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La gesti�n de la inyecci�n electr�nica de combustible para los motores de encendido por compresi�n modernos (CRDI)

 

The management of electronic fuel injection for modern compression ignition engines (CRDI)

 

O gerenciamento de inje��o eletr�nica de combust�vel para motores modernos de igni��o por compress�o (CRDI)

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: iguerra@tecnoecuatoriano.edu.ec

Ciencias de la salud

Art�culos de investigaci�n

 

*Recibido: 19 de junio de 2021 *Aceptado: 15 de julio de 2021 * Publicado: 10 de agosto de 2021

        I.            Magister en Administraci�n de Empresas, Docente Investigador, Instituto Superior Tecnol�gico, Ecuador.

     II.            Magister en Dise�o Mec�nico, Docente Investigador, �Coordinador de Carrera de Mec�nica Y Electromec�nica Automotriz, Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

  III.            Participante Investigador, Estudiante Tecnolog�a Superior en Electromec�nica Automotriz, Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

  IV.            Participante Investigador, Estudiante Tecnolog�a Superior en Electromec�nica Automotriz.Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Ecuador.�

 

Resumen������

El sistema de control es un sistema no lineal, donde se desarrolla varios modos de operaci�n como arranque, funcionamiento en frio, funcionamiento normal, funcionamiento con fallos, etc., que son aspectos primordiales en la operaci�n del motor. El objetivo de este art�culo fue mostrar las caracter�sticas principales en el desempe�o de la inyecci�n electr�nica directa riel com�n, sus variaciones en los procesos de admisi�n de aire comprimido, inyecci�n de combustible y de los gases contaminantes en los contextos de aplicaci�n de software de simulaci�n y l�gica de trabajo como de resultados de varios autores. En conclusi�n, el control de la inyecci�n electr�nica del motor, debe ser capaz de mejorar el rendimiento del motor, la combusti�n y controlar las emisiones de los motores de encendido por compresi�n, la tecnolog�a de inyecci�n directa riel com�n ofrece posibilidades ilimitadas al controlar los par�metros de inyecci�n de combustible, para la flexibilizaci�n de los motores modernos.

Palabras clave: Veh�culo; automotriz; sistema CRDI; caracter�sticas de combusti�n; emisiones; control electr�nico.

 

Abstract

The control system is a non-linear system, where various operating modes such as starting, cold running, normal operation, faulty operation, etc. are developed, which are essential aspects in the operation of the engine. The objective of this article was to show the main characteristics in the performance of the common rail direct electronic injection, its variations in the processes of admission of compressed air, fuel injection and of polluting gases in the contexts of application of simulation software and logic of work and results of various authors. In conclusion, the control of the electronic injection of the engine, must be able to improve the performance of the engine, the combustion and control the emissions of the compression ignition engines, the common rail direct injection technology offers unlimited possibilities when controlling the parameters fuel injection, for the flexibility of modern engines.

Keywords: Vehicle; automotive; CRDI system; combustion characteristics; emissions; electronic control.

 

Resumo

O sistema de controle � um sistema n�o linear, onde s�o desenvolvidos v�rios modos de opera��o, como partida, funcionamento a frio, opera��o normal, opera��o defeituosa, etc., que s�o aspectos essenciais no funcionamento do motor. O objetivo deste artigo foi mostrar as principais caracter�sticas no desempenho da inje��o eletr�nica direta common rail, suas varia��es nos processos de admiss�o de ar comprimido, inje��o de combust�vel e de gases poluentes em contextos de aplica��o de softwares de simula��o e l�gica de trabalho e resultados de v�rios autores. Em conclus�o, o controle da inje��o eletr�nica do motor, deve ser capaz de melhorar o desempenho do motor, a combust�o e controlar as emiss�es dos motores de igni��o por compress�o, a tecnologia de inje��o direta common rail oferece possibilidades ilimitadas no controle dos par�metros combust�vel inje��o, para a flexibilidade dos motores modernos.

Palavras-chave: Ve�culo; automotivo; Sistema CRDI; caracter�sticas de combust�o; emiss�es; controle eletr�nico

 

Introducci�n

La creciente demanda de energ�a y el hecho de que el petr�leo, que es la fuente de energ�a m�s utilizada, tiene una reserva limitada, ha llevado a los investigadores a buscar fuentes de energ�a nuevas y renovables. En este contexto, los biocombustibles como el biodi�sel y los bioalcoholes se han estudiado y utilizado en motores de combusti�n interna durante mucho tiempo. Sin embargo, con los avances tecnol�gicos, la producci�n y el uso de dichos combustibles alternativos en diferentes tecnolog�as de motores sigue siendo un tema de investigaci�n(İl�in & Altun, 2021). El ahorro de energ�a y la reducci�n de emisiones son muy urgentes para los motores de combusti�n interna. Las tecnolog�as de turbo compresi�n y recirculaci�n de gases de escape son muy importantes para las emisiones y el ahorro de combustible de los motores de combusti�n interna. Varias tecnolog�as de pos tratamiento en motores de combusti�n interna tienen diferentes requisitos para las tasas de recirculaci�n de gases de escape(Zhu et al., 2020).El objetivo propuesto por la UE de reducir en aproximadamente un 4% / a�o las emisiones de CO2 de los motores de combusti�n interna durante los pr�ximos a�os hasta 2030, requiere aumentar la eficiencia del motor y, en consecuencia, mejorar la tecnolog�a(Ortenzi et al., 2018).

 

La reducci�n del tama�o del motor a trav�s de la turbo alimentaci�n es un m�todo probado para mejorar el ahorro de combustible mediante el uso de un motor m�s peque�o que opera a niveles m�s altos de carga espec�fica del motor y mayor eficiencia(Tang et al., 2015).El turbo compuesto es una tecnolog�a clave para satisfacer los requisitos futuros de ahorro de combustible y reducci�n de emisiones del motor di�sel(Yin et al., 2016). La turbo alimentaci�n es m�s desafiante para el motor de gasolina que para el motor di�sel debido a la mayor variabilidad en el caudal de aire y la mayor temperatura de los gases de escape.

Los futuros motores di�sel HD deben tener sistemas de combusti�n e inyecci�n de combustible mejorados y utilizar tecnolog�as adecuadas como recirculaci�n de gases de escape (EGR), sistemas de turbocompresor de turbina de geometr�a variable (VGT) y sistemas de postratamiento de gases de escape(Pfeifer et al., 2002).Para los problemas ambientales mundiales y las preocupaciones sobre el ahorro de combustible, los turbocompresores se han convertido en una tecnolog�a esencial para los motores di�sel. Ha aumentado el n�mero de turbinas de turbocompresor de geometr�a variable que se utilizan para motores di�sel en lugar de turbinas convencionales de geometr�a fija o de descargue (Tange et al., 2003).Un turbocompresor es b�sicamente un dispositivo que mejora la eficiencia de un motor al suministrar aire comprimido al cilindro mediante el uso de una turbina que gira con la ayuda de los gases de escape enviados por el puerto de escape del cilindro(Joshua et al., 2020).

Para mejorar el rendimiento del motor, la combusti�n y controlar las emisiones de los motores de encendido por compresi�n (CI), la tecnolog�a de inyecci�n directa common rail (CRDI) ofrece posibilidades ilimitadas al controlar los par�metros de inyecci�n de combustible (Karolys et al., 2019), como la presi�n de inyecci�n de combustible, el tiempo de inicio de la inyecci�n (SOI), la tasa de combustible, inyecci�n y duraci�n de la inyecci�n. Los sistemas CRDI disponibles comercialmente son bastante complejos y utilizan una gran cantidad de sensores, hardware y circuitos anal�ticos, lo que los hace muy costosos e inviables para motores monocil�ndricos m�s baratos, t�picamente utilizados en el sector agr�cola y el sector energ�tico descentralizado(Agarwal, Gupta, et al., 2015). En este trabajo se describe varias estrategias de control de las importantes variables en los sistemas de inyecci�n de riel com�n (CRDI) de los motores di�sel desde los sistemas de aire de admisi�n hasta la propia gesti�n de combustible en la inyecci�n y como resultante las emisiones derivadas de la combusti�n.

 

Caracter�sticasdel sistema de gesti�n del aireen sistemas CRDI

La relaci�n de control de aire en los motores de encendido a compresi�n de realiza por medio de varias estrategias la mariposa de admisi�n, turbina de geometr�a variable, v�lvula de EGR, wastegate, sistemas de sobrealimentaci�n secuenciales que benefician de forma individual o en conjunto mejorando las potencia y reduciendo las emisiones contaminantes.A medida que las regulaciones de emisiones se vuelven cada vez m�s exigentes, los requisitos de motores de mayor densidad de potencia (reducidos / reducidos de velocidad y cada vez m�s del tama�o adecuado) est�n impulsando el desarrollo de sistemas de turbocompresor. Actualmente, los TGV ofrecen opciones significativas o complementariedad con respecto a opciones de turbocompresor m�s avanzadas. Esta revisi�n detalla la gama de tecnolog�as prominentes de geometr�a variable que est�n disponibles comercialmente o est�n en desarrollo abiertamente, tanto para turbinas como para compresores, y analiza los m�ritos relativos de cada una. Junto con los prominentes sistemas de refuerzo de motores di�sel, se presta atenci�n a los esquemas de control empleados y los sistemas de actuaci�n requeridos para operar dispositivos de geometr�a variable, y los desaf�os espec�ficos asociados con las turbinas dise�adas para motores de gasolina(Feneley et al., 2017).

Un sistema principal es la v�lvula de EGR que en combinaci�n de turbina de geometr�a variable alternan estrategias de �xito, Como se aprecia en la figura 1, se controla la cantidad de EGR en bucle cerrado y la turbina se act�a en bucle abierto. Dado que no es posible la medida directa del gasto de EGR y la medida de la concentraci�n de ox�geno en el colector de admisi�n no est� extendida, la determinaci�n de la cantidad de EGR que va a producirse en el motor se hace indirectamente a trav�s del gasto de aire medido, y adem�s se complementa con la turbina de geometr�a variable (TGV) (Payri y Desantes, 2011).

 

 

Figura 1: Control con EGR Y TGV (Payri y Desantes, 2011)

 

En la figura 2 se muestra dos situaciones de EGR, cuando aumenta la presi�n de sobrealimentaci�n toda la combusti�n se acelera globalmente, pues el proceso de mezcla es m�s r�pido como consecuencia del aumento de la densidad en el cilindro. Por otro lado, cuando aumenta la tasa de EGR, el tiempo de retraso se alarga como consecuencia de la menor reactivaci�n de la mezcla, y la tasa de liberaci�n de calor es menor (Payri y Desantes, 2011). Ahora, el problema que surge aqu� es la acumulaci�n de presi�n excesiva en un bloque del motor debido al turbocompresor. Este an�lisis ayudar� a aumentar la eficiencia volum�trica general del turbocompresor. Ayudar� a reducir la contrapresi�n general. La selecci�n del turbocompresor ser�a m�s precisa. Tambi�n hemos auto calculado los valores de la rueda del compresor y la rueda de la turbina para tener un par�metro de dise�o eficiente(Joshua et al., 2020).

 

Figura 2: Influencia de la tasa de EGR sobre la tasa de liberaci�n de calor (Payri y Desantes, 2011)

 

Se han probado diferentes sistemas para lograr EGR refrigerado de ruta corta en motores di�sel de servicio pesado turboalimentados y pos enfriados en un motor de 315 kW de 12 litros con 4 v�lvulas por cilindro y un sistema de inyecci�n de combustible de bomba unitaria controlada electr�nicamente. En todos estos sistemas, el gas de escape se extrajo antes de la turbina, se enfri� y se mezcl� con el aire de admisi�n despu�s del compresor y el post enfriador. El comportamiento de las emisiones y la eficiencia con estos diferentes sistemas de EGR se probaron en varios puntos de trabajo del motor, incluidos los puntos clave de la simulaci�n de ciclo AVL de 8 modos de FTP de EE. UU. Los resultados indican que, para alcanzar los niveles de emisiones de 1998, un VNT solo ser�a la soluci�n m�s eficiente. Para lograr los niveles de emisiones de 2004, la combinaci�n del VNT con un mezclador venturi podr�a proporcionar un beneficio adicional en el consumo de combustible. Sin embargo, las emisiones de material Particulado ser�n inaceptables, por lo que ser� necesario el uso de tecnolog�a adicional de reducci�n de part�culas. Se propone una medida de la eficiencia del mezclador venturi y se presenta un dise�o nuevo, compacto y eficiente de mezclador venturi. Los resultados de las pruebas de flujo se proporcionan y se comparan con los resultados de los c�lculos de CFD(Baert et al., 1999). Por otro lado, se evalu� tres m�todos EGR a un motor di�sel Dl turboalimentado e intercooler de 12 litros, y se compararon las caracter�sticas de emisi�n de escape y consumo de combustible. Uno de los dos sistemas EGR de ruta de alta presi�n tiene una v�lvula de contrapresi�n ubicada aguas abajo de la turbina y el otro usa un turbocompresor de geometr�a variable (VG). Se descubri� que el sistema EGR de ruta de alta presi�n con turbocompresor VG era el m�s eficaz y pr�ctico. Con este m�todo, el �rea de EGR podr�a ampliarse y el NOx se podr�a reducir en un 22% sin aumentar el consumo de humo o combustible mientras se mantiene una proporci�n de exceso de aire adecuada (Kohketsu et al., 1997). Por �ltimo, los sistemas futuros requieren EGR controlado con precisi�n en combinaci�n con un turbocompresor VGT durante la operaci�n transitoria. Esto requerir� nuevas estrategias y calibraci�n para la unidad de control electr�nico del motor (ECU). Este documento se centra en un nuevo enfoque para el desarrollo de un concepto avanzado de control de motor di�sel HD que mejorar� el comportamiento del motor durante la operaci�n transitoria. Adem�s, este nuevo enfoque reducir� el tiempo necesario para la optimizaci�n del motor y la calibraci�n de la ECU(Pfeifer et al., 2002)

El sistema turbo compuesto incluye una turbina de potencia, que se instala aguas abajo de una turbina de turbocompresor de geometr�a variable (VGT). Se estudiaron los impactos de la posici�n del bastidor VGT en el rendimiento del motor turbo compuesto. Se determin� una estrategia �ptima de control de VGT. Los resultados experimentales muestran que el motor turbo compuesto que utiliza la estrategia de control VGT �ptima logra un mejor rendimiento que el motor original en todas las condiciones de funcionamiento a plena carga. Las reducciones medias y m�ximas del consumo de combustible espec�fico de los frenos (BSFC) son del 3% y el 8%, respectivamente(Yin et al., 2016). Tambi�n, se refiere a la modificaci�n de un motor di�sel convencional de dos cilindros en l�nea (440 cm3) a�adiendo una turbina de geometr�a variable (VGT) acoplada a un generador. es reducir el consumo de combustible mediante la sustituci�n del alternador por una especie de sistema turbo compuesto el�ctrico para impulsar los auxiliares del veh�culo. Los resultados muestran una reducci�n del consumo de combustible del 6 al 9%, seg�n el tama�o de la VGT. De hecho, se han analizado cuatro tama�os diferentes de VGT para elegir la configuraci�n �ptima que refleje un compromiso entre la recuperaci�n de energ�a y la reducci�n del consumo de combustible(Ortenzi et al., 2018).Recientemente, el turbocompresor de geometr�a variable (VGT) con paletas de boquilla ajustables se utiliza cada vez m�s, especialmente para un autom�vil de pasajeros en el mercado europeo. Con el fin de mejorar el rendimiento a plena carga de un prototipo de motor di�sel DI de 2,5 litros, equipado con un sistema common rail y 4 v�lvulas por cilindro. El resultado de rendimiento a plena carga con VGT se compara con el caso de un turbocompresor de descarga controlado mec�nicamente, de modo que se confirma el potencial de una presi�n efectiva media de frenado (BMEP) m�s alta. Dentro de la misma limitaci�n de una presi�n m�xima del cilindro y el nivel de humo de escape, el par de baja velocidad podr�a mejorarse en aproximadamente un 44% como m�ximo(Cheong et al., 2000). Por �ltimo, los principales principios operativos y tipos de turbinas de geometr�a variable, su potencial para ofrecer mejoras de rendimiento, desaf�os de implementaci�n en el motor de gasolina y las medidas disponibles para aliviar esos desaf�os. De los tipos disponibles de turbinas de geometr�a variable, la forma de boquilla variable tiene la mayor eficiencia en un amplio rango de flujo, mientras que los tipos de pared deslizante y de flujo variable tienen mejor confiabilidad y menor costo. El uso de tecnolog�as adicionales como el colector de escape refrigerado por agua, materiales especiales para turbocompresores, recirculaci�n de gases de escape y nuevos sistemas de combusti�n en combinaci�n con estrategias de control avanzadas facilitar� la aplicaci�n de turbinas de geometr�a variable y, por lo tanto, permitir� una mayor reducci�n del motor de gasolina(Tang et al., 2015).

La direcci�n de la estrategia de turbocompresor entre la geometr�a variable, dos etapas y la turbo alimentaci�n asim�trica de doble entrada para diferentes tasas de recirculaci�n de gases de escape. Sobre la base de los modelos num�ricos, se estudian las rutas de turbo alimentaci�n entre los tres enfoques de turbo alimentaci�n bajo diferentes requisitos para las tasas de EGR, y tambi�n se discutieron los otros rendimientos importantes de las tres turbinas. A plena carga del motor, cuando la tasa de EGR es inferior al 29%, la tecnolog�a de turbocompresor de dos etapas tiene las mejores prestaciones. Sin embargo, cuando la tasa de recirculaci�n de los gases de escape es superior al 29%, la turbo alimentaci�n asim�trica de doble entrada es la mejor opci�n y m�s apropiada para impulsar tasas elevadas de recirculaci�n de los gases de escape(Zhu et al., 2020). Adem�s, el rango de flujo de la turbina de geometr�a variable se expande al cambiar el �ngulo de salida de la boquilla alrededor de la rueda de la turbina. Los compresores tambi�n requieren un amplio rango de flujo y alta eficiencia para adaptarse a las turbinas de geometr�a variable. Por otro lado, para mejorar tanto el rendimiento a baja velocidad del motor como la salida m�xima, los motores de gasolina tambi�n requieren compresores turbocompresores de amplio rango y alta eficiencia. Casi los turbocompresores para veh�culos de pasajeros siguen utilizando compresores de geometr�a fija convencionales. El nuevo difusor de geometr�a variable cuyas paletas se pueden poner y sacar en el paso del difusor fue desarrollado para el compresor de turbocompresor. Mediante este mecanismo, el compresor obtiene tanto la gran capacidad del difusor sin paletas como la alta eficiencia del difusor con paletas en un rango de flujo peque�o, y el par motor del motor o la econom�a de combustible se mejoran a baja velocidad(Tange et al., 2003)

La sincronizaci�n de SOI es un par�metro importante para mejorar las caracter�sticas de combusti�n del motor. Los tiempos de SOI se variaron entre 25 � y 40 � BTDC para investigar el rendimiento del motor, las emisiones y las caracter�sticas de combusti�n. Las inyecciones de combustible avanzadas mostraron una mayor tasa de liberaci�n de calor (HRR), presi�n del cilindro y tasa de aumento de presi�n (RoPR) debido al retraso de encendido relativamente m�s largo experimentado. El consumo de combustible espec�fico de freno m�s bajo (BSFC) se obtuvo para 34 � CA BTDC SOI. Se observ� una reducci�n en las emisiones de salida del motor, excepto NOx, para los tiempos de inyecci�n de combustible avanzados para este sistema CRDI recientemente desarrollado(Agarwal, Gupta, et al., 2015)

Cada vez es m�s dif�cil para un fabricante de motores decidir cu�l es el mejor sistema de turbocompresor para su aplicaci�n. Los sistemas Wastegate, de geometr�a variable, de dos etapas, secuenciales y turbos compuestos tienen sus m�ritos y compromisos, pero elegir la mejor opci�n para cada aplicaci�n requiere un conocimiento y an�lisis significativos. El mercado de turbocompresores se est� expandiendo y se debe considerar cuidadosamente la elecci�n del sistema turbo, aplicaci�n por aplicaci�n(Ryder & Sharp, 2010). Adem�s, un conjunto de sistema de control del actuador de la v�lvula de compuerta de descarga en el turbocompresor permite que la v�lvula de compuerta de descarga regule el flujo de escape antes del turbo autom�ticamente de acuerdo con la condici�n de funcionamiento del motor, por lo que puede reducir la relaci�n de presi�n y evitar que se produzca la sobretensi�n del compresor cuando el compresor tiene un caudal peque�o. Se elabor� los principios de regulaci�n utilizando la v�lvula de descarga, dise�� la unidad de control electr�nico y el sistema de simulaci�n y prob� la funci�n y confiabilidad de todo el sistema de control (Liu et al., 2010)

Un sistema turbo secuencial y en serie para mejorar el par a bajas velocidades del motor. Este sistema turbo tiene dos turbocompresores de diferentes tama�os con turbinas de geometr�a variable. A baja velocidad del motor, el peque�o turbocompresor realiza la mayor parte del trabajo. A una velocidad media del motor, el turbocompresor peque�o y el turbocompresor grande funcionan principalmente en serie. A alta velocidad del motor, el turbocompresor peque�o no funciona en absoluto, pero el turbocompresor grande funciona principalmente mediante un peque�o bypass del turbocompresor. El motor b�sico, con seis cilindros en l�nea y una cilindrada de 10,5 L, est� equipado con un sistema de inyecci�n de combustible de alta presi�n y un sistema de EGR de bucle de alta y baja presi�n para utilizar la alta tasa de EGR de impulso y alta para reducir BSNOx y PM. Los resultados obtenidos experimentalmente muestran que el sistema de turbocompresor secuencial y en serie tiene un par un 50% m�s alto que el convencional, con un mejor consumo de combustible logrado en la regi�n de baja velocidad(Hashimoto et al., 2012). Por otro lado, se investigan y describen las interacciones entre las presiones y temperaturas del colector, la relaci�n de compresi�n y los eventos de sincronizaci�n de v�lvulas. Donde se describe el desarrollo de un nuevo hardware de emulaci�n del sistema boost. El documento describe el trabajo en curso para desarrollar modelos en tiempo real de componentes de manejo de aire para integrarlos con el hardware de emulaci�n, de modo que las futuras combinaciones de tecnolog�a de configuraciones de sobrealimentaci�n, e-boosting y turbo secuencial se puedan evaluar r�pidamente en t�rminos de rendimiento del motor tanto en estado estacionario como transitorio(Akehurst & Piddock, 2008). Por �ltimo, los sistemas de impulso turbo de dos etapas secuenciales o regulados en serie (sistemas R2S � en t�rminos de BorgWarner) se han introducido ampliamente en los motores di�sel para combinar una alta potencia espec�fica con una excelente capacidad de conducci�n. Estos permiten un alto grado de reducci�n y, por lo tanto, proporcionan importantes beneficios en el consumo de combustible. Hasta ahora, la aplicaci�n a los motores de gasolina estaba limitada por las temperaturas m�s altas de los gases de escape en comparaci�n con los motores di�sel. En el pasado, Ford y BorgWarner han investigado con �xito tecnolog�as de refrigeraci�n por agua para los componentes calientes de los sistemas de turbocompresores. Como siguiente paso, las experiencias adquiridas con el turbocompresor de una etapa se transfirieron a un sistema de refuerzo de dos etapas para motores de gasolina. El resultado es un sistema de refuerzo doble que cuenta con una carcasa central de aluminio refrigerada por agua que sostiene la v�lvula reguladora y la v�lvula de compuerta de desag�e. Se adapta perfectamente al colector de escape integrado refrigerado del motor prototipo Ford 1.6 l EcoBoost. El dise�o combina un funcionamiento del motor con ahorro de combustible casi sin enriquecimiento de combustible, un paquete compacto y un costo competitivo. Se construy� y prob� un prototipo del sistema R2S � refrigerado por agua en el motor de destino. El sistema demostr� ser duradero y logr� excelentes resultados de rendimiento que superaron los objetivos y expectativas(Kai Kuhlbach et al., 2013).

 

Sistemas de gesti�n de la inyecci�n en sistemas CRDI

Existen decenas de miles de par�metro calibrables en la gesti�n de la inyecci�n CRDI, en este apartado principalmente por la presi�n de inyecci�n (bomba baja presi�n, bomba alta presi�n y v�lvula de descarga), inicio de la inyecci�n, Duraci�n de la inyecci�n. Hasta 5 inyecciones por cilindro y ciclo, perfil de la inyecci�n, etc., que son calibrados bajo la selecci�n de valores extra�dos de forma experimental debido a la gran cantidad de grados de libertad como se aprecia en la figura X. En los Motores de encendido por Compresi�n actuales el sistema de gesti�n del combustible es pr�cticamente independiente del sistema de renovaci�n de la carga cuando el motor trabaja en condiciones estacionarias. Entonces el motor gestiona la inyecci�n con independencia del gasto de aire admitido y del EGR. La figura 3 trabaja en funci�n del punto de operaci�n y de diversas variables auxiliares, selecciona la presi�n a la que va a introducirse el combustible, el n�mero de inyecciones a efectuar, el instante (�ngulo de cig�e�al) en que van a producirse cada una de las inyecciones y la duraci�n de estas. La CPU es la encargada de gestionar la sincronizaci�n de la inyecci�n.

 

Figura 3: Gesti�n de la inyecci�n en motor CRDI (Payri y Desantes, 2011)

 

Las presiones medias del proceso de alta presi�n de aproximadamente 10 bar se alcanzan con valores muy bajos de emisi�n de NOx y holl�n. Las emisiones de HC aumentan considerablemente. La eficiencia indexada es muy baja. El proceso cin�tico modulado presentado por Nissan utiliza una homogeneizaci�n parcial afectada por la inyecci�n tard�a por encima del TDC superior. Al extender el retardo de ignici�n debido a la temperatura m�s baja de la sustancia de trabajo, se respalda una tasa de EGR de aproximadamente el 40%. Para evitar la formaci�n de holl�n, es importante una separaci�n temporal r�gida de la fase de inyecci�n y de combusti�n. La presi�n media indexada alcanzable del proceso de alta presi�n es de aproximadamente 8 bar. Est� limitado por el tiempo de inyecci�n, que aumenta con la carga del motor y el acortamiento del retardo de encendido que se produce debido a la aumentando simult�neamente las temperaturas del proceso. Las emisiones de HC y CO son aproximadamente las mismas que en el motor di�sel convencionales. Este proceso tambi�n se conoce como inyecci�n tard�a altamente premezclada (HPLI).Si se combinan las caracter�sticas de homogeneizaci�n parcial y alta tasa de EGR, se puede obtener el llamado proceso de inyecci�n tard�a de carga homog�nea (HCLI). Este proceso se caracteriza por una inyecci�n comparativamente temprana. La distancia temporal entre el final de la inyecci�n y el inicio de la combusti�n es significativamente mayor que en el proceso HPLI. No se genera holl�n a niveles de NOx muy bajos y eficiencias similares a las de un motor di�sel convencional. Las emisiones de HC y CO son similares a las de los motores SI modernos con DI, visto en la figura 4.

 

Figura 4: Representa cada posici�n de la inyecci�n de combustible y la conversi�n de energ�a en el arco del cig�e�al

 

En este documento, se investig� el efecto de las diferentes presiones de inyecci�n de combustible y los tiempos de inyecci�n en la distribuci�n del n�mero de tama�o de las part�culas y las caracter�sticas de pulverizaci�n en un motor de encendido por compresi�n (CI) de inyecci�n directa (CRDI) common rail de un solo cilindro alimentado con mezclas de biodi�sel Karanja frente a respecto al di�sel mineral b�sico. Los resultados de la investigaci�n de la penetraci�n de la boquilla de pulverizaci�n y el �rea de pulverizaci�n de mezclas de biodi�sel y di�sel mostraron que una presi�n de inyecci�n de combustible m�s alta da como resultado una penetraci�n de la boquilla de pulverizaci�n m�s larga y un �rea de pulverizaci�n m�s grande que a presiones de inyecci�n m�s bajas al mismo tiempo transcurrido despu�s del inicio de la inyecci�n (SOI). Para comparar el efecto de los par�metros de inyecci�n de combustible, se compararon mezclas de biodi�sel Karanja al 10, 20 y 50% a una velocidad del motor de 1500 rpm con los datos de referencia del di�sel mineral. Se observ� que el tama�o medio de las part�culas aumentaba al retardar los tiempos de SOI. La concentraci�n del n�mero de part�culas fue m�s baja para la mezcla de biodi�sel al 10%, que aument� con el aumento adicional del contenido de biodi�sel en el combustible de prueba mezclado. La adici�n de incluso una cantidad muy peque�a de biodi�sel en el combustible de prueba ayud� a reducir las emisiones de part�culas(Agarwal et al., 2014)

Los par�metros de inyecci�n de combustible, como la presi�n de inyecci�n de combustible (FIP) y la sincronizaci�n del inicio de la inyecci�n (SOI), afectan significativamente la combusti�n, el rendimiento, las emisiones y la durabilidad de un motor di�sel de inyecci�n directa common rail (CRDI). La configuraci�n experimental consisti� en un motor monocil�ndrico instrumentado con la posibilidad de variar los par�metros de inyecci�n de combustible junto con un sistema de an�lisis y adquisici�n de datos de combusti�n de alta velocidad en l�nea. En los motores de encendido por compresi�n de inyecci�n directa (DICI), la vaporizaci�n del combustible y las caracter�sticas de transferencia de calor afectan la mezcla de aire y combustible, que tambi�n est� influenciada por los tiempos de FIP y SOI. Estos par�metros de inyecci�n controlan significativamente la tasa de aumento de presi�n (ROPR) y la tasa de liberaci�n de calor (HRR), que a su vez afectan la transferencia de calor del cilindro del motor, as� como la potencia de salida del motor(Agarwal et al., 2018)

Evaluaci�n experimental equipado con inyecci�n directa common rail (CRDi) y unidad de control electr�nico (ECU). Se ha establecido que el tiempo de inyecci�n retardado y las gotas de combustible m�s peque�as reducen simult�neamente las emisiones de NO x y de humo de un motor di�sel t�pico. Por lo tanto, la prueba del motor se llev� a cabo utilizando combustible di�sel a 1500 rpm, por debajo del 50% al 100% de la potencia de frenado a plena carga, a varios tiempos de inyecci�n retardados y presiones de inyecci�n m�s altas. Se observa un retardo de encendido reducido, una combusti�n mejorada y una reducci�n simult�nea de �xidos de nitr�geno y emisiones de humo con un modesto deterioro del rendimiento cuando el motor funciona a una presi�n de inyecci�n de 500 bar y con una sincronizaci�n de inyecci�n de 16 � antes del punto muerto superior(Marri et al., 2021)

El efecto de las mezclas superiores de alcohol sobre el rendimiento y los par�metros de emisi�n del motor CRDI CI con varias tasas de EGR. El 1-pentanol tiene propiedades combustibles mejoradas en comparaci�n con los alcoholes inferiores El rendimiento del motor se reduce con una mayor proporci�n de 1-pentanol en la mezcla. La investigaci�n experimental mostr� que para P30D70 se observ� una ca�da de aproximadamente 3.8% en BTE, un aumento de 9.14% en BSFC, una ca�da de 16.7% en la emisi�n de NOx y un ligero aumento en la emisi�n de HC y CO al 60% de carga. El buen funcionamiento del motor se observ� con mezclas de 1-pentanol / di�sel y se puede concluir que hasta un 30% del 1-pentanol se puede utilizar como alternativa al di�sel con un ligero costo de rendimiento(Santhosh et al., 2020)

 

Control de humos

Las emisiones de part�culas y NOx de los motores di�sel son los mayores desaf�os que se enfrentan para hacer que los motores di�sel sean ambientalmente benignos. Las medidas adoptadas para reducir la emisi�n de part�culas gravim�tricas para cumplir con las regulaciones de emisi�n vigentes no siempre necesariamente reducen la concentraci�n del n�mero de part�culas, lo que tiene profundos efectos adversos para la salud. Por lo tanto, es importante investigar el efecto de los par�metros de inyecci�n de combustible, especialmente la presi�n de inyecci�n de combustible y el inicio de los tiempos de inyecci�n sobre el tama�o de las part�culas y la distribuci�n del n�mero en los gases de escape de di�sel. En el presente estudio, se utiliza un motor de investigaci�n de un solo cilindro para la evaluaci�n experimental de los efectos de las estrategias de inyecci�n de combustible y el inicio de la sincronizaci�n de la inyecci�n de combustible sobre el n�mero de part�culas, el �rea de superficie y las distribuciones de concentraci�n de volumen mediante el uso del medidor de part�culas de escape del motor (EEPS). espectr�metro. Se han llevado a cabo investigaciones a tres presiones de inyecci�n de combustible diferentes (300, 500, 750 bar) y cuatro tiempos diferentes de inicio de inyecci�n. Los datos experimentales indican que la concentraci�n del n�mero de tama�o de part�culas aumenta con el aumento de la carga del motor (BMEP) y se reduce con el aumento de la presi�n de inyecci�n de combustible(Agarwal et al., 2013)

Los autom�viles, como medio de transporte, tienen una gran importancia en nuestro d�a a d�a. La potencia propulsora de los autom�viles se obtiene principalmente sometiendo combustibles l�quidos o gaseosos a base de petr�leo a la combusti�n dentro de los motores. Los productos de combusti�n emitidos por dichos motores de combusti�n interna se han convertido en un motivo de preocupaci�n debido al aumento del calentamiento global, los problemas de visibilidad que surgen debido a la formaci�n de smog, las enfermedades respiratorias y de otro tipo en los seres humanos y la decoloraci�n de monumentos y estructuras. Emisiones como �xidos de nitr�geno (NOx), di�xido de carbono (CO2), mon�xido de carbono (CO), hidrocarburos (HC) y humo son altamente da�inas para el ecosistema. Existe una necesidad urgente de reducir los contaminantes nocivos de los gases de escape de los motores de los autom�viles. Con la aplicaci�n de t�cnicas como el encendido por compresi�n de carga homog�nea, el encendido por compresi�n de carga premezclada y la inyecci�n directa de riel com�n, y adaptando las modificaciones del combustible, estas emisiones de escape nocivas pueden reducirse significativamente. En este art�culo se presenta una revisi�n del trabajo realizado por diversos investigadores utilizando tales t�cnicas y sistemas(Rahul Chowta et al., 2021)

El efecto de las mezclas de biodiesel Karanja al 10%, 20% y 50% en la tasa de inyecci�n, atomizaci�n, rendimiento del motor, emisiones y caracter�sticas de combusti�n del sistema de inyecci�n de combustible de tipo common rail de inyecci�n directa (CRDI) en un motor de investigaci�n de un solo cilindro. a presiones de inyecci�n de combustible de 300, 500, 750 y 1000 bar a diferentes tiempos de inicio de inyecci�n y velocidad constante del motor de 1500 rpm. La duraci�n de la inyecci�n de combustible disminuy� ligeramente al aumentar la proporci�n de mezcla de biodiesel (Karanja Oil Methyl Ester: KOME) y disminuy� significativamente al aumentar la presi�n de inyecci�n de combustible. El perfil de la tasa de inyecci�n y el di�metro medio de Sauter (D32) de las gotas de combustible est�n influenciados por la presi�n de inyecci�n. El aumento de la presi�n de inyecci�n de combustible generalmente mejora la eficiencia t�rmica de los combustibles de prueba. El di�metro medio de Sauter (D32) y el di�metro medio aritm�tico (D10) disminuyeron con la disminuci�n del contenido de biodi�sel Karanja en la mezcla y aumentaron significativamente para mezclas m�s altas debido a la densidad y viscosidad del combustible relativamente m�s altas. Se observ� la m�xima eficiencia t�rmica en el mismo momento de inyecci�n para mezclas de biodiesel y di�sel mineral. Las mezclas de biodi�sel de menor Karanja (hasta un 20%) mostraron menores emisiones de hidrocarburos espec�ficos de frenos (BSHC) y mon�xido de carbono (BSCO) en comparaci�n con el di�sel mineral. Para las mezclas de biodi�sel de menor Karanja, la duraci�n de la combusti�n fue m�s corta que la del di�sel mineral; sin embargo, a presiones de inyecci�n de combustible m�s altas, la duraci�n de la combusti�n del 50% de la mezcla fue m�s larga que la del di�sel mineral. Hasta un 10% de mezclas de biodi�sel Karanja en motores CRDI mejoran la eficiencia t�rmica de los frenos y reducen las emisiones, sin ning�n requisito de cambios de hardware o recalibraci�n de la ECU(Agarwal, Dhar, et al., 2015)

El biodi�sel, como producto de la reacci�n de transesterificaci�n de material graso, est� ganando reconocimiento en todo el mundo y confirma su efecto beneficioso sobre la reducci�n de gases de escape cuando (incluso parcialmente) se utiliza para alimentar motores de encendido por compresi�n. En particular, se ha prestado muy poca atenci�n a la posibilidad de utilizar biocombustibles en motores modernos CRDI (Common Rail Direct Injection) con tecnolog�a de inyecci�n dividida. Tambi�n se dispone de informaci�n limitada sobre motores que funcionan con biodi�sel de origen animal y su rendimiento y emisiones para dichos combustibles. Se utilizaron �steres met�licos de manteca de cerdo, obtenidos en laboratorio mediante un proceso de transesterificaci�n alcalina en un solo paso como biocomponente, y di�sel mineral para obtener mezclas de B25, B50, B75 (25%, 50% y 75% de concentraci�n de biocomponente en volumen). Se examinaron los par�metros fisicoqu�micos de B25, B50, B75, �steres puros y di�sel mineral para determinar si los combustibles cumpl�an con los est�ndares de calidad. Las mezclas se utilizaron para alimentar un motor Andoria CRDI de 2.6 L colocado en un banco de pruebas de dinam�metro. Las pruebas se llevaron a cabo en funcionamiento en r�gimen permanente, a velocidades de rotaci�n cuando se producen dos estrategias de inyecci�n diferentes (inyecci�n �nica y dos inyecciones posteriores), tambi�n se introdujeron diferentes condiciones de carga durante las pruebas. El estudio ha confirmado la capacidad de utilizar mezclas de di�sel y biodi�sel que contienen hasta un 75% de biocomponentes en un motor CRDI moderno sin problemas operativos. Se ha observado un peque�o deterioro de los par�metros de rendimiento del combustible con una proporci�n creciente de biodi�sel. El consumo de combustible espec�fico de los frenos aument� en promedio un 3,2%, 8,5% y 13,8% para B25, B50 y B75, respectivamente. Se observ� una reducci�n promedio de la eficiencia de conversi�n de combustible de los frenos, que asciende a 1.6%, 4.8% y 7.8% para B25, B50 y B75, respectivamente. Tambi�n se observ� una reducci�n significativa de las emisiones de gases de escape (excluyendo NOx) y opacidad en todas las condiciones de operaci�n examinadas. La concentraci�n total de hidrocarburos se redujo en un m�ximo de 72% para la mezcla B75 para una velocidad de 1500 RPM y 100 Nm de carga. El mejor rendimiento de emisiones se observ� en condiciones de funcionamiento cuando se produjo una preinyecci�n breve al principio de la fase de compresi�n, antes de la inyecci�n principal de combustible(Mikulski et al., 2016). Los biocombustibles de origen animal producidos en laboratorio (se hab�an utilizado manteca de cerdo y de pavo como materia prima para la producci�n de biocombustible) se evaluaron en t�rminos de par�metros fisicoqu�micos y se compararon con el combustible di�sel mineral comercial y su mezcla con �steres met�licos de aceite de colza. El estudio confirm� que se puede obtener combustible de alta calidad a partir de material graso de desecho. Las mezclas que contienen hasta un 75% de biocomponente son adecuadas para los motores de combusti�n CRDI modernos, aunque se puede esperar un ligero deterioro de los par�metros de rendimiento del motor. El consumo medio de combustible espec�fico de los frenos aument� en un 13% en comparaci�n con la referencia, para las mezclas de biodi�sel derivadas de materias grasas animales. Al mismo tiempo, se registr� un aumento del 3% frente a la mezcla de aceite de colza / di�sel. Esto se correlacion� con una reducci�n menor de la eficiencia de conversi�n de combustible de los frenos, pero la ca�da promedio no super� el 2% para todos los biodi�seles examinados. Se observ� una reducci�n significativa en las emisiones de gases de escape, al comparar la operaci�n de biocombustible con el di�sel de referencia. El uso de una mezcla de �ster met�lico de manteca de cerdo / di�sel provoc� una reducci�n promedio de la concentraci�n de hidrocarburos (THC) en un 13%, mon�xido de carbono (CO) en un 22% y di�xido de carbono (CO2) en un 7%. Los resultados de las emisiones de biodiesel de pavo fueron respectivamente: 9%, 20% y 6% reducidos. La emisi�n de NOx aument� en promedio un 7% para ambos biocombustibles de origen animal(Duda et al., 2018)

 

Conclusiones y recomendaciones

En este trabajo se presenta las aplicaciones, la creaci�n de procesos y los resultados delan�lisis sobre la gesti�n y el control del sistema de inyecci�n electr�nica riel com�n, su l�gica y caracter�sticas principales en los motores di�sel.

La evoluci�n de la gesti�n del sistema de inyecci�n depende del comportamiento, prestaciones y emisiones regidas por las normas contaminantes locales o internacionales para su calibraci�n de software del motor de acuerdo con la gama y requerimiento del mercado, con el fin proteger a partir de los limites mec�nicos, electr�nicos y encontrar la eficiencia del motor.

El control de la inyecci�n electr�nica del motor, debe ser capaz de mejorar el rendimiento del motor, la combusti�n y controlar las emisiones de los motores de encendido por compresi�n, la tecnolog�a de inyecci�n directa riel comun ofrece posibilidades ilimitadas al controlar los par�metros de inyecci�n de combustible, ya que estos sistemas son bastante complejos y utilizan una gran cantidad de sensores, hardware y circuitos que precisan el requerimiento de flexibilizaci�n de los motores.

 

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