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Pro #1 Performance |
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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
variarlo en 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 y por
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 hasta grandes 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 simultáneamente mapas 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
en Pro #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 responden a 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 de estos
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 mapas de 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 inyección determinará, 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 Audi 2.3E 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 muy altas, 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
tipo de 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 entrada de 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 apropiado de 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, todos
queramos 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). Pues quede 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 motor de 4 tiempos, estas
posiciones pueden corresponder a 2 fases del ciclo. Así, con el pistón
en 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 mundo de la inyección electrónica y
también para aquellos que piensan que esta tecnología es la panacea
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 fundamentado de 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.
Ramón Rey.
Ingeniero de D+D
Pro #1 Performance
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Ingeniería de la Velocidad ©2004 |
