidad de combustible.
  • Flujo de aire (MAF): Este sensor mide el volumen de aire aspirado por el motor.
  • Temperatura de admisión: La ECU utiliza la información recibida de este sensor junto con la proporcionada por el sensor de flujo de aire, para conseguir un cálculo adecuado de la masa de aire aspirada por el motor.
  • Presión en el colector de admisión (MAP): Mide la presión absoluta del aire en el colector de admisión, y con ello la cantidad de aire que accede al cilindro.
  • Sonda lambda (O2): Monitoriza la cantidad de oxígeno presente en los gases de escape, indicando cómo de bien se está quemando la mezcla. La ECU puede determinar si la mezcla es rica o pobre y ajustarla en concordancia.
  • Temperatura del refrigerante: Este sensor permite a la ECU adecuar la cantidad de combustible inyectado dependiendo de la temperatura a la que está funcionando el motor. Mientras el motor está frío es necesario inyectar mayor cantidad de combustible para que el motor funcione correctamente.

Puesto que un motor de combustión interna no es más que una bomba de aire, el rendimiento de éste depende directamente de la cantidad de aire que accede a los cilindros, y ésta será directamente proporcional a la carga del motor.

Existen tres métodos con los que se puede calcular dicha carga:

  • Alpha-N: Este es el método más sencillo, pues no tiene en cuenta sensores como MAF o MAP. La ECU se basa únicamente en la información obtenida del sensor de posición del acelerador y la velocidad de giro del motor.
  • Utilizando un sensor MAF: En este caso se mide el flujo de aire que atraviesa el cuerpo del acelerador con un caudalímetro (sensor MAF). Generalmente el caudalímetro utiliza un hilo caliente, el cual se enfría más cuanto mayor sea el volumen de aire que lo atraviesa, por lo que para que mantenga la temperatura se necesitará mayor voltaje. La ECU lee ese voltaje y con ello calcula el volumen de aire.
  • Utilizando un sensor MAP: La ECU basa sus cálculos en la presión (o vacío) existente en el colector de admisión. La señal que envía el sensor MAP es directamente proporcional a la carga del motor. Por ello, utilizando la señal del sensor MAP y otros valores como velocidad de giro del motor, posición del acelerador, sensores O2, etc, la ECU accede a diversas tablas para obtener la longitud del pulso que es necesario enviar a los inyectores.

La proporción ideal entre la masa de aire y la gasolina que accede al cilindro es de 14.68 partes de aire por cada una de gasolina, y se denomina proporción estequiométrica.

Masa de aireMasa de combustible = 14.68

Ésta es la proporción que permite que la mezcla arda por completo. Por desgracia las condiciones nunca son óptimas, por lo que la proporción más eficiente depende de la temperatura, revoluciones del motor, carga del motor, etc. La mezcla es rica cuando la proporción es inferior a 14.68 y pobre en el caso contrario.

De forma muy simplificada, la fórmula que utiliza la ECU para calcular la cantidad de combustible que es necesario inyectar (es decir, la duración del pulso que enviará al inyector) es:

Tiempo = [Tiempo base] * [Corrección1] * … * [CorrecciónN]

El pulso base se obtiene accediendo a una tabla almacenada en la memoria de la ECU en función de la velocidad de giro del motor y de la carga a la que está sometido (calculada con uno de los tres métodos comentados anteriormente).

Supongamos que nuestro motor está girando a 3500rpm y la carga es c. La ECU accederá a la tabla siguiente y obtendrá que el tiempo de apertura de la válvula del inyector es de 5.5ms.

a b c d e
1,000 1 2 3 4 5
1,500 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5
2,000 2 3 4 5 6
2,500 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5
3,000 3 4 5 6 7
3,500 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5
4,000 4 5 6 7 8
4,500 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5
5,000 5 6 7 8 9
5,500 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5
6,000 6 7 8 9 10

Una vez obtenido el valor base la ECU tiene que adaptar la cantidad de combustible a las circunstancias indicadas por el resto de sensores, para ello en memoria tiene también tablas con factores de corrección basados en los resultados de cada uno de los sensores. Deberá realizar tantas correcciones como sensores se tengan en cuenta.

Supongamos que para la situación del motor anterior, con los valores proporcionados por el sensor de O2, la ECU calcula un valor lambda de 1.05.

Nota: El factor lambda es el resultado de dividir la proporción de la mezcla en un instante dado entre la proporción estequiométrica.

Lambda Factor de corrección
0.80 0.92
0.85 0.94
0.90 0.96
0.95 0.98
1.00 1.00
1.05 1.02
1.10 1.04
1.15 1.06
1.20 1.08

La duración del pulso, adaptada a los resultados obtenidos por el sensor O2 sería:

5.5ms * 1.02 = 5.61ms

Con esto acabamos de descubrir qué son los mapas de inyección y qué es lo que se modifica cuando hablamos de reprogramación de la centralita. Poco a poco avanzamos, y con suerte llegaremos a ser capaces de crear nosotros mismos unos mapas de inyección.

Este artículo es bastante largo y denso, así que dejaremos los tipos de inyección existentes para otra ocasión.

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