[b]Sistema de combustible del motor diesel clásico[/b]
Todavía hoy quedan en servicio muchos motores diesel clásicos. El diseño del sistema de combustible de estos motores poseía como elementos fundamentales una bomba de inyección (lineal o rotativa) e inyectores. La bomba lineal tenía un elemento bombeante por cada cilindro del motor y la rotativa un sólo elemento bombeante pero tantas salidas secuenciadas como cilindros tuviera el motor. Cualquiera de las dos bombas tenía como función enviar gas-oil a los inyectores en el momento preciso, en la cantidad justa y a la presión necesaria para abrir la aguja del inyector y pulverizar, en gotas finísimas, el combustible en la cámara de combustión del cilindro.
El accionamiento del sistema era totalmente mecánico y la onda de alta presión hidráulica intermitente del mismo combustible, originada en la bomba, era la que abría el inyector. No existía ningún componente eléctrico en el sistema de combustible que fuera necesario para el funcionamiento del motor después de puesto en marcha.
Considerados, tanto la bomba de inyección como los inyectores, elementos mecánicos de altísima precisión y complejidad para cumplir su función y habiendo alcanzado el techo de esa tecnología, su funcionamiento, visto desde los actuales avances, dejaba mucho que desear. Eran motores de difícil arranque en frío, ruidosos y altos emisores de óxidos de nitrógeno e incluso de combustible sin quemar y de hollín.
Sistema de combustible del nuevo motor diesel
¿Cómo mejorar el sistema de inyección diesel? Para mejorar el comportamiento de un motor es imprescindible ajustar permanentemente las cantidades de combustible que se le suministran de acuerdo a múltiples parámetros tales como su velocidad de rotación, temperatura o torque motor requerido. La calidad de este manejo determinará cuánto mejorará la eficiencia del motor y cuánto será la reducción de la tasa de residuos no quemados. La computadora del sistema de inyección tiene la función de manejar la optimización del funcionamiento del motor utilizando la información que le transmiten sensores y sondas. Sin embargo, la computadora sólo es capaz de manejar corriente eléctrica. Por lo tanto para que pueda intervenir en el funcionamiento del motor es necesario utilizar un elemento electromecánico que actúe como una interfase entre la electrónica de la computadora y la mecánica del motor. Aquí es donde intervienen los inyectores eléctricos actuando como válvulas solenoides, los cuales, cuando están abiertos, pulverizan el combustible en las cámaras de combustión de los cilindros del motor, combustible que proviene de un depósito presurizado que es el “common-rail”. Estos inyectores eléctricos operan muy rápidamente, haciendo posible ajustar con extrema precisión la cantidad de combustible inyectada.
El common-rail o tubo de distribución es un reservorio de combustible a muy alta presión (1.800 a 2.000 bares) que alimenta a cada inyector. Este combustible, a muy alta presión, es el que se introduce en la cámara de combustión de cada cilindro del motor cuando la válvula del correspondiente inyector se abre comandada por una señal eléctrica de la computadora. La bomba de inyección de los sistemas clásicos que era la responsable de todas las funciones necesarias para el adecuado suministro de combustible a los cilindros del motor, se sustituye por una robusta, pero más simple, bomba de pistones que sea capaz de alimentar con combustible a muy alta presión al reservorio llamado common-rail.
Otro elemento que se introduce en los nuevos motores diesel es la computadora denominada UCE (Unidad de Control Electrónico del motor) que poseyendo un programa predeterminado por el fabricante responde en cada momento a las exigencias que se le presentan al motor. La computadora recibe información, la procesa y envía señales de respuesta. No es tema de este trabajo explayarse sobre el funcionamiento de la UCE. El usuario tampoco puede ni debe intervenir sobre su hardware y software.
En los motores diesel clásicos, el pequeño volumen de combustible que se introduce dentro de la cámara de combustión entra en forma continua durante el breve período de tiempo durante el cual el inyector se abre por efecto de la onda de presión producida por la bomba de inyección.
En cambio en los actuales motores diesel de avanzado diseño, con inyectores eléctricos, el pequeño volumen de combustible que se introduce dentro de la cámara de combustión entra en forma fraccionada en tres a siete inyecciones parciales sucesivas. Este ritmo de inyecciones parciales originado por sucesivas aperturas del inyector lo produce el propio inyector eléctrico comandado por señales de la computadora.
El avance tecnológico es tan rápido que en los inyectores eléctricos podemos distinguir ya hasta cuatro generaciones. En la primera generación el inyector poseía para su apertura una válvula solenoide clásica (un simple electroimán de bobina y núcleo magnético). El volumen de combustible introducido puede fraccionarse hasta en cinco inyecciones sucesivas. En la segunda generación aparecen los inyectores piezo-eléctricos en los que la válvula del inyector se abre y se cierra por la acción de un conjunto apilado de discos construidos con cristal piezo-eléctrico del tipo cuarzo. Estos cumplen la misma función que el electroimán anterior pero con más precisión ya que el volumen de combustible introducido puede fraccionarse hasta en más de siete inyecciones sucesivas.
Los cristales piezo-eléctricos tienen la propiedad de que al someterlos a un esfuerzo que tiende a cambiar sus dimensiones (su volumen) son capaces de generar una pequeña corriente eléctrica (recordar un popular encendedor de cocina a chispa). Esta propiedad es también inversa: si a los cristales piezo-eléctricos se les aplica una corriente eléctrica, cambian sus dimensiones y esa dilatación puede generar un esfuerzo.
Esta es la forma de operar de los inyectores piezo-eléctricos. El conjunto apilado de discos de cristal piezo-eléctrico es sometido a una corriente eléctrica comandada por la computadora. Ellos se dilatan y crean el esfuerzo capaz de abrir la válvula, y se produce una de las inyecciones fraccionadas de la serie sucesiva. Cesa la corriente, la pila de discos se contrae y la válvula se cierra. Una nueva corriente y otra inyección fraccionada. Así hasta completar la serie. Esta tiene lugar en un lapso de tiempo de 0,7 milisegundos y cada fracción puede durar sólo 0,1 milisegundo.
No perder de vista que esta serie sucesiva de inyecciones fraccionadas se produce en el brevísimo intervalo de tiempo que transcurre desde que el pistón está casi por llegar al punto muerto superior de la carrera de compresión y, pasado aquél, el inicio de la carrera de expansión.
Mientras más detallado sea el fraccionamiento en inyecciones sucesivas del combustible que se introduce en las cámaras de combustión de los cilindros del motor más eficiente será el encendido y combustión de dicho combustible. Recordar que la combustión responde a una fórmula estequiométrica y no debe quedar ni una sóla molécula de combustible que no reaccione oxidándose con el oxígeno disponible. Así la combustión será total.
Ventajas e inconvenientes del sistema “common-rail”
Además de la ventaja ya mencionada de mejorar la combustión por la inyección fraccionada del gas oil la cual reduce el nivel sonoro del motor y mejora su rendimiento (mayor potencia), otra ventaja de este sistema es que la presión de cada fracción inyectada del gas oil es casi independiente de la velocidad de rotación del motor y de la carga de éste; es decir, aunque el operador no acelere a fondo y el motor gire despacio, es posible inyectar el gas oil a una presión muy alta y casi constante en cualquier condición de funcionamiento del motor.
Esta tecnología de los nuevos motores diesel, incluso para maquinaria agrícola, está disponible a nivel internacional. En nuestro país, Argentina, no despega por factores inherentes al combustible. Nuestro país va a contramano de la tendencia anticontaminación mundial. Aquí por la inferior calidad del gas oil que se consigue no se puede obtener el máximo beneficio de la moderna tecnología “common rail” de los motores de última generación: mínima contaminación, mayor economía y potencia. La tecnología disponible es muy buena, pero el gas oil no lo es.
Los motores diesel “common rail” deben usar un gas oil que responda a la norma europea Euro 4 como mínimo (a partir de 2010 regirá la Euro 5). Estas normas limitan el contenido de azufre del gas oil, ya que un contenido excesivo daña irreparablemente los inyectores que son elementos muy caros. Si bien se puede conseguir gas oil que responda a la norma Euro 4 (por ejemplo el Euro Diesel de YPF), el litro de éste tiene un elevado precio y no está disponible en todas las estaciones de servicio del país.
Todavía hoy quedan en servicio muchos motores diesel clásicos. El diseño del sistema de combustible de estos motores poseía como elementos fundamentales una bomba de inyección (lineal o rotativa) e inyectores. La bomba lineal tenía un elemento bombeante por cada cilindro del motor y la rotativa un sólo elemento bombeante pero tantas salidas secuenciadas como cilindros tuviera el motor. Cualquiera de las dos bombas tenía como función enviar gas-oil a los inyectores en el momento preciso, en la cantidad justa y a la presión necesaria para abrir la aguja del inyector y pulverizar, en gotas finísimas, el combustible en la cámara de combustión del cilindro.
El accionamiento del sistema era totalmente mecánico y la onda de alta presión hidráulica intermitente del mismo combustible, originada en la bomba, era la que abría el inyector. No existía ningún componente eléctrico en el sistema de combustible que fuera necesario para el funcionamiento del motor después de puesto en marcha.
Considerados, tanto la bomba de inyección como los inyectores, elementos mecánicos de altísima precisión y complejidad para cumplir su función y habiendo alcanzado el techo de esa tecnología, su funcionamiento, visto desde los actuales avances, dejaba mucho que desear. Eran motores de difícil arranque en frío, ruidosos y altos emisores de óxidos de nitrógeno e incluso de combustible sin quemar y de hollín.
Sistema de combustible del nuevo motor diesel
¿Cómo mejorar el sistema de inyección diesel? Para mejorar el comportamiento de un motor es imprescindible ajustar permanentemente las cantidades de combustible que se le suministran de acuerdo a múltiples parámetros tales como su velocidad de rotación, temperatura o torque motor requerido. La calidad de este manejo determinará cuánto mejorará la eficiencia del motor y cuánto será la reducción de la tasa de residuos no quemados. La computadora del sistema de inyección tiene la función de manejar la optimización del funcionamiento del motor utilizando la información que le transmiten sensores y sondas. Sin embargo, la computadora sólo es capaz de manejar corriente eléctrica. Por lo tanto para que pueda intervenir en el funcionamiento del motor es necesario utilizar un elemento electromecánico que actúe como una interfase entre la electrónica de la computadora y la mecánica del motor. Aquí es donde intervienen los inyectores eléctricos actuando como válvulas solenoides, los cuales, cuando están abiertos, pulverizan el combustible en las cámaras de combustión de los cilindros del motor, combustible que proviene de un depósito presurizado que es el “common-rail”. Estos inyectores eléctricos operan muy rápidamente, haciendo posible ajustar con extrema precisión la cantidad de combustible inyectada.
El common-rail o tubo de distribución es un reservorio de combustible a muy alta presión (1.800 a 2.000 bares) que alimenta a cada inyector. Este combustible, a muy alta presión, es el que se introduce en la cámara de combustión de cada cilindro del motor cuando la válvula del correspondiente inyector se abre comandada por una señal eléctrica de la computadora. La bomba de inyección de los sistemas clásicos que era la responsable de todas las funciones necesarias para el adecuado suministro de combustible a los cilindros del motor, se sustituye por una robusta, pero más simple, bomba de pistones que sea capaz de alimentar con combustible a muy alta presión al reservorio llamado common-rail.
Otro elemento que se introduce en los nuevos motores diesel es la computadora denominada UCE (Unidad de Control Electrónico del motor) que poseyendo un programa predeterminado por el fabricante responde en cada momento a las exigencias que se le presentan al motor. La computadora recibe información, la procesa y envía señales de respuesta. No es tema de este trabajo explayarse sobre el funcionamiento de la UCE. El usuario tampoco puede ni debe intervenir sobre su hardware y software.
En los motores diesel clásicos, el pequeño volumen de combustible que se introduce dentro de la cámara de combustión entra en forma continua durante el breve período de tiempo durante el cual el inyector se abre por efecto de la onda de presión producida por la bomba de inyección.
En cambio en los actuales motores diesel de avanzado diseño, con inyectores eléctricos, el pequeño volumen de combustible que se introduce dentro de la cámara de combustión entra en forma fraccionada en tres a siete inyecciones parciales sucesivas. Este ritmo de inyecciones parciales originado por sucesivas aperturas del inyector lo produce el propio inyector eléctrico comandado por señales de la computadora.
El avance tecnológico es tan rápido que en los inyectores eléctricos podemos distinguir ya hasta cuatro generaciones. En la primera generación el inyector poseía para su apertura una válvula solenoide clásica (un simple electroimán de bobina y núcleo magnético). El volumen de combustible introducido puede fraccionarse hasta en cinco inyecciones sucesivas. En la segunda generación aparecen los inyectores piezo-eléctricos en los que la válvula del inyector se abre y se cierra por la acción de un conjunto apilado de discos construidos con cristal piezo-eléctrico del tipo cuarzo. Estos cumplen la misma función que el electroimán anterior pero con más precisión ya que el volumen de combustible introducido puede fraccionarse hasta en más de siete inyecciones sucesivas.
Los cristales piezo-eléctricos tienen la propiedad de que al someterlos a un esfuerzo que tiende a cambiar sus dimensiones (su volumen) son capaces de generar una pequeña corriente eléctrica (recordar un popular encendedor de cocina a chispa). Esta propiedad es también inversa: si a los cristales piezo-eléctricos se les aplica una corriente eléctrica, cambian sus dimensiones y esa dilatación puede generar un esfuerzo.
Esta es la forma de operar de los inyectores piezo-eléctricos. El conjunto apilado de discos de cristal piezo-eléctrico es sometido a una corriente eléctrica comandada por la computadora. Ellos se dilatan y crean el esfuerzo capaz de abrir la válvula, y se produce una de las inyecciones fraccionadas de la serie sucesiva. Cesa la corriente, la pila de discos se contrae y la válvula se cierra. Una nueva corriente y otra inyección fraccionada. Así hasta completar la serie. Esta tiene lugar en un lapso de tiempo de 0,7 milisegundos y cada fracción puede durar sólo 0,1 milisegundo.
No perder de vista que esta serie sucesiva de inyecciones fraccionadas se produce en el brevísimo intervalo de tiempo que transcurre desde que el pistón está casi por llegar al punto muerto superior de la carrera de compresión y, pasado aquél, el inicio de la carrera de expansión.
Mientras más detallado sea el fraccionamiento en inyecciones sucesivas del combustible que se introduce en las cámaras de combustión de los cilindros del motor más eficiente será el encendido y combustión de dicho combustible. Recordar que la combustión responde a una fórmula estequiométrica y no debe quedar ni una sóla molécula de combustible que no reaccione oxidándose con el oxígeno disponible. Así la combustión será total.
Ventajas e inconvenientes del sistema “common-rail”
Además de la ventaja ya mencionada de mejorar la combustión por la inyección fraccionada del gas oil la cual reduce el nivel sonoro del motor y mejora su rendimiento (mayor potencia), otra ventaja de este sistema es que la presión de cada fracción inyectada del gas oil es casi independiente de la velocidad de rotación del motor y de la carga de éste; es decir, aunque el operador no acelere a fondo y el motor gire despacio, es posible inyectar el gas oil a una presión muy alta y casi constante en cualquier condición de funcionamiento del motor.
Esta tecnología de los nuevos motores diesel, incluso para maquinaria agrícola, está disponible a nivel internacional. En nuestro país, Argentina, no despega por factores inherentes al combustible. Nuestro país va a contramano de la tendencia anticontaminación mundial. Aquí por la inferior calidad del gas oil que se consigue no se puede obtener el máximo beneficio de la moderna tecnología “common rail” de los motores de última generación: mínima contaminación, mayor economía y potencia. La tecnología disponible es muy buena, pero el gas oil no lo es.
Los motores diesel “common rail” deben usar un gas oil que responda a la norma europea Euro 4 como mínimo (a partir de 2010 regirá la Euro 5). Estas normas limitan el contenido de azufre del gas oil, ya que un contenido excesivo daña irreparablemente los inyectores que son elementos muy caros. Si bien se puede conseguir gas oil que responda a la norma Euro 4 (por ejemplo el Euro Diesel de YPF), el litro de éste tiene un elevado precio y no está disponible en todas las estaciones de servicio del país.