La Evolución de la Bomba Inyectora Rotativa con Control Electrónico: Precisión y Eficiencia en la Inyección Diésel
La bomba de inyección diésel es un componente fundamental en el sistema de alimentación de combustible de los motores diésel, encargada de enviar cantidades dosificadas de combustible a los inyectores. Históricamente, las bombas rotativas, muy populares en el pasado, comprimen el combustible diésel en una cámara de bombeo giratoria para luego enviarlo a los inyectores. Estas bombas, a su vez, constan de un conjunto de componentes que regulan la cantidad de combustible diésel pulverizada en los inyectores. Su funcionamiento se basa en la presión generada por una bomba de combustible de baja presión que envía el gasóleo a una bomba de alta presión, la cual comprime aún más el combustible antes de su inyección.
De la Mecánica a la Electrónica: Un Salto Tecnológico
El principio de funcionamiento de una bomba de inyección diésel radica en comprimir el combustible (gasóleo) para inyectarlo en los inyectores y, de ahí, a la cámara de combustión. Es crucial destacar que las bombas de inyección deben ser puestas en marcha con sumo cuidado. Las marcas pioneras como BOSCH y CAV desarrollaron las bombas de inyección rotativas, adaptándose mejor al aumento de las revoluciones en los motores de automóviles. Estas bombas ofrecían ventajas significativas sobre las bombas en línea: menor peso y volumen, caudales inyectados iguales en cada cilindro, mayor velocidad de rotación máxima, imposibilidad de inversión del giro del motor y un menor precio.
BOSCH, por ejemplo, ha utilizado bombas rotativas de pistón axial durante aproximadamente 30 años. La creciente necesidad de una dosificación de combustible y un ajuste del inicio de la inyección cada vez más flexibles y exactos impulsó el desarrollo de un gran número de elementos de regulación adicionales. Esto permitió ajustar, por ejemplo, la cantidad de inyección máxima en función del número de revoluciones, la presión de carga y la temperatura del combustible, logrando un funcionamiento del motor sin humo en todas las condiciones de servicio y alcanzando el máximo número de revoluciones posible. Para evitar que el motor se parase al conectar, por ejemplo, el aire acondicionado, un regulador corregía el número de revoluciones en vacío. Sin embargo, estos elementos de regulación adicionales, como mecanismos de precisión mecánicos, hicieron que las bombas fueran cada vez más complejas.
El primer avance significativo para superar esta complejidad fue la regulación electrónica del inicio de la inyección, manteniendo la dosificación de combustible como hasta entonces. Para ello, se montó en el portainyector un sensor que registraba el movimiento de la aguja, permitiendo conocer el inicio real de la inyección. La unidad de control electrónica (ECU) comparaba este valor real con el valor nominal, que dependía de las revoluciones del motor, la carga, la temperatura del agua de refrigeración y otros parámetros. En caso de desviaciones, el regulador electrónico modificaba el comienzo de la inyección hasta alcanzar el valor nominal.
La Revolución Electrónica: El Control Electrónico Diésel (EDC)
La primera utilización del control electrónico diésel se remonta a un prototipo de Peugeot en 1982, seguido por su introducción en modelos de serie por BMW y Daimler-Benz pocos meses después. Bosch inició la fabricación en serie de estos sistemas en 1984. Desde 1986, Bosch también aplicó el EDC en sistemas de inyección de vehículos comerciales. A partir de 1987, Bosch fabricó en serie sistemas de inyección totalmente electrónicos (EDC: Electronic Diesel Control), donde no solo se regulaba el inicio de la inyección, sino también la dosificación, mediante un sistema de medida basado en un imán giratorio eléctrico que sustituía al regulador mecánico. El sistema EDC, inicialmente utilizado en motores de inyección indirecta, se extendió a motores diésel de inyección directa a partir de 1989. Las presiones de inyección alcanzaban los 700 bar en la bomba y aproximadamente 1000 bar en el inyector.
Para minimizar el ruido, se empleaban inyectores con dos muelles conectados en línea. Durante el inicio de la inyección, la aguja del inyector se abría solo unas pocas centésimas de milímetro, permitiendo que solo una parte mínima del combustible penetrara en la cámara. La sección de inyector completa se abría en el proceso de inyección subsiguiente, inyectando la parte principal de la cantidad de combustible.
De los Pistones Axiales a los Radiales: Mayor Presión y Precisión
Hasta ahora, nos hemos referido a bombas de pistón axial. Sin embargo, a partir de 1996, Bosch comenzó a fabricar en serie bombas de pistones radiales. Esta configuración permite alcanzar mayores presiones de inyección, hasta 1500 bar en bombas utilizadas en motores de vehículos comerciales de tamaño medio (furgonetas). La bomba radial VP44 permite ajustar el avance y el caudal inyectado a través de electroválvulas de rápida actuación, logrando un control exacto y flexible de todos los parámetros de la inyección. Las válvulas electromagnéticas representan una mejora respecto a las bombas de pistón axial, ya que sirven para abrir y cerrar la cámara de presión de la bomba, logrando una dosificación de combustible más exacta y flexible. Estas válvulas se accionan dos veces en milisegundos, permitiendo que aproximadamente unos 1,5 milímetros cúbicos de combustible alcancen la cámara de combustión antes de la inyección principal. Esta pre-inyección reduce considerablemente el ruido.
Es importante notar que el esquema de una bomba rotativa de pistón axial VP29/30 difiere de otras estudiadas, ya que la VP29/30 es una evolución de la VP37. Se diferencia en que no utiliza un motor paso a paso para mover la corredera de regulación que dosifica la cantidad de combustible. La VP29/30 suprime el motor paso a paso y la corredera de regulación, sustituyéndolos por una electroválvula de actuación rápida que actúa sobre la cámara de presión donde el combustible es comprimido por el pistón.
El Sistema de Inyección Diésel: Un Panorama General
Los vehículos cuentan con diversos sistemas para suministrar combustible al motor, siendo las bombas de inyección una de las principales vías. Existen dos tipos fundamentales de bombas inyectoras: las lineales y las rotativas. Las bombas de inyección rotativa se caracterizan por tener un único elemento de bombeo, con todos sus componentes compactos y alojados en una sola carcasa. La inyección de gasóleo se realiza conforme a las necesidades de la tubería, y este componente, gracias al paso del carburante, no necesita aditivos lubricantes.
En España, se estima que alrededor de un millón de motores diésel consumen aproximadamente 12,5 millones de toneladas de diésel anualmente. Los fabricantes de automóviles buscan constantemente reducir el consumo de combustible mediante la mejora de componentes individuales. El sistema de inyección de combustible tiene un impacto considerable en el rendimiento y el consumo, así como en la calidad y cantidad de las emisiones. Por ello, tanto los fabricantes como sus proveedores prestan especial atención a este ámbito.
Un Poco de Historia sobre los Sistemas de Inyección
El año 1897 marca un hito con la presentación por parte de Rudolf Diesel de su motor diésel, que originalmente quemaba queroseno. Las altas presiones de inyección necesarias para la ignición y la dosificación de la sustancia quemada (aceites vegetales y minerales, aceite de calefacción ligero y queroseno) eran esenciales. Los primeros motores diésel incorporaban inyectores diseñados con compresores de aire, utilizados en barcos, locomotoras y motores estacionarios. Sin embargo, su gran tamaño, peso y baja eficiencia los hacían poco adecuados para turismos. La bomba de inyección en línea de Robert Bosch supuso una revolución al ser significativamente más pequeña que los modelos anteriores. La producción en serie facilitó su expansión masiva a partir de 1927. Bosch también investigó en toberas de inyección. Los primeros motores diésel aparecieron en camiones MAN, y penetraron en los turismos en 1936.
Bombas de Inyección según el Tipo de Construcción
Se pueden clasificar las bombas de inyección en varias categorías:
A) Bombas con una unidad de inyección separada para cada cilindro del motor:
- Bombas de inyección en línea: Cada cilindro del motor tiene una unidad de inyección (cilindro de la unidad de inyección y pistón). El pistón se mueve por acción de un árbol de levas accionado por el motor, y regresa a su posición inicial por un resorte. Las presiones de inyección rondan los 100-130 MPa. Los tipos más antiguos utilizan un controlador mecánico, mientras que los modernos están controlados electrónicamente, ofreciendo mejores emisiones. Son fiables y fáciles de mantener.
- Unidades de inyección combinadas (Pumpe - Düse / UIS): La bomba de inyección y la boquilla de inyección forman una unidad. No cuentan con bomba de inyección combinada ni línea de alta presión. Las unidades se ubican en la culata de cada cilindro y la inyección es controlada por la ECU a través de una válvula solenoide de alta presión. Las presiones de inyección son de aproximadamente 160-220 MPa. La tercera generación puede dividir la dosis de combustible en cinco, con sincronización variable mediante una válvula electrónica. Se encuentran principalmente en motores con distribución OHC. Fabricantes principales: Volvo, Cummins y Scania.
- Unidades de inyección separada (PLD / UPS): Presentes en el mercado desde 1995, la bomba se ubica en el bloque del motor. Diseñadas para motores de baja velocidad y alto volumen con distribución OHV. La presión de inyección llega hasta 200 MPa. Los tipos más antiguos no tienen control electrónico, sino un sistema similar a las bombas en línea.
B) Bombas con una unidad de inyección común para todos los cilindros del motor:
- Bombas de inyección rotativas de pistones axiales: El sistema consta de una línea de combustible con filtro, la bomba de inyección rotativa con bomba de alimentación integrada y los inyectores. La bomba es impulsada por el mecanismo de sincronización del motor. Dependiendo de la generación, pueden ser controladas mecánicamente (mediante bordes de control, orificios y una corredera) o por válvulas solenoides. Las presiones de inyección alcanzan hasta 160 MPa. Se utilizan principalmente en motores de combustión interna de menor volumen y clase de potencia. Se dividen en axiales y radiales, siendo estas últimas capaces de generar presiones más altas.
- Bombas de inyección rotativas de pistones radiales: Capaces de generar presiones de inyección más elevadas que las axiales.
C) Common Rail (CR): Este sistema se caracteriza por un conducto común (riel) donde se almacena el combustible presurizado. La presión varía de 40 MPa a 250 MPa. Un sensor de presión en el depósito envía información a la unidad de control. La dosis y el tiempo de inyección son determinados por la ECU basándose en datos de diversos sensores. El sistema Common Rail es el más utilizado hoy en día por sus múltiples ventajas: mejor combustión, mayor rendimiento, menores emisiones y menor consumo. Los principales fabricantes son Bosch, Continental (Siemens), Delphi y Denso.
Evolución de los Sistemas Common Rail
- Primera generación: Inyección principal a alta presión (140-160 MPa) y una pequeña cantidad de combustible previa para reducir el consumo. Dos inyecciones por ciclo. Control electromagnético con reacciones no tan rápidas. Utiliza bombas radiales CP1 o bombas en línea de doble pistón CP2.
- Segunda generación: Presiones más altas (180-200 MPa). Tres inyecciones por ciclo, incluyendo una inyección posterior a la principal para quemar gases de emisión. Utiliza bombas CP1H y CP3.
- Tercera generación: Control del inyector basado en el efecto piezoeléctrico. Tiempo de reacción de 0,1 ms, permitiendo hasta 5 dosis de inyección por ciclo. Presión entre 160 y 200 MPa. Atomización fina del combustible para un funcionamiento más suave, menor consumo y reducción de emisiones. Utiliza bombas CP1H y CP3.
- Cuarta generación: Presiones de inyección de hasta 250 MPa. Control de presión mejorado con un elemento de refuerzo hidráulico en el inyector. La geometría especial de los inyectores permite un aumento gradual de la presión, evitando picos de temperatura. Utiliza bombas CP4.
Formación de la Mezcla Combustible-Aire en Motores Diésel
Cada motor presenta parámetros únicos, lo que exige un diseño individualizado del sistema de inyección. El tamaño de la dosis de inyección se determina según los parámetros del motor, la carga y la velocidad. La forma en que se administra la dosis de combustible afecta a la potencia, el ruido del motor y las emisiones. Es crucial determinar el tiempo y el método de inyección correctos, así como el tamaño de la dosis.
En los motores diésel, la potencia depende de la cantidad de combustible en la mezcla, regulada mediante la alteración de la cantidad inyectada. El combustible se enciende por las altas temperaturas derivadas de la alta relación de compresión. Para un funcionamiento correcto, es vital dosificar y pulverizar el combustible adecuadamente (gotas más finas para una combustión más uniforme). El diésel se pulveriza en la cámara de combustión en forma de gotitas extremadamente pequeñas para una mezcla óptima con el aire. La alta temperatura del aire comprimido (aprox. 900 °C) evapora el diésel finamente dividido durante la compresión, creando una mezcla inflamable gaseosa que se enciende. La combustión en motores diésel se ve influenciada por la calidad del combustible, el método de atomización, la temperatura del aire de admisión, la temperatura de la cámara de combustión y la relación de compresión.
La necesidad de altas temperaturas explica los problemas de arranque en invierno. Una mejor combustión se logra aumentando las presiones de inyección y dividiendo la dosis en más inyecciones, considerando siempre el retardo del encendido del combustible respecto al régimen del motor.
El problema surge con la formación de mezclas demasiado pobres o ricas en ciertas zonas del cilindro, lo que provoca combustión imperfecta, menor eficiencia y mayores emisiones nocivas. El motor diésel trabaja con exceso de aire, y la mezcla, que se forma en la cámara de combustión o precámara, no es homogénea. La combustión se ve afectada principalmente por la cantidad, duración y momento de la inyección, la dirección y el número de chorros, así como el remolino de la mezcla.
Los primeros sistemas de inyección en línea alcanzaban presiones máximas de 130 MPa. Las presiones más altas se lograron en laboratorio con el sistema PDE (hasta 300 MPa). El Common Rail alcanza hasta 250 MPa, y un aumento adicional de la presión no es conveniente. A 250 MPa se produce una combustión casi perfecta. Un incremento mayor podría generar problemas con el tamaño de las gotitas elementales, que como partículas sólidas post-combustión no serían completamente retenidas por el filtro de partículas y serían perjudiciales para la salud.
Los primeros sistemas de regulación electrónica para motores diésel se basaron en componentes tradicionales para la inyección de combustible. Durante los años 90, el mercado de turismos estuvo dominado por Bosch y Lucas. Bosch suministraba sus sistemas EDC sobre la base de la bomba de inyección VE, mientras que Lucas introdujo sistemas de control electrónico con la bomba EPIC, que no gozó de buena reputación y requería equipos de prueba especiales. Posteriormente, en 1993, se introdujeron las bombas tipo H, una evolución lógica para las bombas en línea con regulación electrónica, permitiendo controlar el inicio de la inyección también en motores diésel industriales. Bosch se consolidó como líder en este campo.
Bombas de inyección Rotativas
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